Para feiras de ciências, um trabalho que, além de ensinar conceitos da ciências o fazem de maneira que seja a mais atraente possível são os que fazem mais sucesso. Descrevemos nesse artigo um que pela sua abordagem certamente fará muito sucesso e até levantará polêmicas com discussões muito interessantes. Já mostramos como dar choques com a energia solar. Agora temos algo que certamente fazer o público “pirar”.
Como extrair energia de uma pedra de gelo e fazer com essa energia dê choques nas pessoas? Se você acha isso impossível, veja antes este artigo em que temos um excelente tema para uma exposição tecnológica ou para um trabalho escolar.
Fizemos um interessante artigo chamado “Aerobarco movido a Gelo” em que ensinamos a converter a energia do frio em energia elétrica, utilizando-a para movimentar um pequeno motor numa emocionante competição que pode ser proposta em escolas e em comunidades makers.
Esse projeto saiu na Mecatrônica Jovem número 2 – Veículos elétricos Revista Mecatrônica Jovem - Edição 2 - Veículos Elétricos.
Pois bem, o que propomos com este artigo é um novo desafio: tirar de uma pedra de gelo energia suficiente para carregar um capacitor e dar choques nas pessoas.
É claro que não se trata de uma brincadeira, mas algo sério que você pode implementar na prática e usar em feiras e demonstrações que certamente atrairão a atenção das pessoas. Trata-se de um excelente tema para exposições tecnológicas, pois todos desejarão saber como é possível.
Vejamos então como podemos tirar energia elétrica de uma pedra do gelo, suficiente para dar choques.
Tirando energia do gelo
A ideia é usar uma pastilha de efeito Peltier para converter um fluxo de calor em energia elétrica. Como isso é feito?
Peltier notou que se uma corrente passar através de uma pastilha com uma junção de materiais semicondutores, o calor é retirado de uma das faces e enviado para a outra. Assim, um lado esfria e o outro esquenta. Essas pastilhas podem então ser usadas em pequenas geladeiras e para refrigerar chips eletrônicos.
Mas, Seebeck também descobriu que o efeito oposto se manifesta. Se esfriarmos um lado ou esquentarmos o outro, de modo que haja uma diferença de temperatura e o calor possa fluir entre eles, uma corrente elétrica é gerada.
Assim, podemos obter energia elétrica onde quer que haja um fluxo de calor.
O normal seria obtermos energia de um corpo aquecido, pois ele dissiparia o calor passando-o através da pastilha e dissipando no ar. Mas, podemos fazer o inverso.
Se em lugar de esquentarmos lado, o esfriamos de modo que o calor do lado mais quente flua para ele teremos o que se chama de um gradiente térmico. Desta forma a energia é gerada da mesma forma e aí entra em ação o gelo!
Colocando gelo de um lado, o calor logo começa a fluir do lado que está em contacto com o meio ambiente (mais quente), para derretê-lo e nesse processo temos energia elétrica. Do ponto de vista da física podemos dizer que o gelo contém “energia térmica negativa” em relação ao ambiente que tem “energia térmica nula” (ou positiva). Assim, o fluxo de calor é do ambiente para o gelo e nesse processo a energia negativa do gelo é convertida em eletricidade, ou seja, a energia térmica é fornecida no processo pelo ar ambiente.
E na prática como fazemos isso.
Basta colocar a pastilha Peltier sobre um objeto de metal que possa ajudar a colher o calor do ar ambiente e sobre a pastilha uma pequena caneca de alumínio ou dissipador de calor onde colocaremos a pedra de gelo, conforme mostra a figura 2.
A pastilha Peltier é do tipo que pode ser comprado na Internet.
Esta pastilha tem um rendimento suficiente para o que desejamos, fornecendo alguns volts sob corrente que chega aos 200 mA quando colocada no arranjo que propomos. Fizemos testes com tipos diferentes e verificamos que todas têm o mesmo rendimento.
O experimento
Montamos então o circuito mostrado na figura 4 que consiste no gerador Peltier (Seebeck), num capacitor eletrolítico de 1500 uF a 4700 uF e um transformador pequeno de primário de 110 ou 220 V e secundário de 5 a 6 V com corrente de 50 a 200 mA.
Se o leitor quiser monitorar a carga do capacitor pode usar um multímetro comum.
Material:
B1 – Gerador com 1 pastilha Peltier
1 radiador de calor (obtido de um cooler de computador)
1 capacitor eletrolítico de 1 500 uF a 4 700 uF
1 transformador (ver texto)
Monte o arranjo mostrado na figura 4.
Coloque uma pedrinha de gelo sobre a pastilha Peltier. Você pode ligar um multímetro na escala de tensões mais baixa e monitorar a produção de energia. Ligue os fios no capacitor para que ele se carregue. Observe a polaridade na conexão. Deixe-o carregando desta forma por pelo menos 2 minutos ou até que a tensão se estabilize em pelo menos 3 V.
Uma vez carregado desligue o capacitor, mantendo seus terminais separados (se um terminal encostar no outro o capacitor se descarrega). Peça para alguém segurar nos terminais de alta tensão do transformador (primário). Descarregue o capacitor encostando seus terminais nos fios do enrolamento de baixa tensão do transformador.
Deve ocorrer um estalo e a pessoa que estiver segurando nos fios, leva um pequeno choque. Se não quiser arriscar com o choque, ligue nos fios uma lâmpada neon ou uma pequena fluorescente.
Use esse procedimento para a demonstração.
Se quiser dar choque em um grupo de pessoas, faça-as formar uma roda e as que estão na extremidade seguram os fios, conforme mostra a figura 3.
Ao contrário do que se possa pensar, não são as pessoas extremas que tomam o maior choque, mostrando assim uma propriedade importante (demonstrada em lições do curso), que em todos os pontos de um circuito fechado a intensidade da corrente é a mesma.
Uma demonstração interessante é mostrar que, com a energia do gelo você acende uma lâmpada fluorescente.
O funcionamento resumido
A energia gerada pela absorção do calor pelo gelo, que o faz derreter é convertida em eletricidade pela pastilha de efeito Peltier.
Com a corrente elétrica gerada carregamos um capacitor eletrolítico. Explique como funciona um capacitor.
Uma vez carregado, temos a descarga de baixa tensão com a energia acumulada no primário de um transformador. Precisamos do transformador, pois a baixa tensão não causa choques.
O transformador converte então o pulso de descarga de baixa tensão num pulso de alta tensão (alta, mas inofensiva). Esse pulso faz circular uma corrente pela(s) pessoa(s) que estão em seu circuito, causando um choque.
O capacitor descarrega. Para um novo choque, precisamos carregá-lo novamente repetindo o procedimento.
A apresentação, o trabalho – Temas transversais
Fontes alternativas de energia, fontes não poluentes, como a energia solar e a energia térmica são temas muito importantes para discussão em sala de aula e para motivar trabalhos.
Neste projeto temos justamente o emprego da energia térmica que pode servir de base para a elaboração da parte escrita (relatório) e que pode ser feito em diversos níveis.
Para o ensino fundamental:
- Pesquisar o uso da energia térmica (geotérmica e outras)
- Explicar como funcionam os geradores Peltier (Seebeck)
- Tratar de outras fontes alternativas
Para o ensino médio:
- Analisar o funcionamento das junções térmicas
- Calcular a energia armazenada no capacitor
- Explicar o funcionamento do transformador
- Tratar de fontes alternativas e smart grid e fazendas de energia
Para o ensino superior:
- Analisar o efeito Peltier e Seebeck)
- Calcular a energia armazenada no capacitor e o tempo de fornecimento a uma carga de consumo.
- Analisar a possibilidade de uso da energia armazenada em supercapacitores
- Analisar o uso do processo de fornecimento alternativo em smartgrids e fazendas de energia.
Recursos auxiliares para a demonstração
- Cartaz mostrando o funcionamento
- Usar multímetro ou um pequeno motor para mostrar a geração de energia pelo gelo
- Gerar mais energia com duas ou mais pastilhas
- Desafio: mostre como a energia de uma pedra de gelo pode ser calculada.
