Aplicações Objeto de Aprendizagem

Aplicações
Objeto de Aprendizagem:
O espocar do flash
NOA/UFPB
Um Vapt-Vupt Energético
Vamos nos ligar no mundo invisível da Física que permeia o visível do flash eletrônico da
máquina fotográfica.
Como marco inicial, considere a idéia de armazenar eletricidade em uma garrafa. Como isto
é possível ?
Na metade do século XVIII Von Kleist (Polônia) e Pieter
Van Musschenbroek (Holanda – Universidade de Leyden) carregaram parcialmente de eletricidade uma garrafa de material isolante revestida interna e externamente por duas armaduras metálicas, com o auxílio de uma máquina eletrostática.
Fig 1. - Garrafa de Leyden
Ampliando o conceito de armazenar:
Hoje em dia, o dispositivo que tem a função de armazenar energia elétrica (e portanto cargas
elétricas) é denominado capacitor.
O conjunto de dois condutores é denominado placa
e o isolante é chamado de dielétrico (podendo ser ar,
vácuo, óleo). A carga de um capacitor é o módulo da
carga de suas armaduras. A capacidade eletrostática de
um capacitor (capacitância) é a razão entre a carga elétrica(q) e a diferença de potencial(V) entre as armaduFig. 2. - Capacitor de placas paralelas
ras.
Um enfoque das características básicas deste dispositivo tão amplamente utilizado no mundo
tecnológico pode ser descrita conforme um modelo simplificado, mas que possibilita o entendimento dos conceitos da Física que estruturam o fenômeno. Um capacitor consiste em um dispositivo,
constituído por dois condutores que estão próximos um do outro, porém, isolados.
O conceito de capacitância estabelece uma relação linear entre Q e
V (Q = CV} Q = carga e V = ddp e C = capacitância) o que possibilita
construir um gráfico Q x V, cuja área abaixo da curva é numericamente
igual a energia armazenada no capacitor.
A ≅ V = ½ Q2/C = QV/2 = CV2/ 2
Fig. 3 - Gráfico QxV
Quando uma fonte externa de energia elétrica (por exemplo, uma pilha ou bateria) é ligada,
as placas do capacitor realizam um trabalho ao transferir portadores de carga (podendo ser elétrons)
de uma placa para outra, elevando a energia potencial elétrica destes (o produto do potencial elétrico pela carga elétrica de uma partícula é definido como sua energia potencial elétrica). Portanto,
armazenar energia no capacitor está intimamente ligado a armazenar energia elétrica no mesmo em
conjunção com as funções do circuito elétrico. Essa energia armazenada nos portadores de carga
constitui a energia elétrica armazenada no capacitor, podendo ser utilizada em várias situações.
O espocar do flash eletrônico – uma transformação súbita de energia
Dentre o vasto universo de utilização da energia armazenada em um capacitor podemos citar
o uso do flash eletrônico nas máquinas fotográficas. Daremos destaque de uma forma simplificada
para o tempo de carga e descarga deste dispositivo.
Um diagrama esquemático (simplificado) do circuito elétrico que compõe o flash eletrônico
de uma máquina fotográfica é o descrito a seguir:
Fig. 4 - Circuito simplificado para o flash eletrônico na Animação Interativa
Do texto ao contexto
Dentro das funcionalidades de um capacitor podemos destacar a sua possibilidade de armazenar certa quantidade de energia que poderá ser utilizada no espocar do flash eletrônico.
Como isto é possível? Você vai precisar:
Fig. 5 – Circuito simplificado contendo os dispositivos utilizados: V – bateria; R – resistor; C –
capacitor; F – lâmpada de xenônio.
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►Carregando o capacitor
Fig. 6b - Fechando a chave, o fluxo de carga
Fig. 6a - Capacitor descarregado e conectado a
indica transferência de energia elétrica da bateuma bateria elétrica, a chave do circuito está
ria para o capacitor
aberta
Atente para o fato que desde que a bateria foi ligada, a diferença de potencial aumenta na
mesma proporção que a carga armazenada em cada placa do capacitor.
Cálculos mais avançados identificam um crescimento
exponencial da carga com o tempo podendo ser visto
no gráfico qxt, onde Q = CV.
Fig. 7 - Gráfico Q x t
► Descarregando o capacitor
Quando a chave passa para a nova posição o capacitor se descarrega, de modo que a lâmpada do flash é percorrida por uma corrente elétrica de grande intensidade e muito rápida. O que proporciona uma luz de brilho intenso e momentâneo na forma do espocar do flash eletrônico.
Fig. 8 – Espocar do flash eletrônico no momento da descarga do capacitor
Cálculos avançados permitem obter uma expressão tanto para a corrente, como para carga
com relação ao tempo no funcionamento de descarga do capacitor. Estas expressões mostram que a
carga no capacitor e a corrente decrescem exponencialmente a uma taxa caracterizada pela constante de tempo (τ = RC).
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Os gráficos ao lado nos permitem identificar a
relação temporal da (corrente (i) e carga (q) no
tempo de descarga de um capacitor. Observe que
tanto i quanto q tendem a zero assintoticamente
Fig. 9 - Gráficos i x t e Q x t para descarga do
capacitor
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