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Lâmpada Fluorescente
1.2 – Fato ocorrido
O aparelho (gerador de vandergraf ) em funcionamento produz carga estática, e essa carga é distribuída para a parte externa da esfera do gerador. Com a aproximação de uma lâmpada fluorescente a carga concentrada no exterior da esfera eletrizada é transferida para os pólos da lâmpada estão próximas à esfera passando uma corrente elétrica estática para a lâmpada fluorescente. Com a Mao segurada na lâmpada ela serve como aterramento, sendo assim aparecendo uns clarões, porque o gerador utilizado é de baixa potencia elétrica. Se fosse de maior potencia, certamente a lâmpada iria ficar acesa.
1.3 - Funcionamento
Circuito de uma lâmpada fluorescente A: Tubo Fluorescente, B: Energia eléctrica (+220 Volts), C: Arrancador, D: Interruptor (Termostato Bi-metálico), E: Capacitor/ Condensador, F: Filamentos, G: Balastro)
Arrancador de lâmpada fluorescente (relé térmico automático) As lâmpadas fluorescentes funcionam de modo semelhante aos tubos de descarga de gás néon, possuem um par de elétrodos em cada extremo. O tubo de vidro é coberto com um material à base de fósforo, este, quando excitado com radiação ultravioleta gerada pela ionização dos gases produz luz visível. Internamente são carregadas com gases inertes a baixa pressão, as mais comuns utilizam o árgon. Além da cobertura de fósforo, existem eletrodos em forma de filamentos nas suas extremidades. Sua função é pré- aquecer seu interior para reduzir a tensão eletrica necessária à ionização, dando a partida no processo de bombardeamento por iões (português europeu)^ ou íons (português brasileiro) positivos dos gases no interior do tubo.
Quando a composição interna for a base de vapor de mercúrio, portanto não condutiva, deve ser aplicado um gradiente de tensão de algumas centenas de volts ao mesmo tempo que as extremidades são aquecidas. Acontecendo a descarga iónica, portanto a emissão de luz U.V. e esta excitando o fósforo da parede do tubo de vidro, não há mais necessidade de alta tensão entre os extremos do tubo, sendo reduzida para menos de 100 V, no caso de lâmpadas de baixa potência e no máximo 175 V em caso de lâmpadas de alta potência.
A intensidade de corrente eletrica que passa através dos gases de baixa pressão emite grande quantidade de radiação U.V. no comprimento de onda de emissão do vapor de mercúrio. Esta é convertida em luz visível pela camada de fósforo que, dependendo da mistura aplicada, dará a tonalidade da coloração emitida.
Uma lâmpada fluorescente, para funcionar, precisa de dois acessórios extra: O Arrancador (português europeu)^ ou Starter (português brasileiro)^ (que não é mais do que um relé térmico bi-estável) e o Balastro (português europeu)^ ou Reator (português brasileiro)^ (que é uma bobina para gerar a alta tensão necessária ao arranque e controlar a corrente consumida pela lâmpada). O arrancador, só funcionam no acto da ignição da lâmpada, ficando todo o resto do tempo desligado. Até pode ser retirado do circuito, que a lâmpada permanece acesa
1.4 - Durabilidade
Além de serem de duas a quatro vezes mais eficientes em relação às lâmpadas incandescentes, as fluorescentes chegam a ter vida útil acima de dez mil horas de uso, chegando normalmente à marca de vinte mil horas de uso, contra a durabilidade normal de mil horas das incandescentes.
1.5 - Radiaçao
As lampâdas têm um gás de chumbo que quando excitado pela corrente elétrica emitem radiação ultravioleta, a radiação ultravioleta incide no pó branco (que é fósforo) e o fósforo emite luz visível. Ou seja, a lampâda emite radiação UV que todos sabemos envelhece a pele. Mas a quantidade de radiação emitida pela lampâda é insignificante se você compara com a radiação que você toma do sol. Portanto, vamos deixar de alarme. A radiação ultravioleta transforma a pro vitamina D em vitamina D, ou seja, sem ela também não sobrevivemos.
1.6 - Lâmpadas Fluorescentes
No interior de uma lâmpada fluorescente ocorrem fenômenos físicos muito interessantes. Aprendemos na escola que a matéria pode se apresentar em três estados físicos, a saber, sólido, liquido e gasoso. Entretanto, existe um quarto estado da matéria que ocorre quando ela se transforma numa mistura de íons e elétrons livres, justamente como no interior de uma lâmpada fluorescente acesa. Analisemos melhor este fenômeno partindo da ilustração abaixo. No interior de um tubo temos dois eletrodos e um gás sob baixa pressão. Se nos eletrodos for aplicada uma tensão suficientemente alta, acompanhada de uma componente de alta freqüência, os átomos do gás são excitados a ponto de perderem parte de seus elétrons. Temos então a formação de íons (átomos dotados de carga global positiva/negativa resultante da perda/captação de elétrons) e elétrons livres. A tendência dos elétrons é dirigirem-se em sentido ao eletrodo que esteja carregado positivamente, ou seja, o anodo, enquanto que os íons dotados de cargas positivas dirigem-se em sentido ao eletrodo carregado negativamente (denominado catodo).
Quando um íon é atraído para o catodo, o im ocorre provoca a liberação de elétrons. Esse contribuem para a excitação de novos átomos, assim novos pares elétrons/ío Quando um elétron incide no anodo ele tam impacto, provoca a liberação de novos elétrons rios) que aceleram o processo de ionização. N como o anodo está carregado positivamente parte dos elétrons liberados é atraída e re Usando eletrodos aquecidos (filamentos) pode- a emissão dos elétrons e conseqüentemente o de ionização, como ocorre nas lâmpadas fluo comuns. Observe que a corrente que circula no interior formada por portadores de cargas negativos livres) e positivos (tons do Nestas condições a mistura no interior do tubo por elétrons livres e íons corresponde denominamos "plasma".
"abre" e toda a corrente que circula pela lâmpada é suficiente para mantê-la em condução, com uma elevada ionização. Os próprios filamentos (que funcionam como anodo e catodo) não precisam mais ser aquecidos pela corrente para liberarem pares adicionais elétrons/íons sendo "desligados" no processo de desativação do starter.
Todo starter para lâmpadas fluorescentes tem no interior uma lâmina bimetálica e uma pequena quantidade de gás néon. Quando se aplica os iniciais 110V a condução gasosa pelo néon inicia (a tensão mínima de ionização do néon é cerca de 80V); essa corrente passando pelo bimetal o aquece (efeito Joule), ele enverga e encosta no outro terminal, fechando o circuito para o filamento da lâmpada fluorescente. O filamento vai ao rubro, emitindo elétrons (efeito Edson). Quando o bimetal esfria ele abre os contatos dentro do starter e nessa fase ocorre a auto-indução no reator elevando a tensão para cerca de 450V e, com isso, iniciando a ignição da lâmpada. Com a corrente principal estabelecida, a tensão entre terminais da lâmpada fluorescente e starter (circuito paralelo) cai abaixo dos 80V. A lâmpada permanece acesa mas, o néon do starter não conduz, o filamento permanece desligado.
Veja que a abertura e o fechamento do starter no momento do acendimento não é só importante para gerar a tensão elevada que dá inicio ao processo de ionização. Para que este processo ocorra é preciso haver também uma certa componente de alta freqüência; dai o fato dos sistemas de iluminação fluorescente gerarem um bom ruído neste momento.
A emissão da radiação ocorre em função do tipo de gás que existe no interior do tubo, de sua pressão e, também, de outros fatores secundários (como a temperatura, a presença de campos magnéticos etc.). Para as lâmpadas comuns, temos uma mistura de alguns gases nobres como o neônio, argônio, hélio etc.) sob pressão levemente inferior à atmosférica. Com o tempo, por deficiências naturais de vedação, o ar pode entrar e, com isso, a alteração da pressão fará com que, cada vez mais, torne-se difícil ocorrer a ionização com a tensão disponível. Isso explica porque as lâmpadas velhas piscam, piscam e não acendem.
Quando a ionização ocorre os átomos são excita modo que seus elétrons passam para níveis de mais altos. A volta desses elétrons aos níveis o é acompanhada da emissão de r eletromagnética. Esta radiação se espalh espectro, ocupando diversas faixas estreitas, co se vê na ilustração. No geral, estas faixas com resultam em uma boa quantidade de radiação concentra principalmente na parte ultraviol espectro. Assim, se usarmos tubos de quartzo para lâmpadas (que são transparentes ao ultra poderemos aproveitar essa radiação em d outras aplicações (apagamento de memórias d para computadores, germicidas, cinescópios de etc.).
No entanto, se quisermos luz para iluminar um ambiente, precisamos converter esta radiação para a gama visível do espectro eletromagnético. Isso se consegue através do revestimento da parede interna do tubo com um ‘pó’ que, ao ser excitado pela radiação ultravioleta passa a emitir luz branca.
A “cor da lâmpada fluorescente”, portanto, ‘não vem lá de dentro’ e é sim, determinada pela composição química desse ‘pó’. Uma crença comum entre as pessoas é que esse gás do interior dessas lâmpadas é venenoso e que por isso o ferimento provocado pelo seu vidro demora a cicatrizar. O perigoso, em caso de um corte, é justamente o pó que reveste o vidro do tubo. Análise técnica e trabalho experimental a) circuito com reator convencional Num primeiro instante, tudo 'frio', o interruptor é ligado. O starter, como sabemos, é uma pequena lâmpada néon cujo potencial de ionização é cerca de 80 V, contendo no seu interior um interruptor feito de lâmina bimetálica na condição de normalmente aberto. A tensão aplicada entre os terminais desse interruptor, nesse instante exatamente igual á tensão da rede elétrica, é suficiente para ionizar o gás que envolve esse interruptor (a lâmpada néon 'acende') e, assim, a intensidade de corrente que passa a circular pelo circuito série todo (reator + filamentos + gás néon) é bem baixa (de 5 a 10 mA) devido á presença de um condutor gasoso (gás néon ionizado) na série. Apesar de pouco intensa essa corrente é suficiente para aquecer a lâmina bimetálica, a qual verga e fecha o circuito, eliminando o condutor gasoso da série. Agora a corrente, apenas limitada pela alta reatância indutiva do reator, inicia o aquecimento dos filamentos. Esse aquecimento ao rubro propicia a emissão de elétrons do filamento (efeito Edson) para o gás no interior da lâmpada fluorescente toda. Mas, como os contatos dentro da pequena néon estão fechados (lâmpada néon apagada) e não há mais corrente através do gás, a lâmina bimetálica esfria, verga em sentido oposto e abre o circuito série interrompendo bruscamente a corrente elétrica. O colapso do campo magnético no reator gera, por indução, um elevado pulso de tensão que adicionado á tensão da rede (pois o interruptor geral está fechado) é aplicada á lâmpada fluorescente. Esse processo se repete ( normalmente duas ou três vezes, com lâmpadas e starters novos), até que o pico de tensão seja suficiente para ionizar o gás da lâmpada longa. Nesse instante, a tensão sobre os terminais da lâmpada néon cai rapidamente para uns 40 V, que é insuficiente para a ignição do starter. O processo se estabiliza, a lâmpada longa permanece acesa, até que desliguemos o interruptor geral. O reator está ali para limitar a corrente que circula através da lâmpada (lembre-se, a resistência do gás ionizado, com o acréscimo constante de elétrons vindos dos filamentos, tende a zero) e, além disso, mantém a corrente e a tensão defasadas. Para bem entender esse papel do reator, basta trocá-lo por uma lâmpada de 100 W, e ver que é muito difícil fazer a lâmpada fluorescente acender em 127 VAC. Em 220 VAC, dada a tensão mais alta, o acendimento ocorrerá (e é por isso, que as lâmpadas ditas mistas, que contém uma lâmpada incandescente e uma de vapor de mercúrio na mesma ampola, só funcionam em 220 V). Esse é um experimento recomendável para as Salas de Aula; montar uma lâmpada fluorescente com seu circuito todo bem visível (utilize uma prancheta vertical e grossos fios de cobre para a fiação) e uma chave comutadora que permita trocar, rapidamente, o reator por uma lâmpada incandescente.
que uma descoberta seja feita no momento em que poderia ser mais útil para nossa compreensão dos fatos; em geral ela só é realizada depois que o desenvolvimento tecnológico já criou os meios de se efetuar as medidas necessárias.
Neste texto, destacaremos apenas um conjunto de observações sobre as novas descobertas, dos três que revelam características estranhas e incomuns do mundo atômico. Esse primeiro conjunto engloba as descobertas dos estados quânticos do átomo (o segundo diz respeito à natureza quântica da luz, e o terceiro , às propriedades ondulatórias das partículas materiais).
Estados quânticos do átomo
Em 1913, James Franck e Gustav Hertz realizaram uma série de experiências nas quais tentaram modificar as órbitas planetárias dos elétrons no átomo. Eles raciocinaram da seguinte maneira: o átomo parece resistir a qualquer modificação das órbitas eletrônicas; tentemos modificar "à força" essas órbitas para vermos de que maneira e até que ponto o átomo pode resistir. Uma hipótese aceitável, no modelo do sistema planetário, leva a crer que as órbitas dos planetas sejam modificadas se uma estrela passasse perto de nosso sistema solar. Franck e Hertz planejaram uma experiência que corresponderia, no mundo atômico, a um cataclismo solar daquele tipo.
Em termos simples, a experiência foi a seguinte: temos um recipiente cheio com um gás de átomos - por exemplo, átomos de sódio ou hidrogênio. Fazemos passar através do gás um feixe estreito de elétrons. Como os elétrons exercem intensa ação elétrica uns sobre os outros, esperamos que um feixe de elétrons que passe perto de um átomo exerça uma influência sobre os elétrons orbitais do átomo e modifique suas órbitas, da mesma maneira que a estrela modificaria a órbita da terra.
Esta ilustração dá uma idéia geral de uma experiência para medir as variações de energia sofridas por elétrons quando colidem com átomos de um gás. Os elétrons saem de um emissor de elétrons, são acelerados por uma diferença de potencial e penetram na câmara central, com energia conhecida. Nessa câmara, atravessam uma amostra de gás (vapor de mercúrio). A energia que lhes resta depois das colisões é medida na câmara da direita.
Não podemos olhar diretamente as órbitas eletrônicas para verificar se foram modificadas, mas podemos descobrir indiretamente o que aconteceu. Fazemos com que todos os elétrons do feixe tenham exatamente a mesma velocidade quando penetram no gás. Qualquer modificação que os elétrons produzam nos átomos estará associada com uma modificação na sua própria velocidade. Essa previsão é conseqüência da lei da conservação da energia. É necessário energia para alterar a órbita de um elétron num átomo; portanto, se a órbita for modificada por um elétron que passa por perto, esse elétron deverá perder alguma energia. Velocidade é energia; portanto, a velocidade do elétron será reduzida e essa redução pode ser observada quando o feixe sai do outro lado do recipiente que contém o gás. O mesmo aconteceria se uma estrela passasse pelo nosso sistema solar. Sua passagem daria um empurrão na Terra, aumentando a energia da Terra e diminuindo a energia da estrela.
O que deveríamos esperar, baseado no ‘modelo planetário'? Haveria todos os tipos de modificações de órbitas, pequenos e grandes, dependendo de quão próximo do átomo houvesse passado o elétron. Deveríamos esperar todos os valores de perdas de energia (ou, às vezes, ganho) a partir de zero; a perda média deveria ser menor quando o feixe atravessasse um gás mais rarefeito, pois, nesse caso haveria menor número de passagens próximas a átomos. Entretanto, os fatos observados foram completamente diferentes. Quando a energia dos elétrons era menor do que um certo mínimo, não se observava variação alguma na velocidade. Essa energia mínima era bastante alta --- mais que cem vezes maior do que a energia térmica de elétrons em temperaturas habituais. Quando a energia era maior do que esse mínimo, os elétrons perdiam certas quantidades especificas de energia ou nenhuma energia. Essas quantidades específicas e também a energia mínima são características do tipo de átomo do gás; não dependem da densidade do gás nem de nenhuma outra circunstância externa.
O que pode significar esse estranho resultado? Ele nos diz que não podemos modificar as órbitas dos elétrons no átomo de maneira arbitrária. Ou elas não mudam, ou sofrem alterações especificas e bastante grandes de energia. Nesse ponto, entra o conceito de "quantum" de energia. A energia pode ser fornecida a um átomo apenas em "quanta'' característicos - nem mais, nem menos. 'Tudo se passa' como se o átomo aceitasse energia apenas em bocados predeterminados. Não aceita uma pequena porção, mas apenas o bocado completo. Cada átomo só pode aceitar bocados de energia característicos. Se oferecermos menos, o átomo absolutamente não reage. Reage (muda o seu estado) apenas se lhe oferecemos a quantidade necessária.
Essa situação é, certamente, estranha a nossa imagem de um sistema planetário. Uma estrela que passe pode fornecer qualquer quantidade de energia à Terra. Quanto maior for a distância de passagem, menor será a quantidade de energia transferida. Mas o resultado dessa experiência não é tão surpreendente em vista do que já sabemos acerca do átomo. Ele mostra que o estado do átomo tem uma estabilidade intrínseca. Impactos fracos não podem modificá-lo; para consegui-lo é preciso uma grande quantidade de energia. Deve haver alguma coisa que conserva o átomo em seu estado normal característico, e essa alguma coisa só pode ser vencida por grandes energias.
Esse fato não poderia estar relacionado com o fenômeno que dá origem à especificidade dos átomos e que força sempre os elétrons para a configuração característica de cada tipo especial de átomo? Nesse ponto, precisamos ser mais quantitativos. Qual é a energia mínima necessária para modificar o estado de um átomo'? Façamos, agora, uma pequena pausa na discussão, para saber como são expressas as energias nos problemas atômicos. Medimos a energia de partículas atômicas com uma unidade chamada "elétron-volt", símbolo "eV". Definição do elétron-volt: é a quantidade de energia que um elétron (devido à sua carga elétrica) recebe/cede ao passar de um ponto a outro, cuja diferença de potencial elétrico é de 1 volt (U = 1V). Essa unidade substitui o "joule" (J) nas interações atômicas. Vamos dar um pincelada nisso, em forma de perguntas (P) e respostas (R).
Os elétrons não saltam de um terminal da tomada para o outro devido ao meio (ar) ser um mau condutor de corrente elétrica mas, se aproximarmos suficientemente um terminal do outro, os elétrons vencerão essa dificuldade, saltando. Observamos esse fenômeno sob a forma de uma faísca.
O elétron-volt é uma unidade de energia conveniente para nossos problemas. Por exemplo, no ar, á temperatura ambiente, as moléculas voam em todas as direções com energia cinética média de 1/30 de elétron-volt. Essa é a energia média por átomo de qualquer tipo para o movimento térmico á temperatura ambiente; é, por exemplo, a energia das oscilações térmicas irregulares que os átomos efetuam num pedaço de metal, aquelas que causam a fusão a temperaturas mais elevadas, quando as forças que mantêm os átomos no lugar são sobrepujadas.
Voltemos agora às experiências de Franck e Hertz, nas quais energia é transmitida a átomos por meio de um feixe de elétrons. Verificou-se que a energia limiar de um átomo de sódio --- isto é, a energia mínima que ele é capaz de receber e adicionar ao seu conteúdo de energia --- é de 2,1 elétron- volts; no átomo de hidrogênio, essa energia mínima chega a 10 elétron-volts. São energias muito mais altas do que as energias do movimento térmico à temperatura ambiente. Imediatamente ligamos esse fato àquele outro de que os átomos de um gás á temperatura ambiente conservam sua identidade e não são modificados apesar das muitas colisões sofridas. A energia dessas colisões está bem abaixo da energia limiar, isto é, abaixo do menor quantum de energia que o átomo pode aceitar. Portanto, as experiências de Franck- Hertz mostraram, à sua maneira, a surpreendente estabilidade dos átomos, dando a ela um aspecto quantitativo. O átomo permanece inalterado e estável enquanto os impactos recebidos são menos energéticos do que uma energia limiar bem definida, e essa energia tem um valor característico para cada elemento. Sem dúvida, Franck e Hertz "mediram" a estabilidade atômica. Os resultados das experiências de Franck.Hertz. vão ainda além. Elas nos informam não apenas da quantidade mínima de energia que os átomos aceitam, mas nos dão a série completa de valores específicos da energia que o átomo é capaz de aceitar. Apenas esses valores podem ser fornecidos ao átomo; ele rejeita qualquer coisa que fique entre esses valores.
Por exemplo, o átomo de hidrogênio aceita apenas as s quantidades: 10 eV, 12 eV, 12,5 eV e 12,9 eV, e valores mais ele mais próximos uns dos outros. O átomo de sódio, por exemplo, aceita somente 2,1eV, 3,18 eV 3,75 eV, etc. A ilustração ao lado é uma representação gráfica dessas energi o hidrogênio. Cada energia corresponde a um certo est movimento do elétron no átomo. Portanto, cada linha represe estado particular que o átomo pode assumir.
Ao que parece, todos os outros estados situados entre esses são proibidos. Os estados permitidos são chamados estados quânticos. O estado de mais baixa energia é o estado fundamental; é nesse estado que o átomo está geralmente; os outros são chamados estados excitados. A energia limiar é a diferença entre a energia do primeiro estado excitado e o estado fundamental. Esses estados foram destacados para o plasma da lâmpada fluorescente no texto inicial.
Estes fatos estão em contraste agudo com o que esperamos a partir do comportamento do modelo planetário. Por que a energia dos elétrons dentro do átomo seria quantizada? O que nos impede de acrescentar uma quantidade arbitrariamente pequena de energia a um átomo? Se compararmos a energia de um átomo a uma conta bancária, tudo se passa como se o banco só permitisse a retirada e o depósito de determinadas quantias, de maneira a manter a conta em certos valores predeterminados.
Consideremos agora mais detalhadamente os diferentes estados quânticos. Em geral designamos a série de valores permitidos para a energia como o "espectro" do átomo. O espectros da ilustração acima (para o hidrogênio), assim como outros (não ilustrados), revelam uma propriedade geral muito importante dos estados quânticos: quanto mais alto é o valor da energia acima do estado fundamental, menor é o intervalo entre os estados quânticos (repare isso, na ilustração). Essa é uma propriedade observada em todos os sistemas atômicos; para grandes energias de excitação, os estados quânticos tornam-se tão próximos uns dos outros que praticamente se confundem. Para energias elevadas, os efeitos quânticos desaparecem. O átomo pode ser, então, afetado por qualquer quantidade de energia, como um sistema planetário comum o seria. Tudo se passa como se as estranhas regras a respeito da conta bancária fossem abandonadas para contas muito altas, pois os depósitos e retiradas permitidos tornam-se cada vez menores para grandes contas. Verificou-se que esse fato é de importância muito mais fundamental do que parece. Atualmente sabemos que, se introduzimos grandes energias nos átomos, eles se comportam como sistemas planetários. Essas condições podem ser realizadas em temperaturas extremamente altas, que podem ser produzidas por meio de fortes descargas elétricas em gases. Nessas condições, o gás forma o chamado "plasma",(e voltamos à lâmpada fluorescente) e os átomos perdem suas propriedades características. Um plasma de neônio gasoso, no qual cada átomo tem 10 elétrons, tem as mesmas propriedades que um plasma de sódio gasoso, no qual cada átomo tem 11 elétrons. Não há mais órbitas eletrônicas selecionadas; não há mais radiação característica. Reina o caos no plasma; é um caos de temperaturas extremamente elevadas, raramente encontrado na Terra, exceto quando produzido em nossos laboratórios. Entretanto, no espaço cósmico, esse estado é encontrado nos gases expelidos pelo Sol e por outras estrelas quentes. No plasma, desaparecem todas as características de ordem pelas quais distinguimos um átomo de outro. À ordem e a diferenciação ocorrem apenas quando os átomos estão em seus estados de baixa energia, os quais estão afastados uns dos outros na escala de energia. Nesses estados (baixa energia), encontramos a estabilidade que conduz a formas e órbitas especificas e, conseqüentemente, a propriedades químicas e físicas especificas. Para energias elevadas, todas essas características desaparecem. Tenhamos presentes, entretanto, que foram as propriedades características de 'baixas' energias que definiram nossas concepções. O comportamento caótico dos átomos em energias elevadas é exatamente o
embalagem do produto pelos fabricantes/importadores. Nas marcas analisadas, esse tempo variou de 5.000 a 10.000 horas.
A Norma não estabelece nenhum parâmetro relacionado à vida útil deste tipo de lâmpada.
Ao término do ensaio verificou-se que muitas das lâmpadas queimaram e que, em alguns casos, o índice de queima atingiu 90%.
Das 11 (onze) marcas analisadas, apenas quatro não tiveram nenhuma das suas lâmpadas queimadas durante o ensaio.
2.5 - Radiações de uma lâmpada néon
A idéia por trás da lâmpada de néon é simples. Dentro do tubo de vidro, há uma gás como neônio, argônio ou criptônio a uma pressão muito baixa. Nas duas pontas do tubo há eletrodos de metal. Quando você aplica alta tensão nos eletrodos, o gás neônio se ioniza e os elétrons passam através do gás. Esses elétrons excitam os átomos do gás neônio e fazem com que eles emitam a luz que podemos ver. O neônio emite luz vermelha quando energizado dessa forma. Outros gases emitem outras cores.
2.6 - Lâmpada Néon
Uma lâmpada de néon é uma lâmpada de descarga em gás que contém sobretudo néon a baixa pressão. O termo é por vezes usado para dispositivos semelhantes que contêm outros gases nobres, habitualmente para produzir cores diferentes. A lâmpada de néon foi inventada pelo inventor norte-americano e engenheiro elétrico Daniel McFarlan Moore (1869 – Nova Jersey, 1933). Lâmpada de néon: Produzindo energia elétrica usando o atrito Alguns livros (que, infelizmente, ainda não passaram pela censura do MEC) falam em dois tipos de ‘eletricidade’: a eletricidade estática (Eletrostática) e eletricidade em movimento (Eletrodinâmica). Mas eles estão enganados; primeiro por usar a palavra ‘eletricidade’ indevidamente e, segundo porque não há esses tais ‘dois tipos’. É uma coisa só! Nós vamos mostrar isto, e também ilustrar duas conversões de energia para obter, uma terceira, a energia luminosa. Para esta experiência, você precisará dos seguintes materiais: Lâmpada de néon (NE2) Local atapetado (ou um tapete sob seus pés) A lâmpada néon é uma pequena lâmpada de vidro com dois elétrodos, preenchida com gás de néon. Pegue essa lâmpada néon e dobre os terminais para fora, como se ilustra:
Agora, trabalhe com um colega, e siga os seguintes passos. Para melhores resultados, você deverá escurecer as luzes do quarto (ou da sala de aula).
- Segure um dos terminais da lâmpada, e esfregue seus pés no tapete. Isso fez a lâmpada acender? [Repare bem um dos eletrodos da lâmpada e observe se aparece uma luz avermelhada].
- Agora, peça a seu colega para segurar o outro terminal da lâmpada e, novamente, esfregue bem os pés no chão (Ops! Esqueci-me de avisar, tire o sapato!). A lâmpada acende agora?
- Finalmente, tente acender a lâmpada sem ajuda de ninguém (agradeça a ajuda de seu colega e dispense-o). Segure a lâmpada por um dos terminais, esfregue bem os pés do tapete e encoste o outro terminal em
algum objeto de seu quarto ou sala de aula; maçaneta da porta, esquadria metálica da janela, num prego fincado na parede etc. (o etc. pode ser também a ponta do nariz de outro colega). A lâmpada pisca ao tocar em algo? Importante a) Pense em termos de fluxos de ‘eletricidade’. Você consegue explicar por que você precisa ter alguém (ou algo!) tocando a lâmpada em ambos os terminais? b) Explique que conversões de energia estão participando desse experimento. Onde está a energia inicial do processo? Que tipo ela é? Transformou-se em que? Qual o tipo da energia final? Lâmpada de néon: Produzindo energia elétrica usando a pressão Para esse experimento, você precisará do seguinte equipamento:
Lâmpada de néon Faiscador piezelétrico (acendedor de fogão a gás) Dois fios comuns com garras ‘jacaré’ nos extremos Advertência: o faiscador piezelétrico produz uma tensão elétrica bastante alta (cerca de 8 000 volts) quando se aperte o botão de disparo! Isso ocorre quando se dá uma rápida compressão num tipo muito especial de cristal denominado ‘cristal piezelétrico’. A intensidade de corrente elétrica do processo é bem pequena, não chega a ferir ninguém que receba essa faísca, mas dói e assusta! Não toque a extremidade metálica do acendedor ou o extremo do fio ligado a ela! Por outro lado, o fio do acendedor é bastante frágil; por gentileza, tenha bastante cuidado com ele. O faiscador é o acendedor de um fogão a gás. Quando você aperta o botão no extremo, isso produz uma alta tensão que fará uma faísca saltar entre os eletrodos próximos.
- Conecte os terminais de alta tensão do acendedor com os terminais da lâmpada néon mediante os dois fios dotados de garras ‘jacarés’ nas extremidades. Observe a ilustração:
- Agora, aperte o botão do acendedor, e veja o que acontece. Descreva o que está acontecendo. Que conversões de energia estão ocorrendo? É bom que você saiba que, quando aperta o botão do acendedor, você está comprimindo uma mola de seu interior. Quando essa mola comprimida atinge seu curso final, solta-se, empurrando uma espécie de ‘martelo’ que bate no cristal piezelétrico.
Sob que tensão a lâmpada néon acende?
(Diferenciando AC e DC)
Esse experimento, posto sob forma de questão, é especialmente indicado aos alunos do ensino médio. Primeiro, porque aprendem circuitos de corrente contínua e na vida diária estão envolvidos com aplicações da corrente alternada; segundo, porque o experimento põe em destaque o primeiro argumento (hic.). Além disso, é uma boa oportunidade para se explicar o funcionamento de uma lâmpada néon e tubos de anúncios luminosos. Para se determinar sob que tensão uma lâmpada néon (por exemplo, uma NE-2) acende, preparou-se o circuito abaixo esquematizado:
Geradores profissionais utilizam sistemas eletrônicos para depositar carga na correia, eliminando assim as instabilidades de desempenho causadas pela excitação por atrito e permitindo regulação precisa da tensão obtida. A operação dentro de câmaras de alta pressão contendo gases especiais permite maior densidade de carga na correia sem ionização, aumentando a corrente que carrega o terminal.
4 - O Torniquete
Uma ponta é uma região muito curva. E como a eletricidade se acumula mais nas regiões mais curvas, quando um corpo eletrizado tem uma ponta, nela há grande acúmulo de carga elétrica. Numa ponta a densidade elétrica é sempre maior do que nas regiões não pontudas. Com as pontas se dão os três fatos seguintes: 1 o^ ) uma ponta sempre se eletriza mais facilmente do que uma região não pontuda;
2 o^ ) se um corpo já está eletrizado, uma ponta perde carga elétrica mais facilmente do que as regiões não pontudas; por este motivo é difícil manter-se eletrizado um corpo que possua pontas;
3 o^ ) se um corpo está eletrizado, uma ponta tem sobre os outros corpos uma
ação muito mais forte do que as regiões não pontudas.
Esses três fatos são conhecidos como “poder das pontas”. Eles podem ser observados com experiências muito simples.
PODER DAS PONTAS
1 o^ ) Para comprovar o 1o^ fato, faça as duas observações seguintes.
a) Faça funcionar a máquina eletrostática, aproxime um eletroscópio de um de seus terminais até uma certa distância; o eletroscópio se eletriza por indução. Observe então, o afastamento das folhas. Depois prenda várias pontas no botão do eletroscópio, por exemplo, vários alfinetes. Aproxime o eletroscópio do mesmo terminal da máquina eletrostática, à mesma distância, e observe que as folhas se afastam mais, indicando que a carga que apareceu por indução no eletroscópio é maior.
b) Aproxime um braço, ou a cabeça sua, de um terminal da máquina eletrostática. Verá que os pêlos do braço, ou os cabelos, ficarão eriçados, porque são pontas e se eletrizam facilmente.
2 o^ ) Para comprovar o 2o^ fato, eletrize um eletroscópio até que suas folhas fiquem abertas, por exemplo, em ângulo reto. Depois aproxime a mão do botão do eletroscópio, a uma certa distância. Verá que as folhas vão se fechando lentamente, indicando que o eletroscópio vai perdendo carga devagar. Depois adapte ao botão do eletroscópio uma ponta, por exemplo um alfinete, eletrize-o até que as folhas fiquem novamente em ângulo reto, e aproxime a mão à igual
distância que da vez anterior. Verá que as folhas se fecham muito mais depressa. A ponta faz que o eletroscópio perca carga mais rapidamente.
3 o^ ) O 3o^ fato pode ser comprovado pelo “sopro elétrico” e pelo “torniquete
elétrico”.
Sopro elétrico
No terminal C negativo da máquina eletrostática (fig. 22) prenda uma ponta, que se eletriza negativamente. Como a ponta tem carga negativa, repele elétrons das moléculas de ar que estão próximas dela. Elétrons de muitas dessas moléculas de ar escapam das moléculas. A molécula com falta de elétrons deixa de ser neutra e se torna um agregado de partículas com carga resultante positiva, que chamamos íon positivo. O íon positivo é então atraído pela ponta (fig. 32-a). Quando os íons positivos são atraídos pela ponta, arrastam consigo outras moléculas de ar. Há então um deslocamento de moléculas de ar para a ponta, como se estivesse soprando um vento. Esse deslocamento de ar, provocado por fenômeno elétrico, é chamado vento elétrico, ou sopro elétrico. Para evidenciar o vento elétrico, coloque perto da ponta a chama de uma vela. O ar, ao ser deslocado, arrasta consigo a chama para a ponta tal qual como se a chama fosse soprada (fig. 32-b).
Figura 32
Agora perguntamos ao leitor: se a ponta estiver no terminal positivo da máquina eletrostática, em que sentido corre o vento elétrico? Justifique a resposta.
Torniquete elétrico
É constituído por um conjunto de fios metálicos terminados em pontas que são dobradas todas num mesmo sentido (fig. 33). Esses fios são solidários entre si, e são articulados com uma haste vertical h, de maneira que possam girar livremente num plano horizontal. Liga-se a haste h ao terminal negativo de uma máquina eletrostática. Cada ponta, sendo negativa, exerce sobre as moléculas de ar próximas a ação já explicada acima, produzindo-se o vento elétrico em torno de cada ponta.
Os íons positivos e as moléculas neutras de ar que se deslocam, ao se chocarem com as pontas, exercem forças sobre elas. Essas forças põem o torniquete em movimento de rotação, em sentido contrário ao das pontas.
