dissipação de calor em lampadas incandescentes
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI
DISSIPAÇÃO DE CALOR EM LÂMPADAS INCANDESCENTES.
São João Del Rei, Julho de 2011.
ALEXANDRE JOSÉ RAMOS COSTA
DISSIPAÇÃO DE CALOR E LÂMPADAS INCANDESCENTES.
Trabalho apresentado como pré-requisito para o
obtenção de créditos na disciplina Metodologia
Científica e Tecnológica sob a orientação da
professora Fernanda Melo.
São João Del Rei, Julho de 2011.
ALEXANDRE JOSÉ RAMOS COSTA
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Considerações da professora:
Nota:
“Dentre todos os estudos das
causas naturais e do raciocínio,a
Luz é o que mais encanta o
observador”
(Leonardo da Vinci)
Resumo:
No ano de 1879 Thomaz Alva Edison criou a primeira lâmpada elétrica
comercializável, e que recebeu o nome de lâmpada incandescente pelo fato de
possuir um filamento que ao passar corrente elétrica por ele, se aquece e fica com
uma aparência incandescente emitindo então luz visível ao olho humano.
Este modelo de lâmpada e usado até hoje, apesar de ter sido aprimorado
por alguns estudiosos ainda não é considerada uma lâmpada econômica em relação
as outras presentes no mercado pois, grande parte da energia é perdida em forma
de calor.
Este projeto tem como objetivo principal o aprimoramento do modelo de
Thomas Edison, para que a lâmpada passe a ter menos perda energética, ou seja,
fique mais econômica e tenha uma vida útil maior.
Sumário:
Introdução...................................................................................................7
Justificativa.................................................................................................8
Hipóteses e Objetivos.................................................................................8
Cronograma de atividades.........................................................................11
Referências Bibliográficas.........................................................................12
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1. Introdução:
Por volta do ano 600 a.C um filósofo chamado Tales de Mileto observa
que ao esfregar um âmbar1 a um pedaço de pele de carneiro, filetes de palha e
pequenos fragmentos de madeira passam a ser atraídos pelo próprio âmbar,então
começa ai a descoberta da eletricidade, que recebe esse nome a partir da palavra
âmbar que em grego significa élektron.
Com o conhecimento sobre a existência da energia elétrica, surgem
vários estudiosos interessados no assunto, dentre eles: Otto Von Guericke, Ewald
Georg von Kleist, Benjamin Franklin, Michael Faraday, e o resultado dos seus
estudos facilitaram o entendimento e incentivaram novos estudiosos como Thomas
Alva Edison, que em 1879 criou a primeira lâmpada incandescente comercializável.
A lâmpada de Edison é comercializada até hoje, apesar de ter sofrida algumas
modificações manteve o mesmo principio de funcionamento.
A invenção de Edison possuía um filamento de algodão carbonizado, que era
colocado no interior de uma ampola de vidro da qual havia sido retirado todo o ar, a
fim de evitar a queima do filamento e, consequentemente, um incêndio.Em 1903 a
lâmpada foi aperfeiçoada com a substituição do filamento por um de Tungstênio que
é um metal resistente a altas temperaturas.
Em ambos filamentos o funcionamento são iguais: a energia elétrica sai de
uma fonte geradora, percorre os fios condutores até uma das hastes da lâmpada
passa pelo filamento aquecendo-o e gerando luz visível, e volta para a fonte
geradora.
Fig-1 .Esquema de funcionamento de uma lâmpada incandescente. Elaborado por mim.
1 Âmbar é uma resina fóssil muito usada para a manufatura de objetos ornamentais. Sabe-se que as árvores (principalmente os pinheiros) cuja resina se transformou em âmbar viveram há milhões de anos em regiões de clima temperado. Nas zonas cujo clima era tropical, o âmbar foi formado por plantas leguminosas.
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O objetivo desta proposta de pesquisa é justamente melhorar o modelo
de lâmpadas incandescentes criado por Thomas Edison, pois apesar das
aprimoramentos já executados por outros estudiosos a lâmpada ainda aquece muito,
o que causa diminuição da vida útil e alto consumo de energia. Por meio de análises
de materiais e correntes elétricas, pretendo desenvolver um novo modelo de
filamento que perde menos calor, economizando assim energia e aumentando a vida
útil da lâmpada.
Não é como objetivo da pesquisa recriar o modelo de Thomas Edison, e
sim aprimorar o filamento que é o local onde se perde mais energia, até porque
estudiosos concordam que os demais componentes da lâmpada não interferem na
sua longevidade e consumo energético, e sim o filamento.
O material mais usado para a confecção da resistência ou filamento é o
Tungstênio, que já é um material bastante resistente a altas temperaturas em
relação ao carvão que era usado nos primeiros modelos, mas com esses estudos
pretende-se desenvolver um novo modelo capaz de melhorar o funcionamento da
lâmpada.
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2. Justificativa:
No Brasil a lâmpada incandescente esta presente na maioria das casas,
algumas não possuem mais essas pois a trocaram por lâmpadas mais econômicas e
com maior duração que são as fluorescentes. O problema das lâmpadas
fluorescentes e a presença de gases no seu interior, o que as torna ecologicamente
inviáveis e mais complicadas de manusear, então, a partir da realização deste
projeto surgirão novos modelos de filamentos que farão com que as incandescentes
sejam tão econômicas e duradouras quanto as fluorescentes, porem com a
vantagem de não estar manuseando gases.
O projeto trará benefícios econômicos pois diminuirá o consumo de quem
as usa atualmente, científicos pois serão novos avanços na comunidade cientifica e
até ecológicos pois as lâmpadas fluorescentes tem substancias nocivas ao meio
ambiente, e com a incandescente sendo mais econômica será mais vantajoso o uso
dela.
Esse tipo de estudo foi deixado um pouco de lado pela comunidade
cientifica a partir a invenção da lâmpada fluorescente, mas este campo e amplo e
ainda tem muito a oferecer, basta ser explorado.
3. Hipóteses e Objetivos:
A energia elétrica e a fonte de vários outros meios energéticos, um
ventilador em movimento é um exemplo, pois no ato está transformando a energia
elétrica em mecânica, se considerarmos a sua rotação. Como dito por Geraldo Teles
de Souza :
A energia elétrica serve apenas como meio de transporte, mas não
como energia diretamente utilizável. Assim sendo, devemos converter a energia elétrica em
outra forma de energia que efetivamente estamos precisando, podendo ser do tipo térmica,
luminosa, mecânica, etc..2
É necessário converter a energia elétrica de acordo com as necessidades
do utilizador.
Para o funcionamento da lâmpada incandescente a energia entra na
lâmpada como elétrica e passa pelo filamento onde é convertida em luminosa,
porém, nesse tipo de conversão se perde muita energia em forma de calor, o que 2 SOUZA, Geraldo Teles. Máquinas e Motores Elétricos, p. 218.
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não é desejado. Tal perda de calor se deve a um efeito elétrico chamado Efeito
Joule, que diz que quando um condutor é percorrido por corrente por um
determinado tempo ele é aquecido, isso ocorre pelo fato da resistência interna do
condutor que interrompe a passagem de alguns elétrons gerando assim calor.
Como afirma o professor do pré-vestibular impacto, Carlos Farias: “ Num
dado intervalo de tempo, a energia elétrica que o resistor consome é dissipada
exclusivamente na forma de calor ”3 , esse intervalo de tempo nas lâmpadas
incandescentes ocorre quando a corrente elétrica encontra dificuldades para
percorrer o seu caminho natural, ou seja, quando passa pelo filamento.
A partir de análises de novos materiais, é possível criar uma liga que seja
resistente a altas temperaturas, e ao mesmo tempo com menor coeficiente de
resistividade. No modelo atual, o núcleo da lâmpada pode chegar a 3000º Celsius,
que é uma temperatura muito alta provenientes de um gasto alto de energia elétrica,
se criada, a nova liga deve diminuir esse valor tornando assim a lâmpada mais
econômica. Outro fator que pode diminuir esse gasto desnecessário é aumentar a
seção e diminuir o comprimento do filamento, pois de acordo com a fórmula:
R = ρ x L
A
Em que R representa o valor da resistência, ρ representa o coeficiente de
resistividade do material do filamento, L é o comprimento do filamento e A é o
diâmetro, o valor da Resistência é diretamente proporcional ao do comprimento do
filamento e inversamente proporcional ao diâmetro do filamento, e quanto maior o
valor da resistência maior o Efeito Joule ocorrido neste local.
Fig-2. Esquema do Efeito Joule. Elaborado por mim.
Quando elaborado o novo modelo de filamento, este devera diminuir o
consumo de energia da lâmpada incandescente em aproximadamente 20%, o que
comparado com a fluorescente em termos de potência passa a ser mais viável,
3 FARIAS, Carlos. Resistores Elétricos-2, p. 2.
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porém a luminosidade da fluorescente ainda é melhor. Se em cada residência onde
se utiliza esse tipo de lâmpada for empregada o novo modelo, resultara em uma
diminuição considerável no consumo de energia.
4. Cronograma de atividades:
O projeto será realizado no tempo de um ano, sendo dividido em partes
seguindo o cronograma:
Atividades Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Passo 1 * * *
Passo 2 * * *
Passo 3 * * * *
Passo 4 * * *
Passo 5 *
a. Passo 1:
Pesquisar obras sobre o assunto visando adquirir conhecimentos e
técnicas sobre o funcionamento das lâmpadas incandescentes e propriedades
elétricas afim de que sejam úteis nas realizações dos próximos passos.
b. Passo 2:
Análise de materiais, com a finalidade de encontrar uma liga que seja
maleável, resistente a altas temperaturas e com baixa resistividade.
c. Passo 3:
Ensaios experimentais de eficiência da nova liga, e desenvolvimento de
novas dimensões para o modelo de filamento, diminuindo o comprimento e
aumentando o diâmetro, a fim de diminuir a resistência e não perder mito a
potencia luminosa.
d. Passo 4:
Análise e Discussão dos resultados obtidos. Redige do relatório completo
do.projeto.
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e. Passo 5:
Publicação e Apresentação dos resultados e do Relatório final.
5. Referencias Bibliográficas:
SOUZA, Geraldo Teles. Máquinas e Comandos Elétricos.p. 218. São Paulo: Centro
Paula e Souza, 2004. v . 1.
FARIAS, Carlos.Resistores elétricos-2. v. 1. p. 2.
MÁXIMO, Antônio e ALVARENGA, Beatriz. Física. Vol Único. 2ª ed. São Paulo:
Scipione. 2008.
WILLIAMS, Jasmin. A cidade das luzes de Edison, Nova Iorque: New York Post.
2007.
