Já estamos em 2024, entretanto, o motivo deste texto surgiu ainda no final de 2023, quando estava lendo uma matéria da BBC Brasil intitulada "O misterioso sequestro que pode ter impedido avanço de energia solar no início do século passado". Tal texto conta parte da história do criativo George Cove, um canadense que criou uma espécie de placa solar décadas antes da descoberta do efeito fotovoltaico.
Imagem 1 - George Cove ao lado de seu terceiro conjunto de termobaterias, em Abril de 1909
De maneira alguma quero depreciar este cidadão, muito menos defender a indústria do petróleo, apenas quero explicar o funcionamento de tal tecnologia, que apesar de flertar com a maravilhosa ideia de captar a energia da luz solar (graças à mídia, que assim expõe esta esquecida invenção) se enquadra como termobateria.
Para explicar isso, preciso logo dizer que é fácil de encontrar por aí o componente eletrônico utilizado por Cove em sua invenção: Se trata do termopar, o mais rudimentar sensor de temperatura existente atualmente.
Imagem 2 - Um alicate amperímetro com sensor de temperatura termopar
Sabendo então que a termobateria patenteada pelo canadiano no início de 1900 é uma associação mista de várias e várias termopilhas, isto é, termopares, precisamos nos aprofundar em seu funcionamento.
De início, uma pequena introdução:
Temperatura é uma palavra derivada do termo Latim "temperare", que significa “misturar corretamente", "regular" ou "moderar”. Na Física, é a grandeza termodinâmica comum a todos os corpos em equilíbrio térmico. Começou a ser usada com o sentido de “calor ou frio” pelo químico e físico irlandês Robert Boyle em 1670.
Podemos conceituar a temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas que constituem as substâncias.
Complemento 1 - Isto é o que se aprende no ensino médio!
É como se fosse um circuito elétrico: Enquanto houver potencial elétrico num corpo ou diferencça de potencial elétrico (DDP) entre corpos, existirá acúmulo de cargas elétricas ou fluxo de eletrons. Enquanto existir potencial térmico ou diferença de potencial térmico (também podemos chamar de DDP), haverá calor ou fluxo de calor.
Nesta analogia a tensão elétrica está para a grandeza temperatura, enquanto que a corrente elétrica está para a grandeza calor. Isso significa que, da mesma forma que podemos ter um circuito que opere a 5 Volts e forneça 20 Ampéres ou que trabalhe com 20 Volts e forneça 5 Ampéres, podemos ter uma fonte de calor à 100 °C que expele 10000 kcal ou então uma usina à 100 °C que expele 5000 kcal. Estes exemplos genéricos servem para denotar que não existe proporcionalidade entre tensão e corrente e entre temperatura e calor.
Um bom exemplo do que foi dito no parágrafo anterior são os motores de combustão interna dos carros. Precisamos estar à par da diferença de potencial térmico da usina que trabalha por debaixo do capô, e não da quantidade de calor que ela gera. Para isto, ficamos de olho no manômetro de temperatura no painel de instrumentos. Em todos os veículos, a temperatura do motor sempre fica em torno dos 100 °C, independente da geração calorífica - que vai advir da cilindrada do motor, do combustível que é queimado, do mecânismo de injeção e ignição, além de vários outros fatores -, isto pois o calor será dissipado na atmosfera pelo sistema de arrefecimento, mantendo sempre a DDP estável e impedindo que ela creça de maneira descontrolada a ponto de danificar as peças.
Neste ponto, diferentes materiais possuem diferentes 'comportamentos térmicos', e é exatamente esta diferença que permite se obter energia elétrica, isto é, através da diferença de energia cinética dos átomos que compõem os materiais da combinação, do mesmo jeito que o fluxo de elétrons num circuito gera calor a depender da resistência elétrica de cada componente.
CURIOSIDADE: Todos os processos industrias modernos em algum momento da cadeia produtiva se beneficiam da mensuração e controle da temperatura, assim propiciando o que é exigido pela legislação vigente.
Existem três formas comuns de se referir a medição de temperatura:
-> Termometria: medição de temperatura no dia-a-dia;
-> Pirometria: medição de altas temperaturas;
-> Criometria: medição de baixas temperaturas.
Agora, vamos voltar ainda mais no tempo, mais precisamente em 1821, quando o físico germano-báltico Thomas Johann Seebeck descobriu o efeito termoelétrico.
Resumidamente, em meados de 1820 Seebeck realizou uma série de experimentos tentando entender os resultados encontrados pelo físico e químico dinamarquês Hans Christian Ørsted. Durante estes experimentos, ele observou que uma junção de metais distintos produz uma deflexão na agulha magnética de uma bússola quando sujeitos a uma diferença de temperatura. Como Ørsted havia associado a deflexão na bússola à tensão elétrica gerada num fio em posição transversal, esse efeito ficou conhecido como efeito termoelétrico, cujo potencial depende dos materiais que a compõem e da temperatura a que se encontra.
Um termopar é constituído de dois metais distintos unidos em uma das extremidades. Quando há uma diferença de temperatura entre a extremidade unida e as extremidades livres, verifica-se o surgimento de uma diferença de potencial que pode ser medida por um multímetro. Diferentes tipos de termopares possuem diferentes tipos de curva diferença de potencial versus temperatura.
Existem tabelas normalizadas que indicam a tensão produzida por cada tipo de termopar para todos os valores de temperatura que suporta. Por exemplo, o termopar tipo K exposto a uma temperatura de 300 °C irá produzir 12,2 mV. Contudo, não basta ligar um multímetro a ele e registrar o valor da tensão produzida, uma vez que estamos a criar uma segunda (e indesejada) junção ao sensor. Para se fazerem medições exatas devemos compensar este efeito recorrendo a uma técnica conhecida por "compensação por junção fria" (0 °C).
Caso esteja se perguntando porque é que ligando um multímetro a um termopar não se geram várias junções adicionais (ligações do termopar ao aparelho de medida, ligações dos componentes dentro do próprio aparelho, etc...), a resposta advém da lei dos metais intermediários, que afirma que ao inserirmos um terceiro entre os dois metais de uma junção de uma termopilha, basta que as duas novas junções criadas estejam à mesma temperatura para que não se manifeste qualquer modificação na saída do sensor.
Esta lei é também importante na própria construção das junções do termopar, uma vez que assim se garante que ao soldar os dois metais, ela não irá afetar a medição. Todavia, na prática as junções dos termopares podem ser construídas soldando os materiais ou por aperto (compressão) dos mesmos.
Todas as tabelas normalizadas dão os valores da tensão de saída da termopilha considerando que sua segunda junção (a junção fria) é mantida a exatamente zero graus Celsius. Antigamente isto conseguia-se conservando a junção em gelo fundente (por isso o termo compensação por junção fria). Entretanto, a manutenção do gelo nas condições necessárias não era fácil, logo optou-se por medir a temperatura da junção fria e compensar a diferença para os 0 ºC.
Tipicamente, a temperatura da junção fria é medida por um componente semicondutor sensor de temperatura, mais precisamente um termistor de precisão. A leitura desta segunda temperatura, em conjunto com a leitura do valor da tensão do próprio termopar é utilizada para o cálculo da temperatura verificada na extremidade da termopilha.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre Termistores, CLIQUE AQUI!
É importante a compreensão da compensação por junção fria: qualquer erro na medição da temperatura dessa junção irá ocasionar igualmente erros na medição da temperatura da extremidade do termopar.
Na imagem abaixo, um multímetro Minipa com capacidade de medir temperatura através de um termopar tipo K:
Imagem 3 - Note o PTC conectado a uma das tomadas
Na prática, a conexão das tomadas está configurada assim:
Diagrama 1 - Observe a tomada para o termopar
CURIOSIDADE: Nos multímetros, uma mesma tomada pode ser usada para medir várias grandezas, bastando selecionar o circuito que vai fazer a aferição através do botão giratório do equipamento.
Outra curiosidade é que, caso o usuário inverta a conexão, isto é, coloque a junção fria conectada na porta COM e a junção quente na porta com termistor, a temperatura medida será mostrada no ecrã do aparelho com um sinal negativo, isto é, a inversão de polaridade informa uma temperatura negativa.
Em resumo, Termopares são sensores simples, robustos e de baixo custo, amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de temperatura, sendo constituídos por dois metais distintos, que unidos por sua extremidade formam um circuito fechado, e desta maneira gerando uma Força Eletro-Motriz (FEM) que quando conectada a um Instrumento de Leitura consegue fornecer um valor de temperatura através da diferença de potencial (DDP) induzida na junção. Diferentes tipos de Termopares possuem diferentes tipos de Curva FEM x Temperatura.
CURIOSIDADE: O instrumento de medida tem de ter a capacidade de lidar com a compensação da junção fria, bem como com o fato de a saída do termopar não ser linear. A relação entre a temperatura e a tensão de saída é uma equação polinomial de 5ª a 9ª ordem dependendo do tipo do termopar. Alguns instrumentos de alta precisão guardam em memória os valores das tabelas dos termopares para eliminar esta fonte de erro.
Mas e o efeito oposto?
Após de descoberta de Seebeck, 13 anos depois, em 1834, Jean Charles Athanase Peltier descobriu o efeito contrário: a produção de um gradiente de temperatura na junção de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado.
Jean Peltier descobriu efeitos termoelétricos quando aplicou pequenas correntes elétricas externas num termopar de Bismuto/Antimónio. Os experimentos demonstram que, quando uma pequena corrente atravessa a junção de dois metais diferentes numa direção, a junção arrefece o meio em que se encontra absorvendo calor. Quando a direção da corrente é invertida, a junção aquece, aquecendo também o meio em que se encontra. Este efeito está presente quer a corrente seja gerada pelo próprio termopar quer seja oriunda por uma fonte de tensão externa.
A tecnologia das termopilhas desenvolveu-se como uma necessidade, principalmente a partir da corrida espacial durante os anos 1960, pois esses dispositivos revelaram-se insubstituíveis para sistemas refrigeradores de pequeno porte e massa, sem partes móveis e sem fluidos pressurizados, aliados ao fato de que as características extraordinárias dos materiais semicondutores mostraram um desempenho suficientemente satisfatório para justificar posteriormente o seu emprego comercial.
Portanto, durante anos o uso das termopilhas para a produção eletrônica do frio ou mesmo o seu uso inverso, ou seja, como sensores térmicos altamente sensíveis - inclusive utilizados no direcionamento inercial de mísseis e naves espaciais - ficou restrita aos laboratórios militares e centros de desenvolvimento espacial nos EUA e na URSS.
Atualmente, quando se fala no meio científico sobre tal efeito físico, as pessoas não se lembram de Seebeck e citam a teoria do efeito Peltier, e não é tão difundida a ideia de que se pode utilizar um componente eletrônico na forma de uma pastilha quadrada ou na forma de dois fios com pontas de materiais diferentes unidas (termopar), para uma série de experimentos e projetos.
Para entender o que são termopilhas é necessário ter conhecimento sobre semicondutores, e para tal recomendo que leia o artigo do blog dedicado ao assunto, bastando CLICAR AQUI!
Além do mais, é bom comentar primeiro sobre o dispositivo termoeletrônico e consequentemente sobre a refrigeração eletrônica, pois o desenvolvimento de materiais semicondutores durante a corrida espacial - tais como o Telureto de Bismuto (Bi2Te3) - deu a este método de refrigeração relevância comercial.
A pastilha Peltier e o ar condicionado
Os sistemas de resfriamento termoeletrônico são muitas vezes comparados aos sistemas convencionais, e talvez a melhor maneira de entender a termopilha é descreve-los comparando-os.
Um sistema convencional de resfriamento contém três partes fundamentais:
-> O evaporador (serpentina lado frio);
-> O Compressor (pressurização do gás refrigerante);
-> e o condensador (serpentina lado quente).
A superfície do evaporador (superfície fria) é onde o líquido refrigerante pressurizado é permitido expandir e evaporar. Durante a mudança de estado de um líquido para um gás no interior do evaporador, energia na forma de calor é absorvida. O compressor circula o refrigerante atuando como uma bomba, recomprimindo o gás para um líquido, elevando a temperatura do refrigerante acima da temperatura ambiente. A superfície do condensador (superfície quente) expele para o ambiente o calor absorvido no evaporador mais o excesso de calor adicionado pelo compressor.
Imagem 4 - A unidade externa de um ar condicionado residencial
Em refrigeração termoeletrônica, essencialmente nada é mudado. O refrigerante em ambas as formas, líquido e gás, é substituído por dois semicondutores não similares. Os semicondutores tem potência relativamente alta e são assim preferíveis do que os metais como material ativo para muitas aplicações termoelétricas.
Num dispositivo termoeletrônico básico, dois 'pedaços' de semicondutores (termoelementos) um do tipo N e outro do tipo P são ligados por junções metálicas num circuito. Em um refrigerador eletrônico elementar como este, uma bateria ou fonte DC fornece uma corrente elétrica através do circuito.
Diagrama 2 - Um pastilha Peltier genericamente descrita
O resfriamento acontece nas junções J1⁄2 e J3 e calor aparece nas junções J1 e J4. Se as junções J1 e J4 estiverem em contato com um trocador de calor (pequeno circulador de ar, dispositivo com circulação de água, ar ou qualquer sistema que remova o calor) as junções frias J2 e J3 ficarão bem abaixo da temperatura ambiente. Com os semicondutores montados num circuito e mantendo a junção quente J1 / J4 a 20 °C, as junções J2 / J3 podem atingir -50 °C, uma diferença de potencial térmico de 70 °C.
Imagem 5 - Um purificador Latina PA735 cuja refrigeração da água é feita por pastilha Peltier
Comparando o sistema termoeletrônico com um refrigerador convencional, a superfície do evaporador, junção J2 / J3 torna-se fria através da absorção de energia promovida pelos elétrons quando eles passam de um semicondutor para outro, ao contrário da absorção de energia promovida pelo refrigerante (Freon) quando este passa do estado líquido para o vapor.
O compressor é substituído por uma bateria ou fonte de tensão DC, que bombeia os elétrons de um semicondutor para outro. Um trocador de calor (superfície quente) substitui a serpentina convencional, retirando a energia térmica acumulada pelo sistema, expelindo o excesso de calor para o ambiente.
A enorme diferença entre os dois métodos de refrigeração é que o sistema de resfriamento termoeletrônico o faz sem o uso de partes mecânicas móveis e sem o fluido refrigerante.
A pastilha Peltier (também conhecida como célula, ou módulo) é um ar condicionado completamente eletrônico, que dispensa (quase) todos os sistemas mecânicos de um equipamento doméstico ou automotivo do tipo, sendo utilizado para diversos fins, tais como bebedouros e arrefecimento de componentes eletrônicos, já que podem, sem a necessidade de muito espaço, trocar calor com o ambiente continuamente sem a necessidade de gases ou equipamentos que poluam tanto a natureza, apenas necessitando de uma fonte elétrica de corrente contínua e dissipadores com ventilação forçada.
CURIOSIDADE: O mesmo efeito também é utilizado para produzir temperaturas próximas de 0 K onde o terminal aquecido é refrigerado por Nitrogênio líquido cuja temperatura de ebulição é de 77,35 K (-196,15 °C). Tal procedimento é conhecido como ultra-resfriamento termoelétrico, sendo capaz de produzir temperaturas próximas ao zero absoluto no terminal refrigerado. O ultra-resfriamento por termopar é utilizado para o estudo de supercondutores e do comportamento de matérias na temperatura do espaço interestelar, onde as temperaturas são próximas a 0 K.
A energia térmica dissipada/absorvida é proporcional à corrente elétrica que percorre o sistema, sendo possível assim definir o calor associado pelo efeito com a seguinte equação:
Onde:
-> Qp: Calor associado;
-> π: Coeficiente de Peltier;
-> I: Corrente elétrica.
Onde:
-> Qp: Calor associado;
-> α: Coeficiente Seebeck;
-> I: Corrente elétrica;
-> T: Temperatura absoluta do sistema.
Estes efeitos podem ser também considerados como um só e denominado efeito Peltier-Seebeck, ou efeito termoelétrico. Na verdade, são dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.
Chamada de pastilha devido a seu formato, usualmente, retangular e achatada, é constituída de duas "chapas" de material isolante (normalmente cerâmico) com uma malha de material condutor (Cobre, por exemplo) na superfície interna de cada chapa. Entre as duas malhas de condutores, estão localizados diversos pares de semicondutores de tipo "N" e "P" conectados em associação mista (série e paralelo), que dão início ao efeito Peltier, transformando energia elétrica, proveniente de uma fonte DC, em energia térmica e, graças ao posicionamento e ordenação dos pares, absorvendo calor em uma chapa e dissipando-o em outra.
Diagrama 3 - Como funciona uma pastilha peltier
Os pares de semicondutores "tipo-N" e "tipo-P" possuem propriedades específicas que, se posicionados de maneira correta, permitem direcionar adequadamente o fluxo de elétrons e o calor por entre seus terminais positivos e negativos.
-> Em um semicondutor do tipo-N, o calor é absorvido próximo ao terminal negativo e rejeitado próximo ao terminal positivo;
-> já em um semicondutor do tipo-P o processo se dá de maneira inversa, absorvendo calor próximo ao terminal positivo e rejeitando-o próximo ao terminal negativo.
Dessa maneira, é possível perceber que arranjando ambos semicondutores em pares ordenados, seus efeitos se completam, ampliando sua magnitude e continuidade.
Imagem 6 - Quando mais junções PN em associação mista, maior será a amplitude do efeito
Em uma pastilha Peltier, se faz extremamente necessário utilizar dissipadores na chapa que irá fornecer calor ao meio, isto pois caso o calor gerado não consiga ser dissipado para o ambiente, será então distribuído na própria pastilha, encaminhando o sistema a um equilíbrio térmico, reduzindo drasticamente a vida útil do componente. Em alguns projetos é possível encontrar pastilhas empilhadas convergindo seus lados que dissipam calor com o lado absorvente de outra pastilha, com isso, é possível ampliar o poder de refrigeração na primeira pastilha.
Apesar de não obter informações exatas sobre o tensão necessária para dar início a condução na junção entre os materias "P" e "N", a pastilha Peltier pode funcionar com DDP baixa, tal como 2 ou 3 Volts. Entretanto, em tensões muito baixas nota-se uma alteração de temperatura mais 'tímida' em suas faces, ou seja, obviamente as temperaturas do lado frio e lado quente serão inferiores aos valores possíveis quando aplicada a tensão de operação máxima. De qualquer forma, os datasheets indicam uma faixa de tensão que começa sempre nos zero Volts, não trazendo uma explicação tão precisa sobre a operação do semicondutor em questão.
Vamos começar com as classificações de termopares...
Imagem 7 - Um termopar tipo K, comum em multímetros
TERMOPARES
Tipo K (Cromel / Alumel)
A termopilha tipo K é um termopar de uso genérico. Tem um baixo custo e, devido à sua popularidade estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1200 °C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41 µV/°C.
-> Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% (Cromel);
-> Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel).
Faixa de utilização: -270 °C a 1200 °C
FEM produzida: 6,458 mV a 48,838 mV
Tipo E (Cromel / Constantan)
Esta termopilha tem uma razoável sensibilidade (68 µV/°C) que a torna adequada para baixas temperaturas.
-> Termoelemento positivo (EP): Ni90%Cr10% (Cromel);
-> Termoelemento negativo (EN): Cu55%Ni45% (Constantan).
Faixa de utilização: -270 °C a 1000 °C
FEM produzida: 9,835 mV a 76,373 mV
Tipo J (Ferro / Constantan)
A sua gama limitada (-40 a 750 °C) é a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo K. Quaisquer equipamentos, controladores e indicadores de temperatura, podem ser configurados para termopares do TIPO J, ainda muito utilizado na indústria por ser barato e muito confiável. A utilização do tipo J acima dos 760 °C leva a uma transformação magnética abrupta que lhe estraga a calibração.
-> Termoelemento positivo (JP): Fe99,5%;
-> Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45% (Constantan).
Faixa de utilização: -210 °C a 760 °C
FEM produzida: 8,096 mV a 42,919 mV
Tipo N (Nicrosil / Nisil)
A sua elevada estabilidade e resistência à oxidação a altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medições a temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam Platina na sua constituição (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma “evolução” do tipo K.
Tipo B (Platina / Ródio-Platina)
Os termopares tipo B, R e S apresentam características semelhantes. São dos termopares mais estáveis, contudo, devido à seu preço mais elevado, utilizam-se apenas para medir temperaturas entre 300 °C ~ 1800 ºC. Sua resolução de medida é da ordem dos 10 µV/°C.
Contra aquilo que é habitual nos outros termopares, este origina a mesma tensão na saída a 0 e a 42 °C, o que impede a sua utilização abaixo dos 50 °C. Em compensação, utiliza cabos de extensão de Cobre comum desde que a sua conexão com o termopar esteja neste intervalo (0 °C a 50 °C). Os demais termopares necessitam de cabos de ligação com o mesmo material do termopar, sob o risco de formarem com o Cobre um "outro termopar", se a conexão estiver a temperatura diferente do instrumento de processamento do sinal.
-> Termoelemento positivo (BP): Pt70,4%Rh29,6% (Ródio-Platina);
-> Termoelemento negativo (BN): Pt93,9%Rh6,1% (Ródio-Platina).
Faixa de utilização: 50 °C a 1820 °C
FEM produzida: 0,000 mV a 13,820 mV
Tipo R (Platina / Ródio-Platina)
Adequado para medição de temperaturas até aos 1600 °C. Sensibilidade de 10 µV/°C e custo elevado.
-> Termoelemento positivo (RP): Pt87%Rh13% (Ródio-Platina);
-> Termoelemento negativo (RN): Pt100%.
Faixa de utilização: -50 °C a 1768 °C
FEM produzida: 0,226 mV a 21,101 mV
Tipo S (Platina / Ródio-Platina)
Adequado para medição de temperaturas até aos 1600 °C. Sensibilidade também de 10 µV/°C, elevada estabilidade e custo de implementação.
-> Termoelemento positivo (SP): Pt90%Rh10% (Ródio-Platina);
-> Termoelemento negativo (SN): Pt100%.
Faixa de utilização: -50 °C a 1768 °C
FEM produzida: 0,236 mV a 18,693 mV
Tipo T (Cobre / Constantan)
É dos termopares mais indicados para medições na gama dos -270 °C a 400 °C.
-> Termoelemento positivo (TP): Cu100%;
-> Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45% (Constantan).
Faixa de utilização: -270 °C a 370 °C
FEM produzida: 6,258 mV a 20,872 mV
Note que a escolha de um termopar deve assegurar que o equipamento de medida não limita a faixa de temperatura que consegue ser medida, isto é, tem sensibilidade a um vasto espectro de tensão. Estes padrões valem para qualquer invólucro abaixo descrito.
Invólucros
Invólucro de isolação polimérica
Quanto aos invólucros, os mais simples e comuns são compostos por um par de fios isolados com capa de Poliéster ou semelhante e a junção das pontas é coberta com um conduíte termoretrátil de borracha EPR ou semelhante
Agora, um resumo sobre os principais tipos de termopares e o padrão de cor dos fios quando usado invólucro polimérico:
Tabela 1 - Tipos de termopares mais comuns
Cabo de isolação cerâmica
Este é montado através de tubos metálicos (também chamados de bainhas) preenchido com blocos cerâmicos para isolação de condutores.
Imagem 8 - Esboço do cabo de isolação cerâmica com o elemento sensor
Em outras palavras, consiste o seu interior de condutores internos isolados entre si por um material cerâmico. Esta cerâmica é formada pelo pó de alguns tipos de óxidos (normalmente o mais utilizado é o MgO) com uma pureza de > 99.0%, que garante a isolação entre todos os condutores internos e também a isolação deles em relação a capa metálica externa.
A construção de um cabo ou sensor de isolação mineral permite a resistência a altas temperaturas. Por usar ligas metálicas ao invés de, por exemplo, Poliéster, PVC ou PTFE, e conduítes termoretráteis de EPR, são possíveis temperaturas de aplicação de aproximadamente até 850 °C para aços inoxidáveis ou até mesmo até aproximadamente 1150 °C para ligas de Níquel. Possuem boa durabilidade pela construção mais robusta, entretanto, baixo tempo de resposta e diâmetro mínimo normalmente limitado em 15 mm.
Cabo de isolação de pó mineral
Já o modelo de isolação de pó mineral, também como TIM (Termopar de Isolação Mineral) possui características que o tornam ideal para uma variedade de aplicações no processo industrial de medição de temperatura. É constituído de um invólucro metálico (também reconhecido como bainha) em que os condutores são internamente altamente compactados com Óxido de Magnésio, proporcionando uma ótima isolação elétrica, ficando completamente isolados das condições ambientais.
Imagem 9 - Um termopar de isolação de pó cerâmico em corte
O invólucro, exatamente como o modelo de isolação cerâmica, pode ser fabricado a partir de uma grande variedade de materiais (Como por exemplo SAE 304, 316, 310 ou liga de Níquel), porém, consegue atingir diâmetros menores que o tipo explicado anteriormente (como por exemplo Ø1,0; Ø1,5; Ø3,0; Ø4,5 e Ø6,0).
Os termopares de isolação mineral proporcionam grande estabilidade, longevidade, facilidade de instalação (podem ser dobrados, torcidos ou achatados), resistência mecânica, tempo de resposta rápida, diâmetros reduzidos e podem ser fabricados em grandes comprimentos. Os fios dos termopares com bitolas menores proporcionam tempo de resposta mais rápido e menor vida útil, enquanto bitolas maiores proporcionam maior vida útil, porém, tempo de resposta maior.
CURIOSIDADE: Perceba que a diferença maior entre o termopar de isolação cerâmica e o de isolação mineral é que no segundo o pó é simplesmente compactado dentro do invólucro metálico, enquanto o primeiro o Óxido de Magnésio passa por fornalha, adquirindo o formato de um tubo furado sólido:
Imagem 10 - Como é o tubo de cerâmica destes cabos
CURIOSIDADE: Na PARTE 2 do artigo sobre resistores você verá que para aplicações domésticas é comum o uso de tubulações metálicas abrigando o fio resistivo, e a isolação entre os dois feita por pó cerâmico compactado. Para acessar este artigo e conhecer mais sobre o assunto, CLIQUE AQUI!
Invólucro baioneta
Imagem 11 - Como são estes termopares
Ideais para a utilização na indústria de transformação de plástico ou em aplicações onde são necessários facilidade de instalação, fácil remoção e rápido tempo de resposta.
São sensores de baixo custo e podem ser fornecidos com conexões tipo baioneta de fácil e rápida instalação e com a opção rosqueada sobre a mola, permite ajuste no comprimento de inserção.
Principais aplicações em máquinas de injetoras de plástico, extrusoras, Shell molding, máquinas de embalagens, etc.
PELTIER
O Peltier é disponibilizado em forma de pequenas pastilhas, geralmente com coloração branca e com suas propriedades térmicas e elétricas explícitas gravadas na carcaça - afinal, há bastante espaço - todavia, sem indicação de composição química, sendo diferente da padronização utilizada em Termopares.
Imagem 12 - Como são as pastilhas termoelétricas
Na próxima figura, parte do datasheet de um Peltier:
Imagem 13 - Perceba algumas características de materiais destacados em vermelho
Agora, outro datasheet:
Imagem 14 - Perceba algumas características de materiais destacados em vermelho
O invólucro é composto de chapas de majoritáriamente compostas de cerâmica do Óxido de Alumínio (Alumina), enquanto o selamento é composto por Silicone, e em algumas opções resina Epoxídica, já que o primeiro aguenta pouco mais de 200 ºC, enquanto o segundo opera no máximo na casa dos 150 ºC.
CURIOSIDADE: Para se aprofundar nas cerâmicas e nos Óxidos que as compõem, CLIQUE AQUI e CLIQUE AQUI!
Em suma, se provocarmos uma diferença de temperatura na termopilha, obteremos em sua saída uma proporcional diferença de potencial elétrico (tensão), tal como ocorre no termopar. Sabendo disso, podemos entender como funciona a tal "placa solar" inventada por George Cove. Como na época em que pateteou sua invenção os semicondutores não existiam, se trata de uma associação mista de uma grande quantidade de termopares, formando então termobaterias.
Imagem 15 - Uma das 'placas solares' de Cove
Chegamos à conclusão de que termopilhas funcionam como sensores ou geradores.
Como um sensor, a termopilha é usada para determinar temperatura de forma rudimentar e barata. As aplicações para sensores de termopilha incluem aparelhos como micro-ondas, secadoras de roupas, dispositivos médicos, automotivos (como por exemplo monitoramento da temperatura externa, controle de temperatura do habitáculo, ocupação de assento, detecção de gelo negro), produtos de consumo (impressoras, copiadoras) e muitas outras aplicações.
Um gerador de termopilha gera energia elétrica a partir do calor. Uma aplicação típica é o controle de chama. Em um aquecedor de água a gás, lareira a gás ou fogão a gás, um gerador de termopilha produz tensão enquanto há uma luz piloto acesa. Assim que a luz piloto se apagar, a queda de tensão aciona uma válvula que desliga o suprimento de gás para o aparelho.
Já a invenção de Cove não ganhou popularidade - por questões que podem ser consideradas controversas, com uma pitada de 'teoria conspiracionista', mas que fogem do escopo deste conteúdo técnico, não sendo viável apresenta-las. Ao fim, com o início dos estudos do efeito Fotovoltaico nos anos 1940, atualmente não é muito viável placas cheias de termopilhas semicondutoras (Perltiers) envoltas em dissipadores e ventiladores para se gerar energia a partir do calor, quem dirá o projeto original de George, com uma porrada de termopares.
Caso queira conhecer mais a história da invenção de George Cove, veja a publicação da BBC: https://www.bbc.com/portuguese/articles/c2e8gp73ynro
Ao longo do tempo este texto será atualizado com mais e mais informações, como acontece em todos os artigos do HC!
Caso tenha informações relevantes para compartilhar com nós sobre este tema, caso fique com alguma dúvida ou encontre alguma inconsistência, entre em contato pelo hardwarecentrallr@gmail.com. Para sugestões também nos contate por este e-mail.
Caso queira se aprofundar em algumas fontes do tema:
FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter;
Imagens, gráficos e diagramas: Leonardo Ritter; Prints de datasheets; Google Imagens.
Créditos: BBC Brasil; Datasheets de pastilhas Peltier; desmonte e análise de multímetros e purificadores de água; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas).
Ultima atualização: 13 de Fevereiro de 2024.