A História da Energia Elétrica

Thales de Mileto

Entre os seculos V e VI antes de cristo, um filósofo chamado Thales de Mileto esfregou um pedaço de pele de carneiro em uma pedra de âmbar e percebeu que a pele de carneiro passava a atrair palha e madeira. A verdadeira natureza do fenômeno permaneceu desconhecida até meados do século XVI porém tal fenômeno foi batizado de “eletricidade” devido ao nome grego do âmbar ser “élektron”.

Muito tempo passou até que Benjamin Franklin descobriu que a eletrização de dois corpos atritados ou esfregados um contra o outro era a falta de alguma eletricidade em um corpo e a sobra dessa eletricidade no outro.

Foi no século XVIII que Luigi Aloisio Galvani fez a famosa experiência com rãs, onde percebeu que ao tocar sua pinça na perna de uma rã morta a perna ganhava vida e se movia. Curioso e intrigado com o fenômeno, ele descobriu que o metal das pinças que ele usava, ao entrar em contato com a carne exposta da perna da rã, gerava eletricidade. Luigi pensava que apenas tecido vivo poderia gerar eletricidade quando em contato com metais, mas ele estava errado.

Alessandro Volta e a sua Pilha

Como resposta ao experimento de Luigi, em 1800 Alessandro Volta inventou a pilha elétrica quimica, entendendo que dois metais mergulhados em uma solução acida produzia excesso de eletricidade ⁽¹⁾ em um dos metais e falta de eletricidade no outro metal. Os metais usados nessa primeira pilha eram o zinco e o cobre e a solução ácida era água salgada.

Com essa invenção, obteve-se pela primeira vez uma fonte de corrente elétrica estável. Por isso, as investigações sobre a corrente elétrica aumentaram cada vez mais.

Durante todo século XIX muitas descobertas foram realizadas, mas tudo passou a fazer sentido quando o elétron foi descoberto em 1897 pelo inglês John Joseph Thomson como sendo uma partícula do recente entendido átomo.

A eletricidade foi então redefinida como sendo o fluxo de deslocamento de elétrons em um condutor elétrico, geralmente um metal.

Esse fluxo é chamado de corrente elétrica.

Gerando uma Corrente Elétrica

A corrente elétrica precisa ser gerada por algum elemento capaz de fazer os elétrons se moverem dentro de um condutor de elétrons normalmente chamado de fio elétrico.

O Alessandro Volta inventou um gerador chamado de pilha quimica porque usa elementos quimicos para forçar os elétrons sairem de um lado, atravessar um fio e voltarem pelo outro lado, gerando a corrente elétrica. Esses dois “lados” do gerador são chamados de polos e são apenas dois: O polo positivo e o polo negativo.

É simples assim: Pegue uma pilha e um fio, encoste uma ponta desse fio no polo positivo da pilha e a outra ponta você encosta no polo negativo. Pronto! O fluxo de elétrons foi estabelecido e os elétrons saem da pilha em disparada⁽²⁾ pelo polo negativo e atravessam o fio em direção ao polo positivo. Parabéns, você gerou sua primeira corrente elétrica!

Usando o Poder do Elétron

Thomas Edison

Em 1879 Thomas Edison usa a eletricidade e inventa a primeira lâmpada elétrica útil. Edison não foi o único a tentar fazer uma lâmpada, mas foi o primeiro que fez uma lâmpada que não queimasse em poucas horas. No fim deste ano a rua do laboratório de Edison foi inteiramente iluminada usando lâmpadas elétricas. Esse foi o primeiro circuito de iluminação elétrica pública do mundo.

Até então a eletricidade não era usada em larga escala mas a luz emitida pelas lâmpadas de Edison era mais brilhante e bonita que as luz das lamparinas à óleo. Rapidamente caiu no gosto da população e se espalhou pelas cidades.

A energia elétrica passou a ser distribuida para todas as casas, o que preparou a civilização para o próximo passo.

Nikola Tesla

Nota do Autor: Para ser justo ao citar nomes, teriamos que colocar aqui uma lista de outras pessoas que contribuiram muito para a ciência da eletricidade. Porém não poderia deixar de citar Nikola Tesla de forma alguma. Inicialmente auxiliar de Edison e depois seu desafeto, Nikola trouxe uma monstruosa inovação ao pensar a transmissão da eletricidade na forma alternada. A sacada de Tesla foi tão genial que até hoje utilizamos suas descobertas no sistema elétrico mundial. Justiça seja feita!! Segue a foto no mestre Tesla.

Surge a Eletrônica

O século XX começa e uma nova ciência emerge, chamada de Eletrônica.

Basicamente a eletrônica consiste em manipular e usar a corrente elétrica criada por um gerador elétrico. Manipula-se a corrente elétrica utilizando os componentes eletrônicos.

Componentes no interior de um rádio valvulado aberto

Um dos primeiros circuitos eletrônicos foi o Rádio Eletrônico que permitia a distribuição de informações, então sons, através do ar. Um aparelho capta o som através de um microfone, converte esse sinal e o transmite através de uma antena. O sinal transmitido pode ser captado por receptores espalhados em uma grande área ao redor da antena transmissora. Esse sinal captado é transformado no som original que pode ser ouvido pelas pessoas.

Era inaugurada a Era da Informação. O efeito na sociedade foi irreversível. A eletrônica passou a fazer da vida das pessoas.

O rádio era uma coisa tão maluca, que todos queriam aparelhos de rádio. A demanda por eletricidade aumentou vertiginosamente. As casas da população inteira foram conectadas à rede de energia elétrica que alimentava o sistema de iluminação pública. A demanda por energia elétrica era tamanha, que os governos passaram a cobrar por ela para poder continuar a expandir a rede.

Uma outra indústria nasceu, a Indústria Eletrônica, responsável por fabricar aparelhos eletrônicos em massa.

Valvula termo-iônica.
O modelo da foto é fabricado até hoje

Os Componentes Eletrônicos

Componentes eletrônicos são peças que manipulam a eletricidade. O rádio só pôde ser construído devido à invenção do primeiro componente eletrônico capaz de manipular a eletricidade de forma ativa. Este componente foi chamado de válvula termo-iônica e pode ser vista na imagem ao lado.

Agora começa a parte divertida do curso. Faremos uma pausa na história e voltaremos a contá-la no decorrer das aulas.

Na próxima página aprenderemos como gerar e manipular a energia elétrica, usando alguns componentes passivos simples e simulando o circuito usado por Thomas Edison na sua experiência com a lâmpada elétrica.

Referências Bibliográficas

• Biografia de Alessandro Volta
• Energia elétrica – Wikipédia em português
• Edison’s Homepage
• Eletrônica – Wikipédia em português

Notas do Autor

Nota 1 – Usei o termo “excesso e falta de eletricidade” ao invés de excesso ou falta de elétrons porque nesta epoca não se conhecia ou entendia o átomo e suas partículas tais como o elétron, de forma que o conceito de corrente elétrica ou fluxo de elétrons não existia na mesma forma como conhecemos hoje.

Nota 2 – A circulação da corrente elétrica é instantânea e a velocidade desta aproxima-se da velocidade da luz. Porém ao observar um elétron em partícular que sai do polo negativo, este demora muitas horas para percorrer um fio e chegar ao polo positivo. A alta velocidade da corrente elétrica acontece porque o campo elétrico do elétron que entra no fio empurra o último elétron da outra ponta pra fora do fio.

Bem vindo você que deseja aprender a dominar a energia elétrica!

O curso é organizado nas seguintes aulas:

• A Energia Elétrica
• Meu primeiro circuito eletrônico
• Os Resistores
• Capacitores
• Diodos
• Leds
• Transistores
• Introdução aos circuitos integrados – 555

Neste curso ensinaremos o que é a energia elétrica e como podemos dominá-la através dos componentes e circuitos eletrônicos.

Visamos ensinar eletrônica para leigos e abordaremos os seguintes assuntos:

• O elétron e a energia elétrica;
• O que são e para que servem os componentes eletrônicos;
• Exemplos de aplicações dos componentes eletrônicos;
• Unidades de medida utilizadas na eletrônica bem como sua simbologia;
• Animações e exemplos de circuitos eletrônicos e funcionamento dos componentes;

Ao final do curso, o leitor terá conhecimentos que lhe permitirá identificar os componentes eletrônicos, saber as diferenças de uso dos componentes, suas diversas aplicações e entender como funciona o mundo da eletrônica sem as complicações da matemática envolvida.

Neste curso básico não abordaremos os cálculos envolvidos nos circuitos. Publicaremos futuramente o curso de eletrônica intermediaria onde abordaremos tais cálculos.

Arduino é hardware livre

Obter uma placa Arduino é muito fácil, existem muitos distribuidores desta placa. É só “jogar no google” a palavra Arduino e nos é apresentada uma lista de vendedores desta placa.

Porém, a idéia do Arduino é ser uma solução livre, então o hardware também é livre, ou seja, o esquema elétrico de uma placa Arduino é público e pode ser usado e/ou modificado por todos.

Esquema elétrico da placa Arduino Uno

Existem muitos modelos de placas compatíveis com Arduino que já foram feitas pela sociedade internacional, inclusive o Brasil participa da lista! Veja na sessão de hardware do site oficial: aqui

Existe uma versão em particular, Brasileira, que nos agradou muito: É a placa Severino!

Placa Severino

A placa Severino foi projetada pelo brasileiro Adilson Akashi e ficou tão legal que os criadores do Arduino listam essa placa como “oficial” .

Baseado na idéia dessa placa, que recomendamos para os iniciantes, desejei projetar e construir uma versão minha para treinar e estudar. O desejo veio quando precisei projetar uma placa pequena, face simples e que pudesse ser utilizada nos meus projetos profissionais. Alguns clientes não gostam de ver uma placa Arduino no seu projeto, mesmo explicando que a placa Arduino é na verdade um circuito Atmel normal. Então uma placa baseado no mesmo circuito e com o leiaute “diferente” dá no mesmo! Iniciei o projeto então. Nome: X-Duino (gosto da letra X).

Projetando e construindo a X-Duino

Construir a sua placa permite aprender os detalhes que lhe ajudarão a programá-la.

Construir uma placa diferente e 100% compatível nos traz a oportunidade de adaptações que podem nos ajudar muito.

Ao projetar uma placa compátível com Arduino diferente, vamos elencar algumas caracteristicas que gostariamos que uma placa tivesse:

• Placa face simples, para poder fazer em casa.
• Leiaute simplificado para poder fazer o desenho à caneta na placa
• Não necessitar de circuito especial ou externo para fazer a gravação do programa
• Usar somente componentes que possam ser encontrados no mercado nacional (Brasil)

As características acima nos tomou alguns meses de pesquisa e testes, e então surgiu a placa X-Duino.

Placa X-Duino

Características da placa X-Duino

• Gravação de dados via USB, sem o uso de chips especiais (tipo FTDI). Implementação USB via software no bootloader.
• Placa 100% compatível com a IDE Arduino
• Circuito de alimentação regulado de 5 Volts / 1 Ampére
• Circuito de alimentação regulado de 3,3 Volts / 1 Ampére de montagem opcional
• Área de prototipagem integrada
• Placa de circuito impresso face simples, otimizada para construção à caneta

Na próxima página veremos o esquema elétrico, o leiaute da placa e como ela funciona.

Quando tratamos de software na plataforma do Arduino, podemos referir-nos a dois assuntos: Ao ambiente de desenvolvimento integrado do Arduino e ao software desenvolvido por nós para enviar para a nossa placa.

Nesta aula vamos aprender como usar o Ambiente de Desenvolvimento do Arduino, como baixar, instalar e configurar o ambiente, como compilar nosso código e como enviá-lo para a nossa placa.

Abordaremos o software para a placa (nosso firmware) em uma próxima aula.

Download e Instalação

A plataforma Arduino é Open Source, ou seja, todos tem acesso à todo trabalho e pode utilizá-lo sem precisar pagar qualquer tipo de taxa ou royalties.

Todo software necessário para trabalhar com placas Arduino é disponibilizado “de grátis” pelos dsenvolvedores.

O site oficial do Arduino é www.arduino.cc e nele podemos baixar todo material que necessitaremos para trabalhar.

Página de download do Arduino. Em destaque os links de download.

Vamos estudar o Arduino usando um sistema operativo Windows 7 Professional 64 bits. Quem optar por usar linux ou MAC OS poderá acompanhar o curso também, pois faremos as observações necessárias a esses sistemas quando necessário.

Aliás, O MAC OS é um unix, derivado do mesmo pai e compatível com o linux, então o MAC OS X vai representar “a classe unix” de agora em diante no nosso curso.

No MAC, o download é realizado e o procedimento é quase o mesmo. É só clicar sobre o app para iniciar a IDE.

Já temos tudo que necessitamos por enquanto. Vamos iniciar o uso da ferramenta.

O Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE)

Ambiente de Desenvolvimento Integrado Arduino 1.0 comentado

Ao executar o aplicativo, a tela acima é apresentada. Vamos adotar a abreviação IDE para tratar o aplicativo. Comentamos as funcionalidades abaixo:

• Menu Principal – Nele estão todas as funções da IDE, como o gerenciamento de arquivos, funções de configuração entre outras.
• Barra de botões – São os botões de atalho que ficam em baixo do menu principal. Facilitam a vida do desenvolvedor.
• Área de programação – Neste espaço em branco o programa a ser enviado para a placa é escrito.
• Console do compilador – Neste espaço é apresentada todas as mensagem do compilador, que são tanto mensagens de informação ou aviso sobre erros no programa.
• Barra de estado – basicamente informa qual placa arduino foi configurada para uso no momento. Note na figura acima, gerada em um windows, a barra de estado apresenta a seleção de uma placa do tipo X-DUINO ATMega168 conectada na porta COM3.

Configurando a IDE.

Toda ferramenta precisa ser configurada antes do uso e a IDE do Arduino não e diferente. São necessários poucos ajustes. Primeiramente vamos selecionar a placa que vamos conectar no PC. Aponte para o menu “Tools > Board”.

Lista de placas suportadas pela IDE

Observem que existem três placas no final da lista marcadas por um retângulo. Essas placas foram incluídas pelo autor deste artigo através da alteração de um arquivo texto especial. São as placas que projetamos, compatíveis com a plataforma. Em uma futura aula mostraremos como incluir placas adicionais na lista, por enquanto selecionaremos uma placa: a X-DUINO ATMega168.

Dependendo da placa escolhida, é necessário informar a porta de comunicação. Informe a porta no menu “Tools > Serial Port”. Nossa placa X-DUINO não precisa de porta serial para funcionar, porém essa porta serial é a mesma que pode ser utilizada para receber dados para serem apresentados no monitor serial (falaremos dele adiante), portanto vamos selecionar uma porta serial.

Lista de portas seriais disponíveis (arduino windows)

No MAC e no Linux, a lista de portas é um pouquinho diferente.

Lista de portas seriais disponíveis (arduino MAC)

A diferença na lista de portas entre MAC e Windows é devido à forma como cada SO trata o esquema de comunicação. O mais importante é selecionar a porta correta, onde sua placa efetivamente está conectada.

Dica: Desconecte sua placa Arduino do PC e verifique a lista de portas. Depois conecte a sua placa e verifique a lista de portas novamente. Se aparecer uma porta a mais, esta é a correta.

Vamos na próxima página abrir um programa, compilá-lo e gravá-lo na placa.

Arquitetura de hardware do Arduino

O hardware do arduino é muito simples, porém muito eficiente. Vamos analisar a partir deste momento, o hardware do Arduino UNO. Esse hardware é composto dos seguintes blocos, explicados abaixo:

• Fonte de Alimentação – Recebe energia externa, filtra e converte a entrada em duas tensões reguladas e filtradas;
• Núcleo CPU – Um computador minúculo mas poderoso responsável por dar vida à placa.
• Entradas e Saídas – A CPU vem completa com diversos “dispositivos” embutidos dentro do chip.
• Pinos com Funções Especiais – Alguns pinos possuem hardware embutido para funções especiais.
• Firmware – Programa que carregamos dentro da CPU com nossas instruções de funcionamento da placa.

A Fonte de Alimentação

Esse bloco de eletrônica é responsável por receber a energia de alimentação externa, que pode ter uma tensão de no mínimo 7 Volts e no máximo 35 Volts e uma corrente mínima de 300mA. A fonte filtra e depois regula a tensão de entrada para duas saídas: 5 Volts e 3,3 Volts.

Note que tanto os limites de tensão mínimas e máximas quanto a corrente mínima, dependem de como o bloco da alimentação é construído. O requisito deste bloco é entregar as tensões de 5 e 3,3 Volts para que a CPU e os demais circuitos funcionem.

O Núcleo, um micro controlador poderoso

O núcleo de processamento de uma placa Arduino é um micro controlador, uma CPU, um computador completo, com memória RAM, memória de programa (ROM), uma unidade de processamento de aritmética e os dispositivos de entrada e saída. Tudo em um chip só. E é esse chip que possui todo hardware para obter dados externos, processar esses dados e devolver para o mundo externo.

Arduino UNO – o núcleo esta marcado em vermelho.

Os desenvolvedores do Arduino optaram em usar a linha de micro controladores da empresa ATMEL. Particularmente gosto esses micros por muitos motivos e acredito que foi uma ótima escolha.

A linha utilizada é a ATMega. existem placas Arduino oficiais com diversos modelos desta linha, mas os mais comuns são as placas com os chips ATMega8, ATMega162 e ATMega328p. Esses modelos diferem na quantidade de memória de programa (ROM) e na configuração dos módulos de entrada e saída disponíveis.

Além dos modelos acima destacados, que usam encapsulamento DIP de 28 pinos, existem placas Arduino com outros modelos de núcleo, como a placa Arduino ADK que usa o chip ATmega2560 (quadrado no meio da placa abaixo).

Placa Arduino Mega

Uma lista de todas as placas oficiais Arduino estão neste link http://arduino.cc/en/Main/Boards

Na página 2 abordaremos os blocos de entrada e saída embutidos dentro do micro controlador e que compõem o hardware do Arduino