CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um processo de eletrização de materiais e uso dos produtos eletrizados pelo dito processo, sendo estes sólidos ou líquidos, baseado na partição de cargas elétricas geradas por dissociação da água atmosférica, quando o vapor de água é adsorvido, absorvido ou condensa em superfícies de metais e isolantes, ou de água líquida ou ainda de um líquido aquoso, aplicado sobre as mesmas superfícies.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Para compreender o caráter de novidade da invenção é preciso conhecer detalhadamente o estado de eletrização de materiais.

A eletrização de materiais foi descoberta há mais de 2500 anos. Os primeiros relatos são atribuídos a Tales de Mileto, que realizou experimentos de eletrização de objetos por atrito.

A eletrização no contato entre metais e semicondutores é bem estabelecida [ ¹ ], sendo explicada como a transferência de elétrons, com uma polaridade determinada pela função de trabalho das fases em contato. Segundo alguns autores, esse comportamento também é admitido em isolantes, isto é, o contato entre diferentes fases seria a causa da separação de cargas nas interfaces. Essa idéia foi estendida à adesão eletrostática entre sólidos, que depois foi abandonada [ ² ].

A eletricidade estática devido ao contato é frequentemente resumida na série triboelétrica e alguns autores [ ³ ] concluíram que a eletrização no contato resulta da transferência de prótons ou de outros íons entre as superfícies em contato.

Os fenómenos eletrostáticos e suas consequências são familiares para a maioria das pessoas, mas o conhecimento sobre este tópico ainda é bastante empírico [ ^4"6 ]. Idéias fundamentais sobre a estrutura de materiais não foram ainda bem conectadas à eletrização de isolantes, o que é reconhecido por alguns autores [ ^7"15 ]. Há muitas questões importantes sobre esse assunto ainda não respondidas. Por exemplo, quais são as espécies portadoras de cargas em um material isolante eletrificado e como elas podem ser detectadas e identificadas? Lawrence Schein, ex-pesquisador da Xerox, em uma importante e recente revisão sobre o estado da arte escreveu que: "a maior parte dos pesquisadores acreditam que a eletrização é um fenómeno de superfície. Criar uma superfície reprodutível e obter reprodutibilidade experimental em laboratórios tem sido um desafio [ ]".

Padrões eletrostáticos sobre algumas superfícies de eletretos foram obtidos baseado no acúmulo de cargas devido à transferência de íons na superfície [ ^16"18 ]. Whitesides e colaboradores [ ¹⁹ ] propuseram que a eletrização no contato entre dielétricos é devida à partição assimétrica de grupos hidroxilas de água adsorvida nas interfaces. Por outro lado, Bard e colaboradores [ ^{20, 21} ], em um artigo recente descreveram observações que foram interpretadas admitindo a formação de elétrons livres como portadores de cargas em superfícies de politetrafluoretileno (PTFE) quando eletrizado com polimetacrilato de metila (PMMA).

O desconhecimento atual do mecanismo de acúmulo e dissipação de cargas eletrostáticas não é somente restrito à área de materiais. As pesquisas em geofísica não produziram ainda um modelo efetivo para explicar a eletrização da atmosfera [ ²² ]. Muitos processos industriais são prejudicados pelo acúmulo de cargas em materiais dielétricos. Por exemplo, a eletrização de pós causa dificuldades de manuseio e mesmo explosões [ ²³ ' ²⁴ ], a descarga eletrostática danifica componentes eletrônicos [ ²⁵ ] e o fluxo de líquidos dielétricos gerando cargas estáticas pode causar explosões e incêndios [ ²⁶ ]. Todos estes problemas se devem ao desconhecimento dos mecanismos de acúmulo e dissipação de cargas.

Os fenómenos eletrostáticos sob condições atmosféricas têm uma importante contribuição de íons da atmosfera, bem como íons gerados por água eletrizada adsorvida nas superfícies. Os íons atmosféricos são portadores de cargas que migram também sob a ação de campos elétricos, distribuídos dentro de um gradiente de potencial elétrico, de acordo com a equação de Poisson-Boltzmann. Os íons são adsorvidos sobre superfícies sólidas e líquidas e descarregados eletroquimicamente sobre superfícies metálicas e semicondutoras. A água adsorvida sob um dado potencial V adquire um excesso de concentração de íons H ⁺ e OH ^" em equilíbrio, de acordo com a equação de potencial eletroquímico. Devido à importância de íons atmosféricos para os fenómenos eletrostáticos, técnicas de caracterização em fase gasosa, especialmente sob atmosfera normal são de particular interesse.

No caso de metais, a adsorção da água é bem conhecida, sendo objeto de muitos estudos científicos. Entretanto, na literatura não é considerado que a água adsorvida ou depositada em superfícies seja um reservatório de cargas elétricas. A quantidade de água presente sobre uma superfície metálica não è uma garantia de eletroneutralidade, pois moléculas de água podem armazenar excesso de cargas. Na Universidade de Washington em Seattle, Gerald Pollack e Kate Ovchinnikova [ ²⁷ ] verificaram a capacidade de moléculas de água serem uma fonte de cargas elétricas. Eles monitoraram a corrente elétrica em função do tempo, e observaram que a água armazena cargas elétricas por dezenas de minutos, após os eletrodos serem desligados. Os autores concluíram que a água em volumes macroscópicos possui a capacidade de armazenar e distribuir cargas elétricas, mas não consideraram a possibilidade de se eletrizar sólidos através da adsorção de água que é o objeto da presente invenção.

Experimentos envolvendo a eletrização de materiais são realizados em nosso grupo de pesquisa há mais de 10 anos. Muitos materiais isolantes e metálicos foram examinados utilizando técnicas microscópicas. Por exemplo: microscopias de varredura por sonda (SPM) nos seguintes modos de operação: microscopia de força Kelvin (KFM) ou microscopia de varredura de potencial elétrico (SEPM), que são baseadas no método de Kelvin e microscopia de força elétrica (EFM). Além das microscopias de sonda, foram utilizadas microscopias analíticas, como por exemplo: microscopia eletrônica de transmissão, acoplada à espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS-TEM) e também imagens de espectroscopia de elétrons em um microscópio de transmissão de elétrons (ESI-TEM) [ ²⁸ ].

A introdução dessas técnicas microscópicas contribuiu para o conhecimento dos padrões eletrostáticos de superfícies isolantes e metálicas, construindo um conjunto de conhecimentos baseados em hipóteses, descobertas e demonstrações sobre a presença de portadores de cargas em corpos supostamente eletroneutros.

Recentemente nosso grupo de pesquisa realizou experimentos de calibração do microscópio de KFM e várias observações foram feitas, evidenciando uma grande influência da umidade relativa sobre a formação dos padrões de cargas mostrando que a formação e dissipação de cargas em superfícies de sílica são mais pronunciadas em altas umidades [ ^{29, 30} ].

O acúmulo e dissipação de cargas associados à água adsorvida também foram usados para explicar alguns resultados deste grupo, mas no contexto de indução de cargas em amostras de celulose em escala macroscópica [ ³¹ J. Os resultados são explicados considerando que a adsorção de água atmosférica sobre a superfície do isolante adquire excesso de cargas devido ao equilíbrio de dissociação de água sob um potencial diferente de zero. Os resultados de íons adsorvidos não balanceados e a concentração em excesso de H(H ₂ O) _n ⁺ ou OH(H2O) _n ^" depende do potencial aplicado. Quando o indutor acrílico é removido das vizinhanças da celulose, clusters iónicos de água são dessorvidos da atmosfera e o potencial sobre o papel retorna ao valor inicial.

Este modelo é baseado em um simples e conceito clássico aplicado na ciência de colóides e superfícies: a existência de íons na atmosfera, auto ionização da água em equilíbrio, excesso local da formação de cargas sob um potencial diferente de zero, de acordo com a equação de Poisson-Boltzmann. Estas idéias não foram usadas anteriormente para explicar 00393

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os fenómenos de indução eletrostática em isolantes, mas atualmente são usadas pelos autores deste laboratório para explicar fenómenos de eletrização.

Em um trabalho mais recente, [ ³² ] foram analisadas superfícies não cristalinas de fosfato de alumínio e sílica, cujo potencial elétrico é modificado quando a umidade é alterada, dentro de um ambiente completamente isolado e aterrado. Este comportamento pode ser interpretado admitindo que a partição iônica é simultânea com eventos de adsorção e dessorção: moléculas de água e clusters dessorvidos carregam excesso de cargas positivas no fosfato de alumínio e cargas negativas na sílica, enquanto o potencial total das partículas é negativo, nos dois casos. Portanto, interações específicas entre íons presentes na água adsorvida e dessorvida e íons nas amostras contribuem para os padrões de cargas nestes sólidos hidrofílicos.

O desconhecimento dos mecanismos de eletrização e dissipação de cargas, associada à adsorção e dessorção de água, pode ser hoje considerado como sendo a fonte de vários problemas considerados muito sérios. Em primeiro lugar está a ocorrência de descargas elétricas, sem controle e causando incêndios e explosões, com graves consequências que incluem a morte de muitas pessoas e perdas patrimoniais elevadas. Além disso, muitas possibilidades de construção de dispositivos e de captação de energia são certamente perdidas, devido a esse desconhecimento. Isso pode ser percebido notando a grande quantidade de prejuízos pessoais e materiais que se seguem a cada tempestade elétrica importante, em muitas partes do mundo e especialmente no Brasil: equipamentos elétricos são destruídos, mesmo em ambientes que seguem normas estabelecidas de proteção. Esses prejuízos ocorrem enquanto assistimos a grandes espetáculos de liberação de eletricidade, que não sabemos aproveitar.

Nesse sentido, a presente invenção é inédita uma vez que a partição de cargas durante eventos de adsorção não foi anteriormente percebida ou reconhecida, na literatura científica ou tecnológica, anteriormente aos resultados obtidos pelo nosso grupo de pesquisa. Isto se deve à crença generalizada, entre cientistas, pesquisadores e engenheiros, na eletroneutralidade dos sistemas materiais. Por outro lado, a formação de uma dupla camada elétrica na água contígua a superfícies sólidas, devido à partição de íons é bem conhecida. [ ³³ ] Os recentes trabalhos realizados pelos pesquisadores da presente invenção reivindicada mostraram que a crença na eletroneutralidade não é fundamentada e levou à descoberta dos fatos experimentais que fundamentam a dita invenção. Alguns dos resultados básicos já foram publicados em revistas científicas de importância global, mas até o momento não foi relatada no estado da técnica nenhuma perspectiva de aplicação prática desse conhecimento.

Como parte do processo científico, as novas idéias provocaram experimentos que não têm antecedentes na literatura. Um deles demonstra que metais adquirem carga elétrica, quando a umidade da atmosfera que os rodeia .muda, aumentando ou diminuindo, ou quando contatam superfícies umedecidas com água ou um líquido aquoso. Esse fenómeno é não apenas original, pois não foi descrito no estado da técnica, mas também é contrário a algumas idéias muito difundidas atualmente. A literatura apresenta vários relatos segundo os quais o aumento da umidade relativa do ar causa apenas a descarga da eletricidade acumulada em materiais, devido ao aumento na condutividade elétrica das suas superfícies. Portanto, a presente invenção tem um caráter de ineditismo muito elevado, inclusive por opor-se a algumas crenças e idéias que fazem parte do estado da arte.

O domínio de fenómenos de eletrização adquirido pelos presentes inventores ao longo de alguns anos de trabalho experimental e de criação e verificação* de modelos, permite agora apresentar esta invenção, caracterizada por um processo controlado e reprodutível de eletrização de líquidos e sólidos, bem como de produtos que são os sólidos e líquidos eletrizados. Sólidos e líquidos eletrizados têm, provavelmente, múltiplas possibilidades de aplicação, mas as mais imediatas são aquelas relacionadas à produção de energia. BR2010/000393

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A explicação sobre a eletrização baseada na sorção e dessorção da água está apresentada a seguir.

O acúmulo de cargas formadas por íons derivados da água, em uma superfície sólida, se deve à maior afinidade química da superfície do material em questão, por íons hidroxônio ou hidroxíla. Os íons que são retidos em maior quantidade impõem ao material a sua carga elétrica, eletrificando-o e concedendo-lhe novas propriedades. Por outro lado, os íons de carga oposta, que não são adsorvidos ou o são em menor quantidade, permanecem na fase gasosa, de onde podem ser removidos por difusão, convecção ou por uma corrente forçada.

Aparentemente, este mecanismo propõe que se acumule cargas e, portanto se gere energia útil sem gastar nenhuma energia de fonte térmica, solar ou qualquer outra, o que pode sugerir uma violação da segunda lei da termodinâmica. Na realidade, este mecanismo mostra que é possível gerar energia às custas apenas de um aumento de entropia do sistema, localizando este aumento de entropia em um imenso reservatório, que é a atmosfera. Esta, por sua vez, está em contacto com outro reservatório de gases, muito maior, que é o espaço interestelar.

Talvez seja importante ressaltar que os físicos e os engenheiros estão acostumados a raciocinar, termodinamicamente, em termos de sistemas fechados ou de sistemas V,T. Raciocinando nestes termos, não se percebe o que pode ser visualizado considerando sistemas P,T, que é o que químicos fazem: se aumentarmos a entropia total de um sistema, podemos simultaneamente aumentar a sua energia e se o fizermos sem limites geométricos, o aumento de energia poderá ser ilimitado. Portanto, o tipo de termodinâmica comumente usado por engenheiros e físicos não conduz à percepção de elementos essenciais da presente invenção, o que justifica que esta não tenha ocorrido anteriormente.

Desta forma, a presente invenção explora uma descoberta científica original dos inventores, que é a seguinte: fenómenos de adsorção e dessorção da água em interfaces e de molhamento de superfícies sólidas são responsáveis pela aquisição e perda de cargas elétricas em sólidos e líquidos. As cargas em questão são os íons hidroxônio e hidroxila existentes na água. Graças a esta constatação, foi possível dominar os fenómenos de eletrização de materiais e de substâncias de qualquer tipo, sendo estas sólidas ou líquidas, e conceber processos, materiais e dispositivos nos quais ocorre o acúmulo de cargas elétricas em materiais produzidos industrialmente, acessíveis e de baixo custo.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um processo de geração, , produção ou captação de eletricidade, caracterizado pela eletrização de metais e isolantes quando estes são umedecidos ou submetidos a variações na umidade relativa da atmosfera ambiente, utilizando-se qualquer forma conhecida pelo estado da técnica. A invenção também abarca produtos, que são os materiais eletrizados em consequência de variações na umidade a que estão expostos ou no grau de molhamento, sendo estas variações produzidas de qualquer forma já descrita no estado da técnica.

Mudanças de umidade ambiente ou grau de molhamento provocam a eletrização de sólidos metálicos e isolantes na forma de monolitos, chapas, folhas, filmes, tecidos, telas e fios, de uma forma que permite a posterior transferência, armazenagem e utilização da carga elétrica nas formas conhecidas pelo estado da técnica. O mesmo processo se aplica a materiais líquidos, em qualquer forma conhecida. O processo descrito nesta invenção permite a captação de eletricidade atmosférica, que é um objetivo tecnológico extremamente importante e alvo de grandes esforços de pesquisa, mas ainda sem uma solução tecnológica viável conhecida. O ineditismo da presente invenção é assegurado pela originalidade dos fenómenos responsáveis pela geração, produção ou captação de eletricidade e pela inexistência de qualquer antecedente semelhante ou análogo ao processo ou produtos descritos na dita invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO De acordo com a presente invenção é proporcionado um processo de eletrização de materiais e uso dos produtos eletrizados pelo dito processo, sendo estes sólidos ou líquidos, baseado na partição de cargas elétricas geradas por dissociação da água atmosférica, quando o vapor de água é adsorvido, absorvido ou condensa em superfícies de metais e isolantes, ou ainda quando a superfície é molhada. Mais especificamente, o processo em questão utiliza a eletrização de materiais de qualquer tipo, quando o vapor de água se condensa neles, ou é adsorvido ou absorvido ou a água é aplicada sobre a superfície. Nesse processo, os íons existentes na água não são adsorvidos estequiometricamente, produzindo um excesso de carga no material em que o vapor se condensa ou a água é aplicada, sólido ou líquido, condutor elétrico ou não.

Neste processo, a interface entre o ar e o material que se deseja eletrizar é exposta ao ar contendo umidade relativa conhecida mas de qualquer valor possível, sendo o ar transferido por gravidade, bombeamento, aspiração ou qualquer outro meio de transferência de massa conhecido, sendo colocado em contacto com o material que se deseja eletrizar. Alternativamente, o material que se deseja eletrizar é molhado com água ou um líquido que contenha água.

Observando-se o comportamento de diferentes materiais, verifica-se que a eletrização ocorre tanto quando a umidade é aumentada como quando ela é diminuída, o que é explicado pelo mecanismo de adsorção e dessorção nos diferentes materiais examinados. A carga elétrica acumulada no material pode ser então transferida para qualquer sistema conhecido no estado da arte para a armazenagem de cargas elétricas, seja um capacitor, um super-capacitor, ultra-capacitor ou bateria eletroquímica. Alternativamente, a carga acumulada no material pode ser descarregada através de uma lâmpada, diodo emissor de luz, motor ou qualquer outro dispositivo de emissão de luz ou de produção de trabalho mecânico.

A forma mais simples de implementação da invenção, no caso de um material sólido, é a seguinte: faz-se escoar ar úmido, se possível 00393

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saturado com umidade, em contacto com o sólido seco que se quer eletrizar, dentro de um recipiente eletricamente isolado ou dentro de um recipiente condutor, mas que esteja isolado eletricamente. Alternativamente, faz-se escoar ar seco em contacto com o sólido que foi previamente mantido em um ambiente úmido, ou ainda aplica-se água ou um líquido aquoso à superfície.

O escoamento do ar pode ocorrer por aspiração, por bombeamento, por convecção ou qualquer outro processo conhecido de transferência de massa. São preferidos os métodos que envolvam baixo consumo de energia, para que se consiga a maior eficiência do processo global. Da mesma forma, o contato com a água pode ser feito usando-se um sólido umedecido.

Quando se deseja armazenar o sólido eletrizado, este deve ser mantido no interior de recipientes eletricamente isolados, fechados e bem protegidos da atmosfera. Preferivelmente, o recipiente deve ser mantido sob blindagem elétrica, do tipo fornecido por uma gaiola de Faraday ou qualquer forma de embalagem ou revestimento que bloqueie a ação de fontes externas de campo elétrico. É especialmente importante que os recipientes usados permitam o controle do contacto entre a atmosfera ou materiais úmidos adjacentes e o material que se quer eletrizar, uma vez que todo o processo é baseado na descoberta de que as mudanças no estado de eletrização dos materiais ocorrem principalmente através de trocas de íons da água, com a atmosfera ou água adjacente.

Uma vez armazenados os materiais fluidos ou sólidos eletrizados, eles podem ser posteriormente usados para produzirem energia elétrica, mecânica ou luminosa, das muitas formas conhecidas.

A forma mais simples de implementação de aplicação desta invenção à produção de energia elétrica é conectar o material eletrizado a um terminal de um capacitor ou bateria bipolar, enquanto o outro terminal é conectado à terra. Ao se fazer isso, ocorre a carga do capacitor ou bateria, que passa a estar disponível para quaisquer usos, dependendo de suas dimensões e capacidade de armazenagem. O tempo de exposição do sólido à atmosfera ou material úmido adjacente pode ser muito curto, mas superior a um milionésimo de segundo, sendo determinado pela cinética de troca de moléculas e íons da água, entre a superfície do fluido ou sólido utilizado e a atmosfera ou meio que o rodeia. Os exemplos desta invenção mostram que, em alguns casos, o processo de transferência de cargas é bastante lento, na escala de minutos a horas.

A implementação mais simples da interface entre o sólido e a atmosfera utilizada é a interface entre um objeto metálico e o ar atmosférico. Entretanto, o ar pode ser substituído por qualquer gás conhecido ou mistura de gases, cuja umidade relativa seja bem diferente da umidade relativa à qual o material esteve exposto anteriormente.

Os exemplos mostrados a seguir apenas ilustram uma das muitas formas de realizar a invenção. Por isso não devem ser encarados de forma restritiva, mas sim de forma ilustrativa. Os mesmos mostram a formação de cargas e potenciais elétricos, isto é, a geração de eletricidade quando metais e isolantes são submetidos à mudança na umidade relativa ou contato com materiais úmidos, portanto, a mudanças na quantidade de água adsorvida ou dessorvida.

Nos exemplos de 1 a 13, a carga dos materiais foi medida usando-se eletrômetros comerciais, conectado à amostra e a um sistema análogo ao que foi usado por Gouveia e colaboradores [J. Phys. Chem C 2008, 112, 17193], adaptado de Barry e colaboradores [Mater. Res. Soe. Symp. Proc. 2007, 1002]. Esse sistema, também chamado de copo de Faraday ("Faraday cup"), consiste em um cilindro aberto de latão, com superfície externa cromada, de 20,0 cm de comprimento e 4,9 cm de diâmetro interno. As amostras são colocadas dentro do copo de Faraday e são mantidas afastadas do mesmo por um isolante elétrico. O copo de Faraday é montado na posição vertical dentro de uma caixa de alumínio fechada e aterrada, que é dotada de uma entrada de ar, por onde entra nitrogénio em umidade relativa controlada, permitindo manter o sistema em atmosferas em qualquer umidade relativa. A 3

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caixa de alumínio também abriga um termoigrômetro, e possui pequenos orifícios por onde passam os cabos que ligam o termoigrômetro a um computador e o copo de Faraday ao eletrômetro.

Exemplo 1 :

Colocou-se um cilindro de latão com superfície externa cromada, de 20,0 cm de comprimento e 3,7 cm de diâmetro interno, dentro do copo de Faraday, e inseriu-se três anéis de espuma de polietileno entre os cilindros, isolando eletricamente um cilindro do outro. O sistema foi mantido à umidade relativa de 67,2% durante 1 hora. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. O cilindro de latão adquire carga elétrica negativa nas seguintes taxas:

Tabela 1 : Taxa de aquisição de carga elétrica pelo cilindro de latão em função da umidade relativa.

Exemplo 2:

O cilindro de latão descrito no exemplo 1 foi mantido à umidade relativa de 0.6% durante 15 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de N2 saturado em água no recipiente da amostra. O potencial elétrico do cilindro varia nas seguintes taxas:

Tabela 2: Variação de potencial elétrico do cilindro de latão em função da umidade relativa.

Umidade relativa / % taxa / V.min

Exemplo 3:

Um chicote de fios de cobre foi confeccionado pelo corte em 10 pedaços de um cabo elétrico de 183,3 cm de comprimento, contendo 35 fios de cobre não-envernizados (φ = 0,360 mm). Os pedaços foram agrupados, e dois segmentos encapados de 7,0 cm do cabo elétrico foram amarrados perpendicularmente a uma das extremidades do chicote, formando duas hastes separadas por 180°, de maneira que a montagem se assemelhasse a um T. O chicote foi colocado dentro do copo de Faraday, de modo que os fios de cobre ficassem dentro do cilindro de latão, e as hastes apoiassem na boca do mesmo, isolando eletricamente o chicote do copo de Faraday. O sistema foi mantido , a uma umidade de 3,8% durante 10 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. Os fios de cobre adquirem carga elétrica positiva nas seguintes taxas:

Tabela 3: Taxa de aquisição de carga elétrica pelos fios de cobre em função da umidade relativa.

Exemplo 4:

Um chumaço de 7,84509g de esponja de aço, encaixado dentro do cilindro de latão cromado utilizado no Exemplo 1 , foi mantido em uma umidade relativa de 37,4% durante 100 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. A esponja de aço e o cilindro de latão adquirem carga elétrica negativa nas seguintes taxas: 00393

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Tabela 4: Taxa de aquisição de carga elétrica pela esponja de aço e o cilindro de latão em função da umidade relativa.

Subtraindo-se a carga adquirida pelo sistema por aquela do cilindro de latão, resulta que a carga sobre a esponja de aço aumentou nas taxas abaixo:

Tabela 5: Taxa de aquisição de carga elétrica pela esponja de aço em função da umidade relativa.

Exemplo 5:

Um pedaço de 3,49468g de folha de alumínio, que havia sido previamente dobrado e perfurado para permitir a circulação do nitrogénio pelo mesmo, foi introduzido dentro do cilindro de latão mencionado no Exemplo 1 , e mantido em umidade de 0 % durante 3 horas. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de ar saturado em água no recipiente da amostra. A folha de alumínio e o cilindro de latão adquirem carga elétrica negativa nas seguintes taxas:

Tabela 6: Taxa de aquisição de carga elétrica pela folha de alumínio e o cilindro de latão em função da umidade relativa.

Subtraindo-se a carga adquirida pelo sistema por aquela do cilindro de latão, obtém-se que a carga sobre a folha de alumínio aumentou nas taxas abaixo: Tabela 7: Taxa de aquisição de carga elétrica pela folha de alumínio em função da umidade relativa.

Exemplo 6:

O cilindro de latão descrito no Exemplo 1 foi previamente exposto à umidade de 100% durante 20 minutos. Em seguida, a umidade foi reduzida gradualmente fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio seco. O cilindro de latão, na umidade de 0,2%, adquire carga elétrica positiva na taxa de 1 ,18.10 ^"12 C.min ^"1 .

Exemplo 7:

O chicote de fios de cobre utilizado no Exemplo 2 foi previamente exposto a umidade de 92,6% durante 110 minutos. Em seguida, a umidade foi reduzida gradualmente fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio seco. Na umidade de 0%, os fios de cobre adquirem carga elétrica positiva na taxa de 1 ,92.10 ^-13 C.min ^"1 .

Exemplo 8:

Um novelo formado por 30 segmentos de 1 m de fios de Ni-Cr (níquel-cromo, φ = 0,200 mm) foi colocado dentro do cilindro de latão utilizado no Exemplo 1 , e mantido em umidade de 1 ,8% durante 10 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. Os fios de Ni-Cr e o cilindro de latão adquirem carga elétrica negativa nas seguintes taxas:

Tabela 8: Taxa de aquisição de carga elétrica pelos fios de Ni-Cr e o cilind latão em função da umidade relativa. 0393

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Subtraindo-se a carga adquirida pelo sistema por aquela do cilindro de latão, obtém-se que a carga sobre os fios de Ni-Cr aumentou nas taxas abaixo:

Tabela 9: Taxa de aquisição de carga elétrica pelos fios de Ni-Cr em função da umidade relativa.

Exemplo 9:

Um novelo formado por 37 m de fio de Pt (platina, φ = 0,040 mm) foi colocado dentro do cilindro de latão utilizado no Exemplo 1 , e mantido em uma umidade de 0,2% durante 10 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. O fio de Pt e o cilindro de latão adquirem carga elétrica positiva nas seguintes taxas:

Tabela 10: Taxa de aquisição de carga elétrica pelo fio de Pt e o cilindro de latão em função da umidade relativa.

Subtraindo-se a carga adquirida pelo sistema por aquela do cilindro de latão, obtém-se que a carga sobre o novelo de Pt aumentou nas taxas abaixo:

Tabela 11 : Taxa de aquisição de carga elétrica pelo fio de Pt em função da umidade relativa.

Exemplo 10:

Um chumaço de 3,21082 g de papel higiénico, encaixado dentro do cilindro de latão cromado utilizado no Exemplo 1 , foi mantido em uma umidade relativa de 68,0% durante 860 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. O papel higiénico e o cilindro de latão adquirem carga elétrica positiva nas seguintes taxas:

Tabela 12: Taxa de aquisição de carga elétrica pelo papel higiénico e o cilindro de latão em função da umidade relativa.

Subtraindo-se a carga adquirida pelo sistema por aquela do cilindro de latão, resulta que a carga sobre o papel higiénico aumentou nas taxas abaixo:

Tabela 13: Taxa de aquisição de carga elétrica pelo papel higiénico em função da umidade relativa.

Exemplo 11 :

Um gancho de 0,71451 g feito com fios de Ni-Cr (φ =

0.800 mm), apoiado na boca do cilindro de latão cromado utilizado no Exemplo

1 , foi mantido em uma umidade relativa de 62,5% durante 950 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de T BR2010/000393

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nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. O gancho de Ni-Cr e o cilindro de latão adquirem carga elétrica negativa nas seguintes taxas:

Tabela 14: Taxa de aquisição de carga elétrica pelo gancho de Ni-Cr e o cilindro de latão em função da umidade relativa.

Exemplo 12:

Um pedaço de filme de PEBD (polietileno de baixa densidade), de dimensões 1 ,5 cm x 10,0 cm, foi afixado ao gancho de Ni-Cr utilizado no Exemplo 10, e mantido em umidade de 65,0% durante 90 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. O filme de PEBD, o gancho de Ni-Cr e o cilindro de latão adquirem carga elétrica negativa nas seguintes taxas:

Tabela 15: Taxa de aquisição de carga elétrica pelo filme de PEBD, gancho de Ni-Cr e cilindro de latão em função da umidade relativa.

Exemplo 13:

Um pedaço de filme de PS (poliestireno), de dimensões 1 ,5 cm x 10,0 cm, foi afixado ao gancho de Ni-Cr utilizado no Exemplo 10, e mantido em umidade de 59,5% durante 1000 minutos. A umidade foi aumentada gradualmente, fazendo-se passar uma corrente de nitrogénio saturado em água no recipiente da amostra. O filme de PS, o gancho de Ni-Cr e o cilindro de latão adquirem carga elétrica negativa nas seguintes taxas: Tabela 16: Taxa de aquisição de carga elétrica pelo filme de PS, gancho de Ni- Cr e cilindro de latão em função da umidade relativa.

Nos exemplos de 14 a 17 foi medido o potencial elétrico de materiais antes e depois de serem submetidos a um ambiente úmido. Nestes exemplos, foram usados os seguintes materiais: PVC (policloreto de vinila); PET (politereftalato de etileno); papel (celulose) e nanocompósito (borracha natural + argila).

As amostras foram lavadas com detergente comercial, enxaguadas com água deionizada e colocadas sobre um suporte de alumínio. O suporte foi levado a uma estufa e secado a 40°C durante 2 horas. Após a secagem, o suporte de alumínio foi colocado dentro de uma caixa metálica sob 60% de umidade relativa (monitorada com um termoigrômetro digital) e as amostras foram submetidas a varreduras de potencial elétrico. As varreduras foram feitas durante 24 horas utilizando um eletrodo vibratório baseado no método de Kelvin, acoplado a um sistema de varredura que se movimenta em duas dimensões (plano x-y). No final desse período, foi calculada a média do potencial elétrico da última varredura.

O suporte com as amostras foi então colocado em um sistema com atmosfera saturada de vapor de água, onde permaneceu por 96 horas. Esse sistema consiste num recipiente plástico tampado, com um béquer contendo água deionizada em seu interior. Após esse período, o suporte foi novamente colocado dentro da caixa metálica, e o potencial elétrico das amostras foi mais uma vez monitorado.

A mudança no potencial elétrico das amostras foi calculada pela subtração da média do potencial elétrico da primeira varredura após a exposição ao ar úmido pela média do potencial elétrico da última varredura antes de inseri-las no ambiente úmido.

Exemplo 14:

A amostra de PVC, de dimensões 30mm x 12mm x 2mm, teve sua superfície varrida antes e após ter sido colocada em ar úmido. A variação média de potencial elétrico nesse material foi de -2,52 V.

Exemplo 15:

A amostra de PET, de dimensões 30mm x 12mm x 3mm, teve sua superfície varrida antes de após ter sido colocada em ar úmido. A variação média de potencial elétrico nesse material foi de -3,08 V.

Exemplo 16:

A amostra de papel, de dimensões 30mm x 12mm x 0,02mm, teve sua superfície varrida antes e após ter sido colocada em ar úmido. A variação média de potencial elétrico nesse material foi de -2,88 V.

Exemplo 17:

A amostra de nanocompósito, de dimensões 30mm x 12mm x 2mm, teve sua superfície varrida antes e após ter sido colocada em ar úmido. A variação média de potencial elétrico nesse material foi de -3,01 V.

Os exemplos 18 a 21 ilustram a obtenção de diferenças de potencial elétrico, espontaneamente, entre os terminais de capacitores formados por eletrodos feitos com dois metais iguais ou diferentes, e um dielétrico que contém vapor de água, água adsorvida ou condensada.

Exemplo 18:

Um terminal de um capacitor de 3,3 microFarads foi conectado ao cilindro de latão cromado descrito no Exemplo 1 e o outro terminal do capacitor foi conectado ao copo de Faraday. O conjunto foi exposto a uma corrente de nitrogénio saturado em água durante 20 horas. O capacitor foi desconectado do cilindro de latão e conectado a um eletrômetro. A diferença de potencial entre os terminais do capacitor foi de 0,15 V.

Exemplo 19: 93

21

Este exemplo descreve um dispositivo simples que gera eletricidade espontaneamente quando é exposto a uma atmosfera úmida e que é construído da seguinte forma: quadrados recortados de uma tela de alumínio (25 x 25 cm ² ), uma folha de papel de filtro (30 x 30 cm ² ) e um tecido de aço inoxidável (25 x 25 cm ² ), são superpostos, de maneira que o papel separe os dois metais. A tela de alumínio é um produto industrial fabricado para ser usado como mosquiteiro, com 14 mesh. O tecido de aço inox também é um produto industrial, usado como suporte de filtros-prensa, com 400 mesh. O conjunto é recoberto com dois quadrados de papel de filtro enrolado e o rolo é fixado com um elástico de escritório, evitando o contacto entre os metais. O conjunto é colocado no interior de uma caixa de alumínio, na qual se pode introduzir nitrogénio seco ou úmido e os dois metais são conectados a um eletrômetro. O procedimento para se obter eletricidade é o seguinte: o eletrômetro é zerado, a caixa é fechada e uma corrente de nitrogénio seco é introduzida, registrando-se a diferença de potencial entre os metais. Depois de um certo tempo, o gás é substituído por nitrogénio saturado com água, constatando-se então um rápido aumento na diferença de potencial entre os metais, que atinge 0,75 ± 0,01 V depois de 10 minutos de exposição do dispositivo ao gás saturado com água. A entrada do eletrômetro é curto-circuitada por alguns segundos e o curto é novamente removido, observando-se novo aumento na diferença de potencial. Esse processo pode ser repetido seguidamente, de forma reprodutível.

Exemplo 20:

Este exemplo descreve um outro dispositivo simples que gera eletricidade espontaneamente quando dois metais são expostos ao papel úmido. O dispositivo é construído da seguinte forma: pedaços recortados de uma folha de alumínio (22,5 x 24 cm ² ), uma folha de papel de filtro (30 x 24 cm ² ) e um tecido de aço inoxidável (22,5 x 24 cm ² ), são superpostos, de maneira que o papel separe os dois metais. A folha de alumínio é um produto industrial fabricado para ser usado em cozinhas e outras aplicações domesticas, com espessura de 5 micrometros. O tecido de aço inox também é um produto industrial, usado como suporte de filtros-prensa, com 200 mesh. O BR2010/000393

22

conjunto é inserido no interior de um saco de filme de polietileno e os metais são ligados aos terminais de entrada de um eletrometro. O procedimento para se obter eletricidade é o seguinte: o eletrometro é zerado, o papel é umedecido com 12 mililitros de água destilada quando se constata um rápido aumento na diferença de potencial entre os metais, que atinge 0,97 ± 0,05 V depois de 2,5 minutos de introdução da água. A entrada do eletrometro é curto-circuitada por alguns segundos e o curto é novamente removido, observando-se novo aumento na diferença de potencial, que atinge 0,71 ± 0,04 V. Esse processo pode ser repetido seguidamente, de forma reprodutível.

Exemplo 21 :

Este exemplo descreve um terceiro dispositivo simples que gera eletricidade espontaneamente quando dois metais são expostos ao papel úmido. O dispositivo é construído pela ligação em série de dois dispositivos idênticos ao utilizado no Exemplo 20. O procedimento para se obter eletricidade é o seguinte: o eletrometro é zerado e a diferença de potencial entre os metais é registrada, atingindo 1 ,05 ± 0,02 V depois de 2,5 minutos. A entrada do eletrometro é curto-circuitada por alguns segundos e o curto é novamente removido, observando-se novo aumento na diferença de potencial. Esse processo pode ser repetido seguidamente, de forma reprodutível.

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