Interpretando curvas de tensão-corrente de materiais diferentes

Este artigo discute as ideias envolvidas na medição e interpretação das curvas de corrente-tensão de células solares, baterias e materiais desconhecidos.

Este artigo discute as idéias envolvidas na medição e interpretação das curvas de corrente-tensão de células solares, baterias e materiais desconhecidos.

Este artigo técnico discute o uso de curvas I-V de componentes lineares ideais para entender e interpretar diferentes materiais e como eles são usados ​​como dispositivos eletrônicos. Em particular, o artigo cobre células solares, baterias e novos materiais. Embora referências externas sejam fornecidas sobre como esses dispositivos funcionam, este artigo se concentrará apenas nas curvas I-V desses dispositivos.

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Curvas I-V de células solares

As células solares são dispositivos fotoelétricos que convertem a energia da luz em energia elétrica. Em outras palavras, eles geram energia quando expostos à luz. Quando a luz incide sobre um material semicondutor fotovoltaico (célula solar), a energia dos fótons é transferida para o material, que produz cargas que se movem livremente.

Para um circuito completo com um resistor de carga, uma corrente é gerada no circuito quando a célula solar é exposta à luz. Como a célula solar gera corrente elétrica, sua curva I-V é obtida por comutação de carga.

A comutação de carga envolve o uso de diferentes cargas de resistor conectadas através de uma fonte de energia e medição da tensão no dispositivo (usando um voltímetro), bem como a corrente através dele (usando um amperímetro). Para ver até que ponto uma célula solar pode fornecer corrente a um circuito, medimos a característica I-V do dispositivo usando o método de comutação de carga. Uma curva típica é mostrada na Figura 1.

Figura 1. Esquema de um circuito de medição I-V para uma célula solar para uma iluminação fixa (parte superior) e uma curva I-V típica de uma célula solar (parte inferior). $$ I_ {SC} $$ é a corrente de curto-circuito e $$ V_ {OC} $$ é a tensão de circuito aberto. Para valores de resistor pequenos, as células solares tendem a se comportar como fontes de corrente ideais.

Para uma carga de resistor de 0 ohms (curto-circuito), a corrente máxima que uma célula solar pode produzir para uma determinada iluminação incidente é conhecida como corrente de curto-circuito, $$ I_ {SC} $$. No outro extremo, para uma carga de resistor de ohms infinitos (circuito aberto), não haverá corrente no circuito, enquanto a tensão gerada pela célula solar para uma determinada iluminação é chamada de tensão de circuito aberto, $$ V_ {OC } $$.

A partir da resposta I-V da célula solar mostrada na Figura 1, vemos que as células solares típicas tendem a se comportar mais como uma fonte de corrente para valores menores de resistores de carga. Por outro lado, uma bateria tende a se comportar como uma fonte de tensão, como veremos na próxima seção.

Curvas I-V de baterias

Uma bateria, que é um conjunto de células voltaicas, é um dispositivo que converte energia química em energia elétrica por meio de reações eletroquímicas. Uma bateria é classificada para uma determinada tensão e classificação de capacidade (A-hr), com base em sua construção e composição química. Exemplos de tipos de bateria são níquel-cádmio (Ni-Cd) ou íon-lítio (íon-lítio).

Como a bateria é uma fonte de energia, a resposta I-V de uma bateria é obtida usando a comutação de carga. Um esquema da curva I-V de uma bateria é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Carregue a medição de comutação de uma bateria ideal (parte superior) e a curva I-V de uma bateria ideal, bem como uma bateria real típica (parte inferior). A bateria real é geralmente modelada como uma bateria ideal em série com uma resistência interna, devido à natureza linear da curva I-V.

Uma bateria ideal opera como uma fonte de tensão ideal. Uma bateria real que ainda está totalmente funcional se comporta como uma fonte de tensão ideal, mas tem uma inclinação conforme mostrado pela linha contínua na Figura 2.

Uma inclinação em uma curva I-V é uma resistência (conforme descrito no artigo sobre Curvas I-V de componentes ideais). Portanto, uma bateria real é freqüentemente representada como uma bateria ideal em série com uma resistência interna, conforme descrito aqui. A característica I-V de uma célula solar e de uma bateria não passa pela origem, indicando que armazenam alguma forma de energia.

Curvas I-V de novos materiais

Vimos as curvas de corrente-tensão de componentes ideais, que são dispositivos lineares e passivos, como resistores, capacitores e indutores. Também examinamos os dispositivos ativos que fornecem energia, como fontes de tensão ideais e fontes de corrente.

Usando os gráficos ideais, observamos as curvas I-V de dispositivos passivos não lineares, como diodos e transistores, bem como dispositivos ativos, como células solares e baterias. Em um ponto no tempo, dispositivos como diodos e células solares eram desconhecidos, e medir a característica de corrente versus voltagem era uma forma de modelar o dispositivo usando componentes lineares. Ter uma intuição básica por trás das curvas I-V pode ajudar os engenheiros a descobrir novos usos para os materiais.

Nesta seção, veremos a curva I-V de um eletrodo de estimulação, usado para enviar pulsos elétricos em mamíferos. Esta seção do artigo apenas dá uma ideia de como podemos usar as curvas I-V de componentes lineares para visualizar uma resposta I-V desconhecida e ter uma intuição de como ela se comporta.

Eletrodo de estimulação neural

Um eletrodo é um material condutor que entra em contato com uma parte não metálica do circuito. Por exemplo, as baterias são construídas com eletrodos colocados em um eletrólito. Para estudar o material usado em um eletrodo, os eletroquímicos realizam uma medição conhecida como voltametria cíclica , que é essencialmente uma medição de curva I-V usando o método de varredura de tensão.

Os gráficos de voltametria cíclica (CV) são métodos de estudo das tensões nas quais as reações eletroquímicas são mais prevalentes. A este respeito, CV também leva em conta a taxa na qual as varreduras de tensão estão sendo realizadas. Você pode aprender mais sobre voltametria cíclica aqui.

A configuração de medição para uma curva I-V de um eletrodo é geralmente um sistema de três eletrodos. O eletrodo é colocado em solução salina (NaCl) e há um contraeletrodo de platina, além de um eletrodo de referência. A figura abaixo é um exemplo da resposta I-V, ou gráfico de voltametria cíclica de um eletrodo de filme de óxido de irídio, usado para aplicações de estimulação biológica.

Figura 3. Curva I-V de um material de eletrodo de óxido de irídio colocado em solução salina (curva azul). Também sobreposta está a resposta da curva I-V de um capacitor e um resistor. Isso mostra que o material exibe propriedades capacitivas de armazenamento de carga (histerese)

O gráfico na Figura 3 mostra a curva CV de um eletrodo de óxido de irídio. Ao contrário de um resistor, observe que a resposta do eletrodo de óxido de irídio em solução salina incorpora as propriedades de um capacitor - isto é, ele armazena carga. Essa propriedade de armazenamento de carga, junto com muitas outras, é a razão pela qual esse material é usado para estimulação biológica, que é a injeção de carga no tecido biológico.

Resumo da interpretação das curvas I-V de diferentes materiais

Dispositivos	Requer energia?	Método I-V	Normalmente usado como?	Passagens pela origem ?
Célula solar	Não	Troca de carga	Fonte atual para pequenas cargas	Sim
Baterias	Não	Troca de carga	Fonte de tensão para grandes cargas	Sim
Eletrodo de estimulação	Sim	Varredura de tensão	Se comporta como um capacitor, usado para injetar carga no tecido	Não