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design de lanterna recarregável por indução

lanterna montada

Um bom exemplo de produto recarregável por indução é aquele em que a energia é produzida pelo movimento de um ímã através de uma bobina, ilustrando assim a lei de Faraday. Sem bateria, recarregável ou não, portanto sem resíduos ou produtos químicos: um ótimo produto ecológico.

 

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Flashlight mounted
lanterna montada

O design

Flashlight chassis sleeve
manga do chassi da lanterna
Eletrônico
eletrônico

O produto tem um construção muito interessanteCom exceção da lente e da tampa de fechamento, todos os componentes não estão montados no corpo principal, mas sim em um chassi interno removível, o que facilita muito a montagem e o reparo.

De acordo com nossos testes, o ímã escolhido é muito fraco. Trata-se de um ímã sinterizado de baixo custo, com uma camada mínima de tinta prateada. Provavelmente, essa camada visa retardar sua degradação mecânica e conferir uma aparência mais agradável, já que o corpo da lanterna é transparente.

The front led
the front LED

Dois amortecedores de borracha nas extremidades do percurso do ímã suavizam o fim dos movimentos e protegem as peças de plástico e o ímã contra danos.

O interruptor é composto por um pequeno botão deslizante de plástico que empurra uma placa de metal soldada na placa de circuito impresso (PCB) por baixo.

Um único LED - do tipo antigo, não mais SMD - gera a luz principal, enquanto uma chapa metálica refletora na parte inferior limita as perdas de luz.

Uma pequena bateria - provavelmente de NiCd - permite que ela seja completamente descarregada sem ser danificada. Do outro lado da placa de circuito impresso, ela armazena a corrente gerada. Quatro diodos garantem a polaridade correta tanto da bateria quanto do LED.

Swith knob and its housing    Switch locating in housing

Os pequenos detalhes que facilitam a função de indução magnética:

  • um orifício em cada extremidade do chassi para evitar o aprisionamento de ar durante o movimento do ímã.
  • alguma forma no plástico para evitar um contato de fricção circular completo com o ímã, o que o desaceleraria.

Holes for venting    Limiting magnet friction

Nota: um corpo transparente ou pelo menos uma janela é imprescindível em um produto desse tipo, para instruir claramente o usuário a mover o ímã.

Um corpo não transparente daria a impressão de que algo está quebrado e solto dentro dele, especialmente se a lanterna não estiver recarregada e não acender.

All components
todos os componentes

Conclusão

Um produto tradicional, muito moderno em termos ecológicos, em sua versão de baixo custo, mas ainda com uma construção de qualidade - o chassi - e com bom desempenho para o preço.

Um produto desse tipo precisa de um projeto mecânico robusto, mas para funcionar com muita eficiência,

requer uma corrente extremamente baixa e muito bem ajustada. componente eletrônico escolhas

(Um diodo com corrente excessiva ou uma bateria defeituosa danificarão o sistema ou exigirão que o usuário agite a lanterna continuamente)

Note que essa indução pode ser calculada e simulada.

Entre outros, softwares como COMSOL Multiphysics: cálculo da bobina Este exemplo de projeto pode simular e calcular a indução produzida por um ímã em movimento dentro de uma bobina.

Not so great parts fitting
O encaixe das peças não é dos melhores.

Improvements & Innovations

The small improvements that would easily change the end user’s perception of a low-cost product

  • a better LED choice, to increase light AND/OR decrease power consumption, thus increasing autonomy.
  • definitively a better switch: not only does the switch now give a poor quality feeling, but if the body is transparent, such a corroding metal
  • a better front cap design: in that price range, the principle of a screw-able cap is OK, but both the cap and the body could fit better together, at zero additional cost other than a couple of hours on the CAD
  • decreasing, even more, the friction of the magnet: 3 or 5 thing ribs in the molded chassis

A completely optimized product could be made by

Possible gains of space
possible gains of space
  • making it watertight: the induction technology would be could for that, as there would be one less sealing usually required for the battery compartment

Although we do suggest that improvement, such products will never be intended for diving, as fast movement underwater will always be difficult and oxygen-consuming for divers

  • suppress the passage/hole in the body for the switch: an external user-movable ring with a magnet could close the contact of a reed switch inside, thus making a completely sealed product that would never need to be opened (vacuumed or helium inside would even improve the slightly the magnet movement)
  • Improving the magnet quality and the coil for efficiency
  • A lot of space/volume/length could be gained in this product, either to reduce the product length or to put more battery, coil, magnet … On the right:
    • in red = a direct gain = length that is absolutely not used
    • In orange = volume where some functions or components could fit (electronic, more coil, special end-shape of the magnet …) 
  • some indicator of charging; in order not to consume the power just by indicating (!) either
    • the charge is indicated only when the button is pressed
    • or some e-ink is used, far better results, but would require some partnerships as that is currently patented and not available off-the-shelf

More innovative methods could be obtained from Faraday’s law: the visible field must be changed somehow; that can be obtained in a various way

  • moving the magnet (the flashlight example above)
  • but also moving the coil by any translation or rotation
  • and also changing the magnetic field intensity (≈a variable magnet)

Glossário de termos utilizados

Computer Aided Design (CAD): Um aplicativo de software usado para criar, modificar, analisar e otimizar projetos em diversas áreas, como engenharia, arquitetura e manufatura, permitindo desenhos e modelos precisos por meio de ferramentas e técnicas digitais.

Computer-Aided Design (CAD): Um aplicativo de software usado para criar, modificar, analisar e otimizar projetos em diversas áreas, como engenharia, arquitetura e manufatura, permitindo desenhos e modelos precisos por meio de ferramentas e técnicas digitais.

Printed Circuit Board (PCB): Uma placa plana feita de material isolante que suporta e conecta componentes eletrônicos através de caminhos condutores, geralmente gravados em folhas de cobre. Ela serve como base para a montagem de circuitos e facilita as conexões elétricas entre os componentes.

Tópicos abordados: Indução, recarregável, lanterna, lei de Faraday, ecológica, ímã, bobina, LED, placa de circuito impresso (PCB), diodos, projeto mecânico, componentes eletrônicos, simulação, COMSOL Multiphysics, fricção, à prova d'água, interruptor reed e CAD.

Contexto histórico

Laboratory analysis of ultraviolet spectrum subdivisions for photometry applications.

Subdivisões do espectro ultravioleta (UVA, UVB, UVC)

O espectro ultravioleta é comumente subdividido em UVA (400–315 nm), UVB (315–280 nm) e UVC (280–100 nm). A UVA, ou ultravioleta de onda longa, é a menos energética e penetra mais profundamente na pele. A UVB, ou ultravioleta de onda média, causa queimaduras solares e é crucial para a síntese de vitamina D. A UVC, ou ultravioleta de onda curta, é a mais energética e germicida, mas é completamente absorvida pela atmosfera terrestre.
Supercondutor em laboratório demonstrando o efeito Meissner na física do estado sólido.

Efeito Meissner

Descoberto em 1933 por Walther Meissner e Robert Ochsenfeld, o efeito Meissner é a expulsão de um campo magnético de um supercondutor durante sua transição para o estado supercondutor. Quando um material é resfriado abaixo de sua temperatura crítica (Tc) na presença de um campo magnético externo fraco, ele cancela ativamente todo o fluxo magnético em seu interior, tornando-se um diamagneto perfeito.
Experimento de laboratório que demonstra a Teoria de Hamaker na físico-química de superfícies.

Teoria de Hamaker (física)

Uma teoria que estende as forças microscópicas de Van der Waals entre átomos individuais para a escala macroscópica, calculando a força de interação total entre objetos volumosos (por exemplo, duas esferas, uma esfera e uma placa). Ela assume aditividade aos pares, integrando o potencial microscópico [latex]r^{-6}[/latex] sobre os volumes dos corpos interagentes. O resultado é quantificado pela constante de Hamaker, [latex]A[/latex].
Junção P-N em uma célula solar demonstrando a física de semicondutores.

O princípio fotovoltaico da junção PN

O núcleo de uma célula solar é uma junção pn, uma interface entre materiais semicondutores do tipo p e do tipo n. Essa junção cria um campo elétrico interno em uma região de depleção. Quando fótons com energia suficiente atingem o semicondutor, eles criam pares elétron-lacuna. O campo elétrico separa esses portadores de carga, impulsionando os elétrons para o lado n e as lacunas para o lado p, gerando uma voltagem.
Pesquisador demonstrando o Efeito Weissenberg com fluido viscoelástico em um laboratório.

O Efeito Weissenberg (fluidos)

O efeito Weissenberg é um fenômeno que ocorre em fluidos viscoelásticos, no qual o fluido sobe por uma haste rotativa inserida nele. Isso é contrário ao comportamento dos fluidos newtonianos, que são empurrados para fora pela força centrífuga, formando um vórtice. O efeito é causado por diferenças de tensão normal que se desenvolvem no fluido sob cisalhamento.
Circuitos lógicos combinacionais e sequenciais em um laboratório de eletrônica moderna.

Circuitos Lógicos Combinacionais e Sequenciais

Os circuitos digitais são categorizados em dois tipos principais: lógica combinacional e lógica sequencial. Na lógica combinacional, a saída é uma função pura dos valores de entrada atuais (por exemplo, um somador). Na lógica sequencial, a saída depende não apenas das entradas atuais, mas também da sequência de entradas anteriores, visto que esses circuitos possuem elementos de memória (por exemplo, um flip-flop).
Diagrama de Pourbaix detalhando a estabilidade eletroquímica de metais em sistemas aquosos.

Diagrama Potencial-pH (Diagrama de Pourbaix)

Um diagrama de Pourbaix, também conhecido como diagrama potencial/pH, é um gráfico termodinâmico que mapeia as fases de equilíbrio estáveis ​​de um sistema eletroquímico aquoso. Ele mostra graficamente as condições de potencial (ΔH) e pH sob as quais um metal é imune (termodinamicamente estável), passivado (forma uma película protetora estável) ou suscetível à corrosão (forma íons solúveis).
1932
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1940
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1932
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1950
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Perfect Reflecting Diffuser in a laboratory for colorimetry and spectrophotometry calibration.

Difusor de reflexão perfeita (PRD)

O Difusor Refletor Perfeito, também conhecido como branco perfeito, é uma superfície teórica e idealizada usada como padrão de referência em colorimetria e espectrofotometria. É definido como uma superfície que reflete 100% de toda a luz incidente em todos os comprimentos de onda do espectro visível e reflete essa luz de forma perfeitamente difusa (refletância lambertiana), o que significa que seu brilho é uniforme de qualquer ângulo de visão.
Químico medindo soluções superácidas em um laboratório de química orgânica.

Superácidos e a função de acidez de Hammett

Um superácido é um ácido com acidez maior que a do ácido sulfúrico 100% puro. A escala de pH convencional é inadequada para esses meios. Em vez disso, sua acidez é medida usando a função de acidez de Hammett, [latex]H_0[/latex]. Essa função é baseada na protonação de bases indicadoras fracas e é definida como [latex]H_0 = pK_{BH^+} - logleft(frac{[BH^+]}{[B]}}right)[/latex].
Instalação industrial para produção de peróxido de hidrogênio usando o processo de antraquinona.

O processo de antraquinona para a produção de H₂O₂

O processo da antraquinona, desenvolvido na década de 1930, é o método industrial dominante para a produção de peróxido de hidrogênio. Envolve a hidrogenação de um derivado da antraquinona a uma antrahidroquinona, seguida de sua oxidação com ar para regenerar a antraquinona original e produzir peróxido de hidrogênio. O H₂O₂ é então extraído com água e concentrado, criando um ciclo contínuo e eficiente.
Químico equilibrando equações redox em um laboratório, mostrando o estado de oxidação em química inorgânica.

O conceito de estado de oxidação (número de oxidação)

O estado de oxidação, ou número de oxidação, é uma carga hipotética que um átomo teria se todas as suas ligações com outros átomos fossem 100% iônicas. Ele permite acompanhar a transferência de elétrons em reações de oxirredução. Um aumento no estado de oxidação indica oxidação, enquanto uma diminuição indica redução. Esse formalismo simplifica a análise de reações químicas complexas.
Cena de laboratório com um químico medindo a composição do thermate para aplicações incendiárias.

Composição do Thermate

A termita é uma composição incendiária que potencializa a termita padrão. Geralmente é uma mistura de termita, nitrato de bário (Ba(NO₃)₂) e enxofre. O nitrato de bário atua como oxidante, aumentando a produção térmica e tornando a reação menos dependente do oxigênio atmosférico. O enxofre é adicionado principalmente para diminuir a temperatura de ignição, facilitando e tornando mais confiável a ignição da mistura.
Oficina de conformação de metais demonstrando aplicações da teoria da plasticidade na mecânica.

Teoria da Plasticidade

A plasticidade é a teoria que descreve a deformação de um material sólido, que sofre alterações irreversíveis de forma em resposta a forças aplicadas. Ao contrário da elasticidade, em que a deformação é recuperada após a remoção da carga, a deformação plástica é permanente. A teoria envolve um critério de escoamento para definir o início da plasticidade, uma lei de fluxo para descrever a evolução da deformação plástica e uma lei de endurecimento.
Gráfico da curva da banheira em um escritório de engenharia de sistemas ilustrando as fases da vida útil do produto.

A Curva da Banheira

A curva da banheira é um modelo gráfico que ilustra três fases da vida útil de um produto em termos de taxa de falhas. Começa com uma taxa de "mortalidade infantil" alta, mas decrescente, seguida por uma taxa de "vida útil" baixa e constante, e termina com uma taxa de "desgaste" crescente. Os cálculos de MTBF (Tempo Médio Entre Falhas) usando uma taxa de falhas constante (λ) são normalmente válidos apenas durante a fase central de "vida útil".
Análise de modelo de circuito equivalente de célula solar em um laboratório de eletrônica.

Modelo de circuito equivalente de célula solar

Uma célula solar pode ser modelada por um circuito elétrico equivalente. O modelo mais simples inclui uma fonte de corrente representando a corrente fotogerada ([latex]I_L[/latex]), em paralelo com um diodo representando a junção pn. Um modelo mais preciso adiciona uma resistência de derivação em paralelo ([latex]R_{sh}[/latex]) para correntes de fuga e uma resistência em série ([latex]R_s[/latex]) para a resistência de contato e do material.

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

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