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ENERGIA E SUAS TRANSFORMAÇÕES 813EE

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Academic year: 2021

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(1)

Neste  tópico  apresentamos  os  princípios  básicos  de  transformação  de  energia  mecânica  em  energia  elétrica,  os  quais  são  fundamentados  na  Lei  de  indução  de  Faraday.  Quer  a  energia  elétrica venha do vento ou da água, da força nuclear ou do carvão, das ondas ou das marés, ela  é gerada de acordo com o princípio da indução eletromagnética. 

Figura 1: Transformação de energia mecânica em elétrica 

1. A LEI DE INDUÇÃO DE FARADAY 

Vimos que, pela Lei de Faraday(fazer link com 3.1.4  T),  que  a  força  eletromotriz  induzida  (

e

 )  em N  espiras  condutoras  sujeitas  a  uma  indução  magnética( 

r )  é  proporcional  à  variação  do  fluxo  magnético com o tempo 

t

f

D D  , ou seja:  ,

 

t

f

e

= - D D  (1)  Onde o fluxo magnético pela área A das espiras, é  dado por:  . .cos

 

B A

f

q

(2) 

Sendo 

q

 é o ângulo entre a normal ( ˆ

n

 

) à superfície (linha tracejada) e a indução magnética 

r ,  como ilustra a fig. 2. 

Assim, podemos  concluir que uma f.e.m induzida pode ser gerada, em uma espira condutora,  por exemplo, de três maneiras diferentes: 

TEORIA 

Energia mecânica Dínamos

(alternadores) Energia elétrica

Fontes primárias de energia mecânica:

•Represas de água (Hidroelétricas)

•Combustíveis fósseis: gás, petróleo, carvão (Termoelétricas)

•Fissão nuclear (Nuclear) •Sol (Energia solar) •Vento (Eólica) •Ondas e Marés

Energia mecânica Dínamos

(alternadores) Energia elétrica

Fontes primárias de energia mecânica:

•Represas de água (Hidroelétricas)

•Combustíveis fósseis: gás, petróleo, carvão (Termoelétricas)

•Fissão nuclear (Nuclear) •Sol (Energia solar) •Vento (Eólica) •Ondas e Marés Espira de  área A  ˆ

 

r

 

r  Espira de  área A  Espira de  área A  ˆ

 

r

 

Figura  2.  Fluxo  de  indução  magnética  por  uma  espira  quadrada  de área A. (fonte (Serway, 2003)

(2)

a)  O condutor move‐se através de um campo magnético estacionário(somente a área A  exposta ao campo varia no tempo). 

Este princípio se aplica nos geradores de corrente contínua, como mostram as figuras 3 a e 2 b.  Neste caso, afeminduzida no circuito será: 

cos .

 

N.B. 

t

e

= -

q

DA

D  (3) 

Figura  3.  A  figura  ilustra  uma  espira  retangular  de  área 

A x

= l.

 

,  variável  à  medida  que  variamos 

x

 pelo  deslocamento  da  barra  (em  azul). D

F

r =

I

r l ´ B r é  força  de  restauração  que atua na barra( fonte Serway‐2003). 

Como ilustra a figura 3a, para induzir  uma corrente pelo circuito, aplicamos uma força ( 

app )  sobre  a  barra  móvel  (em  azul)  que  desliza  sobre  dois  trilhos  metálicos  fixos  separados  pela  distância l.  Um resistor R (considerado  como  a  resistência  equivalente  do  circuito),  fecha  o  circuito para circular e limitar a corrente I induzida (indicada no sentido convencional). Assim,  a velocidade com que a barra se desloca na direção 

x

, é dada por: 

t

D Ú = D  .  A variação D 

x

é ilustrada na figura 2 b. Assim, a força eletromotriz induzida é dada por:  cos . (1) cos(0 ). .o 

 

N.B.

.B. 

t

B. .

e

q

e

DA D = - = - D D = - Ú l l 

Onde 

A x

= l.

 

,  é  a  área  da  espira,  que  varia  com 

x

.  Esta  tensão  contínua  induzida  (fixa  no  tempo) é ilustrada no circuito elétrico equivalente na figura 4.  (b)  (b)  ΔF  (entrando no plano)

 

r  ΔF  ΔF  (entrando no plano)

 

r

(3)

(4)  Figura 4. Circuito elétrico equivalente à figura 2, ou seja, a barra em movimento equivale a um  gerador elétrico. O sentido da corrente é invertido se a barra se mover na direção oposta, ou  seja, se diminuirmos a distânciax. ( fonte Serway‐2003).  Uma vez que a resistência do circuito éR, a corrente que circula é dada por:  (5) 

Pela  conservação  da  energia,  a  potência  gerada  (em  Watts)  é  igual  a  potência  dissipada  no  resistor R, dada por: 

(5)

(6) 

Mas  ainda  permanece  uma  questão:  Porque  é  gerada  uma  corrente  pela  barra  quando  a  movimentamos num campo magnético uniforme? 

Podemos  observar  pela  figura  5,  que  os  elétrons  na  barra  estão  sujeitos  a  uma  força  (de  Lorentz) dada por: 

(7) 

dirigida  ao  longo  da  barra.  Sob  a  influência  desta  força,  os  elétrons  movem‐se  para  a  extremidade  inferior  do  condutor(barra)  onde  se  acumulam.  Como  efeito  da  separação  de  cargas, negativa e positiva, que se deslocam em sentido contrário, é gerado um campo elétrico  no  condutor.  As  cargas  se  acumulam  nas  extremidades  do  condutor  até  que  exista  um  equilíbrio entre a força elétrica 

F

r=

qE

r e a força magnética 

F

r=

q × B

v

 

r sobre os portadores  de carga, negativa e positiva. Em módulo temos:  (8) 

ε 

I=

=  

R

lv

(

)

 

2  app  2  2 

ε 

P= F

= I B =

  (gerada) 

(B

P= RI =

 (dissipada) 

l l  v v  ou,  v

 

F = q × B 

r

r

 

r

q B= qE   

v

Þ

  E= B

v

(4)

Figura 5. Deslocamento de  elétrons  em um  condutor devido a sua movimentação sob a ação  de um campo 

r uniforme. ( fonte Serway‐2003). 

Obviamente,  com  a  existência  deste  campo  elétrico,  também  coexiste  uma  diferença  de  potencial  entre  as  extremidades  do  condutor  enquanto  este  se  mover  através  do  campo  magnético uniforme. Se a direção do movimento é invertida, a diferença de potencial também  é invertida. Daí, o esquema elétrico equivalente, ilustrado na figura 4, ou seja a barra equivale  a  um  gerador.  Fechando  o  circuito,  como  mostrado  na  figura  3,  os  elétrons  (de  carga q=­e)  fluem pelos  fios, ou pelos  trilhos  no sentido real  indicado pela força  de Lorentz (FB).  Em um 

circuito elétrico, adotamos o sentido da corrente (sentido convencional), como sendo o sentido  do fluxo dos portadores de carga positiva pelo circuito.  b)  A espira gira em um campo magnético estacionário.  Este princípio se aplica nos geradores de corrente alternada, por exemplo.  cos )  . .

 

N.A B 

t

q

e

= - D( D  (9)  coletores  espira  Circuito  externo  escovas  Rotor  externo 

r

 

ˆ

 

n

q

w

coletores  espira  Circuito  externo  escovas  Rotor  externo 

r

 

ˆ

 

n

q

w

(5)

Figura  6.  Gerador  de  tensão  alternada.  Note  que 

q

w

t

,  onde 

w

é  a  freqüência  angular  de  rotação da espira(fonte ‐ Serway ‐ 2003). 

Como podemos observar na figura 6, o ângulo 

q

 , formado entre o campo 

r e a norma ( 

n

ˆ

 

) à  área  (A)  da  espira,  varia  quando  a  espira  (armadura)  gira  com  uma  freqüência  angular 

w

.  Como efeito, é induzida na espira uma f.e.m que oscila, entre positiva  e negativa, no  tempo.  Veremos  adiante,  no  tópico"Dínamos  e  geradores  de  corrente  alternada”,  que  os  geradores  de corrente elétrica de alta energia obtêm a corrente elétrica por indução eletromagnética; e  que nesses  geradores,  para se produzir  variação do fluxo, fazem‐se  espiras  girar  num campo  magnético estacionário. Pois bem, para que a variação de fluxo por segundo seja grande,  isto  é,  para  que  o  fluxo  varie  rapidamente,  ou  que  cos )

 

t

q

D(

D  seja  elevado,  essas  espiras  devem  executar em geral, 50 ou 60 rotações por segundo. 

Suponhamos  o  quadro(espira  quadrada)  ABCD  plano,  girando  com  movimento  de  rotação  uniforme  de  velocidade 

w

 

em  um  campo  magnético  uniforme  de  indução  magnética 

r .  Sabemos que, numa posição do quadro na qual a sua normal faz com o campo um ângulo

q

 , o  fluxo que atravessa a área A do quadro vale: 

. .cos

 

B A

f

q

(10) 

À  medida que o  quadro gira, varia  o ângulo 

q

 , e, portanto o fluxo 

f

 . Há, então,  indução no  quadro e aparece no condutor uma corrente elétrica i, como mostra a figura 7. 

Figura 7‐ Corrente (i) induzida em uma espira quadrada que gira com uma velocidade angular 

w

 sob  a ação de uma indução magnética 

r . 

(fonte: 

http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/inducao_quadro_plano_rot_c_unifor/) 

É  muito  importante  exprimirmos  a  variação  do  fluxo  em  função  do  tempo,  à  medida  que  o  quadro gira. Para isso, comecemos a contar o tempo de rotação do quadro no instante em que 

0

 

o

q

=  .  Nesse  caso,  num  instante  t  qualquer,  o  ângulo 

q

 vale 

q

w

t

.  E  o  fluxo,  nesse 

instante, é expresso por :  . .cos( )

 

B A

t

f

w

(11)

q

 

ˆ

 

n

q

 

ˆ

 

n

(6)

A figura 8  mostra como varia o fluxo magnético 

f

 com a freqüência angular 

w

e com o tempo  t.  Figura 8. Variação do fluxo com o deslocamento angular 

q

w

t

e com o tempo. T é o período  da oscilação,  2

p

w

= T  .  (fonte:  http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/inducao_quadro_plano_rot_c_unifor/)  b1. Força eletromotriz induzida no quadro  Como:  cos )  . .

 

N.AB 

t

w

e

= - D( D  (12) 

a  espira  plana  gira  com  movimento  de  rotação  uniforme  dentro  de  um  campo  magnético  uniforme  e  a  força  eletromotriz  induzida  na  espira  é  uma  função  alternada  no  tempo.  Uma  força  eletromotriz  desse  tipo  é  chamada,  por  definição,  força  eletromotriz  alternada.  Para  obtermos  uma  elevada  f.e.m.  é  necessário  que  a  espira  gire  muito  depressa,  ou  seja,  que  efetue  um  grande  número  de  rotações  em  um  intervalo  de  tempo  ( D 

t

)  extremamente  pequeno. Nestas condições, ou seja, no limite quando D 

t

tende a zero, a variação  cos

)

 

t

w

D(

D  , 

resulta em uma operação que veremos somente no ensino superior, que é conhecida como a  derivada de uma função e que neste caso particular, é definida por: 

(cos

t

)

 

sen t 

dt

w

= - 

w

w

logo: 

θ  θ

(7)

max 

. .

 

N.AB

sen t 

ou 

sen t

e

w

w

e

e

w

=

(13) 

Como 

e

max 

NAB

w

é constante,  vemos  que a f.e.m. induzida é diretamente proporcional a 

sen t

w

  e  a  velocidade  angular 

w

  da  espira.  Portanto,  para  obtermos  grande  f.e.m.  é  necessário que o quadro gire muito depressa. 

Conclusões 

Quando  um  quadro  plano  gira  com  movimento  de  rotação  uniforme  dentro  de  um  campo  magnético  uniforme,  a  força  eletromotriz  induzida  no  quadro  é  uma  função  senoidal  do  tempo.  Uma  força  eletromotriz  desse  tipo  é  chamada,  por  definição,  força  eletromotriz  alternada senoidal. A representação gráfica de 

e

 

em função de t é mostrada na figura está na  figura 9.  Figura 9. Representação do sinal da f.e.m induzida na espira em função do tempo.  (fonte:  http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/inducao_quadro_plano_rot_c_unifor/)  b2. Corrente induzida no quadro  Seja R a Resistência dos condutores que formam o quadro, alimentado pela f.em. induzida 

e

 ,  então a corrente induzida no quadro (veja fig. 10) é dada por: 

e

 

max

e

 

min

e

 

. .  N.A B w  . .  ­N.ABw 

2

 

T

p

w

(

. . )

 

t

N.AB

sen t

e( )

=

w

w

e

 

max

e

 

min

e

 

. .  N.A B w  . .  ­N.ABw

e

 

max

e

 

min

e

e

 

max

e

 

min

e

 

. .  N.A B w  . .  ­N.ABw 

2

 

T

p

w

(

. . )

 

t

N.AB

sen t

e( )

=

w

w

(8)

sen t

 

ou 

NAB 

R

e

w

w

=

Sendo I

 

ax 

NAB

R

w

=  constante,  essa  expressão  mostra  que I é  diretamente  proporcional  a 

sen t

w

  .  O  valor  máximo  da  corrente  é  aquele  para  o  qual 

sen t

w

= 1

 

, evidentemente  o  valor 

mínimo da corrente é obtido quando 

sen t

w

= - 1

 

.  Podemos escrever :  m 

I

ax 

 sen t

 

I

w

(14)  Conclusões 

1 a )  A  corrente  elétrica  induzida  no  quadro  é  uma  função  senoidal  do  tempo.  Uma  corrente 

desse tipo é chamada corrente alternada senoidal. 

A representação gráfica de Iem função de t está indicada na figura 9. Essa corrente é chamada  alternada, porque ela percorre o condutor ora num sentido, ora noutro. A figura abaixo indica  o seguinte: que a corrente  no início tem  valor zero;  vai  aumentando,  até atingir um  máximo  em  T/4;  depois  vai  diminuindo  até  se  anular  em  T/2;  depois  muda  de  sentido  e  vai  aumentando até atingir um máximo em 3T/4; depois vai diminuindo, até se anular em T; muda  de sentido novamente, e reinicia o ciclo.  Figura 10. Representação do sinal da corrente induzida pela espira em função do tempo.  (fonte:  http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/inducao_quadro_plano_rot_c_unifor/) 

I

  m 

I

 

ax

I

 

in  ( ) (

NAB 

)

 

I t

sen t 

R

w

w

=

 

NAB R w +  NAB R w - 

I

  m 

I

 

ax

I

 

in 

I

  m 

I

 

ax

I

 

in  ( ) (

NAB 

)

 

I t

sen t 

R

w

w

=

 

NAB R w +  NAB R w

(9)

-Vemos que o tempo T que a corrente demora para realizar um ciclo completo é igual ao tempo  T que o quadro demora em dar uma volta no campo magnético. 

Na corrente usada na cidade de São Paulo esse tempo T é de 1/60 segundo, isto é, a corrente  muda de sentido 60 vezes por segundo. Na corrente usada no Rio de Janeiro, esse tempo T é  de 1/50 segundo. 

2 a )  Como  era  de  se  esperar,  vemos  pela  fórmula 

NAB 

sen t

 

R

w

w

=  (15),  que  a  corrente  induzida também é diretamente proporcional à velocidade angular 

w

do quadro. Isso está de  acordo  com  a  lei  de  Faraday:  a  corrente  induzida  será  tanto  maior  quanto  mais  rápida  for  a  variação  do  fluxo.  Também  fica  evidente,  que  a  corrente  induzida,  será  tanto  maior  quanto  maior for o número de espiras

N

, sua área

A

e a intensidade da indução magnética

B

b3) Valor eficaz 

O  valor  eficaz  de  uma  corrente  alternada  periódica  é  o  valor 

I

 ef de  uma  corrente  contínua  constante que,  num intervalo de tempo igual  a um  período,  dissipa a mesma  energia  em um  mesmo resistor. No caso da corrente alternada pode‐se demonstrar que:  max 2

 

ef 

I

=  (16) 

O conceito  de valor  eficaz é estendido à tensão alternada.  No caso de uma tensão alternada  senoidal,  de  valor  máximo 

U

 max ,  pode‐se  demonstrar  que  o  valor  eficaz 

U

 ef dessa  tensão  é  dado por:  max  2

 

ef 

U

=  Quando se diz  que o a tensão entre os terminais de uma tomada é 110 volts, isso significa que  o valor eficaz é de 110 volts. Portanto o valor máximo da tensão nessa tomada é:  ma  ax  x  m  ef . 2 110. 2  155 volts

 

U

=

= Þ

U

;  Quando uma corrente alternada percorre um resistor, a potência média 

( )

P

 

 

dissipada nesse  resistor  é  definida  como  a  energia  dissipada  em  um  período,  dividida  pelo  período.  Pode‐se  demonstrar que: 

. .( )

 

m ef ef ef 

(10)

Pois para um resistor,a equação: 

.

 

U

R I

(18) 

Continua válida tanto para valores instantâneos como para valores eficazes. 

c)  A espira permanece estacionária em um campo magnético variável no tempo. 

Este  princípio  se  aplica  nas  bobinas  das  velas  de  ignição  nos  motores  dos  automóveis  e  também nos transformadores.  .cos

 

N.A 

t

e

= -

q

DB D  (19)  Ex: Seja um anel de cobre de raior numa  região  onde  há  um  campo  magnético  variável  no  tempo  (com  módulo  crescendo  à  taxa 

t

DB

D  ),  como  ilustra  a  figura 11. 

A variação de B faz aparecer (induz) uma  corrente  na  espira.  Portanto,  um  campo  elétrico  (E)  induzido  passa  a  existir  na  espira. 

Pode‐se  então  dizer  que:  um  campo  magnético variável  no tempo produz um  campo  elétrico,  também  variável  no  tempo  (Lei  de  Faraday  reformulada).  As  linhas  do  campo  elétrico  induzido  são  tangentes  ao  anel,  formando  um  conjunto de circunferências concêntricas. 

c1. Um exemplo deste efeito eletromagnético são as chamadas correntes de Focault. 

Nos  itens  anteriores,  limitamo‐nos  ao  estudo  de  forças  eletromotrizes  induzidas  em  condutores  com  forma  de  fio  e  barras.  Nesses    casos,  as  correntes  induzidas  têm  trajetórias  bem  definidas  que  são  os  próprios  fios.  No  entanto,  há  situações  em  que  o  condutor  é  uma  peça  de  dimensões  maiores  que  um  fio  e  nesses  casos  as  correntes  induzidas  já  não  têm 

Figura 11. O campo 

r (que penetra na folha),  varia no tempo, gerando um campo elétrico 

(11)

trajetórias  bem  definidas  e  são  chamadas  correntes  de  Foucault.  (  http://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_de_Foucault). 

Suponhamos,  por  exemplo,  que  um  bloco  de  ferro  seja  colocado  com  a  face  plana  ABCD  perpendicular a um campo magnético variável no tempo, como mostra a figura 12. SendoA,  a  área dessa face,  ela é atravessada por um fluxo 

f

AB

.

 

.  Se o campo for  variável  no  tempo,  então o fluxo magnético será variável no tempo. Neste caso, o bloco de ferro sofrerá indução  eletromagnética  e  aparecerão  nele  correntes  elétricas  induzidas  circulares,  geradas  pelo  campo elétrico circular induzido no bloco. Estas correntes circulam em planos perpendiculares  à indução magnética 

r , isto é, em planos paralelos a ABCD. 

Figura 12. Um campo magnético variável produz um campo elétrico. a) Bloco de ferro sujeito a  uma indução magnética 

r variável no tempo. b) Bloco de ferro constituído de vária lâminas.  (Fonte:http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/correntes_foucault/) 

Em  alguns  casos,  como  por  exemplo,  nos  núcleos  de  motores  elétricos,  dínamos  e  transformadores,  as  correntes  de  Foucault  são  indesejáveis  tanto  pela  dissipação  de  energia  (provocando  aquecimento  das  peças)  como  pelo  fluxo  magnético  que  elas  mesmas  criam.  Nesses  casos,  as  correntes  de  Foucault  são  também  chamadas  de  correntes  parasitas.  Para  reduzir  as correntes  parasitas, essas  peças são construídas  na  forma de lâminas finas isoladas  entre si por um verniz isolante ou Óxido de Ferro, de modo que as lâminas fiquem paralelas às  linhas de indução (veja figura 12 b). 

Há  casos,  porém  que  as  correntes  de  Foucault  são  úteis.  O  calor  gerado  por  elas  pode  ser  utilizado  para  fundir  peças  metálicas  nos  chamados  fornos  de  indução.  O  forno  de  indução  consiste  basicamente  de  uma  bobina  percorrida  por  uma  corrente  alternada,  com  a  peça  metálica a ser fundida colocada no interior da bobina, como ilustra a figura 13 bobina  Material a ser  fundido  Parede  do forno  bobina  Material a ser  fundido  Parede  do forno

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Figura 13. Esquema simplificado de um forno de indução. 

As correntes de Foucault  são aproveitadas também na construção defreios magnéticos. Como  mostra  a  figura  14,  uma  placa  metálica  oscilando  entre  os  dois  pólos  de  um  eletroimã,  gera  uma variação do fluxo magnético através da placa. Essa variação do fluxo magnético através da  placa fará, de acordo com a lei de indução de Faraday, surgir o aparecimento de uma corrente  elétrica na própria placa.  Estas correntes  induzidas, que aparecem em circuitos  fechados  que  oscilam  em  um  plano  perpendicular  a  um  campo  magnético  são  chamadas  de  corrente  de  Foucault,  ou  correntes  parasitas.  Esta  corrente,  por  sua  vez,  também  gera  um  campo  magnético  que  se  opõe  ao  campo  magnético  indutor  (lei  de  Lenz),  fazendo  a  placa  parar  de  oscilar  em  pouco  tempo. Para  interromper  a  circulação  de  corrente  parasita  pelo  pêndulo,  basta recortá‐lo em tiras isoladas, como mostra a figura 14 b. 

Figura  14.  Freio  magnético  Pendular.  Esse  princípio  é  utilizado  em  vários  tipos  de  frenagens,  entre elas podemos citar a frenagem de trens, de guinchos de grandes guindastes e até mesmo  em carretilhas de pesca.  Fonte: Serway‐2003. 

Em  instrumentos  tais  como  amperímetros  e  voltímetros  analógicos  são  importante  que  o  movimento  do  ponteiro  seja  rapidamente  amortecido  para  que  possamos  fazer  a  leitura.  Assim, o ponteiro a ser frenado leva um pequeno disco de metal que fica entre os pólos de um  imã. Quando o ponteiro se move, o disco também se move e assim são geradas nele correntes  de  Foucault,  as  quais,  de  acordo  com  a  Lei  de  Lenz,  devem  opor‐se  a  movimento,  e  assim  o  ponteiro é frenado. 

Conclusões importantes: 

n  Um  campo  elétrico  é  gerado  em  um  condutor  como  resultado  da  variação  do  fluxo  magnético com o tempo; 

n  Mesmo  na  ausência  de  um  condutor,  um  campo  magnético  variável  no  tempo  produzirá um campo elétrico no espaço vazio;

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n  Este  campo  elétrico  tem  propriedades  diferentes  do  que  os  campos  produzidos  por  cargas estacionárias. 

2. DÍNAMOS OU GERADORES MECÂNICOS DE ELETRICIDADE 

Chamam‐se  geradores  mecânicos  de  corrente  elétrica,  ou  dínamos,  aos  dispositivos  que  transformam energia mecânica em energia elétrica.  1º ‐ Dínamo com corrente contínua  É aquele que fornece corrente contínua, isto é, uma corrente que circula num único sentido.  2º ‐ Dínamo com corrente alternada (ALTERNADOR)  Também chamado alternador – é aquele que fornece corrente alternada, isto é, corrente que  circula num sentido e noutro alternadamente.  2.1. Princípio de funcionamento de Dínamos 

Os  dínamos  funcionam  por  meio  de  indução  eletromagnética.  E  esta  é  sem  dúvida  a  mais  importante aplicação do fenômeno de indução de Faraday. Isso porque esse fenômeno é o único  que  fornece  corrente  elétrica  com  grande  energia,  como  por  exemplo,  essa  corrente  que  é  fornecida para iluminação das cidades e para as indústrias. 

O  princípio  de  funcionamento  dos  dínamos,  tanto  de  corrente  contínua  como  de  corrente  alternada,  é  a  indução  eletromagnética  num  quadro  plano  que  gira  num  campo  magnético  uniforme.  Tanto  no dínamo de corrente alternada como no de corrente contínua o quadro é  percorrido  por  corrente  alternada.  A  diferença  entre  eles  está  na  maneira  de  colher  essa  corrente para fora do quadro.  Essa captação da corrente para fora  do quadro é feita por um  dispositivo chamado coletor. 

2.1.a. Coletor de corrente alternada 

Na  figura  15,  consideramos  que  o  quadro  seja  aberto  em  A  e  D,  e  daí  sejam  tirados  dois  condutores AB e CD que são ligados a dois anéis, B e D. Encostados a esses anéis existem dois  pedaços  de  carvão  (que  é  condutor),  m  e  n.  O  circuito  externo,  R,  onde  vai  ser  utilizada  a  corrente,  é ligado  a  esses  pedaços  de  carvão.  À  medida  que  o  quadro  gira  dentro  do  campo  magnético(gerado entre os pólos do imã), os anéis giram juntos com ele. Os pedaços de carvão  m e n ficam fixos e os anéis ficam raspando neles. A corrente que se produz no quadro passa  para os anéis, deste para o carvão e do carvão vai para o circuito externo. É fácil ver que, com  esse  dispositivo,  quando  a  corrente  elétrica  muda  de  sentido  no  quadro,  também  muda  de  sentido no circuito externo, isto é, no circuito externo ela é captada também como alternada,  como ilustra a figura 17.a).

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Figura 15. Dínamo com coletor de corrente alternada.  (fonte: http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/dinamos/)  Coletor é o nome que se dá ao conjunto dos anéis e pedaços de carvão (fig. 15). Os pedaços de  carvão são chamados escovas.  2.1.b. Coletor de corrente continua – Dínamo com comutador  Em vez de dois anéis ele se compõe de dois semi‐anéis. Cada semi‐anel é ligado a uma ponta  do  quadro  girando  junto  com  o  quadro.  Os  pedaços  de  carvão  são  fixos,  e  são  ligados  ao  circuito externo. Quando os semi‐anéis giram, os mesmos são pressionados contra os pedaços  de carvão (figura 16). Vemos que,  em cada meio período,  um semi‐anel  está em contato com  um pedaço de carvão diferente.

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Figura 16. Dínamo com coletor de corrente contínua (com comutador)  ( fonte:http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/dinamos/) 

A  posição  dos  carvões  é  ajustada  de  tal  modo  que,  no  instante  em  que  a  corrente  muda  de  sentido no quadro, há troca de contato entre os carvões e os semi‐anéis. Desse modo, fora do  quadro, a corrente caminha sempre no mesmo sentido, isto é, é contínua, como ilustra a figura  17  b.  Tal  corrente,  cuja  intensidade  varia  periodicamente  mas  cujo  sentido  se  conserva,  é  denominada corrente pulsante. 

Acesse  o  sítio http://www.walter‐fendt.de/ph14br/generator_br.htm,  para  verificar  como  funciona um dínamo com comutador e sem comutador. 

Figura 17. Sinal de corrente gerada no circuito externo de um Dínamo: a)sem comutador. b) com comutador.

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3. AS USINAS ELÉTRICAS OU ESTAÇÕES GERADORAS 

Vimos que os dínamos consistem numa série de espiras que executam movimento de rotação  uniforme  num  campo  magnético  uniforme.  Essas  espiras,  para  executarem  movimento  de  rotação, necessitam de energia mecânica. De onde provém essa energia? Na prática, provém  de  energia  térmica  ou  da  energia  de  uma  queda  d’água,  do  vento,  das  marés  ou  das  ondas.  Tomemos como exemplo o caso da queda d’água. 

O aproveitamento de uma queda d’água para fornecer energia mecânica a um dínamo é feito  do  seguinte  modo:  armazena‐se  a  água  de  um  ou  de  vários  rios  numa  região  muito  vasta,  chamada  represa.  A  água  dessa  represa  cai,  pelo  interior  de  tubos,  de  uma  altura  H  ,  e  vai  acionar  uma  roda  que  possui  na  periferia  certo  número  de  pás  como  na  figura  (fig.  18).  A  energia  com que a  água chega  às  pás  faz com que a  roda execute  movimento de rotação.  A  roda com as pás é chamada turbina.  Figura 18. Energia mecânica gerada por queda d’água.  (fonte:http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/inducao/dinamos/)  Ao eixo da turbina são ligados os condutores do dínamo, de maneira que, quando a roda gira,  eles também giram. Vimos que a energia elétrica da corrente, isto é, a energia comunicada aos  elétrons que se deslocam nos condutores provém da energia potencial (mecânica) da água que  estava  na  represa.  Ao  conjunto  do  dínamo  com  turbina  se  chama  usina  hidroelétrica,  ou  estação geradora de eletricidade[ http://pt.wikipedia.org/wiki/Usina_hidrel%C3%A9trica]. 

Autor 

Gilberto  Petraconi  Filho.  Mestrado  e  Doutorado  em  Física  de  Plasmas  e  Descargas  Elétricas  pelo  ITA.  Professor  adjunto  do  Instituto  Tecnológico  de  Aeronáutica  (ITA).  Vice‐chefe  da  Divisão de Ciências Fundamentais do ITA e Coordenador do Laboratório de Plasma e Processos  do ITA.

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