14. Correntes Alternadas
(baseado no Halliday, 4aedição) Por que estudar Correntes Alternadas?R.: a maioria das casas, comércio, etc., são providas de fiação elétrica que conduz corrente alternada (CA ou AC em inglês):
3) no caso do cobre esta distância não é maior do que 10 átomos da rede cristalina. 1) corrente que varia senoidalmente com o tempo trocando de sentido muitas vezes (ou ciclos) por segundo (no caso do Brasil 120/s).
2) vimos que a velocidade escalar de deriva dos elétrons de condução é cerca de 4×10-5 m/s, já o tempo para inverter a corrente e de 1/120 s, o que dá
ou (na metade de um ciclo)
m s s m t v x 5 3,3 10 7 120 1 / 10 4× − = × − = = x = 3×10−7m
Como, então, o elétron poderia vir a alcançar qualquer parte do fio?
R.: os elétrons de condução não têm que “alcançar qualquer parte do fio”
1) quando dizemos que a corrente é igual a 1 A, significa que os portadores de carga atravessam qualquer plano ortogonal ao fio a uma taxa de 1 C por segundo. 2) a velocidade escalar com que os portadores de carga atravessam esse plano não entra diretamente no cálculo → 1 A pode corresponder a muitos portadores de carga movendo lentamente ou a poucos movendo rapidamente.
3) o sinal, que obriga os elétrons a inverterem seus sentidos de movimento (fem alternada fornecida pelo gerador) propaga-se no fio a uma velocidade próxima à da luz (ou seja, na velocidade da luz para o material – fio)
4) todos os elétrons recebem o sinal da fem que os obriga a mudar de sentido, praticamente ao mesmo tempo.
5) para muitos dispositivos (lâmpadas, torradeiras, etc.) não importa o sentido do movimento dos elétrons e sim que estejam em movimento e transferindo energia ao dispositivo.
“a medida que a corrente se alterna, o campo magnético que circunda o condutor também se alterna.”
Este fato torna possível a utilização da Lei da Indução de Faraday → Ex.: transformadores, etc.
A corrente alternada é mais adequada para o uso em máquinas rotativas (geradores e motores) do que a corrente contínua (CC ou DC em inglês)
Ex.: girando uma bobina num campo magnético externo, a fem induzida na bobina é alternada.
6) as fems alternadas e as correntes alternadas geradas por elas são fundamentais, não só para a geração e distribuição de energia, mas para o rádio, televisão, comunicação por satélite, computadores, etc.
Plano de Estudo para Este Capítulo
Vimos aplicada no circuito
ε
=ε
m senω
tC L R
~
i i i εNota: exatamente como nos circuitos de corrente contínua, a corrente alternada, i, num dado instante, tem o mesmo valor em todas as partes do circuito (de malha única). E a freqüência angular ω da corrente e do gerador são necessariamente as mesmas.
fazendo surgir .
i
=
I
sen
(
ω
t
−
φ
)
As características básicas da fem alternada: εm → amplitude da fem
ω → freqüência angular da fem
Nota
Notaçção: as letras minúsculas (ão: i, v, etc.) representam valores instantâneos de grandezas variáveis no tempo e as letras maiúsculas (I, V, etc.) representam as amplitudes correspondentes.
As características básicas da corrente alternada: I → amplitude da corrente
φ → constante de fase
Dados
Dados DeterminarDeterminar
Objetivo
Para o gerador εm e ω
Para o circuito R, L e C
I e φ
Obs.: em vez de determinarmos I e φ resolvendo a equação diferencial, usaremos um método geométrico: o método dos fasores
Três Circuitos Simples
Tratando com circuitos simples onde cada um contém um gerador de corrente alternada e somente um dos elementos R ou C ou L.
As características básicas do circuito: R → Resistência
C → Capacitância L → Indutância
um único elemento resistivo → R
um gerador de corrente com a fem alternada vR → amplitude da d. d. p. através do resistor R R
~
i i i ε (Circuito 1) vRDe acordo com a Lei das Malhas (Regra das Malhas de Kirchhoff) ε - vR = 0
então vR = ε = εm sen ωt
como VR = εm(chamada usualmente de “voltagem”)
t sen V vR = R ω Um Circuito Resistivo (R) Usando o circuito da p. 003.
Usando a definição de resistência
t sen I t sen V v iR = R = R
ω
= Rω
Nota: embora esta relação tenha sido obtida para o (circuito 1), ela se aplica a qualquer resistor em qualquer circuito de corrente alternada, não importa se o resistor está presente fisicamente ou se é um efeito global resistivo, ou o quão complexo seja este circuito.
Então temos vR e iR (circuito com carga puramente resistiva) em fase (constante de fase φ = 00).
Vemos também que as amplitudes VR e IR estão relacionadas
(para resistor → circuito resistivo)
R R
R
I
V
=
iR vR ωt iR vR 0 π 2π instantes representados no diagrama de fasoresvR e iR estão em fase para todo tempo t.
M
Méétodo dos Fasores: método geométrico para análise de circuitos.todo dos Fasores: Fasor:
Fasor: são vetores girantes, que se movimentam com a freqüência angular ω no sentido anti-horário.
1) O comprimento do fasor é proporcional à amplitude da grandeza alternada envolvida (VR ou IR).
2) A projeção de um fasor sobre o eixo vertical é proporcional ao valor instantâneo da grandeza alternada ( e ).
da representação fasorial, temos: vR = VR sen ωt iR = IR sen ωt IR VR ωt iR vR
rotação dos fasores na taxa ω
Os fasores (na representação fasorial) VR e IR coincidem → em fase
Um Circuito Capacitivo (C) Usando o circuito da p. 003.
~
i i ε (Circuito 2) vC C ium único elemento capacitivo → C
um gerador de corrente com a fem alternada vC → amplitude da d. d. p. através do resistor C
De acordo com a Lei das Malhas (Regra das Malhas de Kirchhoff) ε - vC = 0
então vC = ε = εm sen ωt como VC = εm t sen V vC = C ω Da definição de capacitância qC = C vC então qC = C VC sen ωt
como não estamos interessados na carga e sim na corrente elétrica t V C dt q d iC = C =ω C cosω Se definimos (reatância capacitiva) C X def C ω 1 . = Unidade (XC): a) [XC] = 1 / [ω] [C]
Capacitância: podemos usar τC = R C e [C] = [τC] / [R] → s/Ω Freq. Angular: [ω] → 1/s
Quando comparamos com: i = I sen(ωt - φ), temos φ = − 900.
(capacitor → circuito capacitivo)
C C
C I X
V =
Nota: embora tenhamos obtido para o circuito capacitivo, ela se aplica a qualquer capacitor, estando este presente ou não, em qualquer circuito de corrente alternada. iC vC ωt iC vC 0 π 2π instantes representados no diagrama de fasores
vC e iC estão defasados de 900 (um quarto de ciclo)
para todo tempo t.
iC está avançado com relação a vC (os máximos de iC ocorrem antes de vC)
Fazendo cos ωt = sen (ωt + 900), e voltando em i
C ) 90 ( ) 90 ( + 0 = + 0 = sen t I sen t X V i C C C C ω ω
Nesta representação geométrica vemos que IC está sempre adiantado de VC por um ângulo de 900
vC = VC sen ωt iC = IC sen(ωt + 900) vC IC VC ωt iC
rotação dos fasores na taxa ω Um Circuito Indutivo (L) Usando o circuito da p. 003. L
~
i i i ε v Lcircuito contendo um elemento indutivo → L um gerador de corrente com a fem alternada vL → amplitude da d. d. p. através do resistor L
De acordo com a Lei das Malhas (Regra das Malhas de Kirchhoff) ε - vL = 0
então vL = ε = εm sen ωt como VL = εm t sen V vL = L ω Da definição de indutância então e finalmente t L V iL L ω ω cos − = dt i d L vL = L
∫
∫
= = sen t dt L V di iL L L ω t sen L V dt i d L = L ω Se definimos (reatância indutiva) L X def L ω . =Fazendo − cos ωt = sen (ωt − 900), e voltando em i
L ) 90 ( ) 90 ( − 0 = − 0 = sen t I sen t X V i L L L L ω ω
Quando comparamos com: i = I sen(ωt - φ), temos φ = +900.
(indutor → circuito indutivo)
L L
L I X
V =
A reatância indutiva:
1) depende da freqüência angular de operação;
2) a unidade S. I. de XL é o ohm (Ω) → a mesma que XC e R; 3) a constante de fase para este caso é φ = +900.
Nota: embora tenhamos obtido as equações para o circuito indutivo, ela se aplica a um indutor em qualquer circuito de corrente alternada, estando o indutor presente ou não, não importando quão complexo seja.
iL vL ωt vL iL 0 π 2π instantes representados no diagrama de fasores
seja por comparação das equações ou no gráfico, vemos que vL e iL estão defasados de 900 (um quarto
de ciclo) para todo tempo t.
iL está atrasada com relação a vL (os máximos de vL ocorrem antes de iL)
vL
IL
VL ωt
iL
rotação dos fasores na
taxa ω O diagrama fasorial também deve conter a informação do atraso de IL está em relação a VL por um ângulo de 900
vL = VL sen ωt iL = IL sen(ωt − 900) Elemento Elemento de circuito de circuito S
Síímbolombolo ImpedânciaImpedância Fase da CorrenteFase da Corrente Ângulo de Ângulo de fase fase φφ iR em fase com vR iC avançada para vC iL atrasada para vL 00 −900 +900 R XC XL Rela
Relaçção das ão das amplitudes amplitudes Resistor Capacitor Indutor R C L VR = I R VC = I XC VL = I XL O Circuito em Série RLC
Podemos agora resolver o problema inicial do circuito RLC (p. 003)
1) a fem alternada aplicada é
(fem aplicada) (1) t sen m ω ε ε =
Tabela de Fases e Amplitudes
e a corrente alternada resultante é (corrente alternada) (2) ) (ω −φ = I sen t i
2) para determinarmos I e φ (problema inicial), fazemos a) Lei das Malhas
(vale para todo tempo t) (3)
L C R v v v + + = ε b) diagrama de fasores I ωt − φ i
Corrente alternada, num instante arbitrário t. O valor máximo I e a fase (ωt − φ).
Valor instantâneo de i.
Todos mostrados no mesmo diagrama de fasor.
Nota: apesar de as d. d. p. estarem variando no tempo com fases diferentes, a corrente é comum a todos os elementos
I VR VC vR vC VL vL
De acordo com a Tabela de Fases e Amplitudes:
− desenhamos os três fasores representando as três d. d. p. através dos três elementos do circuito RLC no instante considerado.
Nota: a soma algébrica das projeções dos fasores VR, VC e VL sobre o eixo vertical é exatamente igual ao lado direito da equação (3). Esta soma de projeções deve ser igual ao lado esquerdo desta equação → projeção do fasor εm (ou seja, ε) sobre a vertical.
c) nas operações vetoriais, a soma algébrica das projeções, é igual à projeção, sobre este eixo, da soma vetorial destes vetores
I VR VL− VC εm ωt − φ ωt φ
φ → diferença de fase entre a fem e a corrente elétrica. ωt → ângulo (sentido anti-horário) com que a corrente varia. como os fasores VL e VC fazem 900 com o fasor corrente, o
Determinando I Do gráfico de fasores 2 2 2 ) ( L C R m =V + V −V ε Usando as amplitudes e 2 2 2 ) ( ) ( L C m = I R + I X − I X
ε
2 2 ) ( L C m X X R I − + = ε ImpedânciaImpedância → o denominador desta equação (Z), para uma dada freqüência ω.
2 2 ) (XL XC R Z = + − e portanto
Z
I
=
ε
mUsando os valores de reatância e X L .
C
XC L ω
ω =
2 2 ) 1 ( L C R I m ω ω ε − + = (Amplitude da corrente) L C ω ω = 1
O valor máximo de I ocorre para
(ressonância) → já vista no Capítulo anterior C L 1 =
ω
O valor de I na ressonância é igual a (o máximo da ressonância aumenta
quando R diminui).
R
I
=
ε
mA Constante de Fase φ
Agora, nos falta encontrar φ → do gráfico de fasores (p. 015) temos
(constante de fase) R I X I X I V V V L C R C L − = − =
φ
tan R X XL − C = φ tanR C L
ω
ω
φ
1 tan = − ou, como e(depende de ω mas não de εm)
L X C XC L
ω
ω
= = 1Nota: 1) desenhamos o diagrama fasorial supondo XL > XC (circuito mais indutivo do que capacitivo);
2) na equação para impedância vemos que isto é totalmente equivalente a XL < XC, pois (XL − XC)2, não alterando o cálculo da amplitude;
3) isto já não é verdade para o cálculo de fase, pois (XL − XC)1.
Dois Casos Limites
10) R = X
L = 0 Ω, nos dá e (o circuito é puramente capacitivo
e φ = 900).
−∞
=
=
ε
tan
φ
C mX
I
20) R = XC = 0Ω, nos dá e (o circuito é puramente indutivo
e φ = 900).
=
φ
=
+∞
ε
tan
L mX
I
Nota: 1) assim que ligamos o circuito, surge uma corrente transiente, cuja duração depende das constantes de tempo (capacitiva e indutiva)
e L
C
R =
=
τ
depois deste tempo a corrente entra no estado estacionário dada por )
(ω −φ = I sen t i
2) a corrente transiente pode danificar qualquer equipamento se não a considerarmos na elaboração do projeto de um circuito.
Potência em Circuito de Corrente Alternada
No circuito RLC, a energia fornecida pelo gerador de corrente alternada, fica armazenada no campo elétrico do capacitor, no campo magnético do indutor e parte é dissipada no resistor (energia térmica → Efeito Joule)
No estado estacionário, a energia média armazenada no capacitor e no indutor permanece constante.
G R
L C
1) Taxa, instantânea, em que a energia é transformada no resistor
como nosso interesse está na taxa média que a energia é transferida para o resistor → valor médio sobre um período
)
(
)]
(
[
2 2 2 2=
ω
−
φ
=
ω
−
φ
=
R
i
R
I
sen
t
R
I
sen
t
P
+1 0 −1 θ π 2π 3π 0 sen θ +1 1/2 0 0 π 2π 3π θ sen2θ (sen θ)2→ 1/2usando a média sobre um período
R
I
R
I
P
méd 2 2 .2
2
1
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
=
Valor MValor Méédio Quadrdio Quadráático: o termo é denominado de valor médio quadrático da tico:
corrente i.
2
I
R
I
O termo rms é apropriado pois:
10) pegamos o quadrado da corrente instantânea
)
(
2 2ω
−
φ
t
sen
I
20) calculamos o seu valor médio
2 2 I
30) extraímos a sua raiz quadrada
2 I Irms =
Nota: 1) como a é semelhante a para o caso de corrente contínua, temos que a taxa de dissipação média (usando os valores médios quadráticos para as grandezas alternadas) para circuitos de corrente alternada é a mesma que para circuitos de corrente contínua.
2 2
. R I P R i
Pméd = rms =
2) os instrumentos para correntes alternadas (voltímetros, amperímetros, etc.) são usualmente calibrados para lerem Irms, Vrms e εrms.
Ex.: se usamos um voltímetro para medir a tensão (d. d. p.) numa tomada doméstica e ele indicar 120V este será o valor médio quadrático. O valor máximo da d. d. p. é 2 ⋅120V ≅170V.
3) a razão para o uso de valores médios quadráticos em circuitos de corrente alternada é que nos permite aplicar as relações familiares de potência para circuitos de C. C.
, e . 2 2 2 m rms rms rms V V I I = = ε = ε
Como e a constante de proporcionalidade é
2 1 Z I = εm 2 2 ) ( L C rms rms rms X X R Z I − + = =
ε
ε
Da mesma forma, podemos modificar a potência, para ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = = = Z R I R I Z R I Pméd rms2
ε
rms rmsε
rms rms comoZ
R
Z
I
R
I
V
m R=
=
=
ε
φ
cos
φ
ε
rms rms cos méd I P = (Potência Média) Fator de Potência:Fator de Potência: é chamado de fator de potência. Como cosφ = cos(−φ), o fator de potência independe da fase ser positiva ou negativa.Z
R
=
φ
cosPara que a taxa de energia, num circuito RLC, seja máxima, devemos manter o fator de potência (cos φ) próximo de um (cosφ ≅ 1) → isto equivale a manter φ ≅ 00
(constante de fase ≅ 00).
Ex.: se o circuito é altamente indutivo, podemos torná-lo menos indutivo adicionando uma capacitância no circuito → reduzindo a constante de fase e aumentando o fator de potência (empresas distribuidoras de energia elétrica colocam capacitores por toda a linha de transmissão).
Elemento Elemento de circuito de circuito Impedância Impedância Z Z Constante de Constante de fase fase φφ Fator de Potência Fator de Potência cos cosφφ Potência M
Potência Méédia dia PPmmééd.d.
1 Zero Zero εrmsIrms Zero Zero Zero −900 +900 R C L R XC XL Potência M
Potência Méédia Transmitida por um Gerador em Três Casos Especiaisdia Transmitida por um Gerador em Três Casos Especiais
O Transformador
Para circuitos de corrente alternada → a taxa média de dissipação da energia numa carga resistiva ( ).Pméd =
ε
rms Irms cosφ
Nota: abandonaremos o subscrito rms que identifica o valor médio quadrático de uma grandeza. Na prática, nós admitimos que as correntes e voltagens, variáveis no tempo, sejam descritas pelos seus valores médios quadráticos → que são os valores lidos pelos instrumentos
V
I
P
méd.=
Obs.: 1) para uma dada exigência de potência → temos uma faixa de escolha (corrente relativamente elevada, I, e uma d. d. p. relativamente baixa, V, ou vice-versa) desde que o produto seja I V.
2) para sistemas de distribuição de energia elétrica → é desejável por questões de segurança e de eficiência, lidarmos com voltagens relativamente baixas tanto na extremidade geradora (usina de energia elétrica) como na extremidade receptora (casa ou fábrica)
Ex.: ninguém projetaria um trenzinho de criança ou uma torradeira para operar a 10 kV.
Entretanto, na transmissão de energia elétrica desde a geradora até o consumidor, deseja-se ter a corrente mais baixa possível (maior d. d. p. possível), para reduzir ao mínimo as perdas → I2 R (chama-se de perdas ôhmicas).
Ex.: uma linha de 735 kV é usada para transmitir a energia elétrica de uma usina até uma cidade a 1000 km de distância. Suponhamos que a corrente seja de 500 A e o fator de potência próximo a unidade (1)
1) Pméd = ε I = (7,35 × 105 V)(500 A) = 367,5 MW
MW
P
méd≅
368
a linha tem resistência por quilômetro ≅ 0,220 Ω/m, com resistência total de 220 Ω → Pméd = I2 R = (500 A)2 (220 Ω)
que corresponde a 15% (14,9660%) da taxa fornecida.
MW
P
méd=
55
,
0
2) O que aconteceria se dobrássemos a corrente e reduzíssemos a voltagem à metade?
a potência média produzida não mudaria Pméd I kV (2 500A) 368 MW 2 735 = ⋅ = =ε
MW
P
méd=
220
a potência média dissipada ficaria Pméd = I2 R = (1000 A)2 (220 Ω)
Regra Geral para Transmissão de Energia:
Regra Geral para Transmissão de Energia: transmitir na mais alta voltagem possível e na corrente mais baixa possível.
O Transformador Ideal
A regra acima, conduz a uma incompatibilidade → a exigência da transmissão eficiente em alta voltagem e a necessidade de produção e consumo em baixa voltagem (por motivos de segurança).
Então, precisamos de um dispositivo → aumentar a d. d. p. para transmissão e diminuir a d. d. p. para o uso, mantendo o produto corrente × voltagem constante. Tal dispositivo é chamado de Transformador.
~
ε Np Vp R Ns Vs S ΦB Primário Secundário Transformador idealOpera de acordo com a Lei da Indução de Faraday.
Não possui um correspondente, simples, de corrente contínua.
Transformador Ideal:
Transformador Ideal: consiste de duas bobinas, com número diferente de espiras, enroladas em torno de um núcleo de ferro (as bobinas estão isoladas do núcleo). Onde a resistência dos enrolamentos primário e secundário, bem como as perdas por histerese no núcleo de ferro, sejam desprezíveis.
O enrolamento primário (Np espiras) está ligado a um gerador de corrente alternada onde
t
sen
mω
ε
ε
=
O enrolamento secundário (Ns espiras) está ligado a uma carga resistiva R → é um circuito aberto para a chave S desligada.
Chave S Desligada
Vamos supor: transformador ideal.
Ex.: transformadores de alta capacidade (bem projetados) podem ter perdas de energia de apenas 1%.
Para as condições dadas → o enrolamento primário é uma indutância pura e o circuito é um circuito indutivo puro:
1) a corrente primária (muito pequena) → chamada de Corrente de Magnetização, Imag., está atrasada em 900 em relação à d. d. p. primária (V
p); o fator de potência
(= cos φ) é nulo e portanto, nenhuma potência é transferida do gerador para o transformador.
2) De acordo com a Lei da Indução de Faraday → a fem induzida por espira (εesp) é a mesma nos enrolamento primário e secundário
A voltagem em cada circuito é igual à fem induzida no circuito. 3) Supondo que os símbolos representem valores médios quadráticos
(Transformação de Voltagem) s s p p B espira N V N V dt d = = Φ =
ε
p s p s N N V V =4) Para Ns > Np → transformador elevador (Vs > Vp) Para Ns < Np → transformador abaixador (Vs < Vp)
Nota: como o circuito secundário está aberto (S aberta) → nenhuma potência será transmitida através do transformador.
Chave S Fechada
Enrolamento secundário ligado à carga resistiva R.
Obs.: num caso mais geral a carga (R) também conteria elementos indutivos e capacitivos → vamos nos restringir somente a elementos resistivos (R).
Quando fechamos S:
1) uma corrente alternada Is aparece no circuito secundário, com uma taxa de dissipação de ( ) na carga resistiva (R).
R V R Is s 2 2
2) Esta corrente induz seu próprio fluxo magnético alternado no núcleo de ferro (de acordo com a Lei da Indução de Faraday) → este fluxo induz uma fem em oposição no enrolamento primário.
3) A voltagem Vp do primário não pode mudar em resposta a essa fem em oposição (temos que ter sempre a fem suprida pelo gerador) → o fechamento da chave S não pode mudar este fato.
4) Para manter Vp (o gerador produz, agora, uma corrente Ip no circuito primário, de intensidade e constante de fase exatamente iguais e necessárias para cancelar a fem em oposição, gerada no enrolamento primário devido a Is).
Obs.: em vez de continuarmos com a análise (complicada) acima, é mais conveniente verificarmos o que ocorre globalmente (mediante o princípio da conservação da energia).
Para um transformador ideal →com cos φ ≅ 1 e fazendo ε = Vp em:
10) (taxa que o transformador transfere energia à bobina primária).méd p p p
I
V
I
20) (taxa em que a energia é transferida da bobina primária para a secundária). s s méd V I P =
Usando o princípio da conservação da energia , e com
(Transformação da Corrente) p s p s s s p p
N
N
V
V
V
I
V
I
=
=
s p p s N N I I = 30) Como e , então p s p s s s N N V V R V I = =R
N
N
V
I
s p p s 2)
(
=
comparando com R (Transformação da Resistência)
N N R s p eq 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = eq p p R V I =
Nota: a transformação da resistência nos diz que, do ponto de vista do circuito primário, a resistência equivalente da carga não é simplesmente R.
Casamento de Impedâncias
A equação acima (Transformação da Resistência) → sugere outra função para o transformador.
Sabemos que:
Da conservação da energia ou
“para haver transferência máxima de energia de um dispositivo de fem para uma carga resistiva, a resistência do dispositivo e a resistência da carga devem ser iguais.” R resistor bateria eq R resistor bateria
W
R
i
R
i
W
=
(
2)
=
(
2)
A mesma regra é válida para circuitos de corrente alternada exceto que a impedância (em vez da resistência) do gerador deve ser igual à carga.
Ex.: 1) quando ligamos um alto-falante a um amplificador, esta condição fica longe de ser obtida → amplificador com alta impedância e o alto-falante com baixa impedância.
2) Podemos tornar iguais as impedâncias dos dois dispositivos (citados acima), acoplando-os por meio de um transformador com uma adequada razão Np/Ns.