Apostila de Física 30 – Geradores Elétricos

Apostila de Física 30 – Geradores Elétricos
1.0 Definições
Gerador elétrico – Aparelho que transforma qualquer forma de energia em
energia elétrica.
Exemplos:
Usinas hidrelétricas – Geradores mecânicos.
Pilhas – Geradores químicos.
Possui dois terminais determinados pólos:
Pólo negativo – Terminal com menor potencial.
Pólo positivo – Terminal com maior potencial.
No gerador, o movimento das cargas é o movimento real dos elétrons, do pólo
negativo para o pólo positivo – Por isso, no circuito, o elétron apresenta um movimento
peculiar.
Um gerador tem a função de receber as cargas que constituem a corrente elétrica
em seu potencial mais baixo e entregá-las em seu potencial mais alto, fornecendo
energia elétrica ao circuito.
O gerador apresenta 2 características independentes do circuito:
Resistência interna (r) – Ohms.
Força eletromotriz (fem) – Volts.
Representação gráfica do gerador – Dois traços verticais representando os pólos,
e a resistência interna ao lado deles:
Linha vermelha – Circuito externo.
O pólo positivo é indicado pelo traço mais longo, e o negativo pelo mais
curto.
2.0 Força Eletromotriz
A potência elétrica total gerada por um gerador é diretamente proporcional à
intensidade da corrente elétrica que o atravessa.
E – Constante de proporcionalidade.
A constante de proporcionalidade é chamada de força eletromotriz (fem).
OBS.: o nome “força eletromotriz” ainda é usado por razões históricas. É
impróprio, pois não se trata de uma força no sentido que é usado na Física.
3.0 Potência e Rendimento Elétrico
Potência elétrica total gerada:
Potência elétrica total lançada no circuito externo – Potência elétrica fornecida
pelo gerador:
Potência elétrica dissipada internamente:
Princípio de conservação de energia:
Rendimento elétrico do gerador:
4.0 Equação do Gerador do Circuito Aberto
A equação do gerador é o resultado final do princípio de conservação de energia:
Um gerador está em circuito aberto quando não há percurso fechado para as
cargas elétricas:
Não há corrente elétrica – i = 0.
A ddp dos terminais é igual a sua fem.
Gerador ideal é aquele que possui uma resistência nula – r = 0.
A força eletromotriz é a ddp nos terminais de um gerador ideal.
5.0 Curto Circuito no Gerador
O contato direto de seus terminais constitui um curto-circuito.
O contato é obtido por um condutor de resistência desprezível.
A ddp entre os terminais é nula.
A intensidade da corrente nestas condições é obtida desenvolvendo a equação
acima:
A intensidade da corrente elétrica de curto-circuito é a máxima intensidade
elétrica que pode atravessar um gerador.
A potência elétrica total será dissipada integralmente na resistência interna,
podendo danificar o gerador.
6.0 Curva Característica do Gerador
A equação de um gerador é de primeiro grau, logo, a curva do gráfico é uma
reta.
Quando a reta encontra-se no eixo das coordenadas (i = 0) – O gerador está em
circuito aberto.
Quando a reta encontra-se no eixo das abscissas (U = 0) – O gerador está em
curto-circuito.
A área do retângulo destacado é igual à potência elétrica lançado no circuito (PI).
7.0 Lei de Pouillet
Circuito simples:
Apresenta apenas 1 caminho para a corrente elétrica.
Não apresenta ligações em paralelo.
Considere um gerador ligado a circuito simples, onde existe um resistor ‘R’ –
Circuito gerador-resistor.
Lei de Pouillet – A ddp nos terminais do gerador (U) é a mesma nos terminais
do resistor (U’).
A resistência ‘R’ é qualquer resistência equivalente de uma associação qualquer
de resistores.
8.0 Associação de Geradores
Os geradores podem ser associados como os resistores – em série ou em
paralelo.
Gerador equivalente à associação – Gerador que mantém entre seus terminais
uma ddp igual àquela mantida pela associação.
8.1 Associação em Série
O pólo positivo de um gerador é ligado ao pólo negativo do outro gerador.
Todos os geradores são percorridos pela mesma corrente elétrica.
Para geradores iguais:
n – Número de geradores iguais.
Há um aumento da força eletromotriz.
Há um aumento da resistência interna – Maior dissipação de energia elétrica.
8.2 Associação em Paralelo
Os pólos positivos dos geradores são ligados entre si, assim como os pólos
negativos.
Para geradores iguais:
Todos mantêm a mesma ddp.
A corrente elétrica se distribui igualmente entre eles.
A força eletromotriz permanece igual.
Há uma diminuição da resistência interna.
9.0 Gráfico da Potência Elétrica
A equação da potência elétrica interna é de segundo grau, logo, a curva do
gráfico é uma parábola.
Concavidade voltada para baixo.
Quando a parábola encontra-se no eixo das abscissas (PI = 0) – Obtêm-se 2
raízes:
Intensidade da corrente elétrica do circuito aberto – i1 = 0.
Intensidade da corrente elétrica do gerador em curto-circuito – i2 ≠ 0.
Um gerador lança a potência máxima quando é percorrido por metade da
corrente de curto-circuito – O valor da intensidade da corrente elétrica que torna
máxima a potência elétrica lançada:
Na potência elétrica máxima, a ddp nos seus terminais é igual à metade de sua
força eletromotriz.
Potência elétrica máxima do gerador:
O rendimento elétrico do gerador, ao lançar a potência elétrica máxima, é de
50%.
Se o aparelho ligado aos terminais do gerador for um resistor – O gerador lança
potência elétrica máxima quando a resistência interna for igual à resistência externa.