Geradores Elétricos e Força Eletromotriz

Geradores elétricos são dispositivos que convertem energia mecânica, química ou, até mesmo. solar em energia elétrica. A energia produzida por geradores pode ser usada para alimentar circuitos elétricos. Veja abaixo alguns exemplos de geradores:

Tópicos deste artigo

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  →  Baterias

  

  → Geradores movidos a óleo diesel

  

  → Usinas hidrelétricas

  

  → Usinas solares (placas fotovoltaicas)

  

  → Usinas eólicas

  

  → Usinas nucleares

  

  O fenômeno utilizado por alguns dos geradores acima para transformar energia mecânica em elétrica é chamado de indução eletromagnética. Esse processo consiste em mudar o fluxo de campo magnético sobre uma espira condutora, promovendo, assim, o surgimento de uma corrente elétrica alternada.

  Veja também: A descoberta da indução eletromagnética

  As placas fotovoltaicas, por sua vez, são capazes de transformar a energia presente nas ondas eletromagnéticas em energia elétrica por meio do efeito fotoelétrico.

  Força eletromotriz

  A força eletromotriz (FEM) corresponde a todo o potencial elétrico que pode ser produzido por um gerador. Ao ser ligado em um circuito, parte da energia gerada é dissipada em forma de calor em decorrência da formação de uma corrente elétrica em seu interior. Esse fenômeno, chamado de efeito Joule, ocorre porque os geradores apresentam certa resistência interna, logo, não há gerador perfeito.

  A força eletromotriz também pode ser compreendida como a quantidade de energia potencial elétrica que os geradores fornecem a cada unidade de carga elétrica:

  \(\in = \frac{E_p}{q}\)

  Podemos calcular a força eletromotriz produzida por um gerador por meio da seguinte equação:

  \(\in = U + r_i \cdot i\)

  E – força eletromotriz [V]
  U – tensão elétrica utilizável [V]
  r_i – resistência interna do gerador [Ω]
  i – corrente elétrica [A]

  A equação acima sugere que parte da energia produzida por um gerador (E) é utilizada para ligar dispositivos eletroeletrônicos (U), e outra parte é dissipada (r_i.i). Por meio da equação da força eletromotriz, é possível deduzir a equação característica dos geradores, que nos fornece a tensão utilizável (U_U) por um circuito alimentado por um gerador real:

  \(U_u = \in - r_i\cdot i\)

  Mapa Mental: Geradores

  

  *Baixe o mapa mental sobre geradores!

  Representação do gerador no circuito

  Os geradores costumam ser representados em circuitos, cujo esquema é apresentado a seguir:

  

  Nos geradores, a corrente elétrica (no sentido convencional) sempre deve fluir do menor para o maior potencial elétrico, demonstrados pela barra pequena (-) e pela barra grande (+), respectivamente. Essa representação indica que a corrente elétrica ganha energia ao ar pelo gerador. A resistência r_i mostrada no circuito é a resistência interna do gerador.

  Curva característica dos geradores

  A curva característica dos geradores é uma reta descendente no primeiro quadrante do plano cartesiano. Representa a queda de tensão dentro do gerador e pode ser entendida da seguinte maneira:

  1. Se a corrente formada pelo gerador for nula (i = 0), então nenhuma energia será dissipada. Logo, toda a tensão produzida será a própria força eletromotriz (U = E).

  2. Se o gerador for ligado em curto-circuito, conectado diretamente aos terminais positivo e negativo por um fio sem resistência, será produzida a máxima corrente possível. Se esse gerador estiver ligado em um circuito e produzir tal corrente, sua resistência interna consumirá toda a energia produzida. Dessa forma, o potencial estabelecido pelo gerador será nulo (U = 0). Observe:

  

  E – força eletromotriz [V]
  r_i – resistência interna do gerador [Ω]
  i_cc – corrente elétrica de curto-circuito[A]

  Por meio da 1ª lei de Ohm, podemos utilizar a informação contida na curva característica dos geradores para calcular sua resistência interna. Observe:

  \(R = \frac{U}{i}\\ r_i = \frac{\in}{i_{cc}}\)

  Veja também: Lei de Ohm

  Potência elétrica nos geradores

  Potência elétrica é uma grandeza escalar medida, geralmente, em watts (ou em unidades derivadas). Representa a taxa de variação da energia elétrica em função do tempo. Nos geradores, há três tipos de potência elétrica:

  • Potência elétrica total: corresponde a toda a potência elétrica produzida pelos geradores. É dada pela equação:

  \(P_T = \in \cdot i\)

  • Potência elétrica utilizável: potência elétrica disponível para o circuito elétrico. Pode ser calculada por meio da seguinte equação:

  \(P_U = U\cdot i\)

  • Potência elétrica dissipada: potência elétrica consumida pelo efeito Joule em virtude da agem de corrente elétrica pela resistência interna dos geradores.

  \(P_D = r_i \cdot i^2\)

  Portanto, o balanço de energia nos geradores pode ser sintetizado pelas seguintes equações:

  \(P_T = P_U + P_D\\ \in \cdot i = U\cdot i+ r_i\cdot i^2\)

  Rendimento dos geradores

  O rendimento dos geradores é uma grandeza física adimensional que indica a capacidade do gerador em transformar alguma forma de energia em energia elétrica. O rendimento dos geradores é dado pela razão entre o potencial elétrico útil e sua força eletromotriz:

  \(\eta = \frac{U}{\in}\)