Geradores Elétricos

Na natureza, toda energia deve ser transformada. Isto é, nenhuma forma de energia é criada ao acaso. Dessa forma, os geradores elétricos, são dispositivos que transformam outra forma de energia em energia elétrica. Tais formas de energia podem ser, por exemplo, mecânica, química ou solar.

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O que são geradores?

Para que a corrente elétrica possa fluir de maneira ininterrupta em um circuito elétrico, é necessário que haja um dispositivo que alimente o circuito de modo que se mantenha a diferença de potencial elétrico (DDP).

Um gerador elétrico é um dispositivo que converte diferentes formas de energia em energia elétrica. É necessário notar que os geradores não fornecem elétrons ao circuito. Na verdade, eles fornecem energia aos elétrons já existentes. Por exemplo, usinas hidrelétricas são geradores que convertem a energia mecânica do movimento das águas em energia elétrica.

A função básica de todo gerador elétrico é aumentar a energia potencial das cargas que passam por ele. Isto é, o gerador recebe, em seu polo negativo, as cargas que constituem a corrente elétrica e que estão com um potencial mais baixo e aumenta o seu potencial, liberando-as pelo polo positivo. Dessa forma, o gerador fornece energia elétrica ao circuito.

Força eletromotriz

A força eletromotriz (f.e.m.) é a tensão que o gerador elétrico obtém quando transforma a energia. Ou seja, quando uma unidade de carga passa pelo gerador, ela recebe uma energia potencial, que é a força eletromotriz. Na bateria, por exemplo, a f.e.m. é a diferença de potencial máxima entre os dois terminais.

No sistema internacional de unidades, a força eletromotriz tem como unidade de medida o Volt (V). Por exemplo, um gerador que possui 6 V de f.e.m. fornece 6 J (joule) de energia a cada 1 C (coulomb) de carga que o atravessa.

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Resistência interna

Os geradores podem ser reais ou ideais. Geradores ideais são aqueles que convertem toda a energia recebida em energia elétrica. Porém, por serem idealizações, não podem ser verificados experimentalmente. Já em geradores reais, parte da energia fornecida ao circuito é dissipada. Isso acontece devido à resistência interna (r).

Equação característica do gerador

A força eletromotriz que um gerador possui é dada pela soma da tensão fornecida ao circuito externo com a tensão utilizada pela resistência interna. Matematicamente:

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Em que:

• E: força eletromotriz (V);
• U: tensão fornecida ao circuito (V);
• U’: tensão na resistência interna (V);
• r: resistência interna (Ω);
• i: corrente elétrica (A).

Note que, caso o gerador seja ideal, a resistência interna será nula. Dessa forma, a tensão fornecida ao circuito externo será igual à f.e.m., ou seja, U = E.

Curva característica de um gerador

A tensão em um gerador varia com a corrente elétrica. Ou seja, conforme isso ocorre, a tensão também variará. Além disso, a equação característica de um gerador é um função de primeiro grau, na qual o coeficiente angular é negativo. Isso significa que a curva característica dessa equação será uma reta decrescente.

O ponto no qual a curva cruza o eixo da ddp representa a força eletromotriz em que U = E. Já o ponto no qual o gráfico toca o eixo da corrente elétrica representa o gerador em curto-circuito, ou seja, a corrente de curto-circuito. Por fim, a resistência interna é numericamente igual à tangente do ângulo formado entre a curva do gráfico e o eixo horizontal.

Como funcionam

O princípio de funcionamento mais comum nos geradores é a indução eletromagnética. Geralmente, um conjunto de espiras condutoras são colocadas próximas a ímãs. Quando houver a rotação desse conjunto, haverá a indução de uma corrente elétrica no circuito.

Outra maneira por meio da qual os geradores transformar a energia é convertendo energia química em energia elétrica. Nesses casos, as reações químicas que ocorrem dentro das baterias têm a capacidade de aumentar a tensão entre os terminais de uma bateria.

Já as placas solares são geradores que transformam a energia solar em energia elétrica por meio do Efeito Fotoelétrico.

Potência e Rendimento no gerador

No gerador, parte da energia é dissipada em forma de calor. Dessa forma, nem toda a potência teórica de um gerador real é aproveitada, parte dela é dissipada. Matematicamente:

Em que:

• P_T: Potência total (W);
• i: Corrente elétrica (A);
• E: Força eletromotriz (V).

Em que:

• P_U: Potência útil (W);
• i: Corrente elétrica (A);
• U: tensão fornecida ao circuito (V).

Em que:

• P_D: Potência útil (W);
• i: Corrente elétrica (A);
• r: Resistência interna (Ω).

O conceito de rendimento é uma razão entre a potência útil e a potência total.

Em que:

• η: Rendimento (adimensional);
• P_U: Potência útil (W);
• P_T: Potência total (W).

Note que o rendimento é uma grandeza adimensional, porque representa uma relação de proporção. Além disso, o rendimento também pode ser escrito como uma porcentagem. Desta forma, para um gerador ideal, o rendimento será de 100%.

Tipos de geradores

Os tipos de geradores podem ser os mais variados, porém o mais comum é o gerador mecânico. Confira os cinco tipos existentes:

Gerador mecânico

É o mais comum de todos e transforma energia mecânica em energia elétrica.

• Alternador do carro: esse componente tem como função carregar a bateria automotiva.
• Dínamo: é um aparelho que gera corrente elétrica contínua por meio da indução eletromagnética.

Gerador eólico

Transforma a energia dos ventos em energia eólica.

• Aerogerador: as pás giram com a força do vento e geram energia elétrica.
• Turbina eólica: similar aos aerogeradores, transformam a energia dos ventos em energia eólica.

Gerador luminoso

Funciona com base no Efeito fotoelétrico e converte a energia luminosa em energia elétrica

• Placas solares: as placas fotovoltaicas são uma das formas mais limpas de se gerar energia, porém sua fabricação possui um valor elevado.
• Células fotovoltaicas orgânicas: essa célula possui polímeros orgânicos para absorver a luz solar e transformá-la em energia elétrica.

Gerador térmico

Utiliza a energia térmica para gerar energia elétrica

• Turbinas a vapor: o vapor d’água faz girar as pás da turbina e estas transformam a energia em energia elétrica..
• Gerador nuclear: por meio da liberação de calor proveniente do decaimento radioativo, há a conversão da energia térmica em energia elétrica.

Gerador químico

Converte a energia das reações químicas em energia elétrica

• Pilhas: a reação de oxirredução que é capaz de gerar corrente elétrica.
• Baterias: as baterias possuem o mesmo princípio de funcionamento das pilhas e, também, funcionam a partir da oxirredução.

Os geradores elétricos são responsáveis por boa parte do desenvolvimento da humanidade, porque seus usos são os mais variados e, também, existem diferentes tipos de geradores, para as diferentes aplicações.

Vídeos sobre Geradores Elétricos

Agora que você já aprendeu todos os conceitos relacionados aos geradores elétricos, confira algumas videoaulas que selecionamos para que você possa aprofundar ainda mais seus conhecimentos.

Geradores elétricos

Assista a essa aula do professor Marcelo Boaro sobre os geradores elétricos. Nela, além da teoria, também há a resolução comentada de um exercício de aplicação

Como fazer uma turbina eólica caseira

Nesse vídeo, Iberê Tenório, do Manual do Mundo, mostra como é possível construir uma turbina eólica com materiais de fácil acesso. Além disso, Tenório mostra, na prática, como funciona um gerador elétrico.

Associação de resistores

Os geradores podem ser associados em paralelo ou em série. Para cada tipo de associação, existem características específicas. Para compreender melhor cada uma delas, assista ao vídeo de Marcelo Boaro.

Geradores elétricos são tópicos de extrema importância no estudo da eletricidade e circuitos. Além disso, compreender esse conceito é imprescindível para o estudo das Leis de Kirchhoff.

Referências