Os Geradores
Se ligarmos um corpo carregado a outro, de modo que flua uma corrente, ela terá uma duração muito curta. Tão logo as cargas que estão a mais num corpo passem para o outro, que as tenha de menos, estabelecendo com isso o equilíbrio, a corrente cessa.
O que devemos fazer se quisermos ter uma corrente circulando por um tempo mais longo entre dois extremos de um fio condutor que une esses corpos?
Conforme vimos na lição anterior, uma corrente não pode fluir permanentemente entre dois corpos entre os quais exista uma diferença de potencial, pois existe um instante em que o equilíbrio se restabelece e com isso não há mais “força” para empurrá-las. Se quisermos manter a circulação da corrente, devemos repor no corpo que fornece as cargas, aquelas que vão sendo enviadas ao que as tem em falta. Em suma, devemos retirar cargas do corpo que as recebe para recolocá-las naquele que as fornece.
Esse processo envolve um gasto de energia, pois estamos “entregando” ao sistema a energia que ele vai fornecer quando a corrente circular. Para esta finalidade usamos dispositivos especiais que recebem o nome de “geradores”, pois “geram” energia. Estes geradores possuem dois pontos importantes, nos quais são ligados os condutores, sendo denominados “polos”. Um polo é o negativo, que fornece os elétrons para formar a corrente, pois os tem em excesso, e o outro é o positivo que recebe os elétrons, conforme mostra a figura 23.
Para que o gerador realize sua função, estabelecendo entre os seus polos uma diferença de potencial ou de concentração de cargas capaz de provocar a circulação da corrente quando ligarmos algum dispositivo condutor é preciso dispor de alguma forma de energia para conversão. O tipo de energia que é usada pelo gerador, para ser convertida em energia elétrica, pode variar bastante.
Um dos tipos mais comuns é o que converte energia química (liberada de reações químicas) em energia elétrica. As pilhas e baterias são os principais elementos deste grupo de geradores.
Uma pilha comum ou célula estabelece entre seus polos uma diferença de potencial de 1,5 V, a qual dura enquanto as substâncias de seu interior puderem reagir, fornecendo energia conforme ilustra a figura 24.
Um conjunto de pilhas é denominado bateria. No caso dos automóveis, o que temos é uma associação de acumuladores ou diversas células, as quais juntas estabelecem 12 Volts entre seus polos. A diferença entre pilha e acumulador está no fato de que os acumuladores podem ser recarregados.
A reação química que provoca o fornecimento de energia é reversível, de modo que, quando um acumulador se descarrega podemos recarregá-lo, fazendo circular uma corrente através dele, mas no sentido contrário ao normal. Essa corrente invertida “entrega” energia ao acumulador, ficando então armazenada.
As pilhas comuns não podem ser carregadas, se bem que existam pilhas especiais denominadas “NiCad” (níquel-cádmio) e semelhantes, ou "recarregáveis" as quais podem ser recarregadas muitas vezes, por um processo especial, como as encontradas nos telefones celulares, telefones sem fio, etc. Elas também são chamadas, muitas vezes "baterias".
Outro tipo de gerador importante é o dínamo. Um exemplo é o dínamo de bicicleta, no qual a energia mecânica do movimento de seu rotor é convertida em energia elétrica que alimenta uma lâmpada e até mesmo uma buzina. Veja na figura 25 como a roda da bicicleta aciona o dínamo transmitindo energia mecânica que se transforma em energia elétrica.
Veja que, no interior de um gerador, a movimentação das cargas se faz de maneira contrária à do fio por onde passa a corrente externa, também chamado de “receptor”. Existem outros tipos de geradores importantes como: as pilhas solares que convertem luz em energia elétrica; os pares termoelétricos que convertem calor em energia elétrica; os alternadores que convertem energia mecânica em energia elétrica, mas de forma especial (que será estudada futuramente).
Tipos de Geradores
Mecânicos
Os geradores mecânicos convertem energia mecânica em energia elétrica, por exemplo, vinda de movimentos ou forças de natureza mecânica. Temos então neste grupo os dínamos e os alternadores, conforme mostra a figura 26.
Os dínamos convertem a força obtida pelo movimento de um motor, de uma queda d´água, de uma hélice movimentada pelo vento ou da força mecânica de um ciclista em energia elétrica. Os alternadores fazem o mesmo, mas fornecem a energia elétrica de uma forma diferente, corrente alternada, que estudaremos oportunamente.
Químicos
Este tipo de gerador converte a energia liberada numa reação química em energia elétrica. Temos neste grupo como principais representantes as pilhas e os acumuladores.
Térmicos
Estes geradores são pouco usados, pois têm um rendimento muito baixo. Assim, a pequena quantidade de energia térmica que eles convertem em eletricidade serve mais para realizações de medidas. O melhor exemplo está nos pares termoelétricos.
Fotoelétricos
Estes geradores convertem energia radiante (luz e outras radiações) disponível na forma de ondas eletromagnéticas em energia elétrica. O tipo mais comum é a fotocélula. Estes geradores ainda não possuem um bom rendimento, mas já começam a ter utilidade práticas na alimentação de muitos equipamentos.
Outros
Existem outros geradores que encontram uma faixa de utilização menor ou maior, mas que oferecem grandes possibilidades para o futuro. Vários deles, na realidade, são geradores que fornecem energia para um dos tipos anteriores que, por sua vez, fornecem energia elétrica.
Por exemplo, os geradores atômicos, que aproveitam a energia liberada na desintegração de elementos radioativos, na verdade geram calor que, por sua vez, aquecem a água e a água movimenta um gerador mecânico, ou seja, um dínamo ou alternador.
Os Receptores
Os receptores recebem energia elétrica a partir de uma corrente e convertem essa energia em uma ou mais formas de energia. Podemos citar como exemplo as lâmpadas que convertem energia elétrica em luz (e calor), os motores que convertem energia elétrica em energia mecânica (movimento ou força) e muitos outros.
Os receptores aproveitam os efeitos da corrente elétrica que serão estudados ainda nesta lição.
Conversão de Energia Elétrica
Quando ligamos um fio condutor aos polos de um gerador e esse fio apresenta certa resistência elétrica, para vencer esta resistência a energia fornecida pelo gerador se converte em calor. Lembramos que nenhum condutor é perfeito. Assim, por melhor que ele seja, as cargas em movimento que formam a corrente sempre encontram certa dificuldade para se movimentar. Essa dificuldade ou oposição é denominada “resistência elétrica”, conforme estudamos na lição anterior e agora vamos nos aprofundar.
Existem muitos dispositivos que aproveitam o calor despendido pelas cargas, ao vencer a resistência, para poderem funcionar. Podemos citar como exemplo, os aquecedores em geral: eles consistem em fios que não são bons condutores como, por exemplo, o fio de Nicromo, formado por uma mistura (liga) de níquel com cromo.
Quando a corrente passa por estes fios, grande quantidade de calor pode ser produzida, sendo aproveitada por diversos aparelhos como os mostrados na figura 27.
Se o fio for suficientemente fino e apresentar um ponto de fusão muito elevado, como o tungstênio, podemos encerrá-lo num bulbo de vidro, para evitar a ação do oxigênio do ar ambiente que o queimaria.
O vidro terá um vácuo no seu interior ou então será preenchido em um gás inerte de modo a equilibrar a pressão externa, o que não torna o bulbo frágil sujeito a uma implosão.
Com isso teremos uma lâmpada comum ou incandescente: um dispositivo que pode converter a energia elétrica, não apenas em calor, mas também em luz.
A lâmpada que opera com um filamento aquecido é denominada “lâmpada incandescente” , conforme mostra a figura 28.
Os Condutores
Como não existem condutores perfeitos, a passagem da corrente por qualquer fio ou dispositivo sempre gera calor. Isso consiste num problema para aparelhos eletrônicos e elétricos de diversos tipos tais como computadores, controles industriais, aparelhos de medida, telecomunicações, uso médico e é claro, de uso doméstico.
A grande quantidade de fios e componentes percorridos pela corrente nesses aparelhos gera calor. Esse calor, diferentemente de outros dispositivos, não serve para nada devendo ser eliminado.
Se o calor gerado não for eliminado, componentes sensíveis aquecem demais e podem queimar. Assim, em muitos equipamentos um ponto crítico é a ventilação: é preciso eliminar o calor gerado em todos os seus fios e componentes quando em funcionamento.
E, para isso, não temos muitas alternativas: o calor é uma consequência inevitável do princípio de funcionamento de todos os dispositivos que, por melhores que sejam, apresentam sempre uma certa resistência elétrica.
O Circuito Elétrico
Para fornecer energia elétrica a um dispositivo qualquer, de modo que ela possa ser aproveitada, transformando-se em outra forma de energia, por exemplo, luz, calor, movimento, som, etc. não basta ligar um fio que permita o transporte das cargas. Se apenas um fio for ligado as cargas chegam ao aparelho, mas não tem para onde ir, conforme mostra a figura 29. Veja que as cargas não são a energia elétrica, elas simplesmente transportam a energia. Assim, elas devem entregar a energia ao dispositivo alimentado e tem de ir para algum lugar.
Se não tiverem para onde ir, a corrente simplesmente para e nada mais acontece.
Por esse motivo, analisando então os exemplos que demos, em que os geradores alimentam lâmpadas, aquecedores ou LEDs, vemos que é preciso que as cargas elétricas que formam a corrente devem realizar um percurso ou caminho fechado.
Saindo de um dos polos do gerador, elas percorrem todos os componentes entregando sua energia, para depois chegar de volta ao outro polo do mesmo gerador.
Deve, então, haver um percurso ou caminho completo (fechado) para que uma corrente possa circular e fornecer energia. O dispositivo que fornece energia é o gerador e os que recebem são os receptores.
O caminho total percorrido pela corrente, incluindo os componentes, recebe o nome de circuito elétrico, conforme ilustrado na figura 30.
Em Eletrônica, é comum chamarmos o percurso total que uma corrente deve fazer num conjunto de componentes de “circuito elétrico” ou simplesmente circuito.
Observe que, se o circuito for interrompido em qualquer ponto, a corrente deixa de circular por todo ele, e o dispositivo ou aparelho para de funcionar.
A interrupção pode ser feita voluntariamente quando quisermos desligar um aparelho. Para isso usamos dispositivos denominados interruptores.
Todos os componentes e demais dispositivos que estão num equipamento eletrônico, qualquer que seja ele, de um computador ao controle de potência de uma máquina industrial, formam circuitos elétricos.
Existem então percursos múltiplos para a corrente que ao circular produz os efeitos desejados, ou seja, permite que eles recebam a energia para funcionar. Se assim não fosse a corrente não poderia circular e eles não funcionariam.
Interruptores e Chaves
Para estabelecer ou interromper a corrente num circuito, de modo a se conseguir o seu controle, usamos dispositivos denominados interruptores.
Normalmente são formados por lâminas ou contatos que, estando encostados permitem a passagem da corrente e estando afastados, interrompem o circuito.
Os interruptores, conforme mostra a figura 31, devem ser ligados em série com o dispositivo controlado ou o circuito.
O termo “série”, utilizado aqui, ficará mais claro nesse mesmo curso, quando também estudarmos outras formas de ligarmos dispositivos num circuito.
Temos diversos tipos de interruptores que são mostrados na mesma figura. Esses interruptores são especificados pela corrente máxima que podem controlar e pela tensão máxima que suportam entre esses contatos quando estão abertos.
São os interruptores que permitem que você ligue ou desligue a maioria dos aparelhos eletrônicos como computador, monitor de vídeo, televisores, aparelhos de teste, controle, etc.
Temos também interruptores que podem ser programados, ou seja, ligados ou desligados uma só vez na própria placa de dispositivos do computador ou controles para adaptá-los a certas funções. Estes interruptores miniaturizados são denominados “dip-switches”. Na figura 33 temos exemplos desses interruptores montados em conjuntos.
Um circuito que seja formado por um gerador (uma pilha, por exemplo), um interruptor e um receptor (algum dispositivo que recebe a energia como uma lâmpada) é denominado “circuito elétrico simples”. Na figura 34 temos um exemplo de circuito elétrico simples.
Corrente Convencional e Corrente Eletrônica
Um fato importante que o leitor deve ter notado, nesse nosso estudo, é que os elétrons fluem sempre do polo negativo de um gerador para o polo positivo, ou seja, a corrente flui do negativo para o positivo, conforme mostra a figura 35.
Essa é a corrente real ou corrente eletrônica que serve para explicar a maioria dos fenômenos relacionados com o funcionamento de circuitos e dispositivos elétricos.
No entanto, há outra forma de indicarmos a corrente e que frequentemente é usada nos manuais, diagramas e em literatura técnica.
Como os números positivos são maiores que os negativos, seria de se esperar que os potenciais mais elevados, ou seja, os positivos que fossem os predominantes, e assim, muito mais fácil de entender, seria adotarmos a corrente circulando do positivo para o negativo, como mostra a figura 36.
Isso realmente é feito, sem problemas para o entendimento do princípio de funcionamento de circuitos e componentes.
A corrente que circula do positivo para o negativo é denominada "convencional".
O leitor não deve se preocupar então se a corrente flui realmente do positivo para o negativo ou vice-versa, pois ela pode ser indicada das duas formas. Apenas, deve estar atento para não misturar as duas num mesmo esquema, ou explicação.
Toda essa "confusão" ocorre porque a eletricidade depende dos elétrons e convencionou-se que essas partículas teriam cargas negativas. Se fosse diferente... Ah! Se os elétrons fossem positivos...
Lâmpadas incandescentes
As chamadas lâmpadas incandescentes podem ser encontradas numa variedade muito grande de formas e tamanhos, conforme mostra a figura 37.
Estas lâmpadas estão caindo em desuso, pelo seu baixo rendimento, sendo substituídas por lâmpadas fluorescentes, eletrônicas e LEDs na maioria das aplicações. Estes tipos de lâmpadas serão estudados oportunamente neste curso.
A principal característica de uma lâmpada é a tensão em que devemos ligá-la para que a corrente certa circule pelo seu filamento fino de metal e, com isso, ela possa produzir a intensidade de luz esperada sem “queimar”.
Se ligarmos uma lâmpada a um gerador cuja tensão seja menor que a recomendada, não teremos aquecimento suficiente e a luz emitida será fraca, ou nem mesmo ocorrerá. Nesse caso, não haverá perigo do filamento se romper, “queimar” ou sofrer qualquer outro dano.
No entanto, se ligarmos uma lâmpada a um gerador de tensão maior que a recomendada, o aquecimento do filamento será excessivo, pois passará uma corrente maior que a prevista, ocorrendo seu rompimento ou queima, conforme mostra a figura 38.
É exatamente isso que ocorre quando, inadvertidamente, ligamos uma lâmpada de 110 V numa tomada onde a tensão é 220 V, ou quando ligamos uma lâmpada de 6 V numa bateria de 12 V.
É interessante observar que a resistência do fio se encarrega de determinar a “quantidade” de corrente que passa por uma lâmpada quando a ligamos em um determinado gerador.
Assim, mesmo que o gerador possa fornecer correntes infinitamente maiores, como uma tomada de energia que está ligada ao gigantesco gerador de uma usina, a resistência do dispositivo alimentado faz com que passe somente a corrente que ele necessita.
Curto-Circuito, Fusíveis e Disjuntores
Se um fio elétrico de resistência muito baixa for ligado entre os polos de um gerador como, por exemplo, uma tomada de energia, não existe praticamente limitação para a corrente que vai passar (consideramos a tomada de força de nossa casa como um “gerador”, já que, na verdade, ela está ligada através de fios a um gerador real, que é o que está na usina de fornecimento de energia).
O resultado é que a corrente será tão intensa que aquecerá e queimará o fio com um efeito explosivo! Teremos então o que denominamos de “curto-circuito”, conforme mostra a figura 39.
Para que não ocorra o curto-circuito é preciso sempre haver alguma coisa que limite a corrente ao valor esperado, absorvendo assim, “aos poucos” a energia fornecida pelo gerador e convertendo-a em luz, calor ou outra forma de energia desejada.
Para proteger um circuito ou um equipamento no caso de um curto-circuito existem componentes denominados fusíveis. Conforme mostra a figura 40 estes componentes consistem num fio fino que se rompe quando a corrente atinge determinada intensidade, considerada perigosa para o circuito protegido.
Veja que o fusível é ligado no percurso da corrente, ou seja, de modo que a corrente do circuito passe através dele. Dizemos que ele é ligado em série com o circuito protegido.
Um meio mais avançado de se proteger o circuito é o disjuntor, mostrado na figura 41. Trata-se de uma chave termo-mecânica que desliga o circuito quando corrente atinge certo valor. A vantagem do disjuntor, é que uma vez removida a causa do curto-circuito basta religá-lo. No caso do fusível precisamos colocar um novo.
Os Efeitos da Corrente Elétrica
Quando uma corrente elétrica circula através de certo meio podemos notar diversos efeitos. Muitos desses efeitos são indesejáveis em alguns casos, mas em outros são eles justamente que são aproveitados para uma aplicação prática. Os efeitos da corrente elétrica são:
Efeito térmico
Conforme estudamos, para vencer a oposição, ou resistência que a corrente elétrica encontra para passar por determinados meios, há um dispêndio de calor. Esse é o efeito térmico da corrente, ou seja, a produção de calor a partir de energia elétrica e que é aproveitado em diversos dispositivos de uso comum como:
a) Chuveiros e torneiras elétricas
b) Aquecedores de ambiente
c) Secadores de cabelos e roupas
d) Estufas
e) Máquinas industriais de selagem e injeção de plástico
f) Fornos elétricos
É claro que indiretamente ele ocorre em qualquer lugar em que a corrente circula, mesmo que isso não seja desejado. Por esse motivo, uma boa parte da energia perdida em muitas aplicações ocorre justamente pela sua transformação em calor. Reduzir a resistência é algo com que se luta em muitas aplicações.
Efeito Químico
Quando uma corrente elétrica atravessa certas soluções químicas ela é responsável pela ocorrência de reações, onde as substâncias presentes nessas soluções mudam de características, ou seja, reagem, formando novas substâncias.
Assim, existem reações químicas que são provocadas pela passagem de correntes elétricas caracterizando o que denominamos "efeito químico" da corrente elétrica.
O exemplo mais conhecido é o da eletrólise da água, ou seja, uma reação em que se usa uma corrente elétrica para decompor a água que é formada por hidrogênio e oxigênio, na conhecida fórmula H20, em seus elementos formadores, o gás hidrogênio livre e o gás oxigênio livre. Na figura 42 mostramos como essa reação é ocorre.
O ácido sulfúrico dissolvido na água serve apenas torná-la condutora de eletricidade, pois a água pura praticamente não conduz a corrente. No entanto, na reação, o ácido não toma parte, havendo apenas a decomposição da água nos seus elementos formadores: hidrogênio e oxigênio, que então são recolhidos nos tubos de ensaio.
Outra reação produzida pela passagem de uma corrente é a que ocorre nos processos de galvanoplastia, conforme mostra a figura 43.
Fazendo circular uma corrente elétrica por uma solução especial de um sal de determinados metais, podemos depositar esses metais num eletrodo usando para isso a corrente elétrica.
Se esse eletrodo for um objeto de metal, podemos recobri-lo com uma fina camada de outro metal como, por exemplo, fazendo o chamado "banho" de prata, ouro, cromo ou outros metais.
Efeito Fisiológico
Nosso sistema nervoso opera com impulsos elétricos que se propagam através de redes ou nervos. Assim, qualquer corrente externa que percorra nosso corpo pode interferir no nosso sistema nervoso causando-nos desde a simples sensação de formigamento até de choques ou mesmo queimaduras.
As correntes de muito pequena intensidade, aplicadas de modo controlado na pele de uma pessoa podem, ser usadas com finalidades terapêuticas como, por exemplo, massagem. Correntes mais elevadas podem ser usadas para reanimar pacientes que tenham sofridos ataques cardíacos.
No entanto, de um modo geral, as correntes mais intensas são perigosas e devem ser evitadas, pois podem causar danos ou mesmo a morte. Como o choque é um perigo constante para quem trabalha com eletricidade, mais adiante, nessa mesma lição, falaremos dele de uma forma mais detalhada.
Efeito Magnético
Existe um efeito da corrente que não depende da existência da resistência e que ocorre sempre. A movimentação de cargas elétricas, sob quaisquer condições é responsável pelo aparecimento de um campo magnético, conforme mostra a figura 44.
Campos magnéticos intensos são produzidos por imãs permanentes que são materiais que têm a propriedade de atrair objetos de determinados tipos de metal. Observe que devemos distinguir “campo elétrico” de “campo magnético” que são coisas completamente diferentes. Quando esfregamos um pente num pedaço de tecido e ele atrai pedacinhos de papel ou de cabelo, temos uma manifestação do campo elétrico, ou seja, da eletricidade estática.
Um imã que atrai metais já manifesta um campo magnético, produzido por cargas em movimento em seu interior: é uma manifestação da eletricidade dinâmica ou eletrodinâmica.
Oersted, um pesquisador dinamarquês, foi quem primeiro observou que a corrente que passava num fio podia influenciar uma agulha magnética colocada nas suas proximidades. Posteriormente descobriu-se que é possível reforçar este campo magnético, enrolando o fio de modo a formar uma bobina ou solenoide, conforme mostra a figura 45.
Se este fio for enrolado em torno de um pedaço de metal ferroso, como o ferro ou o aço, com a circulação da corrente ele se magnetiza e com isso pode se comportar como um verdadeiro imã, atraindo pedaços de metal.
Se a corrente for interrompida, ele deixa de atrair os pequenos objetos. Se o fio for enrolado numa forma oca, conforme mostra a figura 46, teremos um dispositivo denominado “solenoide”.
Quando percorrido por uma corrente, o solenoide atrai para seu interior objetos de metal.
Em muitos dispositivos elétricos e eletrônicos os campos magnéticos criados por bobinas e mesmo por imãs são utilizados intensamente. Estudaremos diversos desses dispositivos ao longo deste curso.
As lições deste curso são:
Lição 1 – Matéria e energia, a natureza da eletricidade, eletricidade estática
Lição 2 – Energia elétrica, corrente e tensão. O circuito elétrico
Lição 3 – Resistência elétrica, resistores, Lei de Ohm, Lei de Joule
Lição 4 – Tipos de geradores, rendimento e equação do gerador
Lição 6 – Magnetismo e eletromagnetismo
Lição 9 – Ondas eletromagnéticas
