Série Energias Renováveis ELETRICIDADE - CERPCH

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Capítulo 3 Capítulo 3 Eletricidade estática e dinâmica A eletricidade estática é aquela que não é capaz de fluir em uma corrente. A eletricidade estática é produzida pela fricção de dois materiais não magnéticos. O atrito entre os dois materiais gera eletricidade estática porque o material com excesso de elétrons os transfere para o material carregado positivamente. De forma geral, materiais que não conduzem correntes elétricas (isolantes), são bons para reter eletricidade estática. Essas substâncias incluem borracha, plásticos, vidro ou breu. Os elétrons que são transferidos na eletricidade estática ficam armazenados na superfície do objeto. A maior parte dos materiais é eletricamente neutra. Isso ocorre porque seus átomos e moléculas têm o mesmo número de elétrons e prótons. Se um material, de alguma forma, obtém elétrons extras e os mantém em sua órbita, ele adquire assim uma carga negativa. Da mesma forma, se o material perde elétrons ele se torna positivamente carregado. O campo elétrico resultante do excesso de cargas pode causar os efeitos de atração, repulsão ou até uma faísca. A eletricidade estática não possui aplicação prática. Ela nos é muito familiar como um acontecimento desagradável em estações de baixa umidade, mas pode se tornar destrutiva e perigosa em algumas situações. Quando trabalhamos em contato direto com circuitos eletrônicos integrados, ou na presença de gases inflamáveis, deve-se tomar cuidado com a eletricidade estática acumulada ou com a ocorrência de faíscas dela resultante. Outra ocorrência destruidora, os raios, são descargas de eletricidade estática de grande intensidade. A eletricidade dinâmica é aquela que é capaz de fluir de forma constante por um circuito, não se descarregando em uma única descarga ou choque. Foi produzida pela primeira vez através da pilha de Volta, a partir de um processo químico, e posteriormente através dos dínamos e geradores inventados e desenvolvidos por Edison e Tesla. Volta, fez outra importante contribuição à ciência, mostrando que a eletricidade podia viajar de uma placa para outra por meio de um fio. A eletricidade dinâmica, por fluir de forma constante, permite a realização de trabalho, e é a forma de eletricidade que responde, atualmente, por boa parte da energia utilizada no mundo. Capítulo 4 Capítulo 4 Magnetismo e Eletricidade. Um fenômeno aparentemente não relacionado com a eletricidade e com o magnetismo é dos campos eletromagnéticos. Nós estamos familiarizados com a eletricidade e o magnetismo, e as forças magnéticas podem ser explicadas em termos muito similares àqueles utilizados para as forças elétricas. · existem dois pólos magnéticos, aos quais se convencionou chamar de pólos Norte e Sul; · pólos iguais se repelem e pólos opostos se atraem. Entretanto o magnetismo difere da eletricidade em um aspecto importante: · diferentemente das cargas elétricas, os pólos magnéticos sempre ocorrem em pares Norte- Sul, não existindo monopólos magnéticos. Figura 4.1 – Linhas de campo magnético em um ímã A conexão entre eletricidade e magnetismo foi descoberta acidentalmente por Orsted a aproximadamente 100 anos atrás, quando observou que a agulha de uma bússola defleccionava quando era colocada nas vizinhanças de um condutor com corrente elétrica (movimento de elétrons). Desta forma concluiu que uma corrente circulando por um condutor induz um campo magnético em suas proximidades. Um eletromagneto é simplesmente um condutor enrolado na forma de uma bobina, que quando percorrido por corrente produz um campo magnético, conforme mostra a figura a seguir. Um exemplo deste tipo de fenômeno ocorre nos átomos, já que o movimento dos elétrons em torno do núcleo forma um circuito de corrente, e assim um campo magnético pode ser associado a um átomo individual. Essa é a propriedade básica que se acredita seja a origem das propriedades magnéticas de vários tipos de materiais encontrados na natureza. Uma conexão adicional entre a eletricidade e o mag- 10 08 09 corrente linhas de campo magnético Figura 4.2 – Diagrama esquemático de um eletroímã. S N
netismo foi descoberta por Faraday, que observou que a variação de um campo magnético que atinge espiras de fio faz com que apareçam correntes induzidas nessas espiras. Se o ímã é movimentado na direção do plano da bobina, é induzida uma corrente no sentido anti-horário, como indicado na figura. corrente induzida ímã sendo movimentado no plano da bobina campo magnético produzido pela corrente Figura 4.3 – Corrente induzida em uma bobina Anotações: De forma alternativa, se o campo magnético é afastado da bobina, é induzida uma corrente no sentido horário. Essas correntes induzidas só se mantém enquanto o ímã estiver sendo movimentado, desaparecendo quando o ímã pára, e têm um interessante aspecto do ponto de vista das propriedades magnéticas. Aproximando ou afastando o ímã, irão aparecer na bobina correntes induzidas, que por sua vez produzirão campos magnéticos. Esses campos magnéticos induzidos sempre tenderão a se opor àqueles que lhes deram origem, fenômeno que é conhecido como Lei de Lenz. Capítulo 5 Capítulo 5 Geração de energia elétrica Os princípios que foram discutidos no item anterior são aqueles em que se baseia o processo de geração de energia elétrica. Vimos que, ao movimentar um ímã próximo a um condutor, nesse condutor irá aparecer uma tensão, que é a chamada tensão induzida. O gerador elétrico foi construído de forma a otimizar esse processo, e é constituído de uma parte a que chamamos de rotor, que é girante e que produz o campo magnético. Em torno do rotor é montado o estator, que é a parte fixa da máquina, e que é composto de bobinas nas quais aparece a tensão induzida. É importante ressaltar que a tensão induzida só irá aparecer enquanto estiver ocorrendo variação do campo magnético, ou seja, no caso do gerador, enquanto o rotor estiver girando. A tensão induzida será função da amplitude e da velocidade de variação do campo magnético. Quanto mais forte o campo magnético e quanto maior a velocidade de giro do rotor maior será a tensão induzida. A figura a seguir mostra um desenho esquemático de um gerador desse tipo. estator rotor energia elétrica gerada Figura 5.1 – Desenho esquemático de um gerador elétrico À medida que o rotor se movimenta o campo magnético nos condutores do estator irá variar, o que proporcionará o aparecimento de uma tensão induzida. Como o campo magnético varia, existirá obrigatoriamente um momento em que ele será máximo e outro em que ele será míni- o mo, no caso igual a zero. Como o rotor tem um pólo Norte e um pólo Sul, depois de 180 de rotação o sentido do campo magnético nos condutores do estator se inverte, ocorrendo por conseqüência inversão na polaridade da tensão induzida. A tensão gerada terá valores variáveis em função da posição do rotor, que irão de zero a um valor máximo, e, além disso, terá valores ora positivos, ora negativos. A figura a seguir exemplifica o que foi dito. 10 11
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