GERADOR C.A.

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CENTRO UIVERSITARIO DE BRUSQUE – UNIFEBE
Curso: Engenharia de Produção
Disciplina: Eletrotécnica Geral
GERADOR DE CORRENTE ALTERNADA
Alunos: Emanuele Delagnoli 
 Flavio Goedert
 Fernanda Brasil Duarte
Brusque - SC
Novembro 2011
INTRODUÇÃO
Dentre os desenvolvimentos tecnológicos provenientes da Física pode-se afirmar com relativa segurança que poucos tiveram tanto impacto quanto a descoberta da eletricidade e de como manipulá-la. Os conceitos básicos do Eletromagnetismo foram pesquisados por Michel Faraday (dentre outros), que simultaneamente desenvolveu motores e geradores elétricos. 
Michel Faraday foi o primeiro a conceber a rotação eletromagnética, essencial para o de motores elétricos. Apenas dez anos depois, em 1831, M. Faraday desenvolveu o conceito de indução eletromagnética, que é a base para a geração de energia elétrica. Utilizando suas novas descobertas Faraday demostrou que o eletromagnetismo poderia ter enormes impactos tecnológicos ao desenvolver os primeiros geradores e motores elétricos.
O experimento desenvolvido visou aplicar os conceitos de Eletromagnetismo através da construção de um Gerador de Corrente Alternada, demonstrando assim sua aplicabilidade no dia-a-dia. 
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para a compreensão do funcionamento de um gerador de corrente alternada são necessários alguns conceitos básicos de eletromagnetismo. Abaixo serão descritos de maneira sucinta sobre magnetização, indução eletromagnética e seu principio de funcionamento.
Magnetização
Os fenômenos magnéticos mais explicitamente presentes em nosso dia-a-dia envolvem ímãs, que são materiais com uma magnetização permanente (ferromagnetos). Em geral materiais que podem ser magnetizados se dividem em paramagnetos, diamagnetos ou ferromagnetos.
A magnetização ocorre quando aplicamos um campo magnético externo à determinados tipos de materiais. Sabemos que elétrons (assim como prótons), por possuírem spin 1/2, possuem um momento magnético intrínseco. Além disso cada átomo possui um momento magnético associado ao momento angular orbital dos elétrons. Desta forma um átomo é considerado um dipolo magnético.
Em geral estes dipólos estão distribuídos de maneira aleatória no material, resultando em um momento total nulo. Mas, na presença de um campo magnético externo, eles tenderão à se alinhar paralela (paramagnetos) ou antiparalelamente (diamagnetos) com o campo. Desta forma obtém-se um momento resultante, ou se já, um material magnetizado (ímã). As contribuições para o momento total do material seja este um paramagneto ou um diamagneto depende de sua estrutura e natureza. Alguns materiais possuem certas propriedades que permitem manter a magnetização mesmo sem a presença do campo externo, estes são chamados de ferromagnéticos e constituem os ímãs com magnetização permanente.
Indução Eletromagnética
Em seus experimentos com campos magnéticos, Faraday foi capaz de induzir uma corrente em uma espira através da variação do campo magnético que passava pela mesma. A relação entre a variação do fluxo de campo () na espira e a força eletromotriz () induzida na mesma ficou conhecida como Lei de Faraday:
Usando o Teorema de Stokes temos:
Usando este fenômeno Faraday construiu um dos primeiros geradores elétricos ao utilizar trabalho mecânico para variar o fluxo do campo, induzindo, assim, uma corrente elétrica.
O aparecimento da força eletromotriz foi denominado de indução eletromagnética e a expressão descrita acima ficou conhecida como a Lei de Faraday da indução eletromagnética.
Princípio de Funcionamento do Gerador de Corrente Alternada (CA) 
Um gerador de corrente alternada funciona com base na indução de força eletromotriz num condutor em movimento dentro de um campo magnético. Para entender o seu funcionamento considere-se o esquema da figura 1, onde uma espira gira dentro de um campo magnético, gerando uma tensão (FEM) e uma corrente induzidas.
Figura 1
A Figura 2 ilustra, passo a passo, a indução de uma corrente na espira do gerador de corrente alternada elementar da figura 1.
Em t1 os condutores a e b estão se movimentando paralelamente ao fluxo magnético (com sentidos opostos). Como nenhuma linha de fluxo é cortada θ=0º=180º, nenhuma tensão ou corrente é induzida.
No instante t2, o movimento dos condutores já corta as linhas de fluxo magnético em um determinado ângulo θ e uma tensão é induzida e esta proporciona uma corrente induzida com o sentido indicado, dado pela regra da mão direita.
No instante t3 o movimento dos condutores corta as linhas de fluxo perpendicularmente (ângulo de 90o) e a variação do fluxo é máxima. A tensão induzida é máxima e, portanto, há o pico de corrente induzida.
Em t4, o movimento dos condutores corta as linhas de fluxo magnético em um determinado ângulo e uma tensão menor é induzida. Como o ângulo é complementar a θ2 a tensão induzida é igual a do instante t2.
Em t5 os condutores a e b estão novamente se movimentando paralelamente ao fluxo magnético (com sentidos opostos) e nenhuma tensão ou corrente é induzida.
Figura 2
A Figura 3 representa a segunda meia volta da espira. Nota-se que, do instante t5 para t6 a direção na qual o condutor corta o fluxo é invertida. Portanto, a polaridade da tensão induzida é invertida e, conseqüentemente, o sentido da corrente é alternado, formando, a partir daí, o semiciclo negativo da forma de onda, pelo mesmo processo anterior.
 
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Parâmetros da forma de onda da Tensão e da CA senoidal.
Para conhecermos corretamente um sinal de tensão e de corrente alternadas e senoidais, precisamos estudar os parâmetros da forma de onda senoidal. Alguns destes parâmetros têm significado geral (para a matemática e a física, por exemplo), mas quando estudados em eletricidade têm sentido específico.
A Forma de Onda é a curva descrita por uma quantidade (como tensão ou corrente) em função de alguma variável como tempo, posição, ângulo, etc. Essa quantidade assume um valor (amplitude) da forma de onda num determinado instante, chamado Valor Instantâneo, geralmente representado por uma letra minúscula (v ou i, por exemplo). O Valor de Pico (Amplitude Máxima) é o máximo valor da forma de onda medido a partir de seu valor zero (eixo y) e geralmente é representado em letra maiúscula (VP ou IP, por exemplo). 
Portanto, conhecermos o valor médio, o valor eficaz, o valor de pico, a freqüência e a fase de uma senóide é muito importante para o estudo do comportamento energético das tensões e correntes elétricas.
Valor de Pico:
Ao conjunto de valores positivos e negativos de uma sinusóide chamamos de ciclo, que no caso do gerador elementar de tensão e corrente alternada, visto anteriormente, corresponde a uma volta completa da espira no campo magnético.
O Valor de Pico é a amplitude da forma de onda que corresponde ao máximo valor no eixo vertical. O máximo valor da corrente é a Corrente de Pico (Ip) e o máximo valor da tensão é a Tensão de Pico (Vp), como indica a figura 6.
O Valor de Pico a Pico de tensão e corrente (Vpp e Ipp) é o valor correspondente entre o pico superior (amplitude máxima positiva) e o pico inferior (amplitude máxima negativa ou vale) e é exatamente o dobro do valor de pico numa forma de onda senoidal, pois esta é simétrica.
Vpp = 2.Vp e Ipp = 2.Ip
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Figura 6
Período (T):
É o tempo necessário para a ocorrência de um ciclo completo de uma função periódica, como mostra a figura 6. Com relação ao gerador elementar estudado no capítulo anterior, o Período (T) é o tempo necessário para a espira dar uma volta completa, ou seja, percorrer 360º. A unidade do Período é o segundo (s).
Frequência (f):
A velocidade na qual os ciclos são produzidos é chamada freqüência. É onúmero de ciclos por unidade de tempo (a cada segundo). Relacionando, obtemos:
f = 1 / T e T = 1 / f 
No Sistema Internacional (SI) a unidade da Freqüência, ciclos por segundo, é chamada Hertz (Hz). Assim, um Hertz significa um ciclo completado em um segundo.
Valor Médio
O valor médio de uma função representa o resultado líquido da variação de uma grandeza física como deslocamento, temperatura, tensão, corrente, etc.
O valor médio não representa o resultado líquido energético, ou trabalho realizado, mas apenas a resultante líquida entre excursões positivas e negativas para o valor de uma função, chamada média aritmética.
Assim, para uma função periódica senoidal, como a apresentada na figura 7, onde ti=0 e tf=T, o valor médio é igual a zero.
Figura 7
Valor Eficaz
O valor eficaz de uma função representa a capacidade de produção de trabalho efetivo de uma grandeza variável no tempo entre as excursões positivas e negativas de uma função. 
Matematicamente, o valor eficaz de uma função discreta é sua média quadrática, dada pela raiz quadrada do somatório dos quadrados dos valores dos eventos dividido pelo número de eventos.
O valor eficaz corresponde à altura de um retângulo de base igual a um semiciclo e área equivalente a esse semiciclo, como mostra a figura 8. Portanto, o valor eficaz corresponde a um valor contínuo de 70,7% do valor de pico de uma senóide;
Figura 8
No estudo de circuitos com tensão e corrente alternadas senoidais é importante que fique claro o conceito físico de valor eficaz.
Para entendermos o significado físico do valor eficaz, analisaremos a potência elétrica fornecida a um resistor, tanto em corrente alternada como em corrente contínua, como mostram os circuitos da figura 9.
Figura 9
Isto na prática, verifica-se que o valor de tensão e corrente contínua a ser aplicado corresponde ao valor eficaz de tensão e de corrente alternadas.
O valor da tensão eficaz ou da corrente eficaz é o valor que produz numa resistência o mesmo efeito que uma tensão/corrente contínua constante desse mesmo valor.
METODOLOGIA
A elaboração do gerador de corrente alternada foi baseada nos princípios da lei de Faraday, e os princípios magnéticos e eletromagnéticos.
O projeto passou pelo processo de usinagem, ou seja, feito em frezadeira, torno. O gerador é composto por uma base, correias, polias, eixos e bobinas de indução.
Cada parte foi montada da seguinte maneira:
Bobina esmaltada
Usamos duas placas de acrílico, ao lado dos imas tivemos 200 voltas de fio de cobre 0,35mm, ao total foram 4oo voltas cada bobina.
Imas
Foram usados oito imas fixados ao redor de um disco de nylon com 7,5 cm de diâmetro, presos ao eixo de aço carbono. (tentar descrever os imas)...
Chapa externa
Duas chapas feitas na frezadeira, onde fixamos as placas da bobina, também de aço carbono.
Bucha de bronze
Duas buchas de bronze feitas no torno, onde gira o eixo dos imas.
Polias 
Uma polia maior para a manivela, e uma menor para o eixo com os imas, feitas de alumínio.
Figura 1 – Bobina 1
Figura 2 – eixo com os 8 imas.
Figura 3 – Vista superior das bobinas e do eixo com os imas.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ao experimentarmos o nosso gerador, a princípio, conseguimos fazê-lo funcionar gerando uma tensão de 0,5 V. Procuramos auxilio do professor que sugeriu que trocassemos o material das bobinas que eram de metal para que aumentasse a tensão gerada. 
Então refizemos estas em acrílico, porem o gerador não funcionou. Não tínhamos certeza de que os imãs estavam corretos em relação a sua polaridade, então mudamos a posição destes, mas sem sucesso.As bobinas estavam conectadas aparentemente de maneira correta. 
Acreditamos que o esmalte do fio não tenha sido bem removido nas pontas que conectamos os leds, fazendo com que tenha aumentado a resistividade no local, ou que a mudança feita no posicionamento dos imas tenha alterado o campo magnético de modo que esse não obtivesse qualquer efeito perante as bobinas. 
Por fim, testamos o gerador rotacionando o eixo com o auxílio de uma manivela, porem não conseguimos nenhum resultado. 
Figura 4 – Gerador 
CONCLUSÃO
Com este experimento podemos verificar a validade de conceitos de eletromagnetismo, que muitas vezes são de difícil assimilação. 
O ponto fundamental desse projeto foi a possibilidade de explorar as características de um gerador, entendendo seu funcionamento e vivenciando experimentalmente os fenômenos de indução eletromagnética e magnetização, além dos outros fenômenos associados, qual vimos sua teoria em sala de aula.
Consideramos que o trabalho cumpriu em partes com os objetivos propostos no projeto, onde podemos demonstrar que conceitos aparentemente difíceis de serem compreendidos em sala de aula podem ser melhor entendidos ao aplicarmos, desenvolvendo experimentos como este.
 O gerador construído não ficou de acordo com o esperado por nossa equipe, encontramos dificuldades qual nossa capacidade e disponibilidade não conseguiu superar. Nos faltou um conhecimentos a mais para identificarmos o que veio a afetar o funcionamento do projeto que até então tinha gerado uma tensão mínima.
Acreditamos que poderíamos ter obtido um melhor desempenho se tivéssemos optado por algo mais simples como o outro projeto apresentado por nossa equipe feito em um cano pvc.
BIBLIOGRAFIA
Boylestad, Robert L. introdução a análise de circuitos - 10ª edição. SP: Pearson Prentice Hall,2004.10ª edição.
http://www.rigb.org/rimain/heritage/faradaypage.jsp
http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20011/Vasco/
http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/ac/intro/
http://www.fisica.ufs.br/egsantana/elecmagnet/induccion/generador/generador.htm