Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
FÍSICA – ELETRICIDADE AULA 6 Profª Fernanda Fonseca 2 CONVERSA INICIAL Atualmente, o abastecimento elétrico residencial, industrial e comercial é realizado por meio da transmissão de corrente alternada, também conhecida como AC. Esse tipo de corrente elétrica varia senoidalmente com o tempo, trocando o sentido de transmissão periodicamente. Isso permite que os elétrons se movam rapidamente, alterando o sentido de movimento quase que forma instantânea. Essa alteração da corrente elétrica faz com que o campo magnético que circunda o condutor também se altere, permitindo modificar uma tensão elétrica com uso de transformadores, por meio da indução eletromagnética. Nesta aula, estudaremos a corrente alternada e os seus circuitos. Veremos também o funcionamento de dispositivos como os transformadores, utilizados para ampliação ou redução da tensão elétrica nos circuitos e em processos de transmissão de energia elétrica. TEMA 1 – A CORRENTE ALTERNADA No século XIX, houve uma grande disputa pelo uso de um sistema de transmissão de corrente contínua (criado por Thomas Edison) ou de corrente alternada (criado por Nikola Tesla) para distribuição de eletricidade nos Estados Unidos. Buscando depreciar o sistema de corrente alternada, Edson criou a cadeira elétrica visando mostrar o perigo desse modelo de sistema. Entretanto, um grande empresário, George Westinghouse, apoiou financeiramente o desenvolvimento do sistema de transmissão elétrica por meio da corrente alternada (Rocha, S.d.), o que contribuiu para o crescimento e visibilidade desse modelo. A queda de tensão devido à resistência dos dispositivos condutores do modelo de corrente contínua era muito alta, o que exigia que as usinas geradoras fossem instaladas sempre próximas aos centros de consumo. Em contrapartida, o sistema de transmissão de corrente alternada permitia alcançar longas distâncias porque, com aumento de uma ordem de grandeza da tensão, havia uma redução das perdas de energia por efeito Joule, o que gerou um aumento significativo do rendimento na transmissão e uma redução dos custos desse modelo de transmissão (Rocha, S.d.). A corrente alternada é criada por uma força eletromotriz (fem) produzida por indução eletromagnética e que pode ser senoidal. Nesse caso, a corrente 3 em um indutor, um capacitor ou um resistor também será senoidal, caracterizando uma corrente alternada. E é esse caráter variável da corrente elétrica que permite que, com uso de transformadores, a energia elétrica possa, então, ser transformada, sem praticamente nenhuma perda, para tensões mais baixas e mais seguras e, correspondentemente, maiores correntes para distribuição e uso locais (Halliday; Resnick; Walker, 1996; Tipler, 2000; Young; Freedman, 2015). A fem fornecida por um gerador a um circuito de corrente alternada (denominado circuito AC pela notação em inglês Alternating Current) é dada pela Equação 1. Essa fonte de fem alternada é representada no circuito pelo símbolo : 𝜀 = 𝜀𝑚𝑎𝑥 ∙ cos𝜔𝑡 (1). Nessa Equação 1, o valor de é a velocidade angular da bobina e 𝜀𝑚𝑎𝑥 representa a fem de pico. Vamos analisar um circuito simples resistivo, com fem alternada (Figura 1). Figura 1 – Circuito resistivo A queda de tensão no resistor tem o mesmo comportamento senoidal e, por isso, é dada por uma equação similar (Equação 2): 𝑉𝑅 = 𝑉𝑅 𝑚𝑎𝑥 ∙ cos𝜔𝑡 (2). Se dividirmos os elementos da Equação 2 pela resistência elétrica do resistor, podemos compreender o comportamento da intensidade da corrente elétrica que atravessa o circuito (Equação 3): 𝑉𝑅 𝑅 = 𝑉𝑅 𝑚𝑎𝑥 ∙ cos𝜔𝑡 𝑅 𝑖 = 𝑖𝑅 𝑚𝑎𝑥 ∙ cos𝜔𝑡 (3). 4 Para compreender melhor esse comportamento das correntes alternadas, utilizaremos uma representação geométrica denominada fasor. TEMA 2 – OS FASORES Os fasores podem ser definidos como vetores girantes, cujo comprimento representa a amplitude (intensidade máxima) da grandeza que eles representam. A projeção desse vetor em um eixo vertical, por sua vez, representará a intensidade dessa grandeza em um determinado instante de tempo t. Veja na Figura 2 a representação da fem alternada e da corrente elétrica alternada em uma função senoidal e como fasor. Figura 2 – Fasores Observe no gráfico das funções da Figura 2, que os valores da fem alternada e da corrente alternada oscilam entre um valor máximo e um valor mínimo (a amplitude da grandeza). Ao compor o fasor, a amplitude será sempre o comprimento do vetor e o ângulo dado por t dará a inclinação, mudando no decorrer do tempo (Halliday; Resnick; Walker, 1996; Tipler, 2000; Young; Freedman, 2015). TEMA 3 – IMPEDÂNCIA, RESISTÊNCIA E REATÂNCIA Vamos analisar o circuito capacitivo de corrente alternada da Figura 3. Como a fem alternada faz com que a queda de potencial decorrente do carregamento do capacitor também seja senoidal, podemos definir que 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 (4). 5 Ao multiplicarmos essa Equação 4 pela capacitância C do capacitor do circuito, podemos encontrar uma relação que nos mostra a variação da carga Q armazenada pelo capacitor (Equação 5). 𝐶 ∙ 𝑉𝐶 = 𝐶 ∙ 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝑄𝐶 = 𝐶 ∙ 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 (5). Figura 3 – Circuito capacitivo Como a carga varia em função do tempo, podemos então definir que a corrente elétrica que atravessa o circuito é dada pela Equação 6. 𝑖𝐶 = 𝑑𝑄𝐶 𝑑𝑡 = 𝜔 ∙ 𝐶 ∙ 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥 ∙ cos𝜔𝑡 (6). Há, assim, a definição de uma grandeza denominada reatância capacitiva (XC), que podemos definir como Equação 7, 𝑋𝐶 = 1 𝜔∙𝐶 (7), que nos permite reescrever a Equação 6 de outra forma e definir a corrente máxima nesse capacitor em função dessa reatância (Equação 8). A reatância capacitiva é medida em Ohm () da mesma forma que a resistência elétrica: 𝑖𝐶 = 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥 𝑋𝐶 ∙ cos𝜔𝑡 𝑖𝐶 = 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥 𝑋𝐶 ∙ sen (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) 𝑖𝐶 = 𝑖𝐶 𝑚𝑎𝑥 ∙ sen (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) (8), sendo 𝑖𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥 𝑋𝐶 (9). 6 A troca de cos𝜔𝑡 por sen (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) nos mostra que a corrente elétrica apresenta uma defasagem de 𝜋 2 𝑟𝑎𝑑 em relação à tensão VC sobre o capacitor. Assim, o circuito atinge uma corrente elétrica máxima um quarto de ciclo antes de atingir a tensão elétrica máxima (Figura 4). Figura 4 – Fasores de tensão e de corrente elétrica em um circuito capacitivo Na Figura 4, observamos que os fasores da tensão e da corrente elétrica têm uma diferença de inclinação de 90° (que seria a defasagem de /2 rad). Ao analisarmos um circuito indutivo de corrente alternada, conforme a Figura 5, vemos que, nesse tipo de circuito, a tensão no indutor é senoidal (Equação 10): 𝑉𝐿 = 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 (10). Figura 5 – Circuito indutivo Ao substituir a relação 𝑉 = 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 na Equação 10, podemos compreender a variação da intensidade da corrente elétrica no indutor, conforme mostra a Equação 11: 𝐿 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 = 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 = 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 𝐿 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 7 𝑖𝐿 = 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 𝐿 ∙ ∫ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 𝑑𝑡 𝑖𝐿 = − 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 𝜔𝐿 ∙ cos𝜔𝑡 (11). Há, assim, a definição de uma grandeza denominada reatância indutiva (XL), que podemos definir como Equação 12: 𝑋𝐿 = 𝜔𝐿 (12), que nos permite reescrever a Equação 11 de outra forma e definir a corrente máxima nesse capacitor em função dessa reatância (Equação 13). A reatância indutiva é medida em Ohm () da mesma forma que a resistência elétrica: 𝑖𝐿 = − 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 𝑋𝐿 ∙ cos𝜔𝑡 𝑖𝐿 = 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 𝑋𝐿 ∙ sen (𝜔𝑡 − 𝜋 2 ) 𝑖𝐿 = 𝑖𝐿 𝑚𝑎𝑥 ∙ sen (𝜔𝑡 − 𝜋 2 ) (13), sendo 𝑖𝐿 𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 𝑋𝐿 (14). A troca de −cos𝜔𝑡 por sen (𝜔𝑡 − 𝜋 2 ) nos mostra que a corrente elétrica apresentauma defasagem de 𝜋 2 𝑟𝑎𝑑 em relação à tensão VL sobre o indutor. O circuito atinge uma corrente elétrica máxima um quarto de ciclo depois de atingir a tensão elétrica máxima (Figura 6). Figura 6 – Fasores de tensão e de corrente elétrica em um circuito capacitivo 8 Na Figura 6, observamos que os fasores da tensão e da corrente elétrica têm uma diferença de inclinação de 90° (que seria a defasagem de /2 rad). Exemplo: em que frequência de oscilação e velocidade angular um indutor de 6 mH e um capacitor de 10 F teriam a mesma reatância? E qual seria o valor dessa reatância? Resolução: sabemos que L = 6 mH = 6 × 10−3 H e que C = 10 μF = 10 × 10−6 F. Para determinar a velocidade angular , para a qual as reatâncias indutiva e capacitiva sejam iguais, começamos igualando as Equações 7 e 12: XC = XL 1 ω ∙ C = ωL ω = 1 √L ∙ C ω = 1 √(6 × 10−3 H) ∙ (10 × 10−6 F) ω = 1 2,449 × 10−4 ω = 4,082 × 103 rad/s . Determinamos, então, a frequência de oscilação ω = 2πf: f = ω 2π f = (4,082 × 103 rad s ) 2π f = 650 Hz . Para determinar a reatância, como a frequência angular já é conhecida, pode ser utilizada tanto a Equação 7 quanto a Equação 12: XL = ωL XL = (4,082 × 10 3 rad s ) (6 × 10−3 H) XL = 24,5 Ω . 9 3.1 Impedância A impedância é uma grandeza que envolve resistência elétrica e reatância. Para compreendê-la melhor, vamos analisar um circuito RLC (Figura 7). Um circuito RLC é uma associação, em série, de um resistor, um indutor e um capacitor. Figura 7 – Circuito RLC Veja que nesse circuito (Figura 7), pelas leis de Kirchhoff, podemos compreender que a fem alternada aplicada é igual à soma das diferenças de potencial (ddp) que atuam sobre cada elemento do circuito (resistor, indutor e capacitor) (Equação 15): 𝜀 = 𝑉𝑅 + 𝑉𝐿 + 𝑉𝐶 (15). Em um determinado momento, podemos observar os fasores das tensões de cada elemento do circuito e a corrente elétrica que atravessa o circuito (Figura 8). Figura 8 – Fasores do circuito RLC 10 Veja que, na Figura 8, a corrente elétrica i é igual para todos os elementos, uma vez que a associação é em série. Por soma vetorial, podemos definir que a amplitude da fem alternada resultante no circuito é 𝜀𝑚𝑎𝑥 = √𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 2 + (𝑉𝐿 𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝐶 𝑚𝑎𝑥)². Podemos aplicar, de forma generalizada, a lei de ohm, para determinar a intensidade da corrente elétrica no circuito (Equação 16) para determinada frequência. 𝜀𝑚𝑎𝑥 = √(𝑖𝑅)2 + (𝑖𝑋𝐿 − 𝑖𝑋𝐶)2 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 𝑖√(𝑅)2 + (𝑋𝐿 − 𝑋𝐶)2 𝑖 = 𝜀𝑚𝑎𝑥 √(𝑅)2 + (𝑋𝐿 − 𝑋𝐶)2 𝑖 = 𝜀𝑚𝑎𝑥 √𝑅²+(𝜔𝐿− 1 𝜔𝐶 ) 2 (16). É a relação dada pela Equação 17 que chamamos de impedância: 𝑍 = √(𝑅)2 + (𝑋𝐿 − 𝑋𝐶)2 (17). A intensidade máxima da corrente elétrica ocorrerá quando o sistema entrar em ressonância, ou seja, quando 𝜔𝐿 = 1 𝜔𝐶 ⇒ 𝜔 = 1 √𝐿𝐶 (18). A corrente elétrica i, por sua vez, compõe um fasor em defasagem com a fem alternada aplicada no circuito . Essa defasagem, chamada constante de fase, pode ser determinada pela Equação 19: tan𝜙 = 𝑉𝐿−𝑉𝐶 𝑅 ⇔ 𝜙 = arctan ( 𝑉𝐿−𝑉𝐶 𝑅 ) (19). TEMA 4 – TRANSFORMADORES Há uma incompatibilidade entre a necessidade de transmissão da energia elétrica por redes de alta tensão e a produção e consumo de energia elétrica em sistemas de baixa tensão. Por esse motivo, utilizamos os transformadores. Eles são dispositivos que permitem ampliar ou reduzir a tensão em um circuito, mas sem perder potência elétrica. Os transformadores são dispositivos que funcionam devido à indução eletromagnética (Figura 9). 11 Figura 9 – Transformador Crédito: Fouad A. Saad/Shutterstock. Os transformadores são estruturados por duas bobinas enroladas em um núcleo de ferro, mas de forma que fiquem isoladas do núcleo. A primeira bobina (bobina de entrada) é chamada de enrolamento primário. E a segunda bobina (bobina de saída) é chamada de enrolamento secundário. Esses enrolamentos têm um número de espiras diferentes e é por essa diferença no número de espiras que a corrente alternada que atravessa o enrolamento primário induz uma fem diferente, no enrolamento secundário (Equação 20): εind = − dϕM dt = V1 N1 = V2 N2 V1 N1 = V2 N2 (20), sendo V1 a tensão elétrica e N1 o número de espiras do enrolamento primário, V2 a tensão elétrica e N2 o número de espiras do enrolamento secundário. Uma vez que mantemos a potência praticamente constante (supondo um transformador ideal), podemos determinar a relação entre a intensidade da corrente elétrica induzida no enrolamento (Equação 21) e o número de espiras, nessa transformação. P = iV ⇒ i1V1 = i2V2 12 i1V2 N1 N2 = i2V2 i1N1 = i2N2 (21), em que i1 é a intensidade da corrente elétrica no enrolamento primário e i2 é a intensidade da corrente elétrica no enrolamento secundário. Exemplo: um gerador fornece 1.000 V ao enrolamento primário, com 200 espiras, de um transformador. Sabendo que o enrolamento secundário possui 800 espiras, qual a tensão de saída desse transformador? Resolução: utilizando a Equação 20, podemos determinar a tensão de saída V2 no enrolamento secundário: 1000 V 200 = V2 800 V2 = 800 ∙ 1000 V 200 V2 = 4000 V . Veja que, nesse caso, o transformador é um amplificador de tensão, uma vez que a tensão de saída é maior que a tensão de entrada. TEMA 5 – EQUAÇÕES DE MAXWELL James Clerk Maxwell foi um físico e matemático escocês que se dedicou a formular matematicamente teorias físicas dos fenômenos eletromagnéticos. Maxwell conseguiu chegar a equações que descreviam tanto os fenômenos elétricos quanto os magnéticos, demonstrando que a eletricidade e o magnetismo fazem parte de uma mesma teoria. As equações de Maxwell são quatro equações, publicadas no século XIX, que podem ser escritas em um formato integral (Equação 22) ou em um formato diferencial (Equação 23). Observe que várias equações que constituem as equações de Maxwell já foram estudadas nas aulas anteriores. Como: { ∮ �⃗� ∙ 𝑑𝐴 = 𝑞 𝜖0 (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 𝑑𝑎 𝐸𝑙𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒) ∮ �⃗� ∙ 𝑑𝐴 = 0 (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 𝑑𝑜 𝑀𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑚𝑜) ∮ �⃗� ∙ 𝑑𝑠 = − 𝑑𝜙𝑀 𝑑𝑡 (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦) ∮ �⃗� ∙ 𝑑𝑠 = 𝜇0 (𝜖0 𝑑𝜙𝐸 𝑑𝑡 + 𝑖) (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐴𝑚𝑝è𝑟𝑒 −𝑀𝑎𝑥𝑤𝑒𝑙𝑙) (22). 13 Ou: { ∇⃗⃗ ∙ �⃗� = 𝜌 𝜖0 (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 𝑑𝑎 𝐸𝑙𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒) ∇⃗⃗ ∙ �⃗� = 0 (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 𝑑𝑜 𝑀𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑚𝑜) ∇⃗⃗ × �⃗� = − 𝜕�⃗� 𝑑𝑡 (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦) ∇⃗⃗ × �⃗� = 𝜇0 (𝜖0 𝜕�⃗� 𝑑𝑡 + 𝑗 ) (𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐴𝑚𝑝è𝑟𝑒 −𝑀𝑎𝑥𝑤𝑒𝑙𝑙) (23). Veja que a primeira equação de Maxwell, representada pela lei de Gauss da eletricidade, descreve o campo elétrico gerado por uma carga elétrica. A segunda equação (lei de Gauss do magnetismo) descreve o campo magnético em uma região, reforçando que não é possível conhecer os polos magnéticos, uma vez que o fluxo é sempre um caminho fechado. A terceira equação de Maxwell (lei de Faraday) descreve um campo elétrico produzido por um campo magnético variável. E, por fim, a sua quarta e última equação descreve um campo magnético produzido por um campo ou uma corrente elétrica variável ou por ambos, como observamos nas ondas eletromagnéticas (Halliday; Resnick; Walker, 1996; Tipler, 2000; Young; Freedman, 2015). Essas equações mostram-se como peças-chave para o funcionamento de vários equipamentos eletromagnéticos e mesmo de comunicação. Atualmente, a transmissão de comunicação é mundialmente fundada nas teorias eletromagnéticas. É em consequência dos estudos de Maxwell que podemos enviar e receber informações por meio de ondas de rádio, que utilizamos o micro- ondas, que podemos empregar radiações como os raios X embenefício do ser humano. O magnétron (Figura 10) é uma tecnologia que funciona em virtude das equações de Maxwell, permitindo a produção de micro-ondas. Esse dispositivo consiste em um cátodo central, um ânodo e oito cavidades circulares, uma bobina em uma das câmaras (bobina de saída) e um ímã permanente. Ao aquecer o filamento no interior do cátodo, há um maior desprendimento de elétrons livres, que serão movidos em direção ao ânodo por um campo elétrico entre o cátodo e o ânodo. 14 Figura 10 – Magnétron Crédito: Thyago Macson. Como há um campo magnético, devido ao ímã permanente e a outros campos induzidos produzidos na câmara, os elétrons são direcionados para quatro raios de roda dos elétrons, fazendo com que girem rapidamente ao redor do cátodo. Os elétrons, por sua vez, deslocam-se e ficam depositados nas paredes do ânodo, formando pulsos de correntes de deslocamento ao redor das câmaras. Essas correntes movem-se de acordo com o local em que os elétrons foram depositados e geram campos magnéticos variáveis, que, por sua vez, auxiliam na formação dos raios de roda que os produzem e induzem campos elétricos nas câmaras. E esses pulsos de campo elétrico geram campos, nas bobinas de saída localizadas nas câmaras, que são transmitidos para a antena, onde um feixe de micro-ondas é produzido. FINALIZANDO Nesta aula, estudamos os circuitos de corrente alternada e como eles permitem a transmissão de energia a longas distâncias. Estudamos também como a variação do campo magnético devido à passagem de correntes elétricas variáveis em bobinas pode ser utilizada em prol das necessidades da sociedade, como na transformação de tensão, nas comunicações e na produção de radiação (como no micro-ondas). 15 REFERÊNCIAS HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: eletromagnetismo. v. 3. 4. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 1996. ROCHA, E. R. História da escolha da corrente alternada. Curitiba: UTFPR, [S.d.]. Disponível em: <http://paginapessoal.utfpr.edu.br/joaquimrocha/maquinas- 1/00_Historia%20da%20Corrente%20Alternada.pdf/at_download/file>. Acesso em: 31 jan. 2020. TIPLER, P. A. Física para cientistas e engenheiros: eletricidade, magnetismo e ótica. 4. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2000. YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A. Física III, Sears e Zemansky: eletromagnetismo. 14. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015.
Compartilhar