Bipolo Gerador

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Campus São José do Rio Pardo 
Curso: Engenharia – 2 e 3º. Semestres 
Disciplina: Eletricidade básica (lab.) 
Prof. Msc. Cezar Carvalho de Arruda 
Experimento 1 -Estudo dos bipolos geradores 
 
 
 
Grupo: Data: 
 
INSTRUÇÕES 
1. Uso de jaleco obrigatório dentro do laboratório. 
2. Leia atentamente o roteiro da prática. 
3. Preserve a integridade dos equipamentos do laboratório. 
4. Quando houver periculosidade no experimento (choque e fogo) atenção redobrada. 
 
CONTEUDO 
 
1.1 Fundamentos. 
 
Os bipolos geradores são dispositivos cujo objetivo é elevar o potencial 
elétrico e assim produzir diferença de potencial a qual, por sua vez, produz 
corrente elétrica. Esta elevação de potencial corresponde a um aumento de 
energia o que significa que para que o bipolo gerador funcione se faz necessária 
uma fonte de energia, a qual é utilizada na realização do trabalho sobre as cargas 
elétricas que se movem. Esta fonte de energia adicional depende do tipo de 
gerador. Nas pilhas convencionais a energia prove de uma reação química 
irreversível, o que significa que, gradativamente, os componentes químicos vão 
sendo consumidos, o que corresponde ao desgaste da pilha. Nas baterias a 
reação química é reversível, isto é, a bateria pode ser recarregada através da 
reversão da reação química. Existem também geradores eletromagnéticos nos 
quais a energia elétrica adicional é obtida pela conversão de energia mecânica em 
energia elétrica através de processo magnético. Isto é o que ocorre nas grandes 
 
 
 
 
usinas geradoras utilizadas pelas companhias de eletricidade. 
Os geradores de energia química fornecem corrente contínua e são representadas 
pelo símbolo: 
 
 
Figura 1-1 
 
 Os geradores eletromecânicos fornecem corrente alternada e são 
representados pelo símbolo: 
 
 
Figura 1-2 
 
É possível também se ter fontes de potencial elétrico pela conversão de 
corrente alternada em corrente contínua. Este processo, chamado retificação, 
exige um circuito elétrico, dotado de vários componentes eletrônicos, os quais não 
estudaremos neste texto. A vantagem desse procedimento é a obtenção de fontes 
de tensão variável, como é o caso das fontes utilizadas na maioria da experiência 
de laboratório. Essas fontes são representadas pelo símbolo: 
 
 
Figura 1-3 
 
1.2 A resistência interna do gerador 
 
Os geradores não são ideais, ou seja, eles mesmos oferecem resistência à 
passagem da corrente elétrica. Por esta razão os geradores de corrente contínua 
devem ser representados pelo símbolo ao lado, onde R I representa a "resistência 
interna do gerador". E E representa a tensão nominal da pilha ou seja, a tensão 
gerada pelo processo que ocorre no interior do gerador (e indicada pelo 
fabricante) que é chamada "força eletro motriz" (fem). 
 
 
Figura 1-4 
 
Observa-se que, quando o gerador está fornecendo uma corrente I , a 
diferença de potencial V fornecida pelo gerador não é a tensão nominal E pois 
ocorre uma queda de potencial na resistência interna, ou seja a tensão oferecida 
pelo gerador é: 
 
𝑉 = 𝐸 − 𝑅𝐼 . 𝐼 
Equação 1-1 
 
Onde 𝑅𝐼 . 𝐼 é a queda de tensão na resistência interna do gerador. A análise 
esta expressão mostra que a tensão fornecida pelo gerador só coincide com a 
tensão nominal do gerador quando a corrente é nula. Mais ainda, que a tensão 
fornecida pelo gerador diminui com o aumento da corrente fornecida. Se a 
resistência interna do gerador for significativamente elevada, a tensão poderá ser 
bem menor que sua tensão nominal. 
Analisando a expressão obtém-se dois pontos que permitem determinar o 
gráfico da variação da tensão com a corrente: 
 
 
 
 
 
1- quando a corrente é nula obtém-se: 
 
𝑉 = 𝐸 
 
2- existe uma corrente máxima 𝐼𝐶𝐶 que o gerador pode fornecer que é chamada 
corrente de curto circuito. Ela é alcançada quando a tensão fornecida pela fonte é 
nula, ou seja: 
𝑉 = 0 0 = 𝐸 − 𝑅𝐼 . 𝐼𝐶𝐶 
𝐼𝐶𝐶 = 𝐸𝑅𝐼 
Equação 4-2 
 
 
Figura 1-5 
Obtemos então graficamente uma reta descendente que mostra a variação da 
tensão fornecida pelo gerador em função da corrente. 
 Existe uma situação prática na qual se pode observar facilmente o efeito da 
resistência interna de uma pilha. Quando esta está bastante usada, o que de fato 
ocorre com a mesma, é que, sua resistência interna está aumentada, e 
conseqüentemente, a própria pilha se opõe à passagem a corrente. Quando uma 
Te
ns
ão
Corrente Icc
E
pilha é nova sua resistência interna é bastante baixa. Isto pode ser 
experimentalmente verificado com um simples rádio de pilhas. Quando as pilhas 
estão gastas, ouvindo-se o rádio em baixo volume (junto ao ouvido) o som tem 
qualidade. Em alto volume o som tem má qualidade. Isto ocorre pois a corrente 
solicitada pelo rádio depende do volume. Em alto volume a corrente consumida 
pelo rádio é alta e com isto a tensão fornecida pelo gerador é reduzida fazendo 
com que o rádio opere fora das suas especificações, prejudicando assim a 
qualidade do som produzido. 
 
1.3 Conceito de potência – Potência gerada e potência útil 
 
 Dissemos anteriormente que a diferença de potencial ou tensão é o 
trabalho realizado por unidade de carga, ou seja 𝑉 = 𝜏
𝑄
 onde 𝜏 = 𝑄.𝑉 é o 
trabalho realizado e Q é a carga transportada. 
 
Consideremos então um gerador de tensão E alimentando um circuito que 
exige uma corrente I tal que a tensão efetiva aplicada ao mesmo seja 𝑉 = 𝐸 − 𝑅𝐼 . 𝐼 
e seja 𝑑𝑄 a quantidade de carga transportada através do gerador num intervalo de 
tempo 𝑑𝑡. Nesta condição o trabalho realizado sobre o circuito é 𝑑𝜏 = 𝑑𝑄.𝑉. 
O trabalho por unidade de tempo, isto é, a potência desenvolvida pelo gerador 
sobre o circuito será 
𝑃𝑈 = 𝑑𝜏𝑑𝑡 = 𝑑𝑄𝑑𝑡 .𝑉. Esta é a potência absorvida pelo sistema que é alimentado pelo 
gerador (que fornece uma tensão nominal E) e por esta razão é chamada potência 
útil. Porém, 𝑑𝑄
𝑑𝑡
 = 𝐼 nada mais é do que a corrente fornecida, ou seja, a potência 
desenvolvida absorvida pelo circuito que ele alimenta é 𝑃𝑈 = 𝑉. 𝐼 ou ainda 
𝑃𝑈 = (𝐸 − 𝑅 𝐼 . 𝐼). 𝐼 = 𝐸 ⋅ 𝐼 − 𝑅𝐼 . 𝐼2 
Equação 1-3 
 
ou seja, a potência desenvolvida é uma função da tensão nominal do gerador E , 
da resistência interna do gerador R I e da corrente que está sendo fornecida I . 
 
 
 
 
 Derivando a potência na corrente e igualando-se a zero, determinamos que 
a potência máxima obtemos que isto ocorre quando 𝐼 = 𝐸
2.𝑅𝐼 o que corresponde a 
uma potência máxima 
𝑃𝑈𝑀𝐴𝑋 = 𝐸21.𝑅𝐼 
Equação 1-4 
 
Observamos também que a potência se anula para um dado valor de I , o 
qual pode ser calculado igualando-se a zero a potência fornecida obtendo-se 
𝐼 = 𝐸
𝑅
 
A potência é medida em Volt.Ampère = Watt = W 
Calculemos agora a potência gerada pelo gerador. Ela será dada por 
𝑃𝑔 = 𝐸. 𝐼 pois E é a tensão nominal do gerador. Vimos acima que a potência útil é 
dada por 𝑃𝑈 = 𝐸. 𝐼 − 𝑅𝑖 . 𝐼2 ou então 𝑃𝑈 = 𝑃𝑔 − 𝑅𝐼 . 𝐼2 que estabelece uma 
relação entre as potências útil e gerada. Vemos que a potência útil é menor do 
que a potência gerada ou então, que existe uma potência perdida que é dada por 
𝑅𝐼 . 𝐼2. Esta potência é dissipada (gasta) na própria resistência interna do gerador e 
se manifesta pelo aparecimento de calor. Este resultado pode ser generalizado: 
sempre que uma resistência R for percorrida por uma corrente I haverá uma 
potência dissipada dada por 𝑅𝐼 . 𝐼2. 
Define-se então rendimento como sendo a relação entre a potência útil e a 
potência gerada, ou seja 
𝜂 = 𝑃𝑈
𝑃𝑔
= 𝐸. 𝐼 − 𝑅𝐼 . 𝐼2𝐸. 𝐼 = 1 − 𝑅𝐼𝐸 . 𝐼 
Equação 1-5 
 
1.4 Objetivos da experiência 
 
O objetivo da experiência que se segue é estudar o bipolo gerador, 
determinando sua resistência interna bem como determinar, numa condição 
especial, a corrente de curto circuito e a tensão nominal do gerador, bem como 
estudar a potência útil desenvolvida num circuito alimentado por uma fonte de 
corrente contínua. 
 
1.5 Procedimento experimental: 
 
 Material disponível no laboratório: 
 
- 1 Galvanômetro (Multímetro Digital); 
- 1 Reostato 500 Ω; 
- 1 Porta pilha (4x1,5v); 
- Fios com bornes; 
- 1 miliamperímetro de 0 a 100mA 
 
 
Figura 1-6 
 
 
 
 
 
Figura 1-7 
 
1.5.1 Estudo da resistência interna do gerador 
 
1.5.1.1 Monte o circuito abaixo. Como sempre, monte o circuito com a fonte 
em seu valor mínimo, bem como, com os instrumentos de medida em suas 
escalas máximas. 
Atente para as seguintes observações: 
Neste circuito utilizaremos um resistor de resistência variável chamada "caixa de 
resistências" ou "reostato", ou seja, um conjunto de resistores cuja resistência 
pode ser alterada girando-se controles rotatórios. O valor desta resistência pode 
ser lido nas escalas existentes sob os controles giratórios. Este resistor é 
representado pelo símbolo: 
 
Ao montar o circuito mantenha inicialmente este resistor no seu valor 
máximo. 
 
 
Figura 1-8 
 
 
Utilizaremos como gerador um conjunto de pilhas. Como as pilhas a serem 
utilizadas não estão necessariamente gastas, a resistência interna do conjunto é 
de baixa, isto dificulta a sua determinação. Para evitar este problema usaremos 
um conjunto de pilhas com o qual associaremos um resistor em série, de baixo 
valor, que simulará a resistência interna. 
 
 
Figura 1-9 
 
1.5.1.2 Variando a resistência R faça I variar de 5 em 5 mA a partir de zero. 
Para obter corrente zero abra o circuito em qualquer ponto. Para cada valor da 
corrente meça a tensão fornecida pela fonte, preenchendo a Tabela 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 1: Tensão fornecida pela fonte. 
I (mA) V (V) 
0,0 
5,0 
10,0 
15,0 
20,0 
25,0 
40,0 
60,0 
80,0 
 
1.5.1.3 Num papel milimetrado faça o gráfico de V x I. Trace a reta que 
melhor se ajusta aos pontos lançados. 
 
1.5.1.4 A partir da reta obtida determine a tensão nominal do conjunto de 
pilhas E; 
 
1.5.1.5 Ainda a partir do gráfico determine a corrente e curto circuito ICC. 
 
1.5.2 Estudo da potência útil desenvolvida 
 
1.5.2.1 Transfira para a Tabela 1 os dados da Tabela 2, calculando a 
potência útil em cada caso. Utilize a tensão nominal do gerador determinado na 
primeira parte para calcular a potência útil. Calcule também o rendimento do 
processo para cada valor da corrente. 
 
 
 
 
 
Tabela 2: Cálculo da potencia útil (PU), potencia no gerador (Pg) e do 
rendimento (η) 
I (mA) V (V) PU=V.I (mW) Pg = E.I (mW) η 
0,0 
5,0 
10,0 
15,0 
20,0 
25,0 
40,0 
60,0 
80,0 
 
 
 
1.5.2.2 Faça o gráfico de PU x I.