TED_física_3[1]

Prévia do material em texto

UCSAL – Universidade Católica do Salvador
Escola de Engenharia
Trabalho Efetivo Discente
Professor: Antonio Roberto de Azevedo Bião
Aluno: Karla Renata Araujo Rosário
Salvador
2014
Geradores
Denominam-se geradores elétricos os dispositivos que separam cargas elétricas positivas e negativas, mantendo entre elas uma diferença de potencial; sendo capazes de transformar energia não elétrica (química, mecânica, entre outras) em energia elétrica e tendo como função básica aumentar a energia potencial das cargas que os atravessam.
Os geradores podem ser divididos numa enorme quantidade de tipos, de acordo com o aspecto que se leve em conta. Além dos dois grupos mais gerais - geradores de corrente contínua e de corrente alternada -, podem ser, quanto ao número de polos, dipolares e multipolares; quanto ao enrolamento do induzido, podem ser em anel e em tambor; quanto ao tipo de excitação, auto excitados e de excitação independente. Alguns deles são:
Geradores luminosos - São sistemas de geração de energia construídos de modo a transformar energia luminosa em energia elétrica, como por exemplo, as placas solares feitas de um composto de silício que converte a energia luminosa do sol em energia elétrica. 
Geradores mecânicos - São os geradores mais comuns e com maior capacidade de criação de energia. Transformam energia mecânica em energia elétrica, principalmente através de magnetismo. É o caso dos geradores encontrados em usinas hidroelétricas, termoelétricas e termonucleares.
Geradores químicos - São construídos de forma capaz de converter energia potencial química em energia elétrica (contínua apenas). Este tipo de gerador é muito encontrado como baterias e pilhas.
Geradores térmicos - São aqueles capazes de converter energia térmica em energia elétrica, diretamente.
 No símbolo de um gerador o traço maior indica um pólo positivo e o menor, o pólo negativo.
Quando se mede a tensão elétrica entre os pólos do gerador, obtém-se uma grandeza denominada força eletromotriz (f.e.m), representada por E e que corresponde, num gerador ideal, de resistência interna nula, à quantidade de energia elétrica que recebe cada unidade de carga que o atravessa.
Assim, denomina-se força eletromotriz E de um gerador ao quociente entre o trabalho (W) realizado no transporte de uma carga q, contra a força do campo elétrico, e o valor absoluto dessa carga, ou seja,
Na expressão anterior as unidades de f.e.m. são as mesmas do potencial elétrico U, pois ambas são razão entre trabalho W e carga q. Assim, no Sistema Internacional de Unidade (SI), a unidade de força eletromotriz E é o volt (V) ou o Joule/Coulomb (V=J/C).
Na prática, observa-se que um gerador funcionando normalmente não lança no circuito externo toda potência elétrica por ele originada, porque, quando a corrente o atravessa, ela encontra certa resistência interna (r) por parte dos elementos condutores internos que compõe o gerador. Esse é um gerador real. Se a resistência interna (r) do gerador for considerada desprezível, então o gerador será ideal.
A corrente elétrica no interior do gerador não é espontânea, mas forçada. Assim, ela percorre o gerador no sentido do menor para o maior potencial, ou seja, entra pelo pólo negativo e sai pelo positivo. 
Potência elétrica de um gerador – considere um gerador de força eletromotriz E e resistência interna r, submetido a uma diferença de potencial U, quando percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i.
O gerador não cria energia elétrica, ele apenas transforma qualquer tipo de energia em energia elétrica e as fornece às cargas elétricas que o atravessam. Mas durante a passagem das cargas elétricas pelo interior do gerador ocorrem perdas energéticas. Assim esquematicamente tem-se:
Como a potência elétrica representa a energia elétrica por unidade de tempo, tem-se: 
Onde Pt representa a potência total gerada (recebida de forma não elétrica), Pd a potência dissipada ou perdida no interior do gerador e Pu a potência fornecida pelo gerador ao meio exterior (potência útil).
Como a energia não se perde nem se cria, apenas se transforma, pelo princípio da conservação da energia tem-se: Pt=Pu+Pd;
Onde: Pt = E.i
	Pd = r.i²
	Pu = U.i
	Pt = Pu + Pd
	E.i = U.i + r.i²
	U = E – r.i (equação do gerador)
Rendimento do gerador – representado por η e é definido como sendo a razão entre a potência útil e a potência total, ou seja, η = Pu/Pt ؞ η = U/E 
O rendimento normalmente é representado em termos de porcentagem:
η % = Pu/Pt x 100%, com 0 ≤ η ≤ 100
A curva característica do gerador é representada por um gráfico que relaciona a intensidade de corrente elétrica no gerador com a diferença de potencial (tensão) em seus terminais.
Se i = 0, ou seja, se o gerador estiver em circuito aberto, tem-se:
Se U = 0, ou seja, se o gerador estiver em curto circuito, tem-se: 
Os pares de valores U = E e icc = E/r determinam dois pontos do gráfico Uxi, que unidos por um segmento de reta fornece a curva característica de um gerador.
Observação: A tensão nos terminais do gerador só é igual à sua f.e.m. quando ele está em circuito aberto, ou seja, quando não há corrente no gerador e, isso ocorre somente quando o fio está interrompido, independe de quantos dispositivos elétricos estiverem inseridos no mesmo.
Potência útil máxima fornecida pelo gerador 
O gráfico representa a potência útil de um gerador e nele tem-se:
Pu = Pt – Pd
Pu = E.i – r.i²
Pu = i (E - ri), quando Pu = 0
0 = i (E- ri) 
Ou i=0 ou E – ri = 0
 i = E/r = icc (corrente de curto circuito); Sendo a parábola uma figura simétrica, a potência máxima será máxima quando imáx = icc/2
imáx = (E/r)/2
imáx = E/2r
Pmáx = Umáx . imáx
Umáx . imáx = (E-r.imáx).imáx
Umáx = E – r.imáx
Umáx = E - Umáx
2Umáx = E
Umáx = E/2
Se o gerador estiver ligado a uma associação de resistores de resistência equivalente a potência máxima fornecida à essa associação será Umáx = Req . imáx
E/2 = Req. (E/2r)
Req = r
Associação de geradores
Associação em série
Para obter uma diferença de potencial, deve-se associar pilhas em série ligando o pólo positivo de uma ao negativo da outra.
Esse tipo de associação recebe o nome de associação em série, podem ser estendidos a n geradores e cujas características são: 
A intensidade de corrente elétrica é a mesma em todos os geradores.
A força eletromotriz equivalente é a soma das forças eletromotrizes dos geradores parciais, ou seja, E = E1 + E2 + E3 +...+ Em.
A diferença de potencial total entre A e B é a soma das tensões parciais, ou seja, UAB = U1 + U2 + U3 +...+ Un.
A resistência interna equivalente é a soma das resistências internas parciais, ou seja, req = r1 + r2 + r3 +...+ rn.
Associação em paralelo
É obtida quando se liga todos os pólos positivos dos geradores e todos os pólos negativos. Nesse tipo de associação convém que todos os geradores tenham a mesma força eletromotriz, para que não dissipem parte da energia que fornecem ao circuito externo.
Características desse tipo de associação:
A intensidade de corrente elétrica se subdivide entre os geradores.
A força eletromotriz da associação é igual à aquela de cada um dos resistores; 
Eeq = E
O cálculo da resistência interna equivalente se dá por 1/req = 1/r1 + 1/r2 + 1/r3 +...+rn.
Exercícios:
01. (Vunesp-1996) Suponha que você dispõe de uma pilha comum de 1,5V e uma pequena lâmpada de lanterna cujas especificações são 1,5V / 2,0A. 
a) Qual a potência que a lâmpada deve dissipar, se for ligada diretamente aos terminais de pilha? 
b) Pela lei de Ohm, se ligarmos diretamente os terminais da pilha com um pequeno fio de resistência praticamente nula, a corrente que vai passar por esse fio será praticamente infinita. Isso, na prática, realmente ocorre? Justifique. 
Resposta: a) P = 3W 
b) não ocorre, pois a pilha não é umgerador perfeito, ou seja, a pilha possui resistência interna. 
 02. (Fatec-2000) Um gerador é ligado a um resistor de resistência 11Ω, e verifica-se no circuito uma corrente elétrica de 1,0A. Em outra experiência, o mesmo gerador é ligado a um resistor de resistência 5,0 Ω, e a corrente elétrica é de 2,0 A. Pode-se concluir que a força eletromotriz do gerador e sua resistência interna são, respectivamente, 
a) 12 V e 2,0 Ω 
b) 12 V e 1,0 Ω 
c) 10 V e 2,0 Ω 
d) 10 V e 1,0 Ω 
e) 6,0 V e 3,0 Ω 
Resposta: Alternativa B
03. (UFMT-1996) Ao adquirir um gerador, você observa na sua plaqueta de especificação a seguinte inscrição: Potência máxima igual a 300 W e corrente de curto circuito igual a 20 A. Qual é o valor da f.e.m. desse gerador?
Resposta: E = 60 V
04. (UEL-2006) Numa aula de eletricidade sobre geradores e motores, um estudante percebe que um gerador produz eletricidade a partir do movimento de um eixo. Por outro lado, um motor elétrico transforma eletricidade no movimento de um eixo. Assim, conclui ele, se o eixo do motor elétrico for acoplado ao eixo do gerador e, ao mesmo tempo, a eletricidade assim produzida pelo gerador for utilizada para acionar o motor, o conjunto desses dois equipamentos produzirá uma máquina que funcionará continuamente. Ao expor essa idéia ao seu professor de física, esse lhe diz que se trata de um moto perpétuo de segunda espécie e, portanto, não funcionará. Por não saber o que é um moto perpétuo “de segunda espécie”, o estudante faz uma pesquisa e descobre que este é um equipamento que viola a segunda lei da termodinâmica. Ao ler isso, o estudante conclui que foi “enrolado” pelo professor: “sua máquina funcionará, pois o motor elétrico e um gerador de eletricidade não são, evidentemente, máquinas térmicas”. Com base nessas informações, é correto afirmar: 
a) O professor está certo: o sistema fechado, motor mais gerador, não conserva a energia. 
b) O professor cometeu um engano. De fato, como ele afirmou ao aluno, o sistema não funcionará; mas a causa é outra: as leis do eletromagnetismo proíbem essa associação. 
c) A máquina concebida pelo estudante funcionará; a energia produzida pelo gerador é exatamente igual àquela necessária para fazer funcionar o motor. 
 d) Realmente o professor cometeu um engano. A segunda lei da termodinâmica diz respeito ao constante aumento da entropia, o que não se aplica à situação relatada. 
e) O professor está certo. Haverá conservação de energia, mas não ficarão restritas às formas de energia elétrica e mecânica. 
Resposta: Alternativa E
05. (MACKENZIE) No circuito representado abaixo, a bateria é ideal e a intensidade de corrente i1 é igual a 1,5A.   
   
O valor da força eletromotriz E da bateria é:   
      a) 50V
      b) 40V
      c) 30V
      d) 20V
      e) 10V     
Resposta: Alternativa C
 06. (FUVEST) As figuras ilustram pilhas ideais associadas em série (1° arranjo) e em paralelo (2° arranjo). Supondo as pilhas idênticas, assinale a alternativa correta:  
 
a) Ambos os arranjos fornecem a mesma tensão.
b) O 1° arranjo fornece uma tensão maior que o 2°.
c) Se ligarmos um voltímetro aos terminais do 2° arranjo, ele indicará uma diferença de potencial nula.
d) Ambos os arranjos, quando ligados a um mesmo resistor, fornecem a mesma corrente.
e) Se ligarmos um voltímetro nos terminais do 1° arranjo, ele indicará uma diferença de potencial nula. 
Resposta – Alternativa B
07. (CESGRANRIO)
  
Em qual das situações ilustradas ao lado a pilha está em curto-circuito?   
      a) somente em I
      b) somente em II
      c) somente em III
      d) somente em I e II
      e) em I, II e III    
Resposta : Alternativa A
08. (PUC-SP) Cinco geradores, cada um de f.e.m. igual a 4,5V e corrente de curto-circuito igual a 0,5A, são associados em paralelo. A f.e.m.e a resistência interna do gerador equivalente têm valores respectivamente iguais a:   
      a) 4,5V e 9,0W 
b) 22,5V e 9,0W
c) 4,5V e 1,8W
d) 0,9V e 9,0W
e) 0,9V e 1,8W     
Resposta: Alternativa C
09. Tem-se um gerador de f.e.m.E=12V e resistência interna r = 2,0 Ω.
Determine:
a) a ddp em seus terminais para que a corrente que o atravessa, tenha intensidade i  = 2,0A;
b) a intensidade da corrente i para que a ddp no gerador seja U = 10V   
Resposta: a) Calculando a ddp
U = E – r . i
U = 12- 2,0. 2,0
U = 12 – 4,0
U = 8V
b) Cálculo da intensidade da corrente
U = E – r . i
10 = 12 – 2,0. i
10 = 10 i
i = 1A
10. (UFRJ) O gráfico a seguir, representa a curva característica de um gerador. Analisando as informações do gráfico, determine:
a) a resistência interna do gerador
b) a  f.e.m. e a intensidade da corrente de curto-circuito do gerador. 
Resposta: