Pesquisa ACC GERADORES e SUPERCONDUTORES

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Eder Braz Velludo - 201608238751
João Victor Souza de Oliveira - 201607413914
Acumuladores, Geradores
e Supercondutores
Angra dos Reis
2018, v-1.0.0
Eder Braz Velludo - 201608238751
João Victor Souza de Oliveira - 201607413914
Acumuladores, Geradores
e Supercondutores
Trata-se de uma pesquisa, sobre Acumu-
ladores, Geradores e Supercondutores.
Universidade Estácio de Sá – UNESA
Faculdade de Engenharia Civil
Disciplina de Eletricidade Aplicada
Angra dos Reis
2018, v-1.0.0
Sumário
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Supercondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3
Introdução
O presente trabalho tem como objetivo apresentar alguns tipos de fontes de tensões
como acumuladores e geradores. Apresenta também definições de supercondutores. Inici-
amos apresentando o conceito de tensão, corrente e potencia. A partir dai demonstraremos
alguns tipos de acumuladores de tensão e geradores. Por fim apresentaremos conceitos de
supercondutores.
Tensão
Aparelhos eletrônicos funcionam utilizando energia potencial elétrica. Um material
que conduz eletricidade, condutor, possui muitos elétrons livres. Estes elétrons movem-se
através de energia potencial elétrica. “A tensão é relacionada com a energia necessária para
deslocar uma carga elétrica entre dois pontos”.(BURIAM; LYRA, 2006). Para se haver
uma tensão basta a “ criação de uma separação entre particulas positivas e negativas”
(BOYLESTAD, 2012). Para mover uma partícula entre dois pontos a força realiza um
trabalho. A energia necessária para mover uma carga é dada por W = Q · V , onde Q é
uma carga negativa medida em coulomb (C), W é a energia necessária para se mover esta
carga, medida em Joules (J). V é medida em volts que e a relação dada por V = W
Q
, que
é a relação entre a energia necessária para se mover uma determinada carga, assim “ se
um total de 1 joule (J) de energia é usado para mover a carga negativa de 1 coulomb (C),
há uma diferença de 1 volt (V) entre os dois pontos.”(BOYLESTAD, 2012). A unidade
coulomb C, representa uma quantidade de 6, 242 · 1018 elétrons.
Há diversas formas de se estabelecer tensões através da separação de cargas conforme
será exposto adiante.
Corrente
A corrente é um fluxo de elétrons. “A tensão aplicada é o mecanismo de partida;
a corrente é uma reação à tensão aplicada.”(BOYLESTAD, 2012). A unidade de medida
da corrente é o ampere (A). “ Uma corrente I em um condutor durante um tempo T
corresponde a passagem de uma carga Q dada por Q = I.T”.(BURIAM; LYRA, 2006).
Dai tem-se que se 6, 242 · 1018 elétrons (1 coulomb) passam através de um condutor em
1 segundo, diz-se que o fluxo de carga, ou corrente, é de 1 ampère (A).(BOYLESTAD,
2012).
4 Introdução
Tensão Senoidal
É uma tensão que varia com o tempo de acordo com uma função senoidal. A
expressão matemática é dada pela função v(t) = VM · sin(ωt+ α), em que VM é o valor
máximo (ou valor de pico) da tensão dada em V (volts), ω é a frequência angular dada
em radianos por segundo e α corresponde ao ângulo de fase inicial dado em graus ou
radianos. A representação gráfica dessa função senoidal é mostrada na figura 1 , apresenta
o comportamento gráfico de uma tensão senoidal(SANTOS, 2016).
Figura 1 – Tensão Senoidal
Representação gráfica da função senoidal. Fonte: (SANTOS, 2016)
Corrente alternada
Quando uma tensão senoidal é ligada aos terminais de uma carga, a corrente
através dessa carga também é representada matematicamente por uma forma de onda
senoidal. O valor instantâneo da corrente é I = V/R. A corrente é definida pela expressão
i(t) = IM · sin(ωt+ α) , e sua representação gráfica é mostrada na figura 2. (SANTOS,
2016)
Potência
Potência indica a quantidade de trabalho (conversão de energia) que pode ser
realizado em um determinado período de tempo; isto é, a potência é a velocidade com
que um trabalho é executado. A energia convertida é medida em joules (J) e o tempo em
segundos (s), a potência é medida em joules/segundo (J/s). O Watt é a unidade elétrica
de medida de potência, definida por: 1watt(W ) = 1joule/segundo(J/s). A potencia é
determinada pela fórmula: P = W
t
.(BOYLESTAD, 2012)
5
Figura 2 – Corrente Senoidal
Representação gráfica da corrente senoidal. Fonte: (SANTOS, 2016)
Potência Mecânica e Potência Elétrica
A potência aparente é necessária para que, com determinados valores de tensão
e fluxo de corrente, um certo consumidor funcione corretamente. A potência ativa é a
potência efetivamente consumida ou transformada pelo mesmo consumidor. A relação
entre as duas potências é definida como fator de potência e conhecida como: cos θ = kW
KV A
ou kW = KV A · cos θ
7
Baterias
São formadas por um conjunto de células, que são uma unidade para geração
de energia elétrica pela conversão química ou solar.Células podem ser classificadas em
primárias ou secundárias. As diferenças entre elas esta na capacidade de recarregar. As
secundárias possuem a capacidade de recarga enquanto as primárias não.
As células estabelecem uma tensão entre seus terminais através de energia química.
Possuem eletrodos positivos, denominado catodo, ao qual há redução (ganho de elétrons),
eletrodos negativo, denominado anodo, ao qual ha uma oxidação (perda de elétrons) e um
eletrólito que é uma substância que preenche o espaço entre os eletrodos, responsável pelo
contato com os átomos que perdem ou ganham elétrons.
Uma bateria, fornece um nível de corrente por determinado período de tempo. Daí
toda bateia possui uma especificação em Ampere Hora (Ah). “ A especificação ampère-hora
(Ah) indica quanto tempo uma bateria de tensão fixa será capaz de fornecer uma corrente
em particular”.(BOYLESTAD, 2012)
Células Primárias
Seu anodo e formado de zinco pulverizado, eletrolito de hidróxido de potássio e
catodo de carbono e dióxido de manganês. A figura 3, apresenta um esquema deste tipo
de célula.
Figura 3 – Célula primária
Vista de corte de uma pilha (célula Primária) Fonte: (BOYLESTAD, 2012)
8 Baterias
Já na figura 4, podemos observar os diversos tipos padronizados, para células
primárias, também denominadas pilhas.
Figura 4 – Tipos de células primárias
Tipos de pilhas, suas tensões e correntes em Ampere hora (Ah) Fonte: (BOYLESTAD,
2012)
Na figura 5, podemos observar tipos de células denominadas baterias de lítio,
que são utilizadas em baixas temperaturas. São compostas por lítio em iodo, que ficam
separados por meio de uma camada de iodeto de lítio que permite a passagem da corrente
elétrica. O lítio metálico é o ânodo enquanto o cátodo é iodo.
Figura 5 – Tipos de Baterias primárias de lítio
Tipos de baterias de lítio, suas tensões e correntes e capacidades em Ampere hora (Ah)
Fonte: (BOYLESTAD, 2012)
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Células Secundárias
Baterias de Chumbo-ácido
Geralmente possuem tensão de 12 volts, possui um eletrólito de ácido sulfúrico, e
eletrodos de chumbo esponjoso (Pb) e de peróxido de chumbo (PbO2). Para determinar
se esta carregada deve-se medir densidade relativa do eletrólito no caso acido sulfúrico
com água a 4◦C. Baterias de chumbo-ácido estão carregadas, quando o peso específico
esta entre 1,28 e 1,30 e descarregada quando de 1,1.
Realizando a passagem de corrente contínua em sentido oposto ao da corrente da
bateria, ela poderá ser carregada, fazendo com que seja removido o sulfato de chumbo das
placas tornando o acido sulfúrico concentrado novamente.
Geralmente uma bateria de Chumbo-ácido, e formada por 6 células de 2,1 volt
cada.As células são interconectadas em série o que faz uma bateria possuir 12,6 volts. A
figura 6, apresenta uma imagem de uma bateria de Chumbo ácida com 6 células.
Figura 6 – Bateria de Chumbo-ácido
Esquema de uma bateria secundária de Chumbo-ácido Fonte: (BOYLESTAD, 2012)
As baterias de Chumbo-ácido , possuem especificações. Em (RVQ et al., 2017) são
apresentadas algumas especificações destes tipos de bateria destacamos algumas conforme
segue:
Capacidade nominal (C): Indica a quantidade de energia que a bateria possui quando
plenamente carregada é expressa em Ampere-hora (Ah);
10 Baterias
Cold Cranking Ampére (CCA): É um teste realizado com a bateria a uma temper-
atura abaixo de zero com o objetivo de verificar se a bateria é capaz de iniciar um
motor veicular em lugares de frio intenso, é regulamentado pela Society of Automo-
tive Engineers (SAE) norma SAE J537, e determina a corrente elétrica fornecida
pela bateria durante 30 segundos, mantendo a tensão final maior ou igual a 7,2 V, à
temperatura de −18◦C (Celsius) ou 0 F (Fahrenheit).
Reserva de capacidade (RC): Reserva de energia que a bateria deve fornecer para
continuar operando os dispositivos por ela alimentados em caso de no sistema elétrico.
O teste é realizado descarregando a bateria à uma corrente de 25 A até uma tensão
final de 10,5 V. Quando atingida esta tensão de corte, o tempo é anotado.
Descarga de baterias – Taxa C (Crate): A capacidade declarada de uma bateria
indica a quantidade energia que ela acumulada. A capacidade é o resultado do
produto da corrente de descarga vezes o tempo de descarga, que depende corrente ,
tensão e temperatura da bateria. Dado uma bateria com capacidade declarada de
regimes de 20 horas, possuem identificação no rótulo de 55 Ah, significa que esta
bateria suporta, sem atingir a tensão final, uma descarga de 0,05 x 55 A, ou seja,
2,75 A, durante 20 horas.
Perda de capacidade: Considera-se que a vida útil de uma bateria chegou ao fim quando
a capacidade medida for menor que 20% da capacidade nominal declarada em seu
rótulo.
Bateria de níquel-hidreto metálico (Ni-HM)
Essas baterias podem sobreviver mais de 1.000 ciclos de carga/descarga em uma
vida útil. Seu carregamento e feito por fonte de corrente constante (fonte de energia),
fazendo com que a tensão nos terminais seja constante durante o ciclo de carga.Esquentam
no processo de carga. Na figura 7, podemos observar os diversos tipos padronizados, para
Bateria de níquel-hidreto metálico.
Bateria de íon de lítio
Esta bateria carrega mais energia em espaço menor do que as baterias recarregáveis
de chumbo-ácido e Ni-HM. Estão em evolução e necessitam de melhorias. Um dos grandes
problemas é que começam a perder capacidade de recarga lentamente apesar de poderem
passar por ciclos normais de carga/descarga.
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Figura 7 – Bateria de níquel-hidreto metálico (Ni-HM)
Tipos de baterias de níquel-hidreto metálico, suas tensões e correntes e capacidades em
Ampere hora (Ah) Fonte: (BOYLESTAD, 2012)
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Geradores
Geradores são máquinas que transformam energia mecânica em energia elétrica.
Como exemplo de aplicações a empresa WEG (WEG, 2017), apresenta um elenco de
aplicações de seus geradores: Geração Eólica; Alimentação de Fazendas, Sítios, Garimpos,
Carros de Som; Pequenos Centros de Geração de Energia para uso Geral; Grupos Diesel
de Emergência para hospitais e etc; Centro de Processamento de Dados; Telecomunicações;
Usinas Hidrelétricas; Cogeração; Aplicações Específicas para uso Naval, Usinas de Açúcar e
Álcool, Madeireiras, Arrozeirais, Petroquímica, etc; Usinas de Geração de Energia; Geração
em Horário de Ponta;
Um gerador está baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo
magnético. Os terminais da espira são conectados a dois anéis, que estão ligados ao circuito
externo através de escovas. Um alternador é um gerador de corrente alternada, assim como
é chamado de dínamo ao gerador de corrente contínua.
A transformação de energia nos geradores fundamenta-se no princípio físico con-
hecido como Lei de Lenz. Esta lei afirma que “quando existe indução magnética, a direção
da força eletromotriz induzida é tal, que o campo magnético dela resultante tende a
parar o movimento que produz a força eletromotriz.” (JOSECLAUDIO, 2018). A figura 8,
apresenta o funcionamento básico de um gerador de corrente alternada.
Os valores instantâneos da tensão podem ser calculados pela relação: e = B·l·v·sin(θ)
, em que: e = tensão; B = Indução do Campo Magnético; l = Comprimento do condutor;
v = Velocidade linear de deslocamento do condutor e θ = Ângulo formado entre B e v.
Para controlar tensão e corrente em um gerador de corrente alternada, o campo magnético
é produzido por ímãs artificiais, formados por bobinas alimentadas com corrente contínua
suprida por uma fonte externa denominada exitatriz e controlada por um regulador de
tensão. (JOSECLAUDIO, 2018). A empresa WEG (WEG, 2017) , apresenta um esquema
de geradores poe ela produzidos conforme figura 9
O alternador é constituído por duas partes principais: uma fixa,chamada estator e
a parte móvel chamamos rotor. Uma das partes será responsável pelo campo magnético,
onde estão localizados os pólos do alternador, chamada campo. A parte onde aparece a
tensão é chamada de induzido.
Numero de Fases
No sistema monofásico em alternadores, indica que o as bobinas do enrolamento
induzido forma uma tensão de saída obtida em dois terminais.(JOSECLAUDIO, 2018) Já
o sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões U1,
14 Geradores
Figura 8 – Funcionamento Básico de Gerador
Esquema de funcionamento de um gerador de corrente alternada Fonte: (JOSECLAUDIO,
2018)
U2 e U3, tais que a defasagem entre elas seja de 120◦ (WEG, 2017), sendo ligadas de tal
maneira que podemos ter três ou quatro pontos de ligação para os consumidores. A figura
10, apresenta a defasagem entre as fases.
Normalmente, cada grupo independente de bobinas tem duas bobinas separadas,
para permitir que, com o fechamento das ligações externas,se obtenha valores diferentes de
tensão. O tipo de fechamento normalmente utilizado é o “estrela com neutro acessível”,
onde existe um ponto de ligação para cada fase mais um ponto denominado “neutro”,
15
Figura 9 – Um esquema de Gerador
Esquema de funcionamento de um gerador de corrente alternada Fonte: (WEG, 2017)
que é constituído pelo fechamento das extremidades das bobinas. A tensão entre os três
pontos terminais de cada fase é sempre a mesma, que deve corresponder ao tipo de
fechamento escolhido. O neutro é para ser ligado ao aterramento da instalação elétrica
local. (JOSECLAUDIO, 2018)
A tensão entre fases é determinada pelas ligações de fechamento que forem exe-
cutadas. Normalmente os alternadores são fornecidos com 12 terminais de bobinas do
induzido para serem ligados de forma a gerar tensão em 220/127 V, 380/220 V ou 440/254
V. Os diferentes valores possíveis de tensão são o resultado do arranjo das bobinas, que são
construídas em grupos, resultando para cada fase um conjunto de 2 bobinas que podem
ser ligadas conforme figura 11 (JOSECLAUDIO, 2018)
Potência do Alternador
A potência do alternador é definida em KVA (potência aparente) e a potência ativa
é definida em kW, sendo o fator de potência (cos θ) a relação entre as potências ativa e
aparente e que kW = cos θ ·KV A. Ainda existem a potência reativa, que surge nos circuitos
elétricos com cargas indutivas, especialmente motores elétricos. A potência aparente (KVA)
é a soma vetorial das potências ativa (kW) e reativa (KVAr). A figura 12 apresenta o
diagrama de soma da potencia aparente. Daí tem-se que (KV A)2 = (kW )2 + (KV Ar)2 e
ainda que cos θ = kW
KV A
. (JOSECLAUDIO, 2018)
16 Geradores
Figura 10 – Grafico 3 tensões R S T
No mesmo período, os valores de tensão variam defasados de 120◦ nas fases R, S e T (ouU1, U2 e U3). Fonte: (JOSECLAUDIO, 2018)
Rendimento Mecânico
É definido em percentuais pela relação entre a potência elétrica por ele fornecida
aos consumidores e a potência mecânica absorvida do motor acionador. É sempre menor
que 1.(JOSECLAUDIO, 2018)
η = kWElétrico
kWMecânico
Frequência
O alternador é uma máquina síncrona e que sua velocidade de rotação e freqüência
estão relacionadas com o número de pólos. Sendo f = freqüência em Hz); N = velocidade
de rotação (em rpm) e Np = número de pólos.(JOSECLAUDIO, 2018)
f = N ·Np120
Excitação
Para induzir a força eletromotriz necessita-se de um circuito magnético – o campo
do alternador. Em máquinas de pequeno porte podemos formar o campo por meio de
ímãs permanentes naturais, mas normalmente isto é feito por meios eletromagnéticos,
ao alimentar as bobinas que constituem os pólos, com corrente contínua. Para manter
constante a tensão de saída do alternador, é necessário regular o sistema de excitação, pois
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Figura 11 – Fechamento estrela
Fechamento Estrela Fonte: (JOSECLAUDIO, 2018)
Figura 12 – Triangulo de Potencias
Diagrama de soma vetorial potencia aparente Fonte: (JOSECLAUDIO, 2018)
é a intensidade do campo magnético quem determina este valor. Assim, necessita-se de um
regulador de tensão, que é o elemento capaz de detectar as variações de tensão de saída
do alternador e atuar diretamente na excitatriz para que esta aumente ou diminua o fluxo
de corrente no campo magnético, mantendo constante a tensão para qualquer solicitação
de carga.(JOSECLAUDIO, 2018)
18 Geradores
Excitação Estática
A corrente que alimenta o campo do alternador é retificada e controlada por uma
excitatriz eletrônica. A condução da corrente se faz por meio de um par de anéis com
escovas montado no eixo do alternador. Como utiliza a tensão gerada pelo alternador,
necessita de um mínimo de tensão inicial, gerada pelo magnetismo remanente do alternador
durante a partida, para iniciar o processo de retificação e alimentação do campo. Este
processo de início de geração é denominado escorva do alternador.(JOSECLAUDIO, 2018)
A figura 13, apresenta um esquema de Excitação Estática.
Figura 13 – Excitação Estática
Esquema de Excitação Estática Fonte: (JOSECLAUDIO, 2018)
Excitação Brushless
Utiliza-se um gerador de corrente contínua, montado no próprio eixo do alternador.
O campo deste gerador é alimentado por um regulador externo que, modernamente, é
eletrônico semelhante ao empregado na excitação estática. Nos alternadores antigos este
gerador de corrente contínua era um dínamo, com escovas e coletor de lâminas de cobre.
Atualmente utiliza-se um pequeno alternador de pólos fixos,cuja corrente alternada gerada
no induzido rotativo é retificada por uma ponte retificadora de onda completa, também
girante, que transfere a corrente retificada diretamente ao campo do alternador, sem a
necessidade de escovas.(JOSECLAUDIO, 2018) A figura 14, apresenta um esquema de
Excitação Brushless.
Excitação por Imã Permanente
Sistema de excitação por magneto (ou imã) permanente,trata-se de um sistema de
excitação onde uma excitatriz auxiliar, constituída por um campo magnético constante
produzido por uma peça magnetizada antes da montagem, a qual funciona como indutor
girando no interior de um enrolamento fixo, este trabalhando como induzido. A figura 15,
apresenta um esquema de Excitação por Imã Permanente.
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Figura 14 – Excitação Brushless
Esquema de Excitação Brushless Fonte: (JOSECLAUDIO, 2018)
Figura 15 – Excitação por Imã Permanente
Esquema de Excitação por Imã Permanente Fonte: (JOSECLAUDIO, 2018)
A energia fornecida ao campo da excitatriz (campo fixo) é proveniente do exitador
por magneto permanente e independe da energia fornecida à carga. Constitui-se, portanto,
num sistema de excitação independente. Os valores de tensão nos terminais do alternador
que alimentam a carga, são usados apenas como referência, opcionalmente através de um
transformador de potencial, podendo ser monitorados em duas ou três fases, também
opcionalmente, em função do projeto adotado pelo fabricante.(JOSECLAUDIO, 2018)
O regulador automático de tensão (identificado acima como AVR – abreviatura
de Automatic Voltage Regulator) difere do regulador de tensão utilizado num alternador
20 Geradores
convencional, auto-excitado, na medida em que não supre o campo da excitatriz com a
mesma energia que alimenta os consumidores. Isto é particularmente vantajoso nas apli-
cações onde o alternador aciona grandes motores elétricos porque possibilita a manutenção
de valores elevados de corrente durante a partida destes motores, sem as grandes quedas
de tensão que se verificam nos alternadores que não utilizam excitação independente.
Também oferecem melhor desempenho do alternador quando alimentando cargas não
lineares, tais como motores de corrente contínua alimentados por tiristores, motores de
corrente alternada com chaves de partida “Soft Start” ou sistemas UPS (Uninterruptible
Power Supply) também conhecidos como “No Breaks” estáticos. É a opção desejável para
todos os casos onde se requer melhor qualidade da energia gerada. O regulador de tensão
(AVR) compara a tensão de saída do alternador com o padrão ajustado no potenciômetro
de ajuste de tensão e efetua as correções atuando no campo da excitatriz.(JOSECLAUDIO,
2018)
Tipos de Geradores
Segundo fabricante de geradores WEG (WEG, 2017) estes são alguns tipos de
geradores que produzem:
A - Grupos Diesel, Óleo Pesado, Gás, Etanol,Gasolina, Biodiesel e Óleo
de Pirólise
São geradores acionados por Motores Diesel ou a Gás. Potência: 12.5 a 4200kVA
(Linha G i-Plus – até 849kVA), Linha AG 10 (200 a 1045kVA) e SG 10 (Acima de 3000kVA);
Rotação: 1800rpm (IV pólos), 1200rpm (VI pólos) ou 900rpm (VIII pólos) Tensão: 220 a
13800V - 50 e 60Hz.
B - Hidrogeradores
São geradores acionados por Turbinas Hidráulicas (Linha SH10). Potência: 500 a
150000 kVA Rotação: 1800 rpm ou abaixo (IV ou mais pólos) Tensão: 220 a 13800V – 50 e
60Hz
C - Turbogeradores
São geradores acionados por Turbinas a Vapor (ST40). Potência: 500 a 150000kVA
Rotação: 1800rpm (IV pólos) Tensão: 220 a 13800V – 50 e 60Hz
D – Eólicos
São geradores acionados por turbinas eólicas.
21
Supercondutores
Historia
Por volta de 1908, em um laboratório em Leiden, o físico Heike Kamerlingh Onnes
foi capaz de liquefazer o hélio resfriando amostras a uma temperatura de 1K. Heike
produziu poucos milímetros de cúbicos de hélio líquido, outrossim, marcou a época para
explorações no campo da temperatura. Com esse estudo, foi verificado que o hélio líquido
permitia a possibilidade de se alcançar temperaturas próximas do zero absoluto (0 K), a
temperatura mais baixa possível de se alcançar. (WIKIPEDIA, 2018)
Em 1911,Heike iniciou estudos nas propriedades elétricas dos metais em temperat-
uras extremamente baixas, pois era sabido que a resistência elétrica dos metais tende a
abaixar quando resfriados para temperaturas abaixo da temperatura ambiente, entretanto,
não se sabia até onde a resistência cairia com a diminuição da temperatura. O cientista
Lord Kelvin acreditava que o fluxo de elétrons num condutor pararia quando a temperatura
aproximasse do zero absoluto.(CONCEITO.DE, 2018)
Um grupo de cientistas, incluindo Heike, tentou atravessar uma corrente elétrica
por uma amostra de mercúrio, muito pura, em forma de fio e fora medida a variação da
sua resistência elétrica em função da temperatura. A 4,2 K, a resistência sumiu, e para
surpresa do grupo, havia uma corrente fluindo através do fio e nada impedia seu fluxo.
Segundo Heike, “O mercúrio havia passado para um novo estado, e que em virtude das suas
extraordinárias propriedades elétricas deveria ser chamado de estado supercondutor”. Tais
resultados demonstravam de forma clara que o desaparecimento da resistência elétrica abria
um novo caminho para uma nova áreaque fora batizada, por Heike, de supercondutividade
(WIKIPEDIA, 2018)
A descoberta do grupo de cientistas teve grande reconhecimento pela comunidade
cientifica, pois havia um grande potencial econômico e comercial, uma vez que um condutor
elétrico sem resistência poderia transportar corretes sem perdas, não importando a distância
percorrida, teoricamente. O grupo descobriu que um fio de supercondutor atravessando
uma corrente em “loop” mesmo ligado por anos, o fluxo não apresentava perda mesmo que
permanecesse ativo por um tempo indeterminável, chamando esse fenômeno de correntes
persistentes.(WIKIPEDIA, 2018)
Os cientistas Walther Meissner e Robert Ochsenfeld descobriram, em 1933, uma
propriedade magnética intrínseca nos supercondutores que excluía, de certa forma, o campo
magnético exterior. Tal efeito foi denominado “Efeito Meissner” e uma de suas aplicações
é chamado de “Levitação Magnética”. Esse efeito acontece quando o campo magnético
22 Geradores
externo é suficientemente pequeno, pois se o campo aumenta, penetra no interior do
material, e o material perde sua condutividade. (ROSA, 2018) A figura 16 apresenta um
esquema do Efeito Meissner.
Figura 16 – Efeito Meissner
Efeito Meissner Fonte: (WIKIPEDIA, 2018)
Três cientistas americanos da universidade de Illinois, Jhon Bardeen, Leon Cooper
e Robert Schrieffer iniciaram o desenvolvimento de um modelo que mostrasse o real
comportamento dos supercondutores, em 1957. Este modelo fora construído nos moldes da
mecânica quântica, e sugere que os elétrons de um supercondutor tendem a se condensar
formando pares de Cooper. Isso significa constituindo um estado quântico de baixa energia
onde conseguem fluir coletivamente e de forma coerente. Tal teoria é conhecida hoje como
“Teoria BCS”, que é a inicial de seus respectivos nomes.(ROSA, 2018)
A partir de 1986, os físicos Alex Muller e George Bednorz, do IBM, em Zurique,encontraram
um material cerâmico, óxido de cobre, bário e lantânio, que apresentava propriedades
de supercondutividade a 30 K. Em 1987 foi descoberto outra cerâmica com estrutura de
perovskita que apresentava temperatura crítica próxima a 90K. Nesse momento, vários
pesquisadores começaram a trabalhar com novos tipos de supercondutores, pois o problema
era a necessidade de atingir baixíssimas temperaturas, mas próximos a 90K os materiais
poderiam ser resfriados por nitrogênio líquido, que é mais barato e acessível que o hélio
liquido. Deste modo surgiu a segunda geração de supercondutores, os supercondutores de
altas temperaturas. (BOYLESTAD, 2012)
Com grandes estudos, a supercondutividade foi se tornando cada vez mais ap-
rimorada e os físicos Paul Chu e Man Kven Wu utilizaram um supercondutor a 95 K
utilizando óxido de cobre, bário e ítrio. Esse resultado aumentou o interesse da comu-
nidade científica e as pesquisas na área foram elevadas a um novo patamar de empenho e
investimentos. Em 2008, um supercondutor de óxido de estanho-cobre com uma pequena
23
quantidade de índio aumentou ainda mais a temperatura, chegando a incríveis 212 K.
(BOYLESTAD, 2012)
O que é um supercondutor
“Supercondutores são condutores de eletricidade que, para todos os fins práticos,
têm resistência zero” (BOYLESTAD, 2012)
Supercondutor é um termo que é dado aos materiais que, quando arrefecidos, deixam
de exercer resistência à passagem da corrente elétrica. Deste modo, a uma determinada
temperatura, o material converte-se num condutor elétrico perfeito. (CONCEITO.DE,
2018)
Os supercondutores são capazes de manter a corrente que os atravessa fluindo
mesmo sem a aplicação de nenhuma tensão. Estudos mostram que as correntes fluindo
por anéis supercondutores podem persistir por anos sem decaimento algum. Evidências
experimentais demonstram que o tempo médio de existência da corrente chega a 100.000
anos, já estimativas teóricas verificam que o tempo de duração destas correntes possa ser
comparado ao tempo de existência do universo, dependendo da geometria e temperatura
do fio supercondutor.(WIKIPEDIA, 2018)
Materiais
A Tabela 1 apresenta dados sobre os alguns materiais supercondutores e suas
temperaturas críticas.
Tabela 1 – Alguns materiais Supercondutores.
Material Tipo Temperatura Crítica (K)
Zinco Metal 0.88
Alumínio Metal 1.19
Antimônio Metal 3.72
Mercúrio Metal 4.15
Y Ba2Cu3O7 Material cerâmico 90
TIBaCaCuO Material cerâmico 125
Fonte: (CLICKEAPRENDA, 2018)
Efeitos
Um grande impacto dos efeitos foi a descoberta de que o nitrogênio líquido, em
ponto de ebulição, agora poderia ser usado para abaixar a temperatura do material até o
valor necessário, em vez de hélio líquido, que evapora a 4K. Tal resultado significava uma
grande economia aos custos do resfriamento, uma vez que o hélio líquido é, pelo menos,
dez vezes mais caro do que o nitrogênio líquido. (BOYLESTAD, 2012)
24 Geradores
Aplicações
A supercondutividade é, atualmente, aplicada no projeto dos trens Maglev (trens
que deslizam em um “colchão de ar” formado por polos magnéticos opostos), que atingem
velocidades de até 480 km/h. A figura 17demonstra o conceito de trens Maglev. São
utilizados também em ressonância magnética nuclear, para se obter imagens detalhadas do
cérebro e de outras partes do corpo. A figura 18 apresenta um esquema de funcionamento
da ressonância nuclear. Também as utilizam no projeto de computadores com velocidades
de operação quatro vezes maior do que os computadores convencionais e, além disso, são
usadas em sistemas avançados de distribuição de energia.
Figura 17 – Trens Maglev
Esquema trens Maglev Fonte: (WILKINS, 2018)
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Figura 18 – Ressonância Magnética
Esquema Aparelho de Ressonância Magnética Fonte: (ADRENALINE, 2018)
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Considerações Finais
Neste trabalho apresentamos os conceitos de baterias que funcionam acumulando
tensão através de processos químicos. Esses acumuladores podem ser primários ( não
podem ser recarregados ) ou secundários ( podem ser recarregados). Foi apresentado alguns
tipos mais usados de baterias.
Sobre Geradores, foram apresentados conceitos de geradores de energia que são
maquinas que transformam energia mecânica em energia elétrica. Apresentamos carac-
terísticas que devem ser observadas em geradores tais como números de fases, potência ,
rendimento mecânico, frequência de operação e tipos de excitação. Foram apresentados
alguns tipos de geradores usados assim como suas capacidades.
Em supercondutores apresentamos um pouco da historia desta tecnologia. Demon-
stramos resumidamente o conceito de supercondutores. Apresentamos alguns materiais
supercondutores. Demonstramos algumas aplicações desta tecnologia.
29
Referências
ADRENALINE. [Curiosidades da Engenharia] Os Gases na Indus-
tria - Liquefação/Destilação Criogênica do Ar [FOTOS]. 2018.
Disponível em: <https://adrenaline.uol.com.br/forum/threads/
curiosidades-da-engenharia-os-gases-na-industria-liquefacao-destilacao-criogenica-do-ar-fotos.
585930/>. Citado na página 25.
BOYLESTAD, R. L. Introdução à análise de circuitos. São Paulo: Pearson Education do
Brasil, 2012. 24-103 p. Citado 8 vezes nas páginas 3, 4, 7, 8, 9, 11, 22 e 23.
BURIAM, Y.; LYRA, A. C. C. Circuitos Elétricos. 1. ed. São Paulo: Person Prentice Hall,
2006. Citado na página 3.
CLICKEAPRENDA. O que são supercondutores? 2018. Disponível em: <http:
//clickeaprenda.uol.com.br/portal/mostrarConteudo.php?idPagina=3247>. Citado na
página 23.
CONCEITO.DE. Conceito de Supercondutor. 2018. Disponível em: <https:
//conceito.de/supercondutor>. Citado 2 vezes nas páginas 21 e 23.
JOSECLAUDIO. MOTORES E GERADORES - Principios de funcionamento,
instalação, operação e manutenção de diesel geradores. 2018. Disponível em:
<http://www.joseclaudio.eng.br/geradores/PDF/diesel2.pdf>. Citado 8 vezes nas
páginas 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 e 20.
ROSA, F. M. da. Supercondutores : Condutividade e Resistividade Condutividadee
Resistividade. 2018. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20032/Fabiano/
supercondutores.htm>. Citado na página 22.
RVQ, R. L. A. et al. Aspectos essenciais das baterias chumbo-Ácido e princípios
físico-químicos e termodinâmicos do seu funcionamento. Revista Virtual de Química, v. 9,
n. 3, p. 889–911, 2017. Citado na página 9.
SANTOS, A. F. dos. Eletricidade aplicada. Rio de Janeiro: SESES, 2016. 01-121 p.
Citado 2 vezes nas páginas 4 e 5.
WEG. DT-5 CARACTERÍSTICAS E ESPECIFICAÇÕES DE GERADORES Rev. 2017
Linha G i-Plus e AG10. 2017. Disponível em: <http://www.weg.net/files/products/
WEG-curso-dt-5-caracteristicas-e-especificacoes-de-geradores-artigo-tecnico-portugues-br.
pdf>. Citado 4 vezes nas páginas 13, 14, 15 e 20.
WIKIPEDIA. Supercondutividade. 2018. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/
Supercondutividade>. Citado 3 vezes nas páginas 21, 22 e 23.
WILKINS, C. How maglev works. 2018. Disponível em: <https://phys.org/news/
2016-06-maglev.html>. Citado na página 24.
	Folha de rosto
	Sumário
	Introdução
	Baterias
	Geradores
	Supercondutores
	Conclusão
	Referências