Geradores elétricos

Os geradores elétricos são partes fundamentais de um circuito elétrico, já que transformam uma forma de energia, que pode ser química, mecânica, térmica, luminosa ou eólica, em energia elétrica, que atravessará o circuito elétrico e ligará os aparelhos eletrodomésticos e eletrônicos que se conectam.

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Resumo sobre  geradores elétricos

• Os geradores elétricos transformam outras formas de energia, como energia mecânica, química, térmica e luminosa, em energia elétrica.
• Podem ser reais ou ideais de acordo com o seu rendimento
• Podem ser mecânicos, químicos, térmicos, luminosos ou eólicos de acordo com o tipo de energia utilizado para transformar em energia elétrica.
• A força eletromotriz dos geradores elétricos informa o potencial elétrico máximo que um gerador elétrico pode produzir.
• A potência elétrica nos geradores elétricos pode ser útil, dissipada ou total.
• A curva característica dos geradores elétricos é representada por uma reta decrescente.

Videoaula sobre geradores elétricos

O que são geradores elétricos?

Os geradores elétricos são dispositivos elétricos caracterizados por apresentarem uma resistência interna não nula. Nos circuitos elétricos, os geradores elétricos são representados por duas barras, uma menor com sinal negativo e uma maior com sinal positivo, indicando os terminais dos geradores elétricos, como representado na imagem abaixo:

Essa forma de representação dos geradores elétricos informa que a corrente elétrica se propaga do menor potencial elétrico para o de maior potencial elétrico, assim a corrente elétrica recebe energia.

Função dos geradores elétricos

A função dos geradores elétricos é a de converter outras formas de energia em energia elétrica para os circuitos elétricos, certificando o fornecimento de energia elétrica para o sistema elétrico sempre que ocorrer falhas na corrente elétrica.

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Quais são os tipos de geradores elétricos?

Os geradores elétricos podem ser classificados de duas maneiras: através do seu rendimento ou do tipo de energia utilizado para transformar em energia elétrica.

De acordo com o rendimento, os geradores elétricos podem ser ideais ou reais.

• Geradores elétricos ideais: são geradores elétricos que conseguem converter toda a energia recebida em energia elétrica. Só existem na teoria, com a finalizade de facilitar os cálculos.
• Geradores elétricos reais: são geradores elétricos que conseguem converter apenas uma parte da energia recebida em energia elétrica e a outra parte é dissipada. São todos os geradores elétricos que existem.

De acordo com o tipo de energia utilizado para transformar em energia elétrica, os geradores elétricos podem ser mecânicos, químicos, térmicos, luminosos ou eólicos:

• Geradores mecânicos: são geradores elétricos que transformam a energia mecânica, gerada através da energia cinética ou energia potencial, em energia elétrica — por exemplo, os alternadores dos automóveis.
• Geradores químicos: são geradores elétricos que transformam a energia química, gerada através das ligações químicas, em energia elétrica — por exemplo, as pilhas e baterias.
• Geradores térmicos: são geradores elétricos que transformam a energia térmica, gerada através das variações de temperatura, em energia elétrica — por exemplo, as turbinas a vapor.
• Geradores luminosos: são geradores elétricos que transformam a energia luminosa, gerada através da radiação, em energia elétrica — por exemplo, as placas solares.
• Geradores eólicos: são geradores elétricos que transformam a energia eólica, gerada através dos ventos, em energia elétrica — por exemplo, as turbinas eólicas ou sistemas de geração eólica.

Equação característica dos geradores elétricos

Através da equação característica dos geradores elétricos é possível calcularmos a diferença de potencial elétrico útil, a força eletromotriz, a resistência elétrica interna e a corrente elétrica nos geradores elétricos, dada pela fórmula:

\(U=\varepsilon-r\cdot i\)

U é a diferença de potencial elétrico útil, também chamada de potencial elétrico, medida em Volt [V].

ε é a força eletromotriz, medida em Volt [V].

r é a resistência elétrica interna do gerador elétrico, medida em Ohm [Ω].

i é a corrente elétrica, medida em Ampére [A].

Força eletromotriz dos geradores elétricos

A força eletromotriz é uma grandeza física medida em Volts que mede o quanto de potencial elétrico um gerador elétrico é capaz de gerar. Ela pode ser calculada através da equação característica dos geradores elétricos, basta reorganizar os termos de modo a isolar o símbolo da força eletromotriz, obtendo:

\(\varepsilon=U+r\cdot i\)

ε é a força eletromotriz, medida em Volt [V].

U é a tensão elétrica útil, também chamada de potencial elétrico, medida em Volt [V].

r é a resistência elétrica interna do gerador elétrico, medida em Ohm [Ω].

i é a corrente elétrica, medida em Ampére [A].

A força eletromotriz também pode ser calculada através da fórmula que a relaciona à energia potencial elétrica fornecida pelos geradores elétricos e a carga elétrica:

\(\varepsilon=\frac{E_P}{q}\)

ε é a força eletromotriz, medida em Volt [V].

E_P é a energia potencial elétrica dos geradores elétricos, medida em Joule J.

q é a carga elétrica, medida em Coulomb C.

Potências elétricas nos geradores elétricos

A potência elétrica nos geradores elétricos é uma grandeza física que mede o quanto de energia um gerador elétrico consegue transformar em energia elétrica por segundo. Nos geradores elétricos temos a potência elétrica útil, a potência elétrica dissipada e a potência elétrica total.

A potência elétrica útil, ou potência ativa, é a potência elétrica que será utilizada pelo circuito elétrico para transformar as outras formas de energia em energia elétrica. Ela pode ser calculada através da fórmula:

\(P_U=∆U\cdot i\)

P_U é a potência elétrica útil, medida em Watt [W].

∆U é a diferença de potencial elétrico, também chamada de variação de tensão elétrica, medida em Volt [V].

i é a corrente elétrica, medida em Ampére [A].

A potência elétrica dissipada, ou potência reativa, é a potência elétrica que não será utilizada pelo circuito elétrico para transformar as outras formas de energia em energia elétrica. Ela pode ser calculada através da fórmula:

\(P_D=R\cdot i^2\)

P_D é a potência elétrica dissipada, medida em Watt [W].

R é a resistência elétrica, medida em Ohm [Ω].

i é a corrente elétrica, medida em Ampére [A].

A potência elétrica total, ou potência elétrica aparente, é a soma da potência elétrica útil com a potência elétrica dissipada. Ela pode ser calculada através da fórmula:

\(P_T=P_U+P_D\)

P_T é a potência elétrica total, medida em Watt [W].

P_U é a potência elétrica útil, medida em Watt [W].

P_D é a potência elétrica dissipada, medida em Watt [W].

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Curva característica dos geradores elétricos

A curva característica dos geradores elétricos é um gráfico que indica a relação entre a tensão elétrica útil e a corrente elétrica, sendo caracterizado por uma reta decrescente, conforme a imagem abaixo:

Esse gráfico também retrata a queda de tensão elétrica no interior do gerador elétrico, que pode ser compreendida de duas formas:

• Quando a corrente elétrica formada pelo gerador elétrico for nula, temos a igualdade entre a tensão elétrica útil e a força eletromotriz, já que não haverá dissipação da energia.
• Quando a tensão elétrica útil for nula, o que ocorre ao conectar o gerador elétrico aos polos de um fio sem resistência elétrica, ou seja, conectado em curto-circuito, a força eletromotriz é dada pelo produto entre a resistência interna e a corrente elétrica de curto-circuito. Com isso, podemos calcular a resistência interna do gerador elétrico, dada pela fórmula:

\(r=\frac{\varepsilon}{i_{cc}}\)

U é a tensão elétrica útil, também chamada de potencial elétrico, medida em Volt [V].

ε é a força eletromotriz, medida em Volt [V].

r é a resistência elétrica interna do gerador elétrico, medida em Ohm [Ω].

i_cc é a corrente elétrica de curto-circuito, medida em Ampére [A].

Exercícios resolvidos sobre geradores elétricos

01) (Uerj) Observe o gráfico, que representa a curva característica de operação de um gerador:

Com base nos dados, a resistência interna do gerador, em Ohm, é igual a:

a) 1,0

b) 3,0

c) 4,0

d) 6,0

Resolução:

Alternativa B.

Calcularemos a resistência interna do gerador elétrico através da 1ª lei de Ohm:

\(R=\frac{U}{i}\)

\(R=\frac{24}{8}\)

\(R=3\ \mathrm{\Omega}\)

02) (UEA - SIS) A força eletromotriz de determinado gerador é 20 V. Quando conectado a um circuito que lhe requisita uma corrente elétrica de intensidade 2 A, a tensão medida entre seus terminais é de 16 V.

Desse modo, a resistência interna desse gerador é

a) 0,5 Ω.

b) 1,0 Ω.

c) 2,0 Ω.

d) 4,0 Ω.

e) 8,0 Ω.

Resolução:

Alternativa C.

Calcularemos a resistência interna do gerador elétrico através da equação dos geradores elétricos:

\(U=\varepsilon-r\cdot i\)

\(16=20-r\cdot2\)

\(16-20=-r\cdot2\)

\(-4=-r\cdot2\)

\(4=r\cdot2\)

\(r=\frac{4}{2}\)

\(r=2\ \mathrm{\Omega}\)

Fontes

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Eletromagnetismo (vol. 3). Editora Blucher, 2015.

SAMPAIO, José Luiz; CALÇADA, Caio Sérgio. Universo da Física: Ondulatória. Eletromagnetismo, Física Moderna. São Paulo: Atual, 2005.