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Gerador elétrico

Gerador elétrico é um dispositivo que consegue converter diferentes formas de energia, como energia mecânica, química e solar, em energia elétrica. O princípio de funcionamento mais comum entre os geradores é a indução eletromagnética. Esse processo ocorre quando um conjunto de espiras condutoras, dispostas no interior dos geradores, são colocadas entre ímãs, de modo que a rotação dessas bobinas possa produzir uma grande quantidade de corrente elétrica, usada para alimentar os mais variados tipos de circuitos elétricos.

Veja também: Potência e o rendimento de receptores: conceitos e fórmulas

Introdução aos geradores elétricos

Geradores elétricos são feitos para produzir energia elétrica a partir de alguma outra fonte de energia. No caso das pilhas, por exemplo, transformam a energia contida nas ligações químicas em corrente elétrica, já os reatores usados nas usinas hidrelétricas ou termoelétricas são usados dínamos, que funcionam de acordo com a lei de Faraday-Lenz.

Os geradores elétricos podem ser classificados como geradores ideais ou reais. Na prática, entretanto, nenhum gerador é ideal, ou seja, não existem geradores 100% eficientes, em todos eles, alguma parte da energia produzida será dissipada pela ação das forças de atrito e pelo efeito Joule.

Geradores reais são aqueles que apresentam uma resistência interna não-nula, esses dispositivos produzem uma diferença de potencial que é chamada de força eletromotriz (FEM) – que não se trata de uma força, mas sim de uma tensão elétrica, medida em volts, porém o nome foi mantido por razões históricas. Quando ligados a circuitos elétricos, os geradores reais não conseguem estabelecer uma diferença de potencial igual à sua FEM, a tensão produzida por eles é ligeiramente menor, nesses casos, e é chamada de tensão útil ou utilizável.

Veja também: Segunda lei de Ohm: fórmula, tabela de resistividade

A diferença entre a tensão que o gerador é capaz de produzir e a tensão que ele é capaz de entregar é a energia que ele mesmo dissipa em forma de calor, vibrações e sons, durante seu funcionamento. A medida dessa energia perdida é chamada de tensão dissipada.

O símbolo usado para denotar os geradores ideais em circuitos elétricos é mostrado na figura a seguir. Observe:

O símbolo usado para os geradores reais é mostrado a seguir, perceba que nesse tipo de gerador há a indicação de uma resistência interna:

De acordo com o sentido convencional da corrente elétrica, os geradores que se encontram ligados a circuitos elétricos devem ser percorridos do terminal de menor potencial elétrico (sinal negativo) em direção ao terminal de maior potencial elétrico (sinal positivo). Quando isso acontece, os portadores de carga da corrente elétrica estarão ganhando energia enquanto atravessam o gerador.

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Balanço de energia no gerador – equação característica

A relação entre as tensões útil, total e dissipada é descrita pela equação característica dos geradores. Trata-se de uma equação de 1º grau, em que a tensão é escrita em função da corrente elétrica. Observe essa fórmula:

U – tensão útil (V)

ε – força eletromotriz (V)

ri – resistência interna do gerador (Ω)

i – corrente elétrica (A)

Curva característica dos geradores

A curva característica dos geradores é um gráfico que relaciona a tensão útil com a corrente elétrica. Trata-se de uma reta descendente, como é mostrado a seguir:

icc – corrente de curto-circuito

O gráfico mostra duas medidas particulares ε e icc. A força eletromotriz (ε) mede o máximo potencial elétrico que o gerador é capaz de produzir. Esse valor, entretanto, só é obtido quando o gerador está desconectado do circuito, de modo que nenhuma energia seja dissipada pela passagem de corrente elétrica.

Veja também: Fórmulas de Física para usar na prova do Enem

A corrente de curto-circuito, por sua vez, mede a máxima corrente elétrica que pode ser produzida pelo gerador, para tanto, é necessário que os terminais do gerador sejam diretamente conectados por um fio condutor. Esse tipo de ligação é conhecida como curto-circuito, uma vez que a corrente elétrica não passa através dos elementos do circuito elétrico.

A curva característica dos geradores é particularmente útil quando se deseja descobrir qual é a resistência interna de um gerador, nesse caso, basta que a força eletromotriz (ε) seja dividida pela corrente de curto-circuito, como mostrado na fórmula a seguir:

Potências no gerador

A potência de um gerador é a medida de quanta energia ele é capaz de converter em energia elétrica a cada segundo. A grandeza potência é definida pela razão entre energia, em joules, e tempo, em segundos, desse modo, é medida em joules por segundo, também conhecida como watts (W).

Assim como ocorre no potencial elétrico, os geradores apresentam uma potência total, uma potência útil e uma potência dissipada, para obtê-las, basta multiplicarmos os dois lados da equação característica dos geradores pela corrente elétrica i, confira:

PT – potência total (W)

PU – potência útil (W)

PD – potência dissipada (W)

Rendimento do gerador

O rendimento do gerador é uma grandeza adimensional usada para determinar quão eficiente um gerador é em fornecer energia elétrica. O rendimento é calculado pela divisão entre a tensão útil e a força eletromotriz ou pela divisão entre a potência útil e a potência total. Confira:

η – rendimento do gerador

Depois de fazer a divisão entre as grandezas citadas, é possível multiplicar o resultado obtido por 100, para expressar o rendimento do gerador na forma de porcentagem.

Geradores elétricos são dispositivos usados para produzir energia elétrica.

Exercícios resolvidos

Questão 1) Um gerador de força eletromotriz igual a 12,0 V e resistência interna de 0,5 Ω é atravessado por uma corrente elétrica de 4,0 A. O rendimento aproximado desse gerador, para essa intensidade de corrente elétrica é de:

a) 57 %

b) 83 %

c) 62 %

d) 75 %

e) 93 %

Resolução

Alternativa b. Antes de calcularmos o rendimento desse gerador, é necessário descobrirmos qual é a sua tensão útil, para tanto, usaremos a equação característica dos geradores, veja como:

Uma vez que a tensão útil do gerador foi determinada, basta dividi-la pela força eletromotriz e multiplicar o resultado por 100, fazendo isso, encontramos um rendimento de aproximadamente 83%.

Questão 2) Uma pilha tem força eletromotriz de 1,7 V, no entanto, estabelece uma tensão de 1,5 V quando ligada a um circuito. Sabendo que a resistência interna dessa pilha é de 0,25 Ω, calcule a potência dissipada pela resistência dessa pilha.

a) 0,16 W

b) 0,5 W

c) 6,0 W

d) 12,0 W

e) 8,0 W

Gabarito: Letra A

Resolução

Alternativa a. Para calcularmos a potência dissipada, precisamos conhecer tanto a resistência da pilha quanto a corrente que a atravessa, portanto, por meio da equação característica dos geradores, vamos encontrar o valor da corrente elétrica:

Depois de termos calculado a corrente elétrica, bastou utilizar a fórmula da potência dissipada (P = Ri²), desse modo, obtivemos uma potência dissipada de 0,16 W. 

Publicado por: Rafael Helerbrock
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Lista de Exercícios

Questão 1

(UFAL) Comumente denomina-se gerador qualquer aparelho no qual a energia química, mecânica ou de outra natureza é transformada em energia elétrica. A curva característica é o gráfico que relaciona a intensidade de corrente i no gerador com a diferença de potencial (ddp) U entre seus terminais. Considerando que o gráfico a seguir representa a curva característica de um gerador hipotético, qual a intensidade da corrente de curto-circuito desse gerador?

a) 0,15 A.

b) 1,5 A.

c) 15 A.

d) 30 A.

e) 32 A.

Questão 2

(UEFS BA) O gerador elétrico é um dispositivo que fornece energia às cargas elétricas elementares, para que essas se mantenham circulando. Considerando-se um gerador elétrico que possui fem ε = 40,0V e resistência interna r = 5,0 Ω, é correto afirmar que

a) a intensidade da corrente elétrica de curto circuito é igual a 10,0A.

b) a leitura de um voltímetro ideal ligado entre os terminais do gerador é igual a 35,0V.

c) a tensão nos seus terminais, quando atravessado por uma corrente elétrica de intensidade i = 2,0A, é U = 20,0V.

d) a intensidade da corrente elétrica que o atravessa é de 5,6A, quando a tensão em seus terminais é de 12,0V.

e) ele apresenta um rendimento de 45%, quando atravessado por uma corrente elétrica de intensidade i = 3,0A.

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