3º D - semana de 06/07 A 10/07 - Física

Habilidade: Explicar o funcionamento de motores e geradores elétricos e seus componentes e os correspondentes fenômenos e interações eletromagnéticos;

Conteúdo: Geradores

Atividade postada no blog professoraabud.blogspot.com e no Discord.

Enviar os exercícios respondidos até 17/07/20

Geradores

Geradores Elétricos e Força Eletromotriz

Geradores elétricos são dispositivos que convertem energia mecânica, química ou, até mesmo. solar em energia elétrica. A energia produzida por geradores pode ser usada para alimentar circuitos elétricos. Veja abaixo alguns exemplos de geradores:

 Pilhas

→  Baterias

→ Geradores movidos a óleo diesel

→ Usinas hidrelétricas

→ Usinas solares (placas fotovoltaicas)

→ Usinas eólicas

→ Usinas nucleares

O fenômeno utilizado por alguns dos geradores acima para transformar energia mecânica em elétrica é chamado de indução eletromagnética. Esse processo consiste em mudar o fluxo de campo magnético sobre uma espira condutora, promovendo, assim, o surgimento de uma corrente elétrica alternada.

As placas fotovoltaicas, por sua vez, são capazes de transformar a energia presente nas ondas eletromagnéticas em energia elétrica por meio do efeito fotoelétrico.

Força eletromotriz

A força eletromotriz (FEM) corresponde a todo o potencial elétrico que pode ser produzido por um gerador. Ao ser ligado em um circuito, parte da energia gerada é dissipada em forma de calor em decorrência da formação de uma corrente elétrica em seu interior. Esse fenômeno, chamado de efeito Joule, ocorre porque os geradores apresentam certa resistência interna, logo, não há gerador perfeito.

A força eletromotriz também pode ser compreendida como a quantidade de energia potencial elétrica que os geradores fornecem a cada unidade de carga elétrica:
 

Podemos calcular a força eletromotriz produzida por um gerador por meio da seguinte equação:
 

E – força eletromotriz [V]
U – tensão elétrica utilizável [V]
r_i – resistência interna do gerador [Ω]
i – corrente elétrica [A]

A equação acima sugere que parte da energia produzida por um gerador (E) é utilizada para ligar dispositivos eletroeletrônicos (U), e outra parte é dissipada (r_i.i). Por meio da equação da força eletromotriz, é possível deduzir a equação característica dos geradores, que nos fornece a tensão utilizável (U_U) por um circuito alimentado por um gerador real:
 

Representação do gerador no circuito

Os geradores costumam ser representados em circuitos, cujo esquema é apresentado a seguir:
 

Nos geradores, a corrente elétrica (no sentido convencional) sempre deve fluir do menor para o maior potencial elétrico, demonstrados pela barra pequena (-) e pela barra grande (+), respectivamente. Essa representação indica que a corrente elétrica ganha energia ao passar pelo gerador. A resistência r_i mostrada no circuito é a resistência interna do gerador.

Curva característica dos geradores

A curva característica dos geradores é uma reta descendente no primeiro quadrante do plano cartesiano. Representa a queda de tensão dentro do gerador e pode ser entendida da seguinte maneira:

1. Se a corrente formada pelo gerador for nula (i = 0), então nenhuma energia será dissipada. Logo, toda a tensão produzida será a própria força eletromotriz (U = E).
2. Se o gerador for ligado em curto-circuito, conectado diretamente aos terminais positivo e negativo por um fio sem resistência, será produzida a máxima corrente possível. Se esse gerador estiver ligado em um circuito e produzir tal corrente, sua resistência interna consumirá toda a energia produzida. Dessa forma, o potencial estabelecido pelo gerador será nulo (U = 0). Observe:
    

E – força eletromotriz [V]
r_i – resistência interna do gerador [Ω]
i_cc – corrente elétrica de curto-circuito[A]

Por meio da 1ª lei de Ohm, podemos utilizar a informação contida na curva característica dos geradores para calcular sua resistência interna. Observe:
 

Veja também: Lei de Ohm

Potência elétrica nos geradores

Potência elétrica é uma grandeza escalar medida, geralmente, em watts (ou em unidades derivadas). Representa a taxa de variação da energia elétrica em função do tempo. Nos geradores, há três tipos de potência elétrica:

• Potência elétrica total: corresponde a toda a potência elétrica produzida pelos geradores. É dada pela equação:
   

• Potência elétrica utilizável: potência elétrica disponível para o circuito elétrico. Pode ser calculada por meio da seguinte equação:
   

• Potência elétrica dissipada: potência elétrica consumida pelo efeito Joule em virtude da passagem de corrente elétrica pela resistência interna dos geradores.
   
  

Portanto, o balanço de energia nos geradores pode ser sintetizado pelas seguintes equações:
 

Rendimento dos geradores

O rendimento dos geradores é uma grandeza física adimensional que indica a capacidade do gerador em transformar alguma forma de energia em energia elétrica. O rendimento dos geradores é dado pela razão entre o potencial elétrico útil e sua força eletromotriz:

  

Exercícios da apostila

1) Leia a notícia abaixo:

 Carros híbridos A fabricação e venda de carros elétricos, ou híbridos, tem aumentado significativamente no Brasil nos dois últimos anos e são uma alternativa sustentável para o meio ambiente. Alguns dos benefícios do uso dos carros citados são a redução dos níveis de poluição ambiental, diminuição da poluição sonora e a preservação de fontes importantes de recursos naturais do planeta.Existem modelos movidos exclusivamente por eletricidade e os híbridos, que misturam combustíveis e eletricidade. Um carro híbrido normalmente possui um motor a combustão, alimentado por gasolina, e um motor elétrico, cujo funcionamento se baseia na indução eletromagnética. A função do motor elétrico é auxiliar o motor a combustão, reduzindo o consumo de combustível. Quando o veículo está em baixa velocidade, o motor elétrico é acionado; já em altas velocidades, é o motor a combustão que entra em ação. Para aumentar a eficiência dos carros híbridos, é utilizada a frenagem regenerativa. Nesse tipo de mecanismo, parte da energia cinética que seria dissipada ao meio ambiente em forma de energia térmica, devido ao atrito dos freios durante a frenagem em um veículo convencional, é transformada em energia elétrica e armazenada nas baterias. Texto adaptado. Fonte: Martins, Ana Claudia C. - 3° Série do Ensino Médio. vol. 1. São Paulo: São Paulo faz Escola.© Ana Martins Fonte: Pixabay 

 a) De acordo com o texto, a energia elétrica pode ser gerada a partir da transformação da energia cinética. Como isso é possível?

 b) É correto dizer que um gerador produz energia elétrica? Explique. 

2) Pesquise e projete um gerador caseiro que possa acender um led através da energia mecânica.(na última aula eu postei um vídeo sobre isso)

Descreva como seria montado, quais materiais seriam necessários e quais os conceitos físicos estão envolvidos em seu projeto. 

Para pesquisar: Busque informações sobre como funcionam os “aerogeradores” e qual é o impacto de seu uso na geração de energia elétrica.



Abaixo tem vídeos explicando a física dos geradores

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