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Sumário
1 1. INTRODUÇÃO
2 2. CARGAS ELÉTRICAS
3 3. CORRENTE ELÉTRICA
4 4. ELETROMAGNETISMO
4.1 4.1 Campos magnéticos .................................................................................................................... 3 4.2 4.2 Correntes e eletromagnetismo .................................................................................................................... 3 4.3 4.3 Permeabilidade .................................................................................................................... 4 4.4 4.4 Indutância .................................................................................................................... 4 4.5 4.5 Campos e forças .................................................................................................................... 5 5 5. GERADOR MECÂNICO DE ENERGIA ELÉTRICA .................................................................................................................... 6 6 6. CONCLUSÃO .................................................................................................................... 7 7 7. REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 8
1. INTRODUÇÃO
Michael Faraday, no século XIX, em um de seus experimentos usou uma espira enrolada em uma haste de ferro e dois imãs em forma de barra para demonstrar que os imãs, por si sós, podiam produzir uma corrente. Com base nas teorias sobre corrente elétrica e eletromagnetismo este trabalho tem como objetivo fazer um breve estudo sobre os temas citados e aplicá-los em uma atividade prática que será demonstrada e explicada em sala de aula.
2. CARGAS ELÉTRICAS
Um objeto tem carga negativa se nele há um número maior de elétrons e positiva se há um número menor de elétrons em relação ao número de prótons. A quantidade de carga elétrica é determinada por esta diferença entre o número de prótons e o número de elétrons. A carga elétrica de um corpo é representada pela letra Q, expresso pela unidade coulomb (C). A carga de um coulomb negativo significa que o corpo contém uma carga de 6,25 x 10 18 mais
elétrons do que prótons.
3. CORRENTE ELÉTRICA
Corrente (I) é simplesmente o fluxo de elétrons. Essa corrente é produzida pelo deslocamento de elétrons através de uma d.d.p em um condutor. A unidade fundamental de corrente é o ampère (A). 1 A é o deslocamento de 1 C através de um ponto qualquer de um condutor durante 1s. I=Q/t O fluxo real de elétrons é do potencial negativo para o positivo. No entanto, é convenção representar a corrente como indo do positivo para o negativo.
4. ELETROMAGNETISMO
Nesta equação, válida para um condutor muito longo, I é a corrente, r a distância ao centro do condutor e B é a densidade de fluxo, ou indução magnética, que representa o campo magnético. É medida em Tesla, T. Se enrolarmos um condutor, formando um indutor ou bobina, em torno de uma forma, o campo magnético no interior deste será a soma dos produzidos em cada espira, e tanto maior quanto mais espiras e mais juntas estiverem. B = 4p10-7NI / L L é o comprimento do enrolamento, e N o número de espiras, válida para núcleo de ar.
4.3 Permeabilidade
Os materiais se comportam de várias maneiras, sob campos magnéticos. Os diamagnéticos, como o alumínio e o cobre, os repelem, afastando as linhas de campo. Os paramagnéticos se comportam quase como o ar. Os ferromagnéticos concentram o campo, atuando como condutores magnéticos. A permeabilidade é a propriedade dos materiais de permitir a passagem do fluxo magnético, que é a quantidade de campo que atravessa o material. f = BA A é a área transversal ao campo do material, em m2. O fluxo é medido em Webers, Wb. Os materiais mais permeáveis são os ferromagnéticos. Eles tem permeabilidades centenas a vários milhares de vezes a do ar, e são usados como núcleos de indutores, transformadores, motores e geradores elétricos, sempre concentrando o fluxo, possibilitando grandes campos (e indutâncias). Os diamagnéticos são usados como blindagem magnética (ou às ondas eletromagnéticas), pela permeabilidade menor que a do ar, mo. mo = 4p10-7 Tm/A
4.4 Indutância
Vimos que os indutores produzem campo magnético ao conduzirem correntes. A indutância é a relação entre o fluxo magnético e a corrente que o produz. É medida em Henry, H. L = f / I Uma propriedade importante da indutância, e da qual deriva o nome, é o fato do campo resultante da corrente induzir uma tensão no indutor que se opõe à corrente, esta é chamada a Lei de Faraday. E = N df / dt N é o número de espiras do indutor, e df / dt é a velocidade de variação do fluxo, que no caso de CA é proporcional à freqüência. E é a tensão induzida, em V. É interessante observar como isto se relaciona ao conceito de reatância indutiva, a oposição à passagem de corrente pelo indutor. XL = 2 pfL L é a indutância, e f a freqüência da corrente, em Hz. A corrente alternada produz no indutor um campo, induzindo uma tensão proporcional à freqüência, que se opõe à corrente, reduzindo-a, esta é a explicação da reatância. As bobinas nos circuitos elétricos são chamadas indutores. Quando usadas para produzir campos magnéticos, chamam-se eletroimãs ou solenóides. Já dentro de máquinas elétricas (motores e geradores), fala-se em enrolamentos.
4.5 Campos e forças
Um campo magnético produz uma força sobre cargas elétricas em movimento, que tende a fazê-las girar. Quando estas cargas deslocam-se em um condutor, este sofre a ação de uma força perpendicular ao plano que contém o condutor e o campo. F = B I L senq F é a força em Newtons, L o comprimento do condutor, em m, e q o ângulo entre o condutor e as linhas do campo. É esta força que permite a construção dos motores elétricos. Nestes o ângulo é de 90º, para máximo rendimento, B é produzido pelos enrolamentos, e há N espiras (nos casos em que o rotor, parte rotativa central, é bobinado), somando-se as forças produzidas em cada uma. O núcleo é de material
Numa máquina elétrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes, a saber: o estator, conjunto de órgãos ligados rigidamente à carcaça e o rotor, sistema rígido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaça. Sob ponto dê vista funcional distinguem- se o indutor, que produz o campo magnético, e o induzido que engendra a corrente induzida.
No dínamo o rotor é o induzido e o estator é o indutor; nos alternador dá- se geralmente o contrario.
A corrente induzida produz campo magnético que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce forças contrárias à rotação do rotor; por isso em dínamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo concluímos do Princípio de Conservação da Energia: a energia elétrica extraída da máquina, acrescida de eventuais perdas, é compensada por suprimento de energia mecânica.
Abaixo temos a foto de um alternador elementar/didático onde o rotor é um ímã permanente (cuja rotação gera a variação de fluxo) e o estator é uma bobina dotada de núcleo de ferro em U. A rotação do ímã permanente é conseguida mediante um barbante que deve ser enrolado no eixo (entre as pernas do U de cobre, mancal do eixo) e a seguir puxado. A pequena lâmpada de lanterna de 1,5 V vista nessa foto poderá ser substituída por um LED (diodo emissor de luz).
Figura - alternador elementar/didático Nos alternadores de grande porte, o estator é induzido (onde se recolhe a corrente alternante) e o rotor é indutor (geralmente são eletroímãs alimentados por corrente contínua, por meio de anéis coletores).
Nos geradores tipo alternadores (como o ilustrado acima) um artifício simples permite retificar a corrente, ou seja, fazer com que fluam sempre num mesmo sentido. Nos instantes em que o fluxo de indução no rotor é máximo ou mínimo a corrente induzida é nula. Tal corrente, cuja intensidade varia periodicamente mas cujo sentido se conserva, é denominada corrente pulsante.
6. CONCLUSÃO
Com base nesses estudos realizou-se a montagem de um gerador mecânico de energia elétrica para comprovar as teorias citadas neste trabalho.
7. REFERÊNCIAS
HEWITT, Paul G. Física conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2002.
