Geradores de Energia Elétrica II

Em um outro artigo aqui no blog, Geradores de Energia Elétrica I, foi abordado os diversos tipos de geradores. Lá também foi abordado de como a capacidade de fornecimento de energia de um gerador pode ser calculada em função de sua força eletromotriz e de sua resistência interna. No entanto, há ainda mais para vermos sobre geradores.

Saber como um gerador de energia se comporta em diversas condições de funcionamento; o que acontece quando ele não está fornecendo energia; o que ocorre numa condição especial denominada curto-circuito e como os geradores podem ser associados para aumentar sua capacidade de fornecimento de energia são assuntos deste artigo.

O objetivo deste artigo será transmitir informações sobre:

• o que acontece com um gerador quando ele não fornece energia;
• o que é a condição de curto-circuito;
• como interpretar gráficos que descrevem o funcionamento de um gerador;
• cálculos de circuitos com geradores;
• como ligar geradores em conjunto;
• quanta energia um gerador pode fornecer.

Condições de Funcionamento

Os geradores, quando fornecem energia, dissipam calor internamente, devido à sua resistência interna, e também têm uma capacidade limitada de fornecer energia a um receptor. Duas situações-limite caracterizam o funcionamento de um gerador: circuito aberto e curto-circuito.

Circuito Aberto

Dizemos que um gerador está na condição de operação em circuito aberto quando ele não está fornecendo energia a um circuito externo, conforme mostra a figura abaixo.

Circuito aberto

Nestas condições, a diferença de potencial (U) que encontramos entre seus terminais é igual à força eletromotriz (E). Podemos então escrever que:

U = E

Curto-Circuito

A outra condição extrema que ocorre no funcionamento do gerador é quando ele fornece energia a um receptor cuja resistência é nula (ou seja, um receptor que tenha o pólo positivo diretamente ligado ao pólo negativo, através de um condutor de resistência desprezível), conforme mostra a figura abaixo.

Curto-circuito

Nestas condições, dizemos que ocorre um curto-circuito. A corrente que circula pelo circuito é limitada apenas pela resistência interna do gerador, e toda a energia envolvida no processo converte-se em calor no próprio gerador. Esta corrente pode ser calculada pela fórmula.

Io = E / r

Onde:
Io é a corrente de curto-circuito;
E é a força eletromotriz do gerador;
r é a resistência interna do gerador.

Evidentemente, a tensão que encontramos entre os pólos do gerador nessa condição é nula.

A condição de curto-circuito deve ser evitada por diversos motivos. O primeiro desses motivos diz respeito ao fato de os geradores normalmente possuírem resistências internas muito baixas. Na condição de curto-circuito, uma corrente muito intensa circula pelos condutores que unem os pólos. Se estes condutores fizerem parte de uma instalação elétrica, por exemplo, a corrente pode ser suficiente para destruí-los pelo aquecimento.

O segundo motivo é o calor gerado no próprio gerador de energia (devido a sua resistência interna), que também pode causar sua destruição. Colocar em curto pilhas de resistências internas muito baixas (por exemplo, as de Nicad ou mesmo as alcalinas) pode fazer com que elas gerem calor suficiente para explodirem.

Na figura abaixo, ilustramos uma condição de curto-circuito característica de quando, numa instalação elétrica, os fios que alimentam uma carga encostam, ou é ligado, um no outro, de modo que a resistência entre os pólos do gerador passa a ser praticamente nula.

Curto-circuito de fio

Obs.: a condição de curto-circuito é prejudicial, tanto para a integridade das instalações alimentadas por geradores, quanto para os próprios geradores. Na prática industrial, em que estão envolvidas correntes muito intensas, um gerador operando em curto pode, por exemplo, causar incêndios, explosões ou danificar de modo irreversível instalações e equipamentos. Em contexto doméstico, pode causar sérios danos a uma instalação não protegida.

Curva Característica

Entre as duas condições extremas indicadas, o gerador pode entregar energia a um circuito externo, estabelecendo nele tensões que dependem justamente de sua resistência interna e da resistência externa do circuito alimentado.

É comum que se represente o comportamento dos diversos dispositivos elétricos, como fizemos no caso do resistor em um outro artigo aqui no blog, em Resistência Elétrica, através de gráficos. Com o gráfico, podemos traçar a curva característica do gerador, com base no que vimos até agora.

No eixo vertical, é marcado a tensão (U) que o gerador apresenta entre seus pólos, nas diversas condições possíveis de funcionamento. No eixo horizontal, marcamos as correntes correspondentes (I) que o gerador faz circular pelo circuito alimentado.

Sabemos então, que no ponto em que a corrente é zero, a tensão entre os pólos é igual à força eletromotriz. Podemos marcar este ponto como E no eixo vertical. Por outro lado, sabemos que, quando a tensão é nula (curto-circuito), a corrente será máxima, ou Io.

Unindo os dois pontos por uma linha reta, obtemos a curva característica do gerador, mostrada na figura abaixo.

Curva característica do gerador

Trabalhando com a Curva Característica

Vamos supor que tenhamos um gerador com força eletromotriz E = 10 volts e resistência interna de 5 ohms. A corrente de curto-circuito deste gerador será Io = 10/5 = 2 ampères.

O gráfico deste gerador é o mostrado na figura abaixo.

Curva do gerador 2

Veja que podemos facilmente descobrir pelo gráfico que, quando o gerador está fornecendo uma corrente de 1 ampère a um circuito externo, a tensão em seus terminais é de 5 volts.

É possível obter muitas informações sobre um gerador, simplesmente a partir de sua curva característica.

Lei de Pouillet

O comportamento de dispositivos elétricos nos circuitos é regido por leis. É este o caso das condições de funcionamento dos geradores, que analisamos na primeira parte deste artigo.

A Lei de Pouillet, que vamos ver agora, nos permite calcular exatamente o ocorre num circuito simples alimentado por um gerador. É chamado de circuito simples aquele no qual circula uma única corrente conforme mostrado na figura abaixo.

Circuito simples

Observe que este circuito tem apenas um gerador, que produz energia elétrica, e um receptor, que converte esta energia elétrica em alguma outra forma de energia. No caso, temos um resistor R, no qual circula apenas uma corrente I.

A Lei de Pouillet estabelece que a corrente (I) neste circuito depende da resistência interna do gerador (r), da resistência do receptor ( R ) e da força eletromotriz do gerador (E), podendo ser calculada pela seguinte fórmula:

I = E / (R + r)

Exemplo: calcular a corrente que circula no circuito da figura abaixo, e a tensão U aplicada ao resistor.

Circuito cálculo lei de pouillet

Solução:
Cálculo da corrente
Aplicando a Lei de Pouillet:

I = E / (R + r)
I = 12 / (5 + 1)
I = 12 / 6
I = 2 ampères

Cálculo da tensão U

U = R . I
U = 5 . 2
U = 10 Volts

Recordando o que foi visto neste artigo temos:

• Na condição de circuito aberto, a tensão nos terminais de um gerador é igual à sua força eletromotriz.
• Na condição de curto-circuito, a tensão entre os terminais é nula e a corrente máxima.
• A condição de curto-circuito deve ser evitada.
• A corrente de curto-circuito é calculada dividindo-se a força eletromotriz pela resistência interna.
• A curva característica de um gerador é uma reta.
• A curva característica do gerador intercepta o eixo vertical no valor da fem.
• A curva característica de um gerador intercepta o eixo horizontal no valor da corrente de curto-circuito (Io).
• A corrente num circuito simples pode ser calculada pela Lei de Pouillet.
• Também podemos calcular a tensão que aparece sobre o receptor.
• A tensão no receptor cai à medida que a intensidade da corrente aumenta.

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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica