O que é corrente alternada?

Transcrição

1 1 O que é corrente alternada? Corrente Contínua (CC ou DC-direct current) versus Corrente Alternada (CA ou AC-alternating current) A figura ao lado mostra um diagrama esquemático de um circuito básico de corrente contínua: uma fonte que fornece a energia elétrica e uma carga que funciona consumindo esta energia elétrica. A fonte pode ser uma bateria química, um gerador mecânico ou qualquer dispositivo que seja uma fonte contínua de energia elétrica. A carga pode ser uma lâmpada, um aparelho elétrico ou eletrônico que consuma continuamente a energia elétrica fornecida. Na figura a fonte é representada por uma bateria (V) e a carga por uma resistência (R). Neste circuito, com esta configuração, elétrons recebem energia da fonte, deixam seu terminal negativo e viajam pelo circuito (seta azul) passando pela carga transferindo a ela parte de sua energia e retornando ao terminal positivo, para continuamente completar o ciclo enquanto o circuito permanecer. A este movimento de cargas chamamos de corrente elétrica (I). Por convenção indicamos a corrente elétrica pelo movimento das cargas positivas (seta vermelha) Considere agora o mesmo circuito com uma pequena diferença, como mostrado ao lado: agora a fonte de energia está constantemente trocando sua polaridade. Ela começa com o terminal positivo na parte superior e o negativo embaixo, movendo os elétrons como no primeiro circuito (setas cheias). Entretanto, com o passar do tempo a voltagem começa a diminuir e eventualmente reverte a polaridade. Agora a corrente flui no sentido inverso (setas segmentadas). O ciclo repete-se então indefinidamente e como resultado a corrente no circuito reverte sua direção repetidamente. Esta é a chamada corrente alternada. A energia elétrica fornecida comercialmente nas residências é do tipo alternada e muitos de nossos dispositivos elétricos não fazem distinção entre corrente contínua ou alternada. Lâmpadas incandescentes se acendem independente da direção da corrente. Outros dispositivos são sensíveis ä direção do fluxo da corrente e geralmente possuem internamente dispositivos para transformar a energia alternada fornecida pela energia contínua.

2 2 Fontes de tensão alternada Um gerador de tensão alternada simples é uma bobina (anel condutor) imersa em um campo magnético B que gira com freqüência angular ω. Geradores de tensão alternada são variações mais completas desta configuração simples. Enquanto gira, o fluxo do campo magnético que atravessa a bobina é: =. = = + Nestas condições, uma força eletromotriz ε será induzida nas extremidades do anel, como determinado pela Lei de Faraday: = = += += + O valor do ângulo de fase δ e determinado pelas condições iniciais. Por comodidade nas operações matemáticas, é interessante definir as condições iniciais de modo que o ângulo de fase seja nulo e assim faremos: = Propriedades da corrente alternada Uma fonte de tensão contínua, como uma bateria, fornece uma voltagem constante ao longo do tempo, como mostrado na figura ao lado. Enquanto as reações químicas que ocorrem na bateria suportarem, a tensão permanecerá constante. Em qualquer fonte CC a tensão sempre permanecerá constante. Em contraste, em uma fonte CA a amplitude muda constantemente e regularmente troca de polaridade, como mostrado ao lado. A troca é suave e regular, repetindo indefinidamente numa sucessão de ciclos, numa forma senoidal. Como as mudanças são tão regulares, a voltagem e a corrente alternada possuem uma série de propriedades associadas a esta particular forma de onda. Estas propriedades básicas são: Freqüência. Uma das mais importantes propriedades de qualquer forma de onda regular. Identifica o número de vezes que um ciclo se completa num

3 determinado período de tempo. No SI a unidade de tempo é o segundo de modo que a freqüência de uma onda é comumente medida em ciclos por segundo ou Hertz (Hz) e representada pela letra f. No Brasil e em muitos outros países a tensão alternada fornecida comercialmente é de 60 Hz. Em alguns países da Europa o sistema de fornecimento de energia funciona na frequência de 50 Hz. Período. É o tempo necessário para se completar um ciclo de uma forma de onda. É, portanto, o inverso da freqüência. O período é então medido em segundos (s). Uma onda de 50 Hz terá, portanto um período de 1/50 =0.02 s. Para a frequência de 60 Hz o período será 1/60 = s. Esses valores são frequentemente expressos como 20 ms ou ms respectivamente, onde 1 ms é 1 milissegundo = segundo (1/1000 s). Comprimento de onda. Porque uma onda se move fisicamente no espaço simultaneamente à sua evolução no tempo, podemos estar interessados em saber quanto uma onda se move no tempo de um ciclo. Isto depende obviamente da velocidade com que a onda se move. Sinais elétricos viajam pelos fios praticamente na velocidade da luz que é com boa aproximação dada por m/s, e representada matematicamente pela letra 'c.' Sabendo a freqüência da onda podemos efetuar a divisão de c/f para obter em metros a grandeza que queremos. A letra grega λ (lambda) é usada para representar o comprimento de onda. Então λ = c/f, como mostrado na figura. O comprimento de onda pode ser medido de qualquer parte do ciclo até o mesmo ponto do próximo ciclo. Amplitude. Outra grandeza que queremos saber é quanto positiva ou negativa é a voltagem, com respeito a alguma referencia neutra. Em corrente contínua é fácil: a voltagem é constante. O valor medido a qualquer momento é sempre o mesmo. Em corrente alternada a tensão muda constantemente. Matematicamente, a amplitude de uma onda senoidal é o valor da função no seu ponto de máximo valor. Entretanto, é mais comum nos referirmos a um sistema de tensão alternada pelo seu valor de voltagem ou corrente efetiva. Este é o valor que efetivamente gera o mesmo trabalho se a energia fosse fornecida na forma CC. Neste momento não vamos derivar matematicamente esta grandeza, vamos simplesmente afirmar que, para uma onda senoidal o valor efetivo é simplesmente o valor de pico multiplicado por 0,707 (1/ 2). Então, quando dizemos que temos uma linha de 120 volts, estamos nos referindo à voltagem efetiva e não ao valor de pico que é próximo de 170 volts. A voltagem efetiva é também conhecida como voltagem rms. No trabalho com energia elétrica AC, as propriedades mais importantes são freqüência e amplitude, e geralmente os equipamentos elétricos são especificados para funcionarem em valores de freqüência e amplitude ajustados aos valores da energia fornecida. Período e comprimento de onda não são grandezas importantes neste contexto. 3

4 4 Porque usar corrente alternada? Uma vez que alguns equipamentos requerem CC para alimentá-los e outros podem facilmente operar com ambas, CC ou CA, uma questão surge naturalmente: Por que não dispensar completamente CA e alimentar tudo com CC. Esta solução é suportada pelo fato de que CA é difícil de lidar assim como de ser usada. Entretanto existe uma importante razão para mantê-la que se superpõe todas as outras considerações quando se trata de distribuição maciça de energia. Tudo se resume a uma questão de custo! CC ainda é usada em algumas aplicações comerciais. Um ótimo exemplo é o sistema de transporte público que faz uso de bondes e ônibus elétricos. Tomemos o exemplo do sistema de transporte público de São Francisco. Bondes são trens elétricos com a energia fornecida por uma linha de alimentação (fio) suspensa. Ônibus elétricos são como ônibus comuns, exceto que são movidos por motores elétricos e recebem sua energia por uma linha dupla de alimentação (2 fios) também suspensa. Em ambos os casos, operam em 600 V CC e as linhas de alimentação estão espalhadas por toda a cidade. A desvantagem é que a maioria dos dispositivos elétricos de cada bonde ou ônibus, incluindo todas as lâmpadas interiores, são comuns e requerem 110 ou 220 V. Ao mesmo tempo, entretanto, se optarmos por reduzir a voltagem de alimentação, teriamos que aumentar a corrente usada por cada bonde ou ônibus para fornecer a mesma quantidade de energia para movê-los (Potência é igual ao produto da voltagem aplicada e a corrente resultante: P=V.I). Acontece que as linhas de alimentação não são constituídas de condutores perfeitos, eles possuem alguma resistência. Irão, portanto absorver alguma quantidade de energia da corrente elétrica e dissipá-la na forma de calor, de acordo com a Lei de Joule (P=I 2.R). Agora, se reduzimos a voltagem por um fator de 5 (para 120 V), devemos aumentar a corrente por um fator de 5 para manter a mesma potência fornecida ao bonde ou ônibus. Ma a perda de energia é função do quadrado da corrente, de modo que iremos perder não 5 vezes mais energia na resistência dos fios, mas vinte e cinco vezes mais. Para minimizar esta perda teríamos que reduzir a resistência dos fios usando fios muito mais grossos e pagar uma alta soma pela quantidade extra de cobre usado. Uma solução mais barata é montar um gerador motorizado em cada bonde ou ônibus alimentado com 600 V CC e fornecendo baixa tensão para alimentar os equipamentos embarcados nos bondes e ônibus. A mesma realidade das Leis de Ohm e Joule existe nos grandes sistemas de distribuição de energia de todos os países. Precisamos manter a voltagem usada nas residências em um valor razoável e relativamente seguro, mas ao mesmo tempo precisamos minimizar as perdas na transmissão de energia sem arruinar o sistema comprando grossos fios de cobre. Ao mesmo tempo não podemos usar geradores motorizados em cada uma das casas do país; eles necessitariam de manutenção constante e mesmo assim falhariam frequentemente. Precisamos de um sistema que nos permita aumentar a voltagem (e então reduzir a corrente) para a transmissão de energia a longas distâncias e então reduzi-la para um valor seguro para a distribuição individual a casas e empresas. Alem do mais,

5 precisamos fazer isso sem usar equipamentos com partes móveis que quebram ou necessitam de manutenção. A resposta está no uso de um sistema de geradores e transformadores a CA. Transformador é um equipamento elétrico que converte CA a uma certa voltagem para CA em uma diferente voltagem, maior ou menor, com perdas insignificantes. Então podemos gerar eletricidade em CA a uma voltagem razoável para os geradores (alternadores), usar transformadores para elevar a voltagem para a transmissão de longa distância e então usar transformadores novamente para abaixar a voltagem para os valores seguros para a distribuição às casas e empresas. Na prática isto é feito em estágios. As linhas de transmissão de alta voltagem (tipicamente de a V) carregam a energia através do país pelos fios atrelados a grandes torres metálicas. Depois esta voltagem é reduzida (tipicamente entre e V) para a distribuição em pequenas regiões. Estas são a linhas elevadas no alto dos postes que você vê espalhadas pela cidade. A seguir, transformadores são instalados em alguns postes e reduzem a tensão para a distribuição individual (tipicamente 120 ou 220 V) O projeto destes sistemas minimiza o custo total da distribuição contrabalanceando os custos dos transformadores e dos fios utilizados, assim como o custo da manutenção e reparos de danos no sistema. É desta forma que o custo da eletricidade entregue na sua casa é mantido a um mínimo com um alto nível de confiabilidade no serviço (sic!). 5