EXPERIÊNCIA 3 POTÊNCIA ELÉTRICA E GERADORES DE TENSÃO

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1 EXPEÊNCA 3 PTÊNCA ELÉTCA E GEADES DE TENSÃ 1 NTDUÇÃ TEÓCA A tensão elétrica V é definida como sendo a energia necessária para mover a carga elétrica Q, entre dois pontos de um meio condutor. E V Q E V. Q A energia dividida pelo tempo tem a dimensão de potência. Dividindo ambos os lados da igualdade por t, temos: E V. Q t t E Q P Como t ( P potência) e t (corrente elétrica), substituindo na equação acima, se tem: P V. A unidade de potência no Sistema nternacional de Unidades é watt (W). Substituindo V. na equação da potência P V., então: V P P. ou Nos resistores e outros dispositivos utilizados em eletrônica, devido à passagem da corrente elétrica e da existência de tensão entre seus terminais, há a dissipação de potência produzindo calor (efeito joule). resistor é utilizado em algumas aplicações como dispositivo de aquecimento, em chuveiros e aquecedores. Devido à produção de calor, o resistor deve suportar o aquecimento sem se danificar, dentro de seus limites de operação, sendo a dissipação de potência uma de suas especificações mais importantes. tamanho do resistor é um indicador da potência de um resistor. Em geral, quanto maior o tamanho do resistor de certo tipo, maior será sua capacidade de dissipação de potência em watts (W ). 1.1 ENEGA ELÉTCA Como P E t então: E P. t. Substituindo P. na equação anterior, tem-se: E.. t expressão que permite o cálculo da energia dissipada numa carga de resistência, percorrido por uma corrente,

2 durante um intervalo de tempo t. Num resistor, a energia elétrica dissipada, transforma-se em energia térmica (calor). A transformação de energia elétrica em calor é conhecida como efeito joule. A unidade de energia elétrica é W. s (watt.segundo) equivalente a J (joule), mas, é comum também o uso de kw. h (quilowatt.hora). 1. WATTÍMET Existem instrumentos específicos para medidas de potência, denominados de wattímetros. A figura a seguir mostra um multímetro com a função de medidor de potência. 1.3 GEADES ELÉTCS Geradores elétricos ou fontes de tensão são dispositivos que transformam algum tipo de energia em energia elétrica sendo, portanto considerados elementos ativos dos circuitos elétricos. São os geradores ou fontes de tensão que produzem a diferença de potencial necessária ao funcionamento dos circuitos elétricos e eletrônicos. s geradores podem ser de diversos tipos de acordo com a transformação da energia realizada. A seguir, exemplos de geradores. bateria - transforma a energia química em energia elétrica. dínamo - transforma a energia mecânica em energia elétrica. 1.4 GEAD DE TENSÃ DEAL Um gerador (fonte) de tensão ideal possui resistência interna nula, e o resultado disso é que sempre fornece tensão constante ao circuito, independente da corrente. Essa tensão, denominada força eletromotriz é constante para qualquer corrente exigida pela carga. símbolo e a curva característica do gerador ideal são mostrados na figura a seguir. 1.5 GEAD DE TENSÃ EAL As fontes de tensão reais apresentam uma resistência interna não nula e a consequência disso é que a tensão de saída depende da resistência de entrada do circuito. Haverá uma perda interna e, portanto a tensão de saída não será constante. Na figura a seguir, representa a resistência de carga equivalente de um circuito.

3 A tensão V entre os pontos A e B é determinada da seguinte forma: V +. i V. i A equação acima é a equação característica ou equação da reta de carga da fonte de tensão. A representação gráfica é a curva característica da fonte. A tensão V diminui com o aumento da corrente. Para V 0 a corrente será a de curto circuito denominada CC. Na condição de curto circuito com V 0, tem se que: CC 0 i. CC A corrente de curto circuito e a resistência interna do gerador podem ser obtidas experimentalmente a partir da curva característica do gerador como é mostrado a seguir. A resistência interna é obtida com a tangente do ângulo α, isto é, V i tgα i sabendo-se que. A corrente de curto circuito, portanto CC pode ser determinada: 1.6 MÁXMA TANSFEÊNCA DE PTÊNCA As fontes (geradores) de tensão reais apresentam uma resistência interna não nula e a consequência disso é que a tensão de saída depende da resistência de entrada do circuito. Haverá uma perda interna e, portanto a tensão de saída não será constante. No circuito mostrado a seguir, representa a resistência de carga equivalente de um circuito. A tensão V entre os pontos A e B é determinada da seguinte forma: V. i A perda de potência interna de um gerador real faz com que a tensão de saída diminua de valor com o aumento da corrente.

4 Com uma análise de potência, pode-se dizer que a potência útil transferida para carga é igual à potência gerada menos a potência perdida internamente. PU PG PD onde: V. P G. P D. i (potência útil) (potência gerada) (potência dissipada) Substituindo na equação, as potências definidas, temos: PU.. A equação da potência útil é uma função do segundo grau, onde e são parâmetros constantes. A potência e a corrente são variáveis em função da carga. A figura a seguir mostra a curva de potência do gerador. Como P U.. PU.(. ), então: 0 para 0 ou para i. 0 De onde resulta: CC (corrente de curto circuito) A parábola é uma figura simétrica e, portanto a potência será máxima quando a corrente for igual à metade do valor da corrente de curto circuito, isto é: CC. Para determinação da potência máxima, substituímos na equação da potência útil a expressão..... E P Umáx i PUmáx PUmáx Substituindo na equação do gerador a expressão da corrente por, obtém-se a tensão no ponto de máxima potência, V. V.. V i Portanto, para o gerador na condição de máxima potência, a tensão V de saída será e a corrente.. Através desses parâmetros pode-se estabelecer o valor da carga.

5 L V L. L Para máxima transferência de potência de um gerador, a carga deve ter um valor igual ao da resistência interna do gerador (fonte). rendimento η é a razão entre a potência útil e a potência gerada. PU η V. η P η V G. Para a condição de máxima transferência de potência o rendimento será: BJETVS V η η 1 η Determinar a potência produzida no circuito através de medidas de tensão e corrente; Verificar o efeito joule; Determinar experimentalmente a resistência interna, a força eletromotriz e a corrente de curto circuito de um gerador; Construir a curva característica da potência do gerador de tensão. 3 DESENVLVMENT 3.1 MATEAL UTLZAD Fonte de tensão ajustável; Multímetros digitais; Painel de conexões; Jumpers do painel de conexões; esistores de 100 Ω de potência; esistores de.kω, 1 kω, 80 Ω, 680 Ω, 560 Ω, 470 Ω, 330 Ω, 70 Ω, 0 Ω, 180 Ω ; esistores de 10 Ω, 8 Ω, 68 Ω, 56 Ω, 47 Ω, 33 Ω, Ω, 10 Ω ; Cabos com pino banana e jacaré.

6 3. PCEDMENT EXPEMENTAL 3..1 Potência elétrica 1. Monte o circuito mostrado na figura a seguir no painel de conexões. resistor deverá ser de 5W potência.. Verifique o aquecimento produzido aproximando um termômetro ao resistor. bs.: Cuidado, não encoste a mão no resistor! 3. A partir de zero, varie a tensão da fonte de acordo com os passos indicados na tabela. Para cada valor, meça a corrente e a tensão utilizando o multímetro como amperímetro e voltímetro, respectivamente. Anote os valores na tabela. V (V ) (A) V (V ) (A) 4. Com os dados obtidos construa o gráfico da potência em função da corrente P f (). 3.. Geradores elétricos 5. Monte o circuito representado na figura a seguir no painel de conexões. resistor 100Ω representará a resistência interna da fonte, que na realidade tem o valor muito baixo e, portanto comporta-se na prática como ideal em sua faixa de operação. 6. Ajuste a fonte de tensão para fornecer 5V desconectada do circuito. 7. Utilize os resistores fixos de diferentes valores em V. Para cada valor indicado na tabela a seguir meça o valor da tensão e da corrente. Anote os valores: V (Ω).k 1k (ma)

7 8. Ajuste a fonte de tensão para fornecer 10V desconectada do circuito. 9. epita o procedimento experimental do item 8. V (Ω).k 1k (ma) 10. Com os dados obtidos em cada circuito, construa as curvas características da fonte de tensão respectiva. 11. Determine a resistência interna e a corrente de curto circuito para cada circuito Máxima transferência de potência 1. Monte o circuito representado na figura a seguir. resistor 100Ω representará a resistência interna da fonte, que na realidade tem o valor muito baixo e, portanto comporta-se na prática como ideal em sua faixa de operação. 13. Ajuste a fonte de tensão para fornecer 10V desconectada do circuito. 14. Utilize os resistores fixos de diferentes valores em V. Para cada valor indicado na tabela a seguir, meça o valor da tensão e da corrente. Anote os valores na tabela. V (Ω) V (V ) (ma) η%(mw).k 1k V (Ω) V (V ) (ma) η%(mw) 15. Com os dados obtidos construa a curva característica da fonte de tensão V f ( ). 16. Determine a resistência interna e a corrente de curto circuito da fonte

8 17. Com os dados obtidos construa a curva da potência útil em função da corrente f (). 18. Determine, graficamente, a potência útil máxima transferida pelo gerador e a corrente de curto circuito. 19. Determine o valor da resistência de carga, da tensão do gerador, da corrente e o rendimento para máxima transferência de potência do gerador. 0. rganize todo o material fornecido em seu local de trabalho. 1. ealize uma pesquisa com sua equipe de trabalho no laboratório sobre o assunto do experimento e juntamente com os dados e informações obtidas, elabore um relatório da aula prática.