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Leis da Conversão de energia: Parte 03 - Grupo GIMI


Grupo GIMI

Na segunda parte de "Leis da Conversão", discutimos o Ciclo Termodinâmico, o papel do Atrito e da Resistência. Agora, nesta última seção, continuaremos a explorar os princípios da conversão. Aproveite a leitura!


Mecânica: Motor/redutor/Dínamo/Alternador


O tipo mais comum de gerador elétrico é o dínamo de uma bicicleta, que depende da indução eletromagnética para transformar energia mecânica em energia elétrica, a lei básica de indução eletromagnética é baseado no Postulado de Faraday da indução, combinada com a Lei de Ampere, que são matematicamente expressas pela 3ª e 4ª equações de Maxwell respectivamente.


A lei de Faraday-Neumann-Lenz, ou lei da indução de Faraday, ou simplesmente, lei da indução eletromagnética, é uma das equações básicas do eletromagnetismo. Define-se como um campo magnético interage com um circuito elétrico para produzir uma força eletromotriz, um fenômeno chamado de indução eletromagnética. É a base do funcionamento de transformadores, alternadores, dínamos, indutores, e muitos tipos de motores elétricos, geradores e solenoides.


Michael Faraday, (1791 – 1867)

Michael Faraday, (1791 – 1867) foi um físico e químico inglês e é considerado um dos cientistas mais influentes de todos os tempos. As suas contribuições mais importantes e os seus trabalhos mais conhecidos tratam dos fenômenos da eletricidade, da eletroquímica e do magnetismo, mas Faraday fez também diversas outras contribuições muito importantes na física e na química.


Atribui-se a Michael Faraday a descoberta da indução eletromagnética e, por conseguinte, o nome da lei relativa a esse fenômeno, que foi comprovado experimentalmente por Faraday diversas vezes, apesar de sua explicação limitar-se ao conceito de linhas de força. A primeira formulação matemática da lei de Faraday foi feita por Franz Ernst Neumann em 1845. Nela, a força eletromotriz produzida em um circuito, pela indução, era expressa pelo negativo da derivada do fluxo magnético com o tempo através da área delimitada por esse circuito. O sinal negativo diz respeito ao sentido da FEM e, por conseguinte, da corrente elétrica, que pode ser expressa formalmente por meio da chamada Lei de Lenz, desenvolvida por Heinrich Lenz em 1834, que integra o corolário da lei de Faraday. Suas aplicações são inúmeras; na prática, quase todos os equipamentos eletroeletrônicos utilizam o fenômeno da indução, seja para produzir uma corrente contínua, como nos dínamos, ou uma corrente alternada, como nos geradores, transformadores, alternadores e indutores, todos por meio da variação no campo magnético.


No eletromagnetismo clássico, a lei de Ampère permite calcular o campo magnético a partir de uma distribuição de densidade de corrente elétrica ou de uma corrente elétrica, ambas estacionárias (independentes do tempo). No caso de uma distribuição complexa de correntes, o cálculo pode ser bastante trabalhoso e, em muitos casos, exigir o uso de um computador. Entretanto, se a distribuição possui algum tipo de simetria podemos usar a Lei de Ampère para determinar o campo magnético total, o que facilita consideravelmente os cálculos. O nome da lei é um reconhecimento ao físico francês André-Marie Ampère que a descobriu em 1826.


André-Marie Ampère

André-Marie Ampère (1775 – 1836) foi um físico, filósofo, cientista e matemático francês que fez importantes contribuições para o estudo do eletromagnetismo.


As equações de Maxwell são um grupo de equações diferenciais parciais que, juntamente com a lei da força de Lorentz, compõem a base do eletromagnetismo clássico no qual está baseada toda a óptica clássica. O desenvolvimento das equações de Maxwell e o entendimento do eletromagnetismo, contribuíram significativamente para toda a revolução tecnológica iniciada no final do século XIX e continuada durante as décadas seguintes.


James Clerk Maxwell (1831 – 1879) foi um físico e matemático escocês. É mais conhecido por dar forma final à teoria moderna do eletromagnetismo, que une a eletricidade, o magnetismo e a óptica. Esta é a teoria que surge das equações de Maxwell, assim chamadas em sua honra e, porque foi o primeiro a escrevê-las, juntando a lei de Ampère, modificada por Maxwell, a lei de Gauss, e a lei da indução de Faraday. Maxwell demonstrou que os campos elétricos e magnéticos se propagam com a velocidade da luz. Ele apresentou uma teoria detalhada da luz como um efeito eletromagnético, isto é, que a luz corresponde à propagação de ondas elétricas e magnéticas, hipótese que tinha sido posta por Faraday. Foi demonstrado em 1864 que as forças elétricas e magnéticas têm a mesma natureza, ou seja, uma força elétrica em determinado referencial pode tornar-se magnética se analisada por outro referencial, e vice-versa. Ele também desenvolveu um trabalho importante em mecânica estatística, estudou a teoria cinética dos gases e descobriu a distribuição de Maxwell-Boltzmann. Seu trabalho em eletromagnetismo foi a base da relatividade restrita de Einstein e o seu trabalho em teoria cinética de gases fundamental ao desenvolvimento posterior da mecânica quântica.


As equações de Maxwell podem ser divididas em duas grandes variações. O grupo "microscópico" das equações de Maxwell utiliza os conceitos de carga total e corrente total, que inclui as cargas e correntes em níveis atômicos, que comumente são difíceis de se calcular. O grupo "macroscópico" das equações de Maxwell define os dois novos campos auxiliares que podem evitar a necessidade de ter que se conhecer tais cargas e correntes em dimensões atômicas.


Retomando o raciocínio sobre o dínamo após homenagear os grandes nomes que nos trouxeram os conhecimentos necessários para chegarmos até aqui, o dínamo funciona convertendo a energia mecânica contida disponível na rotação do seu eixo, que faz com que a intensidade de um campo magnético, produzido por um ímã permanente que atravessa um conjunto de enrolamentos varie no tempo, o que, pela Lei da indução de Faraday, leva a indução de tensões em seus terminais.


A energia mecânica (muitas vezes proveniente de uma turbina hidráulica, uma turbina a gás ou um sistema acionado por uma turbina a vapor) é utilizada para fazer girar o rotor, o qual induz uma tensão nos terminais dos enrolamentos que, ao serem conectados a cargas, levam à circulação de correntes elétricas pelos enrolamentos e pela carga.

No caso de um gerador que fornece uma corrente contínua, um interruptor mecânico ou anel comutador alterna o sentido da corrente de forma que a mesma permaneça unidirecional independente do sentido da posição da força eletromotriz induzida pelo campo. Os grandes geradores das usinas geradoras de energia elétrica fornecem corrente alternada e utilizam turbinas hidráulicas e geradores síncronos.


Há muitos outros tipos de geradores elétricos, tais como: geradores eletrostáticos como a máquina de Wimshurst, e em uma escala maior, os geradores de van de Graaff, que são principalmente utilizados em trabalhos especializados que exigem tensões muito altas, mas com uma baixa corrente e potências não muito elevadas. Isso se deve pelo fato de nesses tipos de gerador, a densidade volumétrica de energia não é pequena, ou seja, para que se tenha uma abundância de energia sendo convertida é necessário um grande volume por parte da estrutura do gerador.


Seguindo o mesmo raciocínio, não é possível observar o mesmo nos geradores que operam baseados em princípios eletromagnéticos, pois os mesmos permitem uma concentração volumétrica de energia bem maior.


Um dos mais importantes exemplos de máquina elétrica rotativa é conhecido como Gerador Síncrono, máquina capaz de transformar a energia mecânica num eixo em rotação em energia elétrica, quando instalado para funcionar como gerador e capaz de transformar a energia elétrica em energia mecânica quando prevista para operar como motor. Esse modelo de gerador é o mais empregado na maior parte das usinas Hidroelétricas e Termoelétricas. A denominação de máquina síncrona é decorrente do fato dela operar a velocidade constante e absolutamente em fase com a frequência senoidal da tensão elétrica aplicada aos terminais do gerador, ou seja, em decorrência do acompanhamento da rotação entre o campo girante e o rotor.

gerador síncrono

Um gerador síncrono é composto basicamente por rotor e estator. O rotor consiste na parcela que gira internamente no gerador, que é normalmente construído com uma série de lâminas de material ferromagnético envolvido por um enrolamento de condutores de cobre, qualificado como enrolamento de campo, que produz um campo magnético constante, seja quando funcionando como gerador de corrente contínua, para interagir com o campo produzido pelo enrolamento do estator. A tensão aplicada nesse enrolamento é contínua e a corrente induzida neste enrolamento é muito menor que o enrolamento do estator. Além disso, o rotor pode ser constituído por dois ou mais pares de enrolamentos conectados em série, sendo que produzirá cada enrolamento um dos polos do eletroímã. Em algumas máquinas síncronas, o rotor é um ímã permanente em substituição ao eletroímã construído e, neste caso, o gerador ou motor síncrono será denominado de ímã permanente.


O estator corresponde à parte fixa da máquina, instalada envolvendo o rotor de forma que aquele possa girar no seu interior. Assim como o rotor, o estator é construído com um conjunto de lâminas de material ferromagnético envolvido por um enrolamento distribuído em sua circunferência e acondicionado em ranhuras especialmente construídas para essa função. Os enrolamentos do estator deverão ser alimentados por um circuito trifásico de corrente alternada. Pelo estator circulará toda a energia elétrica gerada, sendo que tanto tensão quanto corrente que circulam neste circuito são bastante maiores quando comparados com os do rotor, que tem como função única, produzir o campo magnético necessário para "excitar" o motor ou gerador de modo que se possa induzir tensões nos terminais dos enrolamentos do estator.


Para que a máquina síncrona seja capaz de transformar a energia mecânica disponível no seu eixo em rotação, é necessário alimentar o enrolamento de campo localizado no rotor da máquina com uma fonte de tensão contínua para que, ao girar, o campo magnético induzido nos pólos do rotor movimente-se relativamente aos condutores dos enrolamentos do estator. Devido a esse movimento entre o campo magnético dos pólos do rotor, a magnitude do campo magnético que atravessa os enrolamentos do estator irá variar em função do tempo, e consequentemente, induzir tensões nos terminais dos enrolamentos do estator. Por conta desta distribuição e disposição espacial dos enrolamentos do estator, as tensões induzidas aos seus terminais serão alternadas trifásicas e senoidais.

A corrente utilizada para alimentar o campo é a corrente de excitação. Quando o gerador funciona de forma isolada, ou seja, o sistema sendo exclusivamente alimentado pelo gerador síncrono, a forma de onda e a frequência da tensão deste sistema serão determinados pelo gerador e pela excitação do campo que irá controlar diretamente a tensão gerada. Quando o gerador está conectado a um sistema elétrico constituído por geradores interligados, a excitação irá controlar a potência reativa entregue ao sistema.

Funcionando como Motor síncrono, a energia elétrica que é consumida por ele é oriunda da aplicação de tensões trifásicas senoidais nos terminais dos enrolamentos do estator, além de os enrolamentos de campo do rotor sendo supridos por uma fonte de corrente contínua. Como as tensões aplicadas aos enrolamentos do estator são trifásicos e senoidais, circulará por eles um conjunto fasorial trifásico de mesma frequência, que produzirão campos magnéticos alternados que variam no tempo na mesma frequência.


motor Síncrono

Produzido o torque no eixo, o rotor seguirá girando no mesmo sentido e com a mesma velocidade do campo girante do estator, portanto, a velocidade angular do motor Síncrono estará absolutamente em fase com a frequência da tensão alternada aplicada aos enrolamentos do estator.


Grupo GIMI


Luz: Lâmpada fluorescente, Led e sistema Fotovoltaico


A última forma de conversão de energia que iremos abordar é a luz, seja como fonte e seja como resultado da conversão.


A lâmpada fluorescente é um grande exemplo de conversão de energia elétrica em energia luminosa. Esse tipo de lâmpada idealizado por Nikola Tesla foi comercializada a partir de 1938. Diferentemente das lâmpadas filamentosas, é muito eficiente do ponto de vista energético pois emite mais luz do que calor.


Vamos interromper mais uma vez o raciocínio para prestar homenagem a este grande homem da história da eletricidade, que reputamos como um dos cinco mais importantes,Nikola Tesla, (1856 – 1943) grande inventor nas áreas de engenharia mecânica e eletrotécnica, um homem que "espalhou luz sobre a face da Terra".


Notório pelas diversas contribuições revolucionárias no campo do eletromagnetismo. Tesla e sua brilhante fundamentação teórica dos sistemas elétricos de potência em corrente alternada (CA), transmissão sem fios (rádio) em 1894, tornou-se mundialmente reconhecido como um dos maiores engenheiros eletrotécnicos que trabalhavam nos EUA.


Retomando o raciocínio, as lâmpadas fluorescentes possuem um par de elétrodos em cada extremo. O tubo de vidro é recoberto internamente por um sal de fósforo, razão pela qual não podemos descartar lâmpadas usadas diretamente no ambiente, pois precisam ser reciclados. Aquele gás, quando excitado com radiação ultravioleta gerada pela ionização dos gases, produz luz visível.


A corrente elétrica circulante pelo gás em baixa pressão emite grande quantidade de radiação ultravioleta sendo convertida em luz visível pelo sal de fósforo.

Uma lâmpada fluorescente requer dois acessórios para funcionar, que são o Starter e o balastro, sendo o primeiro um relé térmico biestável, e o segundo uma bobina geradora de alta tensão, requerida para que ocorra a partida e o controle da corrente circulante na lâmpada.


Lâmpadas fluorescentes são adequadas para uso doméstico, industrial, centros esportivos, cozinhas, escritórios entre tantas outras aplicações. Lembramos mais uma vez que, do ponto de vista ambiental, uma lâmpada quando quebrada libera vapor de mercúrio, que é um gás contaminante .


Lâmpadas fluorescentes são de duas a quatro vezes mais eficientes em relação às lâmpadas incandescentes e tem vida útil acima de dez mil horas declaradas pelos fabricantes, enquanto as incandescentes normais tinham cerca de mil horas de vida útil estimada. Sob o ponto de vista do consumo, uma lâmpada fluorescente de 15W fluorescente é equivalente em poder de iluminamento uma lâmpada incandescente de 60 W.


GIMI

Em 7 de outubro de 2014, os inventores dos diodos emissores de luz azul receberam o Prêmio Nobel de Física. Os pesquisadores Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física graças à invenção do LED (Light-emitting diode) azul, uma fonte de luz eficiente e que beneficia o meio ambiente. Com a junção de outras cores, foi possível criar os LEDs brancos, que são utilizados de diversas formas pela humanidade. Graças ao invento , foi possível chegar à combinação da luz vermelha, verde (ambas já bastante utilizadas em sinalizadores de trânsito, por exemplo) e azul (a mais nova descoberta). Assim, obteve-se a luz branca.


LED ou diodo emissor de luz é um diodo semicondutor (junção P-N) que ao ser submetido a um potencial elétrico emite luz visível.


Uma diferença dos LEDs para as lâmpadas fluorescentes, que comumente utilizamos, é que os LEDs não contêm mercúrio, um componente que polui o meio ambiente. Além disso, eles economizam mais energia, emitem mais luz, e duram até 100.000 horas, diferente das lâmpadas fluorescentes (10.000 horas), e das incandescentes, com apenas 1.000 horas.




Bibliografia



HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.

GUIMARÃES, Orliney Maciel; KUWABARA, Izaura Hiroko. Calorias: a energia contida nos alimentos. UFPR – Universidade Federal do Paraná, 2011. Departamento de Quíca. Disponível em: <http://www.quimica.ufpr.br/ eduquim/pdf/experimento8.pdf>. Acesso em: 16 fev. 2011.

FARIAS, Leonel Marques; SELLITTO, Miguel Afonso. Uso da energia ao longo da história: evolução e perspectivas futuras. Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 12, n. 17, p. 01-106, jan./jun. 2011

TESSMER, Hélio. Uma síntese histórica da evolução do consumo de energia pelo homem. Novo Hamburgo, 2002. Disponível em: <http://www. liberato.com.br/upload/arquivos/0131010716090416. pdf>. Acesso em 16 fev. 2011.

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TERCIOTE, Ricardo. Eficiência energética de um sistema eólico isolado. UNICAMP, Campinas: 2002. Disponível em:<http:// www.feagri.unicamp.br/energia/agre2002/ pdf/0100.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.

DUTRA, Ricardo Marques. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. Rio de Janeiro, 2001. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/teses_mestrado/200102_dutra_r_m_ms.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.

AMARAL, Danilo. História da Mecânica - O motor a vapor. UFPB, 2010. Disponível em:<http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/Ema078/historia%20do%20motor%20 a%20vapor.pdf>. Acesso em: 22 fev. 2011. CGEE – Centro de Gestão e Estudos Energéticos.

Website TODA MATERIA :<http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/>. Acesso em: 01 maio. 2018.

Website Wikipedia :<https://pt.wikipedia.org/wiki/>. Acesso em: 26 maio. 2018.


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