Geradores elétricos

Os geradores elétricos são dispositivos capazes de transformar diversas formas de energia em energia elétrica para as instalações elétricas. De acordo com o seu rendimento, os geradores elétricos podem ser ideais ou reais e de acordo com a forma de energia que transformaram, eles podem ser mecânicos, químicos, térmicos, luminosos ou eólicos.

Leia também: Resistores elétricos — os dispositivos que conseguem dificultar a passagem de corrente elétrica nos circuitos elétricos

Resumo sobre geradores elétricos

• Os geradores elétricos são dispositivos que geram energia elétrica para os circuitos elétricos.

• Nos geradores elétricos a corrente flui do menor potencial elétrico para o de maior potencial elétrico.

• Os geradores elétricos possuem uma resistência interna não nula.

• Eles podem ser classificados de acordo com o seu rendimento (ideias e reais) e de acordo com a energia na conversão para energia elétrica (mecânicos, químicos, térmicos, luminosos e eólicos).

• A força eletromotriz informa a respeito do máximo potencial elétrico que um gerador elétrico consegue gerar.

• O balanço de energia nos geradores elétricos é retratado pela equação característica dos geradores elétricos.

• A potência elétrica nos geradores elétricos pode ser útil, dissipada ou total.

• O rendimento dos geradores elétricos expressa sobre a eficiência dos geradores elétricos.

• Os geradores elétricos são caracterizados através da força eletromotriz e da resistência elétrica interna.

• A curva característica dos geradores elétricos é descrito por uma reta decrescente.

• Diferentemente dos geradores elétricos, os receptores elétricos são capazes de converter a energia elétrica em energia mecânica. Nos receptores elétricos a corrente se move de maneira contrária a como é nos geradores elétricos

Videoaula sobre geradores elétricos

O que são geradores elétricos?

Os geradores elétricos são equipamentos que possuem uma resistência interna não nula, e que tem a função de transformar outros tipos de energia em energia elétrica para os circuitos elétricos. São geradores elétricos as pilhas, baterias, tomadas, usinas hidrelétricas, usinas eólicas, usinas nucleares, placas fotovoltaicas, entre outros.

Eles são representados nos circuitos elétricos por uma barra menor com sinal negativo e uma barra maior com sinal positivo, demonstrando os seus terminais do gerador elétrico, como podemos ver na imagem abaixo:

Essa representação indica que a corrente elétrica fluirá do menor potencial elétrico em direção ao de maior potencial elétrico, demonstrando que a corrente elétrica ao passar nos geradores elétricos adquire energia.

Quais são os tipos de geradores elétricos?

Os geradores elétricos podem ser classificados de acordo com o seu rendimento, podendo ser geradores ideais ou reais:

• Geradores ideais: são os geradores elétricos teóricos capazes de transformar toda energia recebida em energia elétrica, apresentando um rendimento de 100%.

• Geradores reais: são os geradores elétricos que existem de fato, não sendo capazes de transformar toda a energia recebida em energia elétrica, já que uma parte é dissipada devido as forças de atrito e o efeito Joule, fenômeno em que parte da energia elétrica é transformada em calor.

Além disso, os geradores elétricos também podem ser classificadores de acordo com a energia utilizada na conversão para energia elétrica, podendo ser geradores mecânico, químico, térmico, luminoso ou eólico:

• Mecânicos: são os geradores elétricos que convertem a energia mecânica, proveniente do movimento, em energia elétrica, como os alternadores dos automóveis.

• Químicos: são os geradores elétricos que convertem a energia química, proveniente das ligações químicas, em energia elétrica, como as pilhas e baterias.

• Térmicos: são os geradores elétricos que convertem a energia térmica, proveniente das diferenças de temperatura, em energia elétrica, como as turbinas a vapor.

• Luminosos: são os geradores elétricos que convertem a energia luminosa, proveniente da radiação, em energia elétrica, como as placas fotovoltaicas.

• Eólicos: são os geradores elétricos que convertem a energia eólica, proveniente dos ventos, em energia elétrica, como os aerogeradores.

Força eletromotriz dos geradores elétricos

A força eletromotriz mensura o quanto de potencial elétrico o gerador elétrico produz, sendo representada pela letra ε e medida em Volts.

Podemos calculá-la através da reorganização dos termos da equação característica dos geradores elétricos:

\(ε=U+r\cdot i\)

• \(ε\) → força eletromotriz, medida em Volt \([V ]\).

• U → tensão elétrica útil, também chamada de potencial elétrico, medida em Volt \([V ]\).

• r → resistência elétrica interna do gerador elétrico, medida em Ohm \([Ω ]\).

• i → corrente elétrica, medida em Ampére \([A ]\).

Ela também pode ser calculada em termos da energia potencial elétrica fornecida pelos geradores elétricos por carga elétrica:

\(ε=\frac{E_P}q\)

• \(ε\) → força eletromotriz, medida em Volt \([V ]\).

• \(E_P\) → energia potencial elétrica dos geradores elétricos, medida em Joule \([J] \).

• \(q\) → carga elétrica, medido em Coulomb \([C] \).

Veja também: Força eletromotriz e resistência interna

Balanço de energia nos geradores elétricos

O balanço de energia nos geradores elétricos é dada pela equação característica dos geradores elétricos, que descreve a relação entre a tensão elétrica com a força eletromotriz, resistência elétrica interna do gerador elétrico e a corrente elétrica na fórmula:

\(U=ε-r\cdot i\)

• U → tensão elétrica útil, também chamada de potencial elétrico, medida em Volt \([V ]\).

• \(ε\) → força eletromotriz, medida em Volt \([V ]\).

• r → resistência elétrica interna do gerador elétrico, medida em Ohm \([Ω ]\).

• i → corrente elétrica, medida em Ampére \([A ]\).

Potências elétricas nos geradores elétricos

A potência elétrica em um gerador elétrico mede o quanto de energia ele conseguirá transformar em energia elétrica. Nos geradores elétricos temos várias formas de potências elétrica, sendo a potência útil, a potência dissipada e a potência total.

→ Potência elétrica útil ou ativa

Potência elétrica útil, também chamada de potência elétrica ativa, é a potência elétrica utilizada na transformação da energia em energia elétrica, estando à disposição para o circuito elétrico, ela é calculada através da fórmula:

\(P_U=∆U\cdot i\)

• \(P_U\) → potência elétrica útil, medida em Watt \([W ]\).

• \(∆U\) → diferença de potencial elétrico, também chamada por variação de tensão elétrica, medida em Volt \([V ]\).

• i → corrente elétrica, medida em Ampére \([A ]\).

→ Potência elétrica dissipada ou reativa

A potência elétrica dissipada, também chamada de potência elétrica reativa, é a potência elétrica que não foi utilizada pelo circuito elétrico, sendo gasta através do efeito Joule, devido a passagem da corrente elétrica pela resistência interna dos geradores elétricos, ela é calculada através da fórmula:

\(P_D=R\cdot i^2\)

• \(P_D\) → potência elétrica dissipada, medida em Watt \([W ]\).

• R → resistência elétrica, medida em Ohm \([Ω ]\).

• i  → corrente elétrica, medida em Ampére \([A ]\).

→ Potência elétrica total ou aparente

A potência elétrica total, também chamada de potência elétrica aparente, é toda a potência elétrica que foi gerada pelos geradores elétricos, sendo o somatório da potência elétrica útil e da potência elétrica dissipada, ela é calculada através da fórmula:

\(P_T=P_U+P_D\)

• \(P_T\) → potência elétrica total, medida em Watt \([W ]\).

• \(P_U\) → potência elétrica útil, medida em Watt \([W ]\).

• \(P_D\) → potência elétrica dissipada, medida em Watt \([W ]\).

Rendimento dos geradores elétricos

O rendimento dos geradores elétricos é uma grandeza física adimensional, que não possui unidade de medida, que informa a respeito da eficiência do gerador elétrico em converter outras formas de energia em energia elétrica.  Ele é calculado através da fórmula:

\(η=\frac{U}ε\cdot100\ \%\)

• \(η\) → rendimento dos geradores elétricos.

• U → tensão elétrica útil, medida em Volt \([V ]\).

• \(ε\) → força eletromotriz, medida em Volt \([V ]\).

Curva característica dos geradores elétricos

A curva característica dos geradores elétricos é um gráfico que representa a relação da tensão elétrica útil com a corrente elétrica. Ele é representado por uma reta decrescente, como podemos ver na imagem abaixo:

A partir desse gráfico é possível determinar o valor da resistência elétrica interna dos geradores elétricos e perceber os geradores elétricos são caracterizados em termos da força eletromotriz e da resistência elétrica interna. Para isso, basta observar o comportamento do gráfico quando a corrente elétrica for nula e quando a tensão elétrica for nula:

Quando a corrente elétrica for nula, temos que a tensão elétrica será igual a força eletromotriz, para verificar isso iremos substituir essa informação na equação característica, como demonstrado abaixo:

\(U=ε-r\cdot i\)

\(U=ε-r\cdot 0\)

\(U=ε\)

• U → tensão elétrica útil, também chamada de potencial elétrico, medida em Volt \( [V ]\).

• \(ε\)  → força eletromotriz, medida em Volt \([V ]\).

• r → resistência elétrica interna do gerador elétrico, medida em Ohm \([Ω ]\).

• \(i_{cc}\)  → corrente elétrica de curto-circuito, medida em Ampére \([Ω ]\).

Quando a tensão elétrica for nula, que ocorre ao ligar esse gerador elétrico entre os polos de um fio que não possui resistência elétrica, chamado de fio ideal, temos um ponto de curto-circuito, em que a corrente que passa no gerador elétrico passa a se chamar como corrente elétrica de curto-circuito. Substituindo essa informação na equação característica, encontramos a fórmula que permite calcular a resistência elétrica interna dos geradores elétricos:

\(U=ε-r\cdot i\)

\(0=ε-r\cdot i\)

\(ε=r\cdot i\)

\(r=\frac{ε}{i_{cc}} \)

• U → tensão elétrica útil, também chamada de potencial elétrico, medida em Volt \([V ]\).

• \(ε\) → força eletromotriz, medida em Volt \([V ]\).

• r → resistência elétrica interna do gerador elétrico, medida em Ohm \([Ω ]\).

• \(i_{cc}\) → corrente elétrica de curto-circuito, medida em Ampére \([A ]\).

Diferenças entre geradores e receptores elétricos

Os geradores elétricos e receptores elétricos são equipamentos capazes de transformar um tipo de energia em outra energia, contudo, eles apresentam algumas diferenças.

• Geradores elétricos: transformam qualquer tipo de energia em energia elétrica, como as pilhas e bateriais, além disso, nos geradores elétricos a corrente elétrica flui do menor potencial elétrico em direção ao de maior potencial elétrico.

• Receptores elétricos: transformam a energia elétrica recebida em energia mecânica, como é o caso dos ventiladores, liquidificadores, computadores, além disso, nos receptores elétricos a corrente elétrica flui do maior potencial elétrico em direção ao de menor potencial elétrico.

Saiba mais: Associação de geradores elétricos — um arranjo realizado quando um circuito elétrico precisa de mais tensão ou carga

Exercícios resolvidos sobre geradores elétricos

Questão 1

(CFT) Observe o gráfico característico de um gerador.

Se uma lâmpada de resistência 3,5 Ω for ligada em série com esse gerador, a corrente elétrica na lâmpada, em amperes, será

A) 2,5.

B) 3,0

C) 7,5

D) 10

Resolução:

Alternativa A.

Nesse modelo de gráfico, o máximo valor no eixo da tensão elétrica equivale ao valor da força eletromotriz, então ε é 10 V. Além disso, podemos observar que quando a tensão elétrica for 9 V, a corrente elétrica é de 2 A. A partir dessas informações calcularemos a resistência interna através da fórmula do gerador elétrico:

\(U=ε-r\cdot i\)

\(9=10-r\cdot 2\)

\(9-10=-r\cdot 2\)

\(-1=-r\cdot 2\)

\(1=r\cdot 2\)

\(r=\frac{1}2\)

\(r=0,5\ Ω\)

Finalmente, calcularemos a corrente elétrica na lâmpada a partir da fórmula que relaciona a força eletromotriz com as resistências elétricas e a corrente elétrica:

\(ε=(R+r)\cdot i\)

\(10=(3,5+0,5)\cdot i\)

\(10=4\cdot i\)

\(i=\frac{10}4\)

\(i=2,5\ A\)

Questão 2

(UEFS) O gerador elétrico é um dispositivo que fornece energia às cargas elétricas elementares, para que essas se mantenham circulando. Considerando-se um gerador elétrico que possui fem ε = 40,0V e resistência interna r = 5,0 Ω, é correto afirmar que

A) a intensidade da corrente elétrica de curto circuito é igual a 10,0A.

B) a leitura de um voltímetro ideal ligado entre os terminais do gerador é igual a 35,0V.

C) a tensão nos seus terminais, quando atravessado por uma corrente elétrica de intensidade i = 2,0A, é U = 20,0V.

D) a intensidade da corrente elétrica que o atravessa é de 5,6A, quando a tensão em seus terminais é de 12,0V.

E) ele apresenta um rendimento de 45%, quando atravessado por uma corrente elétrica de intensidade i = 3,0A.

Resolução:

Alternativa D.

Calcularemos a corrente elétrica, através da fórmula dos geradores elétricos:

\(U=ε-r\cdot i\)

\(12=40-5\cdot i\)

\(12-40=-5\cdot i\)

\(-28=-5\cdot i\)

\(28=5\cdot i\)

\(i=\frac{28}5\)

\(i=5,6\ A\)