Geradores e receptores

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Geradores e receptores

  1. 1. www.fisicaatual.com.br<br /> É um dispositivo que converte energia não elétrica em energia elétrica. <br />Química<br />Pilhas, Baterias<br />Hidráulica<br />Hidrelétricas<br />Térmicas<br />Termelétricas e Termonucleares<br />Marés<br />Solar<br />Ventos<br />Eólica<br />
  2. 2. Usinas Hidrelétricas<br />O princípio básico é usar a força de uma queda d'água para gerar energia elétrica. Essas usinas possuem enormes turbinas, parecidas com cata-ventos gigantes, que rodam impulsionadas pela pressão da água de um rio represado. Ao girar, as turbinas acionam geradores que produzirão energia. No Brasil, as hidrelétricas são as principais responsáveis pela energia utilizada no país. Uma grande hidrelétrica custa muito caro para construir e tem grande impacto ambiental, mas por outro lado é uma fonte de energia limpa e renovável, que não depende de combustíveis fósseis. Cerca de 20% da energia elétrica gerada no mundo todo é proveniente de hidrelétricas. Em números aproximados, só no Brasil, a energia hidrelétrica é responsável por 75 milhões de KW. São 158 usinas em funcionamento, outras 9 usinas estão em construção e existem 26 outorgadas (com permissão para serem construídas).<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  3. 3. Usinas Termelétricas <br />Geralmente algum tipo de combustível fóssil como petróleo, gás natural ou carvão é queimado na câmara de combustão. O vapor movimenta as pás de uma turbina, cada turbina é conectada a um gerador que gera eletricidade. A termeletricidade também causa impactos ambientais. Contribuem para o aquecimento global através do efeito estufa e da chuva ácida. A queima de gás natural lança na atmosfera grandes quantidades de poluentes, além de ser um combustível fóssil que não se recupera. As termoelétricas apresentam um alto custo de operação, em virtude do dinheiro utilizado na compra de combustíveis.<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  4. 4. Usinas Nucleares <br />As usinas nucleares utilizam o princípio da fissão nuclear para gerar calor. Dentro do Reator Nuclear, centenas de varetas contendo material radioativo são fissionadas, liberando muito calor. Este calor irá aquecer a água (totalmente pura) que fica dentro do reator. Ela pode chegar á incríveis 1500°C a uma pressão de 157atm. Essa água quente irá seguir por tubos, até o vaporizador, depois volta ao reator, completando o circuito primário.<br />No vaporizador, uma outra quantidade de água será fervida, pelo calor de tubos onde passam a água extremamente quente do reator. O vapor gerado sairá por canos, até onde ficam localizadas as turbinas e o gerador elétrico. O vapor d’água pode girar as pás das turbinas a uma velocidade de 1800rpm. Depois que o vapor executar sua função, ele segue para o condensador, onde vai virar água novamente e retornar ao vaporizador. Este é o chamado circuito secundário.<br />Para que o condensador transforme o vapor do circuito secundário em água, é necessário que ele seja abastecido de água fria. Essa água fria pode vir de rios e lagos próximos. Ao passar pelo condensador, esta água fica quente, necessitando ser resfriada nas torres de resfriamento (a maior parte de uma usina nuclear). Este é o circuito terciário (ou sistema de água de refrigeração).<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  5. 5. Usina Maremotriz<br />www.fisicaatual.com.br<br />As barragens de marés utilizam a diferença entre os níveis de água na maré alta e baixa para gerar eletricidade. Elas são construídas sobre as bocas de estuários de marés. Quando a maré sobe, a água pode passar através da barragem, enchendo o estuário atrás da mesma. Com a baixa da maré, as comportas são fechadas e uma cabeceira de água se forma atrás da barragem. A água pode então fluir de volta para o mar, acionando ao mesmo tempo turbinas conectadas a geradores. <br />O ciclo de marés de 12 horas e meia e o ciclo quinzenal de amplitudes máxima e mínima apresentam problemas para que seja mantido um fornecimento regular de energia. Para que este sistema funcione bem são necessárias marés e correntes fortes. Tem que haver um aumento do nível da água de pelo menos 5,5 metros da maré baixa para a maré alta. Existem poucos sítios no mundo onde se verifique tamanha mudança nas marés.<br />
  6. 6. Usina Solar<br />www.fisicaatual.com.br<br />Sua configuração mais comum é de um conjunto de espelhos móveis espalhados por uma ampla área plana e desimpedida, que apontam todos para um mesmo ponto, situado no alto de uma torre. Neste ponto, canalizações de água são aquecidas pela incidência da luz solar refletida, produzindo vapor que move uma turbina a vapor e que aciona um gerador de energia elétrica.<br />
  7. 7. Usina Eólica<br />www.fisicaatual.com.br<br />Atualmente, a energia eólica é utilizada em larga escala no mundo. Na última década, sua evolução demonstra sua aceitação como fonte geradora, com tendências de crescimento expressivo relativamente às matrizes energéticas dos países que a utilizam. Hoje, existem mais de 30.000MW de capacidade instalada no mundo. A maioria dos projetos está localizada na Alemanha, Dinamarca, Espanha e Estados Unidos. A energia eólica é uma energia renovável e de baixo impacto ambiental. Não existem emissões de gases na geração, rejeitos efluentes e tampouco consumo de outros bens naturais como a água. O aerogerador (gerador elétrico movido por hélice) tem seu desempenho ligado à altura de operação, diâmetro da hélice, dimensão do gerador e quantidade de vento que passa pela hélice, assim, todos esses fatores devem ser devidamente dimensionados afim de se obter um melhor rendimento de todo o sistema. A baixa velocidade dos ventos no Brasil limita o aproveitamento deste tipo de energia. Apenas algumas regiões do país poderiam ser utilizados para instalá-la: Arquipélago de Fernando de Noronha (ventos de até 10 m/s), litoral da região nordeste (ventos de até 6 m/s), regiões do litoral Sul, a partir do Paraná até o Rio Grande do Sul (ventos de até 5 m/s), Sul do Mato Grosso do Sul e poucas regiões do Estado de São Paulo (como a localizada entre Boituva e São Carlos, também a Ilha de São Sebastião).<br />
  8. 8. Analogia hidráulica<br />O comportamento das cargas elétricas em um circuito elétrico é muito semelhante ao comportamento da água num circuito hidráulico. <br />circuito hidráulico<br />circuito elétrico<br /><ul><li> A bomba impulsiona a água através dos canos com uma pressão P.
  9. 9. A quantidade de água impulsionada por segundo é chamada de vazão.
  10. 10. A água sob pressão cede sua energia fazendo a turbina girar.
  11. 11. A água volta ao seu ponto de origem (depósito) sem que nenhuma gota se perca.
  12. 12. O gerador impulsiona as cargas através do condutor submetendo-as a uma voltagem ΔV.
  13. 13. A quantidade de cargas que passa pelo condutor na unidade de tempo é chamada de intensidade de corrente.
  14. 14. As cargas cedem sua energia fazendo o motor funcionar.
  15. 15. As cargas regressam ao gerador sem que nenhuma carga se perca.</li></ul>condutor<br />canos<br />Gerador<br />Tensão<br />1,5 V<br />Corrente<br />2,0 A<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  16. 16. Para relacionarmos a energia que o gerador fornece aos íons com a carga elétrica que atravessa uma secção transversal do circuito definimos uma grandeza característica do gerador, chamada força eletromotriz. A energia que o gerador fornece aos íons ou aos elétrons na prática chamamos energia fornecida ao circuito.<br />Em geral se representa a força eletromotriz pela letra E (ou ɛ), ou pelas iniciais f.e.m.. Sendo W o trabalho realizado sobre uma certa quantidade de carga ou a energia que o gerador fornece ao circuito durante o tempo t, e Q a quantidade de carga elétrica que sofre a realização do trabalho durante o mesmo tempo, temos, por definição:<br />Pela definição, a força eletromotriz é o quociente de uma energia por uma carga elétrica. A diferença de potencial também é o quociente de uma energia por uma carga elétrica. Logo, força eletromotriz e diferença de potencial são grandezas físicas da mesma espécie. Por causa disso avaliamos força eletromotriz e diferença de potencial nas mesmas unidades. No sistema MKS, em volts. Para indicar que o gerador fornece energia às carga, por convenção, sua força eletromotriz é positiva:<br />gerador ɛ > 0<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  17. 17. A f.e.m. é uma grandeza característica do gerador. Conhecendo a f.e.m. do gerador podemos calcular a energia que ele fornece ao circuito durante certo tempo. Da fórmula anterior tiramos<br />W = ɛ . Q<br />Substituindo Q por i.t, resulta<br />W = ɛ . i . t<br />Essa é a energia fornecida durante o tempo t por um gerador de f.e.m. ɛ a um circuito percorrido pela corrente i. <br />Sendo W a energia fornecida pelo gerador durante o tempo t, a potência do gerador é:<br />ou seja: <br />A unidade de potencia no SI é o Watt (W)<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  18. 18. Numa pilha, por exemplo, a energia resultante das reações químicas que acontecem no seu interior é utilizada para a realização de um trabalho sobre as cargas, fazendo que elas adquiram um potencial maior e, conseqüentemente, a capacidade de fornecer energia elétrica<br />Chamamos polos do gerador aos pontos por onde o gerador é ligado ao circuito externo. Convencionamos chamar polo positivo ao polo por onde a corrente sai do gerador; negativo ao polo por onde a corrente entra no gerador. <br />www.fisicaatual.com.br<br />
  19. 19. www.fisicaatual.com.br<br />Quando percorridos por uma corrente elétrica, os geradores apresentam uma resistência à passagem dos portadores de carga, esta resistência é conhecida como resistência interna do gerador (r). Sendo assim na figura abaixo temos o símbolo de um gerador e o sentido da corrente entre seus pólos<br />ΔV diferença de potencial (em volts)<br />-<br />+<br />
  20. 20. POTÊNCIAS<br />GERADOR<br />PTOTAL<br />PÚTIL<br />PDISSIPADA<br /><ul><li> PTOTAL corresponde a toda potência que o gerador poderia fornecer ao circuito = ɛ.i
  21. 21. P ÚTIL indica o que realmente é fornecido ao circuito = ΔV.i
  22. 22. P DISSIPADA é a potência que foi dissipada por efeito joule devido a resistência interna do gerador = i 2.r</li></ul>Fazendo um balanço energético temos <br />P TOTAL= Pot útil + PDissipada<br />Aplicando as equações anteriores para o cálculo da potencia <br /> ɛ.i = ΔV.i + i2.r<br />Cancelando as correntes temos <br /> ɛ = ΔV + i.r<br />Sendo assim, a ddp fornecida ao circuito pelo gerador é determinada pela expressão: <br />www.fisicaatual.com.br<br />
  23. 23. Curto-Circuito de Gerador<br />www.fisicaatual.com.br<br />O gerador é posto em curto-circuito quando os seus pólos são ligados diretamente por um fio condutor de baixa resistência. Quando isso acontece, a diferença de potencial entre os pólos é igual a zero e assim se obtém uma corrente definida como corrente de curto circuito (icc) que é a maior possível a passar pelo gerador<br />+<br />-<br />c<br />c<br />
  24. 24. Gráfico do Gerador<br />www.fisicaatual.com.br<br />ΔV<br />Quando o gráficocorta o eixodacorrente:<br />Quando o gráficocorta o eixodatensão:<br />ΔV = ɛ<br />
  25. 25. Rendimento do Gerador<br />O rendimento é obtido dividindo-se a potência útil pela potência total:<br />
  26. 26. r1<br />r2<br />r3<br />E1<br />E2<br />E3<br />A<br />A<br />B<br />B<br />req<br />Eeq<br />ASSOCIAÇÃO DE GERADORES<br />www.fisicaatual.com.br<br />a) Em série:<br />Gerador Equivalente<br />Eeq = E1 + E2 + E3<br />req = r1 + r2 + r3<br />
  27. 27. www.fisicaatual.com.br<br />
  28. 28. r<br />r<br />r<br />E<br />E<br />E<br />A<br />A<br />B<br />B<br />req<br />Eeq<br />no de geradores<br />b) Em paralelo:<br />Gerador Equivalente<br />Eeq = E<br />
  29. 29. www.fisicaatual.com.br<br />
  30. 30. Receptor Elétrico<br />Dispositivo que transforma energia elétrica em outra modalidade de energia, contando que esse outro tipo de energia não seja exclusivamente calor. <br />www.fisicaatual.com.br<br />
  31. 31. Durante certo tempo o receptor recebe, sob a forma de corrente elétrica, certa energia W. Durante o mesmo tempo ele recebe a carga elétrica Q dada por Q =i.t. Para relacionarmos a energia que ele recebe com a carga elétrica que ele recebe durante o mesmo tempo, definimos uma grandeza característica do receptor , chamada força contra-eletromotriz.<br />Chama-se de força contra-eletromotriz de um receptor ao quociente da energia elétrica que ele absorve durante certo tempo pela carga elétrica que ele recebe durante o mesmo tempo. Representa-se a força contra-eletromotriz pela letra ɛ’ ou pelas iniciais f.c.e.m:<br />Unidade : volt (V)<br />Se a f.em. de um gerador recebe sinal positivo para indicar que as cargas estão recebendo energia, a f.c.e.m de um receptor é negativa para indicar que as cargas perdem energia.<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  32. 32. Quando um liquidificador é ligado , além das lâminas girarem, ele se aquece. Isso ocorre porque da energia elétrica consumida pelo aparelho parte vai para o funcionamento e outra parte se perde em forma de calor (energia dissipada por efeito Joule) devido à resistência dos enrolamentos e nos contatos (resistência interna do receptor). Chamamos pólo positivo do receptor ao ponto do receptor por onde a corrente entra nele. e pólo negativo ao ponto por onde a corrente sai ou seja, ocorre no receptor o oposto do que ocorre no gerador.<br />ɛ’<br />+<br />r'<br />-<br />SÍMBOLO DO RECEPTOR<br />i<br />No receptor, as cargas se movimentam do potencial mais alto para o potencial mais baixo. A energia potencial elétrica das cargas diminui.<br />www.fisicaatual.com.br<br />
  33. 33. www.fisicaatual.com.br<br /> O receptor só é capaz de funcionar se estiver associado a um gerador para que este lhe forneça a energia elétrica que ele irá utilizar. O gerador fornece potência ao receptor submetendo-o a uma ddp e fazendo com que uma corrente o percorra. Essa potência é chamada de potência total do receptor: PTOTAL = ΔV.i . Ao receber essa potência total, o receptor aproveita parte dela para o seu funcionamento normal. Essa potência é denominada como potência útil: PÚTIL = ɛ’.I . Outra parte é dissipada na forma de calor pela resistência interna do receptor: PDISSIPADA= i2. r’. <br />ΔV.i<br />ΔV.i<br />c<br />i2 . r' <br />i2 . r <br />
  34. 34. POTÊNCIAS<br />www.fisicaatual.com.br<br />RECEPTOR<br />PTOTAL<br />PÚTIL<br />PDISSIPADA<br /><ul><li> PTOTAL corresponde a toda potência que o receptor recebe = ΔV.i
  35. 35. P ÚTIL indica a potência utilizada pelo receptor = ɛ’.i
  36. 36. P DISSIPADA é a potência que foi dissipada por efeito joule devido a resistência interna do receptor = i 2.r</li></ul>Fazendo um balanço energético temos <br />P TOTAL= Pot útil + PDissipada<br />Aplicando as equações anteriores para o cálculo da potencia <br />ΔV.i = ɛ’.i + i2.r<br />Cancelando as correntes temos <br />ΔV = ɛ’ + i.r<br />Sendo assim, a ddp fornecida ao receptor é determinada pela expressão: <br />ΔV = ɛ’ + i.r<br />
  37. 37. GRÁFICO DO RECEPTOR<br />www.fisicaatual.com.br<br />ΔV = ɛ’ + i.r<br />( função do 1 0 grau)<br />ΔV<br />Inclinação da reta = tgθ = r’<br />θ<br />i<br />
  38. 38. CIRCUITO GERADOR-RECEPTOR<br />www.fisicaatual.com.br<br />Quando um circuito apresenta um gerador e um receptor, a diferença de potencial que o gerador fornece é a mesma que o receptor recebe: <br />’<br />ΔV<br />RECEPTOR<br />GERADOR<br />ɛ’<br />ɛ<br />ɛ > ɛ’<br />

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