Eletricidade – Continuação

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Motores e geradores

A interação entre cargas móveis e um campo magnético possibilita dois dispositivos muito úteis: o motor elétrico e o gerador. Em um motor, a energia elétrica é convertida em energia de movimento. Em um gerador, ocorre o processo inverso: a energia mecânica é convertida em energia elétrica.

Motores

Um motor simples pode ser representado como um loop de fio conectado a uma fonte de corrente contínua (DC). O loop é girado para girar em um campo magnético. Conforme a carga elétrica se move ao longo do loop, as forças magnéticas desviam a carga, fazendo com que o loop gire. Para manter o loop girando, a direção da corrente no loop deve ser invertida a cada 180 graus. Um dispositivo denominado comutador de anel dividido é usado para essa finalidade.

Outro projeto é o motor de indução, no qual um campo magnético gira em torno de uma peça de metal e cria correntes parasitas no metal. Essas correntes produzem campos magnéticos que interagem com o campo giratório. Isso faz com que o metal gire se for girado corretamente. O metal giratório constitui um motor. Os menores motores desse tipo usam um rotor (peça giratória) feito de discos de metal entalhados nas bordas para colocar as correntes parasitas corretamente. Tipos maiores podem usar um rotor de gaiola de esquilo. Isso é feito de barras de metal dispostas para formar um cilindro esqueleto. As extremidades das barras podem ser fixadas em discos, ou as barras podem ser montadas em um cilindro de ferro esmaltado e conectadas nas extremidades. As correntes parasitas fluem através das barras e conexões finais.

Os campos giratórios são produzidos pelo uso de corrente bifásica ou trifásica para energizar as bobinas de campo. As fases correspondem a diferentes correntes alternadas no mesmo circuito. Como as correntes de fases diferentes podem ser usadas, os motores de indução são classificados como polifásicos. As correntes atingem intensidades máximas e mínimas em cada direção de fluxo em momentos diferentes. As bobinas de campo são conectadas para colocar máximos em diferentes pontos em volta de um círculo. Isso produz o campo giratório.

Os motores síncronos usam uma corrente polifásica para fornecer campos giratórios no estator (parte estacionária), e outra corrente (às vezes direta) dá ao rotor um campo que segue os campos do estator. Esses motores funcionam a velocidades constantes, proporcionais à frequência da corrente fornecida.


Geradores

Um gerador é um motor que funciona ao contrário: um motor transforma energia elétrica em energia mecânica, mas um gerador produz energia elétrica a partir da energia mecânica. Superficialmente, o diagrama de um gerador parece idêntico ao de um motor. Cada um consiste em um laço de fio que pode girar em um campo magnético. Em um motor, a corrente elétrica é alimentada no loop, resultando na rotação do loop. No gerador, o loop é girado, resultando na produção de corrente elétrica no loop. Para 180 graus de rotação, a deflexão do elétron produz uma corrente elétrica no loop que se move em uma direção; nos próximos 180 graus, a deflexão do elétron é invertida. Conforme a corrente sai do loop para um circuito externo, ela se move em uma direção e depois na outra. Esta é a corrente alternada. Para que um gerador gere corrente contínua, é necessário usar um comutador de anel dividido no ponto onde o gerador fornece corrente para o circuito externo. A corrente no loop ainda está alternando, mas é direta no circuito externo.

Indução eletromagnética

Michael Faraday, o cientista inglês, e Joseph Henry dos Estados Unidos mostraram independentemente em 1831 que mover um ímã através de uma bobina de fio geraria uma corrente no fio. Se o ímã mergulhou na bobina, a corrente fluía para um lado. Quando o ímã foi removido, a direção da corrente foi invertida. Esse fenômeno é chamado de indução eletromagnética e é o princípio subjacente ao funcionamento do gerador. Enquanto o ímã e a bobina se movem em relação um ao outro, uma diferença de potencial é produzida através da bobina e a corrente flui na bobina. Uma diferença de potencial também é produzida se o campo magnético através da bobina ficar mais forte ou mais fraco. Quanto maior a taxa de variação do campo magnético, maior será a diferença de potencial produzida. A chave é que o campo magnético deve estar mudando.

Em 1864, James Clerk Maxwell sugeriu: (1) Se um campo elétrico muda com o tempo, um campo magnético é induzido em ângulos retos ao campo elétrico variável. Quanto maior a taxa na qual o campo elétrico muda, mais forte é o campo magnético induzido. (2) Se um campo magnético muda com o tempo, um campo elétrico é induzido em ângulos retos com o campo magnético variável. Quanto maior a taxa na qual o campo magnético muda, mais forte é o campo elétrico induzido.

Maxwell calculou que esses campos elétricos e magnéticos se propagariam mutuamente e viajariam pelo espaço como campos variáveis ​​no tempo. A velocidade dessas ondas eletromagnéticas é 3,0 × 108 (300.000.000) metros por segundo. Acontece que isso é igual à velocidade da luz. Na verdade, a luz visível é apenas uma faixa estreita de frequências no que é conhecido como espectro eletromagnético. Conforme as pessoas leem uma página impressa, as ondas eletromagnéticas refletidas da página passam para seus olhos. Conforme o campo elétrico dessa onda atinge a retina do olho, os elétrons nas moléculas da retina interagem com o campo, mudam de posição e iniciam a mensagem para o cérebro que eventualmente permite que uma pessoa entenda o que foi lido.

Lei de Lenz

Sempre que um campo magnético variável gera uma corrente em uma bobina de fio, a corrente gerará seu próprio campo magnético. Esse campo magnético induzido sempre tenderá a se opor à mudança no campo magnético que o induziu. Essa regra foi sugerida pela primeira vez pelo físico russo Heinrich F.E. Lenz em 1834. Os efeitos do campo induzido podem ser observados durante a operação de um gerador de manivela. Quando o gerador é girado lentamente, pouca corrente é produzida e forças eletromagnéticas fracas se opõem à rotação. Mas, à medida que a taxa de acionamento é aumentada e mais corrente é produzida, as forças no circuito giratório se tornam mais fortes e o circuito é correspondentemente mais difícil de girar.

A lei de Lenz também se aplica a motores, onde um fio condutor de corrente se move em um campo magnético. Esse movimento, por sua vez, produz uma corrente no fio que se opõe à direção original da corrente no fio. Como a corrente elétrica não pode ocorrer sem uma diferença de potencial, esse efeito de oposição às vezes é chamado de fem de retorno. Quando um motor é ligado, uma grande corrente flui primeiro e, conforme o motor começa a girar rapidamente, uma grande fem de retorno é induzida e a corrente líquida no motor cai. Se uma grande carga for adicionada repentinamente ao motor, reduzindo-o drasticamente, a fem de retorno cairá, e o aumento repentino da corrente pode causar superaquecimento e queimar o motor.

Até mesmo uma simples bobina de fio em um circuito DC exibe os efeitos do back-fem. Conforme a corrente na bobina aumenta, o campo magnético variável produzido ao redor da bobina tende a produzir uma fem de retorno. Isso é chamado de auto-indutância. Normalmente, a corrente em um circuito aumenta rapidamente depois que a chave é fechada. Mas neste circuito, a corrente sobe relativamente devagar. Por outro lado, quando a chave é aberta, a corrente no circuito normalmente cai para zero quase instantaneamente. Mas, à medida que o campo magnético ao redor da bobina diminui, é gerada uma fem que tende a evitar que a corrente diminua tão rapidamente. Uma bobina como essa é usada em dispositivos projetados para evitar danos a equipamentos eletrônicos causados ​​por picos de tensão – aumentos repentinos na diferença de potencial que tenderiam a produzir correntes que mudam rapidamente.

 

Transmissão de eletricidade

Os geradores não criam energia. Para produzir eletricidade, o loop ou os ímãs devem ser girados um em relação ao outro. A energia para essa rotação pode ser fornecida por uma variedade de fontes. Em algumas fontes, a água é convertida em vapor, que é usado para acionar as turbinas que operam os geradores. A energia para ferver a água e convertê-la em vapor vem da queima de carvão, óleo ou gás natural, ou do calor liberado por reações nucleares controladas. A rotação pode ser impulsionada pela energia potencial gravitacional armazenada na água retida atrás da barragem de uma usina hidrelétrica, pelo vento em turbinas eólicas ou pelo vapor produzido naturalmente na Terra.

Em quase todos os lugares da Terra, a energia elétrica é fornecida a residências e empresas como corrente alternada, embora diferentes países usem frequências diferentes. A frequência, medida em hertz, indica quantas vezes a direção da corrente inverte a cada segundo. Nos Estados Unidos, quando uma lâmpada incandescente é ligada, os elétrons se movem para frente e para trás dentro do filamento 60 vezes por segundo (uma frequência de 60 hertz), correspondendo à frequência na qual a corrente alternada é produzida pelos geradores na usina . Em contraste, a maioria dos países europeus usa uma frequência de 50 hertz.

Os elétrons que se movem no filamento não são os mesmos elétrons que foram desviados no loop gerador. Quando a lâmpada é ligada, ela acende quase instantaneamente porque o campo elétrico variável produzido no loop do gerador viaja pelo circuito próximo à velocidade da luz. À medida que o campo passa ao longo do condutor, os elétrons do condutor interagem com o campo, mas não podem se mover muito desimpedidos porque colidem com átomos vibrantes no condutor. Assim, os próprios elétrons não voam através dos fios perto da velocidade da luz, nem se movem por um efeito dominó. É a energia elétrica transportada pelo campo que move os elétrons no circuito.

É energia, não carga, que flui da tomada elétrica. As cargas elétricas que se movem em uma lâmpada já estão na lâmpada. Assim, as empresas de eletricidade cobram de seus clientes não pelos elétrons, mas pela energia elétrica. As cobranças em uma conta de luz são baseadas em quilowatt-hora. Um quilowatt é uma unidade de potência ou energia consumida por unidade de tempo. Quando a potência é multiplicada pelo tempo, o resultado é uma medida de energia:

 

Portanto, o quilowatt-hora é uma unidade de energia.

As empresas que fornecem energia elétrica tentam fornecer essa energia da forma mais eficiente possível. Isso requer a transmissão de energia de uma forma que minimize as perdas de energia devido ao aquecimento dentro das linhas de transmissão da estação de energia para casa, escola ou local de trabalho. Se as linhas de transmissão obedecerem à lei de Ohm, na expressão

resistência x corrente pode ser substituída por tensão para obter:

Essa relação é importante ao considerar a perda de potência durante a transmissão. Dobrar a corrente significa quatro vezes a perda de energia. Alternativamente, se a corrente for muito baixa para uma determinada potência, a tensão será muito alta para uso seguro em casa. O problema de ter uma tensão suficientemente baixa no ponto de entrega e correntes baixas para uma transmissão eficiente é resolvido usando transformadores.

Um transformador simples consiste em uma bobina de fio alimentada por uma fonte de tensão, como um gerador. A bobina é enrolada em um lado de uma estrutura de ferro. Esta é a bobina primária. O outro lado da estrutura de ferro é enrolado com outra bobina, a secundária, que fornece eletricidade para um circuito separado. À medida que a corrente alternada do gerador flui na bobina primária, o campo magnético nessa bobina se fortalece, enfraquece e, em seguida, inverte a direção conforme a corrente alternada muda. O núcleo de ferro intensifica essas mudanças no campo magnético. Conforme o campo magnético na bobina secundária muda com o tempo, as cargas elétricas no secundário são desviadas e a corrente é produzida. A tensão alternada produzida no secundário depende do número relativo de espiras no secundário em comparação com a bobina primária. Se V1 for a tensão no primário, V2 a tensão no secundário, N1 o número de voltas da bobina no primário e N2 o número de voltas da bobina no secundário, então

Se a bobina secundária, por exemplo, for enrolada com 100 vezes mais voltas que a primária, a voltagem no secundário será 100 vezes maior do que no primário. Um transformador usado dessa forma é considerado um transformador elevador. Se houver menos voltas no secundário, é um transformador abaixador.

Pode parecer que um transformador elevador fornece mais energia do que usa: afinal, a tensão secundária maior significa uma mudança maior de energia por carga movida no campo. Mas esse aumento de tensão vem às custas de uma corrente reduzida. Se o transformador fosse 100 por cento eficiente, então

 

Se I1 e I2 são as correntes nas bobinas primária e secundária, então

Portanto, o aumento da tensão na bobina secundária por um fator de 100 resulta em uma redução da corrente por um fator de 100.

Ao usar um transformador elevador entre o gerador e as linhas de transmissão, a corrente pode ser reduzida a um valor baixo, reduzindo assim as perdas de energia devido ao aquecimento das linhas de transmissão. A voltagem através dessas linhas de força será correspondentemente grande. Ao usar um transformador abaixador entre as linhas de transmissão e o ponto de entrega, a tensão será reduzida e a corrente aumentada a um nível que permita a operação eficaz dos dispositivos elétricos.

 

Eletrólise

Em um circuito movido a bateria, o fluxo de corrente elétrica é produzido por mudanças químicas espontâneas que ocorrem em cada terminal da bateria. Em uma bateria, a energia química armazenada é convertida em energia elétrica.

Na eletrólise, o processo é revertido. Forçando uma corrente elétrica através de algumas substâncias, é possível transformar a energia elétrica em energia química armazenada. O processo de eletrólise causa reações químicas que não ocorrem espontaneamente. Por exemplo, quando o sal de mesa comum, ou cloreto de sódio (NaCl), é aquecido a 1.486° F (808° C), o sólido se transforma em uma fusão estável consistindo de íons de sódio (Na+) e íons de cloreto (Cl–). Se eletrodos inertes forem imersos na fusão e uma corrente elétrica for forçada através do sal fundido por uma voltagem suficientemente alta, o sódio metálico será produzido em um eletrodo e o gás cloro no outro. Um processo eletrolítico semelhante é usado para obter alumínio puro a partir de soluções de óxido de alumínio.

A eletrólise é importante na prateação. Neste processo, uma corrente elétrica é passada através de um objeto que é imerso em uma solução apropriada de um composto de prata. Se a voltagem for suficiente, os íons de prata (Ag+) aceitarão elétrons do objeto sendo banhado. Os íons, portanto, mudam para átomos de prata (Ag), que revestem a superfície. Uma técnica semelhante é usada na galvanoplastia de cobre, cromo e ouro.

 

História

As primeiras observações registradas sobre eletricidade datam de cerca de 600 aC e são atribuídas ao filósofo grego Tales de Mileto. Ele observou que quando o âmbar, uma resina fóssil, era esfregado, ele atraía penas ou pedaços de palha. O autor romano Plínio, o Velho, escreveu sobre experiências semelhantes em 70 dC em sua História Natural. Ele também menciona choques dados por peixes torpedeiros.

Em 1600, William Gilbert, um cientista inglês que foi médico da Rainha Elizabeth I, publicou De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (1600; Sobre o ímã, corpos magnéticos e o grande ímã da Terra). Ele estudou o que já se sabia sobre o âmbar e o ímã, um mineral que atrai o ferro. Ele deu uma prova de que a atração exibida pelo âmbar não era magnética. Ele também propôs que a Terra se comportasse como se fosse uma magnetita esférica.

Em 1672, o físico alemão Otto von Guericke relatou a invenção de uma máquina elétrica: uma bola de enxofre em um eixo foi girada; se tocava a bola de enxofre giratória com a mão, notava que fagulhas eram produzidas. Ele também provou que objetos eletrificados podem transferir parte de sua capacidade de atração, chamada de carga, para objetos não eletrificados.

Por volta de 1736, o químico francês Charles-François Du Fay aprendeu que esfregar vidro e esfregar substâncias resinosas parecia produzir cargas de diferentes tipos. Ele descobriu que duas cargas do mesmo tipo se repelem, enquanto cargas diferentes se atraem. Ele sugeriu que a eletricidade pode consistir em dois tipos de “fluido invisível”, que ele chamou de “vítreo” e “resinoso”.

Por volta de 1745, um clérigo alemão, E. Georg von Kleist, e um professor da Universidade de Leiden (às vezes chamado de Leyden), Pieter van Musschenbroek, descobriram de forma independente que um recipiente de vidro cheio de água e carregado por uma fonte de fricção poderia armazenar a carga para uso posterior. O dispositivo ficou conhecido como jarra de Leyden. Sir William Watson e o Dr. John Bevis, da Inglaterra, aprimoraram o frasco revestindo o interior e o exterior com papel alumínio. Esta embarcação poderia armazenar carga suficiente para fazer faíscas que explodiriam a pólvora ou incendiariam o álcool. A descoberta mais importante de Watson foi que a eletricidade viajou quase instantaneamente ao longo de um fio de cerca de 2 milhas (3,2 quilômetros) de comprimento. Em 1746, ele sugeriu que a eletricidade era apenas um tipo de fluido e que um excesso ou falta desse fluido explicaria os dois tipos de eletricidade propostos anteriormente por Du Fay.

O estadista e inventor Benjamin Franklin, dos Estados Unidos, a quem se atribui a invenção do para-raios, era um defensor do modelo de um fluido de Watson. Aparentemente, o enorme respeito comandado por Franklin foi significativo na ampla aceitação do modelo de Watson. Foi somente na década de 1890, entretanto, que uma compreensão clara do que é eletricidade finalmente surgiu, mostrando que tanto Du Fay quanto Watson estavam corretos em alguns aspectos.

Em 1753, o inglês John Canton descobriu a indução eletrostática. Henry Cavendish, outro inglês, descobriu que a força de atração elétrica varia inversamente com o quadrado da distância entre as cargas. Ele não publicou suas descobertas, e a lei leva o nome de Charles-Augustin de Coulomb, que também descobriu a relação.

O estudo da eletricidade foi muito auxiliado pela invenção de um dispositivo para produzir uma corrente elétrica constante. Em 1780, Luigi Galvani, um anatomista italiano, observou que as pernas de um sapo morto penduradas em um gancho de ferro se contraíam quando tocadas em diferentes tipos de metais. Ele pensou que uma “eletricidade animal” especial causou isso, mas um professor italiano de física, o conde Alessandro Volta, suspeitou de uma causa química. Ele colocou metais diferentes em pilhas entre almofadas umedecidas com soluções ácidas ou salinas. As pilhas produziram uma corrente elétrica constante: Volta inventou a bateria. Em 1807, Sir Humphry Davy, da Inglaterra, usou a corrente de uma poderosa bateria para obter sódio e potássio puros a partir do refrigerante fundido e do potássio. Os franceses Siméon-Denis Poisson, Joseph-Louis Lagrange, André-Marie Ampère e Dominique Arago e o inglês George Green desenvolveram muitas leis fundamentais da eletrodinâmica. Em 1826, o físico alemão Georg Simon Ohm anunciou descobertas sobre voltagem, corrente e resistência em circuitos.

Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted descobriu que uma corrente elétrica causava o desvio da agulha de uma bússola. Isso foi seguido pela invenção do eletroímã pelo inglês William Sturgeon. Nos Estados Unidos, Joseph Henry melhorou este dispositivo e fez outras descobertas. Infelizmente, ele não teve contato com cientistas europeus e suas descobertas permaneceram quase desconhecidas por muitos anos.

Em 1821, o químico inglês Michael Faraday, que não tinha nenhum treinamento formal em matemática ou ciências, fez um levantamento dos experimentos e teorias do eletromagnetismo que haviam surgido no ano anterior. Faraday começou repetindo a experiência de Oersted. Ele começou a desenvolver suas próprias idéias para descrever campos elétricos e magnéticos usando linhas de força. Em 1831 ele havia descoberto o princípio da indução eletromagnética e a base de trabalho para motores e geradores.

Em 1873, o físico escocês James Clerk Maxwell publicou uma profunda análise matemática prevendo que qualquer mudança no campo elétrico ou magnético geraria ondas eletromagnéticas que seriam propagadas através do espaço à velocidade da luz. Em 1888, Heinrich Hertz, da Alemanha, produziu as ondas previstas e confirmou a velocidade calculada por Maxwell. Em 1901, Pyotr N. Lebedev, da Rússia, confirmou a existência de pressão de radiação, também prevista por Maxwell.

 

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