Gerador elétrico: entenda o que é e como funciona

Na aula de hoje iremos falar sobre geradores elétricos, que são dispositivos utilizados para o fornecimento de energia elétrica, e ocorre a transmissão de energia elétrica.

Circuitos elétricos estão presentes em diversas esferas da vida humana. Se observarmos ao redor, notaremos a grande quantidade de utensílios que fazem uso deles, desde os circuitos mais simples até os mais complexos. Para serem alimentados, esses circuitos elétricos necessitam de algum tipo de bateria que pode ser chamada de gerador elétrico.

Desde a invenção da pilha por Alessandro Volta (1745-1827), a evolução desses tipos de geradores é contínua e cada vez mais acelerada, buscando-se maior eficiência e durabilidade. Podemos pensar, por exemplo, como antigamente as baterias dos celulares duravam apenas algumas horas. Em contrapartida, atualmente elas estão cada vez mais eficientes e duráveis. Vamos estudar sobre isso nesta aula de Física para o Enem.

Pilha: o primeiro gerador elétrico

Na virada do século XVIII para o século XIX, o cientista italiano Alessandro Volta apresentou ao mundo um aparato rudimentar que viria a ser considerada uma grande invenção: a pilha elétrica.

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Após sucessivas batalhas intelectuais sobre as origens da bioeletricidade com seu conterrâneo, o médico Luigi Galvani (1737-1798), Volta fez uma grande descoberta. Ele percebeu que dois metais diferentes, quando conectados adequadamente, sofriam uma reação de oxirredução, gerando uma corrente elétrica.

Em outras palavras, Volta inventou o primeiro gerador elétrico capaz de alimentar continuamente um circuito elétrico. Atualmente, além das pilhas químicas, existem diversos tipos diferentes de gerador elétrico.

O que é um gerador elétrico

Por definição, um gerador elétrico é um dispositivo que é capaz de alimentar um circuito elétrico transformando uma determinada forma de energia em energia elétrica.

Nas usinas hidrelétricas, por exemplo, a energia elétrica é gerada a partir da energia potencial gravitacional da água armazenada na represa. A queda da água faz girar uma turbina acoplada a um gerador eletromagnético que transforma energia mecânica de rotação em energia elétrica.

Usina hidrelétrica - gerador elétricoRepresentação de uma usina hidrelétrica, onde ocorre transformação de energia potencial gravitacional em energia elétrica por meio de um gerador.

Como funciona um gerador elétrico

Os geradores elétricos podem ser caracterizados matematicamente pela força eletromotriz (fem) (ε), que é uma característica própria de cada gerador. Essa força representa a quantidade de outras formas de energia transformada em energia elétrica por unidade de carga elétrica que o atravessa. A unidade da força eletromotriz no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Volt (V).

O gerador também é caracterizado por sua resistência interna (r), que é um elemento que representa as energias dissipadas internamente quando o gerador está em funcionamento. A unidade de medida da resistência interna é o Ohm (Ω).

Pilha e gerador elétricoRepresentação da força eletromotriz e da resistência interna de um gerador.

Vamos considerar uma pilha comum com força eletromotriz ε = 1,5 V (1,5 J/C). Isso significa que ela transforma 1,5 joule de energia química em energia elétrica para cada 1 coulomb de carga elétrica que a atravessa.

Na prática, entretanto, essa energia não é convertida integralmente em energia elétrica útil para o circuito externo. Isso ocorre porque parte da energia não elétrica é dissipada internamente, no próprio gerador.

Matematicamente, equacionamos essa energia dissipada considerando que os geradores tenham uma resistência elétrica interna r que, por efeito joule, transforma parte da energia elétrica total gerada em calor.

Equação característica do gerador

A partir do princípio da conservação de energia, que é válido para quaisquer conteúdos que podemos abordar, vamos considerar que a potência útil Pu é igual à diferença entre a potência total Pt e a potência dissipada Pd.

Pu = Pt – Pd

Sabemos que: Pu = U. i, Pt = i . ε e Pd = r. i².  Portanto, vamos substituir na equação acima:

U.i = i. ε – r . i²

Como podemos ver, a corrente elétrica é comum em todos os termos, e por isso podemos “cortá-la” em todos os termos. Assim, a equação do gerador fica:

U = ε – r . i

Essa equação fornece uma tensão U nos terminais de um gerador em função da corrente elétrica i. Isso mostra que, quanto maior for a corrente elétrica i fornecida por um gerador, maior será a tensão U entre os terminais. Tratando-se de uma equação do primeiro grau, o gráfico da tensão em função da corrente é uma reta, como podemos ver na figura a seguir.

Gráfico da equação de um gerador elétricoGráfico que representa a equação característica de um gerador elétrico.

O ponto em que a reta intercepta o eixo da tensão corresponde à situação em que o gerador está em circuito aberto, ou seja, i = 0.

Nesse caso, temos que U = ε. Isso ocorre porque o ponto em que a reta intercepta o eixo da corrente elétrica corresponde à situação em que o gerador é colocado em curto-circuito. Em outras palavras, os terminais são interligados diretamente por um fio condutor. Nesse caso, a corrente elétrica fornecida pelo gerador é chamada de corrente de curto-circuito, icc, dada por:

corrente de curto-circuito

Para relembrar os cálculos de potência elétrica, confira a videoaula do professor Marcelo no nosso canal do YouTube:

Transmissão de energia elétrica

Como vimos anteriormente, o gerador elétrico é capaz de transformar outras formas de energia em energia elétrica. Assim, nas usinas de geração de energia elétrica é isso que acontece: utiliza-se outra forma de energia para essa conversão.

Contudo, para a transmissão de energia elétrica são necessárias altas voltagens que não podem ser fornecidas diretamente por um gerador elétrico, seja ele de corrente alternada ou de corrente contínua.

Sabemos que os maiores geradores de usinas são capazes de fornecer voltagens em torno de 10000 V. Com isso, para realizar as transmissões de energia, é necessário aumentar significativamente esses valores de voltagens fornecidas pelos geradores.

Devemos ressaltar que se os geradores das usinas fossem de corrente contínua, como pilhas, por exemplo, não conseguiríamos resolver esse problema. Isso porque o transformador (dispositivo utilizado para elevar as tensões) não funciona em corrente contínua.

Em contrapartida, com a corrente alternada, o transformador consegue fazer esse aumento de tensão. Isso faz com que a energia elétrica consiga chegar até nossas residências, percorrendo grandes distâncias.

Resumindo: o gerador fornece tensões mais baixas, mas o transformador consegue aumentar essas tensões para que a energia elétrica percorra grandes distâncias, chagando em nossas residências. A energia ainda passa por mais um transformador que diminui a tensão novamente para utilizarmos em nossas casas 220 V ou 110 V.

Videoaula

Quer saber mais sobre geradores elétricos? Se liga nessa super aula do Professor Boaro:

Exercícios

1- (UEFS BA)

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.

2- Um determinado gerador, que possui fem 2,0 V e resistência interna 0,5 Ω, está associado em série a uma pequena lâmpada de resistência 2 Ω. Determine a tensão elétrica existente entre os terminais do gerador.

a) 1,5

b) 1,2

c) 1,6

d) 1,8

e) 2,0

3- Qual será a resistência interna para um gerador que possui fem igual a 50 V e rendimento de 60 % quando percorrido por uma corrente de 2,5 A?

a) 8 Ω

b) 4 Ω

c) 2 Ω

d) 16 Ω

e) 20 Ω

Gabarito:

  1. D
  2. C
  3. A

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica

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