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Geradores Elétricos e Força Eletromotriz

Física

Geradores são dispositivos capazes de produzir energia elétrica a partir da transformação de outra forma energética. A energia produzida pelos geradores é chamada de força eletromotriz.
Os geradores elétricos são capazes de transformar alguma forma de energia, como a energia química dos combustíveis fósseis, em força eletromotriz.
Os geradores elétricos são capazes de transformar alguma forma de energia, como a energia química dos combustíveis fósseis, em força eletromotriz.
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Geradores elétricos são dispositivos que convertem energia mecânica, química ou, até mesmo. solar em energia elétrica. A energia produzida por geradores pode ser usada para alimentar circuitos elétricos. Veja abaixo alguns exemplos de geradores:

→ Pilhas

Pilhas

→  Baterias

Bateria de carro

→ Geradores movidos a óleo diesel

Gerador movido a óleo diesel

→ Usinas hidrelétricas

Usina hidrelétrica

→ Usinas solares (placas fotovoltaicas)

Placas solares

→ Usinas eólicas

Energia eólica

→ Usinas nucleares

Energia nuclear

O fenômeno utilizado por alguns dos geradores acima para transformar energia mecânica em elétrica é chamado de indução eletromagnética. Esse processo consiste em mudar o fluxo de campo magnético sobre uma espira condutora, promovendo, assim, o surgimento de uma corrente elétrica alternada.

Veja também: A descoberta da indução eletromagnética

As placas fotovoltaicas, por sua vez, são capazes de transformar a energia presente nas ondas eletromagnéticas em energia elétrica por meio do efeito fotoelétrico.

Força eletromotriz

A força eletromotriz (FEM) corresponde a todo o potencial elétrico que pode ser produzido por um gerador. Ao ser ligado em um circuito, parte da energia gerada é dissipada em forma de calor em decorrência da formação de uma corrente elétrica em seu interior. Esse fenômeno, chamado de efeito Joule, ocorre porque os geradores apresentam certa resistência interna, logo, não há gerador perfeito.

A força eletromotriz também pode ser compreendida como a quantidade de energia potencial elétrica que os geradores fornecem a cada unidade de carga elétrica:
 

Força eletromotriz - 2

Podemos calcular a força eletromotriz produzida por um gerador por meio da seguinte equação:
 

Força eletromotriz

E – força eletromotriz [V]
U – tensão elétrica utilizável [V]
ri – resistência interna do gerador [Ω]
i – corrente elétrica [A]

A equação acima sugere que parte da energia produzida por um gerador (E) é utilizada para ligar dispositivos eletroeletrônicos (U), e outra parte é dissipada (ri.i). Por meio da equação da força eletromotriz, é possível deduzir a equação característica dos geradores, que nos fornece a tensão utilizável (UU) por um circuito alimentado por um gerador real:
 

Equação dos geradores

Mapa Mental: Geradores

Mapa Mental: Geradores

*Para baixar o mapa mental, clique aqui!

Representação do gerador no circuito

Os geradores costumam ser representados em circuitos, cujo esquema é apresentado a seguir:
 

Gerador

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Nos geradores, a corrente elétrica (no sentido convencional) sempre deve fluir do menor para o maior potencial elétrico, demonstrados pela barra pequena (-) e pela barra grande (+), respectivamente. Essa representação indica que a corrente elétrica ganha energia ao passar pelo gerador. A resistência ri mostrada no circuito é a resistência interna do gerador.

Curva característica dos geradores

A curva característica dos geradores é uma reta descendente no primeiro quadrante do plano cartesiano. Representa a queda de tensão dentro do gerador e pode ser entendida da seguinte maneira:

  1. Se a corrente formada pelo gerador for nula (i = 0), então nenhuma energia será dissipada. Logo, toda a tensão produzida será a própria força eletromotriz (U = E).

  2. Se o gerador for ligado em curto-circuito, conectado diretamente aos terminais positivo e negativo por um fio sem resistência, será produzida a máxima corrente possível. Se esse gerador estiver ligado em um circuito e produzir tal corrente, sua resistência interna consumirá toda a energia produzida. Dessa forma, o potencial estabelecido pelo gerador será nulo (U = 0). Observe:
     

Curva característica dos geradores

E – força eletromotriz [V]
ri – resistência interna do gerador [Ω]
icc – corrente elétrica de curto-circuito[A]

Por meio da 1ª lei de Ohm, podemos utilizar a informação contida na curva característica dos geradores para calcular sua resistência interna. Observe:
 

Cálculo da resistência interna do gerador

Veja também: Lei de Ohm

Potência elétrica nos geradores

Potência elétrica é uma grandeza escalar medida, geralmente, em watts (ou em unidades derivadas). Representa a taxa de variação da energia elétrica em função do tempo. Nos geradores, há três tipos de potência elétrica:

  • Potência elétrica total: corresponde a toda a potência elétrica produzida pelos geradores. É dada pela equação:
     

Potência total

  • Potência elétrica utilizável: potência elétrica disponível para o circuito elétrico. Pode ser calculada por meio da seguinte equação:
     

Potência útil

  • Potência elétrica dissipada: potência elétrica consumida pelo efeito Joule em virtude da passagem de corrente elétrica pela resistência interna dos geradores.
     

    Potência elétrica dissipada

Portanto, o balanço de energia nos geradores pode ser sintetizado pelas seguintes equações:
 

Balanço de energia nos geradores

Rendimento dos geradores

O rendimento dos geradores é uma grandeza física adimensional que indica a capacidade do gerador em transformar alguma forma de energia em energia elétrica. O rendimento dos geradores é dado pela razão entre o potencial elétrico útil e sua força eletromotriz:

Rendimento do gerador

  


Por Me. Rafael Helerbrock

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Geradores Elétricos e Força Eletromotriz"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/fisica/geradores-eletricos-forca-eletromotriz.htm>. Acesso em 18 de abril de 2019.

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Lista de Exercícios
Questão 1

No circuito abaixo, um gerador de f.e.m. 8V, com resistência interna de 1Ω, está ligado a um resistor de 3 Ω.

Determine:

a) a ddp entre os terminais A e B do gerador.
b) O rendimento do gerador

Questão 2

Tem-se um gerador de f.e.m.E=12V e resistência interna r = 2,0 Ω.

Determine:

a) a ddp em seus terminais para que a corrente que o atravessa, tenha intensidade i  = 2,0A;
b) a intensidade da corrente i para que a ddp no gerador seja U = 10V        

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