Princípios de Eletromagnetismo e Geração de Energia

Fluxo Magnético

Para quantificar o número de linhas de campo que atravessam uma superfície em forma de laço, Faraday definiu o conceito de fluxo magnético. Este é o produto da densidade do campo magnético pela área do laço, representada por um vetor (perpendicular à superfície e com magnitude igual à área). O fluxo através de uma superfície é representado pelas linhas de campo elétricas que a atravessam e é igual ao produto escalar do vetor campo magnético pela área, considerando o ângulo entre a direção do campo magnético e a normal da superfície.

Lei de Faraday

No experimento de Faraday-Henry, verificou-se que se o fluxo magnético muda abruptamente (por exemplo, movendo o ímã mais rapidamente), a intensidade da corrente elétrica induzida aumenta. A variação do fluxo magnético com o tempo é descrita pela Lei de Faraday:

Lei de Lenz

A direção da corrente que flui através da bobina no experimento de Faraday-Henry é definida pela Lei de Lenz (formulada pelo físico estoniano Heinrich Lenz, 1804 - 1865): a corrente induzida por um campo magnético variável tem um sentido que tende a opor-se à causa que a provoca. De acordo com a Lei de Lenz, ao aproximar um ímã de um circuito, gera-se uma corrente que induz um campo magnético que repele o ímã (a). Quando o ímã se afasta (b), a corrente gerada produz um campo que tende a atrair o ímã de volta para o circuito.

Unificação das Leis de Faraday e Lenz

As leis de Lenz e Faraday se unem em um único princípio que define um laço orientado. Este é um laço no qual se estabelece uma face única, chamada principal ou positiva, para onde o vetor normal à superfície é orientado. Assim: A força eletromotriz (FEM) induzida no circuito é positiva quando a corrente gerada tem o sentido horário e negativa caso contrário. O fluxo magnético através de um laço orientado é igual ao produto escalar do vetor campo magnético pelo vetor área, onde o vetor área é o vetor positivo.

Indutância Mútua e Autoindução

Em suas primeiras experiências sobre o fenômeno da indução eletromagnética, Faraday não utilizou ímãs, mas sim duas bobinas enroladas uma sobre a outra e eletricamente isoladas. Quando a intensidade da corrente em uma delas variava, gerava-se uma corrente induzida na outra. Este é, em essência, o fenômeno da indução mútua, que ocorre quando um campo magnético não é produzido por um ímã, mas sim por uma corrente elétrica. A variação da corrente em uma bobina resulta em um campo magnético variável. Este campo magnético variável, por sua vez, cria um fluxo magnético variável que passa através da outra bobina e induz nela, de acordo com a Lei de Faraday-Henry, uma força eletromotriz.

Qualquer um dos enrolamentos do par pode ser considerado um elemento indutor. O epíteto 'mútuo' diferencia este fenômeno do fenômeno da autoindução, que, como o nome sugere, é a indução de correntes em si mesma. Uma bobina isolada que transporta uma corrente variável pode ser considerada também atravessada por um fluxo variável devido ao seu próprio campo magnético, o que levará a uma força eletromotriz de autoindução. Nesse caso, à corrente inicial será adicionado um período adicional de indução magnética na própria bobina. Todas as bobinas em circuitos de corrente alternada (CA) exibem o fenômeno da autoindução e suportam fluxos magnéticos variáveis. Embora transitório, este fenômeno também está presente em circuitos de corrente contínua (CC).

Nos momentos em que se fecha ou abre o interruptor, a intensidade da corrente varia de zero a um valor constante ou vice-versa. Esta variação de intensidade leva a um fenômeno de autoindução de curta duração, responsável pela faísca que se observa no interruptor ao abrir o circuito. A faísca é a manifestação de uma nova corrente autoinduzida.

Força Eletromotriz Senoidal

A Lei de Faraday, expressa na forma de ε = -ΔΦ/Δt, representa, a rigor, a FEM média induzida no intervalo de tempo Δt. A força eletromotriz induzida é variável com o tempo, assumindo valores positivos e negativos de forma alternada, como uma função seno. O valor máximo depende da intensidade do campo magnético do ímã, da área das bobinas, do número de espiras e da rapidez com que a bobina gira dentro do campo magnético. Quando aplicada a um circuito elétrico, resultaria em uma corrente alternada.

Transformadores: Elevação e Redução de Tensão

O transformador é uma máquina elétrica que pode aumentar ou diminuir a tensão em um circuito de corrente alternada (CA), mantendo a frequência. São dispositivos baseados no fenômeno da indução eletromagnética e, em sua forma mais simples, são compostos por duas bobinas enroladas em um núcleo fechado de ferro. A aplicação de uma força eletromotriz alternada no enrolamento primário causa variações na intensidade e direção da corrente alternada, criando um campo magnético variável. Este campo magnético variável causará, por indução, o surgimento de uma força eletromotriz nas extremidades do enrolamento secundário. A relação entre a força eletromotriz aplicada ao enrolamento primário e a força eletromotriz induzida obtida no secundário é diretamente proporcional ao número de espiras dos enrolamentos primário (N_p) e secundário (N_s).

Os transformadores são utilizados em subestações de energia elétrica nos sistemas de transmissão de energia. A fim de reduzir as perdas por Efeito Joule devido à resistência dos condutores no transporte de eletricidade por longas distâncias, utilizam-se transformadores que elevam a diferença de potencial (DDP) da corrente gerada nas centrais elétricas. Ao chegar ao destino, é necessário o uso de transformadores para reduzir essa DDP e adaptá-la para uso em residências ou indústrias.

Centrais Termelétricas

Uma central termelétrica é uma instalação utilizada para gerar eletricidade a partir de calor. Este calor pode ser obtido a partir de combustíveis fósseis (petróleo, gás natural ou carvão) e fissão nuclear (de urânio ou outros combustíveis nucleares). No futuro, instalações de fusão nuclear também poderão ser utilizadas como termelétricas. Em sua forma mais clássica, uma central termelétrica é constituída por uma caldeira na qual o combustível é queimado para gerar calor. Este calor é transferido para tubos onde a água circula e evapora. O vapor obtido, em alta pressão e temperatura, expande-se então em uma turbina a vapor, que aciona um alternador cujo movimento gera eletricidade. Em seguida, o vapor é arrefecido em um condensador, onde a água flui através de um tubo com fluxo de água fresca (de rio aberto ou torre de resfriamento).

Central Hidrelétrica

Uma central hidrelétrica é aquela utilizada para gerar eletricidade, aproveitando a energia potencial da água armazenada em uma represa, situada em um nível superior ao da casa de máquinas da usina. A água é transportada por um conduto forçado até a sala de máquinas da usina, onde as grandes turbinas hidráulicas produzem eletricidade.

As duas características principais de uma central hidrelétrica, do ponto de vista de sua capacidade de geração de eletricidade, são: a potência do gerador e da turbina, e a energia total que pode ser gerada.

Energia Eólica

A energia eólica é obtida do vento, ou seja, da energia cinética gerada pelo movimento das massas de ar. Os moinhos de vento foram utilizados durante séculos para moer grãos, bombear água ou realizar outras tarefas que requeriam energia. Hoje, aerogeradores são usados para gerar energia elétrica, especialmente em áreas expostas a ventos frequentes, como áreas costeiras, altas montanhas ou ilhas.

A energia eólica está relacionada ao movimento das massas de ar que se deslocam de áreas de alta pressão atmosférica para áreas adjacentes de baixa pressão, com velocidades proporcionais ao gradiente de pressão.