Geradores elétricos - Curto-circuito, rendimento, potência e equação

Antes de falarmos em geradores elétricos, vamos imaginar um poço em um sítio e o desejo de bombear a sua água. Para isto é necessária uma bomba de sucção que tem por finalidade criar uma diferença de pressão entre os pontos do encanamento. Esta diferença é responsável por colocar a água em movimento podendo, assim, ser armazenada em uma caixa d'água. É claro, que se a bomba for desligada, o movimento da água cessará. Ela realiza um trabalho positivo já que está levando a água para um ponto de maior energia potencial.

Funcionamento do gerador elétrico

Agora vamos levar esse mesmo raciocínio para o funcionamento de um gerador elétrico. No artigo sobre corrente elétrica, mostramos que para ter um movimento ordenado de cargas elétricas, é necessário uma diferença de potencial que é obtida por um dispositivo muito conhecido por nós: o gerador elétrico.

Os geradores elétricos aparecem diariamente nas mais diferentes formas, como pilhas domésticas, baterias de automóveis e também no interior das grandes usinas geradoras de eletricidade. O papel deles no circuito elétrico é muito similar ao da bomba de sucção citada no início do artigo.

Pólos positivo e negativo

Sabemos que um gerador possui dois pólos, um positivo e outro negativo, ou seja, um pólo de maior e outro de menor potencial elétrico. Quando ligamos os terminais de um circuito nos pólos do gerador, teremos um movimento ordenado de cargas elétricas, isto é, a corrente elétrica. O gerador tem como função levar as cargas elétricas negativas para o pólo negativo da bateria, ou seja, um lugar em que essas cargas nunca chegariam naturalmente. Feito isto, elas irão fluir por meio do circuito na direção dos potenciais mais elevados.

Observe que algo muito parecido ocorre com a bomba de sucção, pois ela está elevando a água para pontos aos quais ela nunca chegaria naturalmente, como é o caso da caixa d'água. E, a partir daí, ela é distribuída automaticamente pela força da gravidade fazendo com que chegue a pontos de menor energia potencial.

Equação característica e o símbolo do gerador elétrico

Como já foi dito acima, existem dois pólos no gerador: o positivo e o negativo. Quando um circuito é ligado a esses pólos, ele foi ligado a uma diferença de potencial que será de agora em diante simbolizada pela letra U. O símbolo de um gerador em um circuito elétrico é dado pela seguinte figura.

OE é a força eletromotriz que, na verdade, é a diferença de potencial do gerador quando ele não está ligado ao circuito, ou seja, para um gerador em aberto temos que U = E. Quando o ligamos a um circuito, teremos a diferença de potencial U menor que a força eletromotriz E. Isto acontece porque o gerador apresenta uma resistência elétrica que é definida como resistência interna r.

A diferença de potencial lançada no circuito será a diferença entre a força eletromotriz E pela diferença de potencial que foi aplicada na resistência interna no gerador. Desse raciocínio, temos a equação característica do gerador.

Observe que o termo r.i da equação, na verdade, é a primeira Lei de Ohm aplicada na resistência interna do gerador.

O gerador em curto-circuito

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.

Na figura acima, temos um esquema de um gerador em curto-circuito. Perceba que, na equação característica, foi substituído o zero no lugar da diferença de potencial. No fim, e em destaque, temos a equação que dá o valor da corrente de curto-circuito, que é a razão entre a força eletromotriz e a resistência interna.

A curva característica do gerador

A curva característica de um gerador é um gráfico da diferença de potencial pela corrente que flui pelo gerador. Esse gráfico é uma reta, pois a equação característica do gerador, que estabelece a relação entre a diferença de potencial e a corrente elétrica, é a do primeiro grau. E ela nos fornecerá uma função decrescente, pois temos o termo "-r.i". A curva característica está representada na figura a seguir.

Observe pelo gráfico que quando i = 0 temos que U = E, e que a maior corrente possível é a de curto-circuito.

A potência no gerador

Quando o gerador é ligado a um circuito, começa a fluir uma corrente nele, pois a finalidade do gerador é manter uma diferença de potencial U. A potência útil do gerador é definida pelo produto da diferença de potencial lançada no circuito pela corrente que flui nele.

• P_U = U.i
  
  O gerador real também possui uma resistência elétrica e ela é uma fonte de dissipação, por isso além de uma potência útil, também teremos uma dissipada. Ela está apresentada no artigo sobre a potência elétrica e é definida a seguir.
   
• P_D = r.i²
  
  A soma da potência útil pela da dissipada no circuito dará a potência total do gerador que é definida pelo produto da força eletromotriz pela corrente elétrica.
   
• P_t = E.i
  O rendimento no gerador Define-se rendimento como sendo a divisão daquilo que está sendo usado pelo total fornecido para essa utilização. Aplicando essa ideia a um gerador teremos que o rendimento do mesmo é definido como sendo a potência útil dividida pela total.

Para um gerador real, o valor esperado para o rendimento está no intervalo maior que zero e menor que um. Não pode ser igual a zero, pois este rendimento indica que o gerador está com defeito e não pode ser igual a um, pois desse modo ele seria um gerador ideal, ou seja, com resistência interna igual a zero. É muito comum multiplicarmos o valor do rendimento por cem, pois desse modo teremos o resultado percentual do rendimento.