Corrente alternada

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Forma de onda da corrente alternada.

A corrente alterna ou corrente alternada (CA ou AC - do inglês alternating current), é uma corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente contínua cujo sentido permanece constante ao longo do tempo. A forma de onda usual em um circuito de potência CA é senoidal por ser a forma de transmissão de energia mais eficiente. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas, tais como triangular ou ondas quadradas. Enquanto a fonte de corrente contínua é constituída pelos pólos positivo e negativo, a de corrente alternada é composta por fases (e, muitas vezes, pelo fio neutro).

História[editar | editar código-fonte]

A corrente alternada surgiu quando Nikola Tesla foi contratado por J. Westinghouse para construir uma linha de transmissão entre Niágara e Buffalo, em NY. Thomas Edison fez o possível para desacreditar Tesla, mas o sistema polifásico de Tesla foi adotado. A Corrente Alternada é a forma mais eficiente de se transmitir uma corrente elétrica por longas distâncias. Nela, os elétrons invertem o seu sentido várias vezes por segundo. [vago]

Na primeira metade do século XX havia sistemas de Corrente Alternada de 25 Hz no Canadá (Ontário) e no norte dos Estados Unidos. Em alguns casos alguns, estes sistemas (por exemplo, nas Cataratas do Niágara) perduram até hoje por conveniência das fábricas industriais que não tinham interesse em trocar o equipamento para que operasse a 60 Hz. As baixas frequências facilitam a construção de motores de baixa rotação, já que esta é diretamente proporcional à frequência.

Há também sistemas de 16,67 Hz em ferrovias da Europa (Suíça e Suécia).

Sistemas AC de 400 Hz são usados na indústria têxtil, aviões, navios, espaçonaves e em grandes computadores.

Na maioria dos países da América, inclusive Brasil e EUA, a frequência da rede elétrica é de 60 Hz. Na Europa, inclusive em Portugal, é usada a frequência de 50 Hz. A frequência de 50 Hz também é usada em alguns países da América do Sul, como por exemplo a Argentina, a Bolívia, o Chile e o Paraguai.

A Corrente Alternada foi adotada para transmissão de energia elétrica a longas distâncias devido à facilidade relativa que esta apresenta para ter o valor de sua tensão alterada por intermédio de transformadores. Além disso as perdas em CA são bem menores que em CC. No entanto, as primeiras experiências e transmissões foram feitas com Corrente contínua (CC).

Matemática[editar | editar código-fonte]

A forma de onda de tensão em CA pode ser descrita matematicamente pela fórmula:


v(t)=V \cdot \sin(2 \pi f t + \phi_{v})\,

A forma de onda de corrente em CA pode ser descrita matematicamente pela fórmula:


i(t)=I \cdot \sin(2 \pi f t + \phi_{i})\,

O valor de pico-a-pico de uma tensão alternada é definida como a diferença entre o seu pico positivo e o seu pico negativo. Desde o valor máximo de \scriptstyle \sin x que é +1 e o valor mínimo que é -1, uma tensão CA oscila entre \scriptstyle\scriptstyle +A e -A. A tensão de pico-a-pico, escrita como \scriptstyle V_{p-p}, é, portanto (+\scriptstyle A) − (−\scriptstyle A) = \scriptstyle 2A.

Geralmente, a tensão CA é dada quase sempre em seu valor eficaz, que é o valor quadrático médio desse sinal elétrico (em inglês é chamado de root mean square, ou rms), sendo escrita como \scriptstyle V_{ef} (ou \scriptstyle V_{rms}). Para uma tensão sinusoidal:


V_{\mathrm{ef}}={A \over {\sqrt 2}}={A{\sqrt 2} \over 2}

Vef é útil no cálculo da potência consumida por uma carga. Se a tensão CC de valor VCC transfere certa potência P para a carga dada, então uma tensão CA de valor Vef irá entregar a mesma potência média P para a mesma carga se Vef = VCC. Por este motivo, rms é o modo normal de medição de tensão em sistemas de potência.

Para ilustrar estes conceitos, considere a tensão de 220 V CA usada em alguns estados brasileiros e em Portugal. Ela é assim chamada porque seu valor eficaz (rms) é, em condições normais, de 220 V. Isto quer dizer que ela tem o mesmo efeito joule, para uma carga resistiva, que uma tensão de 220 V CC. Para encontrar a tensão de pico (amplitude), podemos modificar a equação acima para:


A=V_{\mathrm{ef}} \cdot \sqrt 2

Para 220 V CA, a tensão de pico VP ou A é, portanto, 220 V × √2 = 311 V (aprox.). O valor de pico-a-pico VP-P de 220 V CA é ainda mais alta: 2 × 220 V × √2 = 622 V (aprox.)

Note que para tensões não senoidais, temos diferentes relações entre seu pico de magnitude valor eficaz. Isso é de fundamental importância ao se trabalhar com elementos do circuito não lineares que produzem correntes harmônicas, como retificadores.

Tensão Alterna[editar | editar código-fonte]

Diagrama de circuito para uma fonte ideal de tensão alternada (esquerda) e representação da tensão da rede elétrica pública na Europa (direita).

Uma tensão alternada é um sinal sinusoidal:

V = V_\text{máx} \cos(\omega\,t + \varphi)

os diagramas de circuito, uma fonte ideal de tensão alternada representa-se pelo símbolo na figura abaixo. Junto do diagrama indica-se a tensão máxima e a frequência. Os valores apresentados na figura são os que estão em uso na rede elétrica pública da União Europeia: frequência \scriptstyle f de 50 Hz e tensão máxima de 325 V.[1]

O instante em que arbitramos \scriptstyle t = 0 pode ser escolhido de forma a fazer com que a fase da tensão seja nula. Uma vez fixarmos um valor para a fase, é importante indicar qual a diferença de potencial que o fasor representa: o potencial do terminal identificado com o sinal + menos o potencial do terminal com o sinal. Os sinais indicados nos terminais da fonte indicam que o terminal positivo está a maior potencial que o negativo, no instante \scriptstyle t = 0, mas meio período mais tarde o terminal positivo estará a menor potencial que o terminal negativo.

Se usarmos uma ligação a terra no circuito, como no lado direito da figura acima, o fasor da tensão representará a diferença de potencial entre o terminal que não está ligado à terra e a terra. Nesse caso não será necessário indicar sinais nos terminais da fonte.

Gerador de tensão alternada[editar | editar código-fonte]

Gerador de tensão alterna.

Um gerador de tensão alternada (figura ao lado), consiste numa bobina que se faz rodar dentro de um campo magnético; o fio onde começa a bobina está soldado a um anel condutor e o fim do fio, depois de ser enrolado na bobina, solda-se a outro anel condutor; esses dois anéis mantêm o contato com duas escovas, enquanto a bobina roda, de forma que a diferença de potencial entre as escovas é igual à diferença de potencial na bobina toda.

O fluxo através da bobina é:

\Phi_\mathrm{m} = B\,A\,\cos\theta

onde A é a área da bobina, B o campo médio, e \scriptstyle \theta o ângulo entre o campo e a normal à bobina.

Se a bobina roda com velocidade angular constante, \scriptstyle \omega, o ângulo \scriptstyle \theta, em função do tempo, é representado por \scriptstyle \omega\,t+\theta_0.

Assim, a derivada do fluxo magnético, em função do tempo, será igual a:

V = V_\text{máx}\, \sin(\omega\, t + \theta_0)

onde \scriptstyle V_\text{máx} = N\,B\,A\,\omega. A expressão acima dá a diferença de potencial entre as duas escovas condutoras, em função do tempo e é designada tensão alternada. A diferença de potencial oscila entre um valor máximo V máx, positivo, e um valor mínimo negativo -V máx.

A frequência da tensão alternada, \scriptstyle f=\omega/(2\,\pi) , é o número de oscilações por unidade de tempo...

O gerador de tensão alternada, também denominado alternador, usa-se para transformar energia mecânica em energia elétrica. A fonte da energia mecânica, que faz rodar a bobina, pode ser o vento, nas centrais de energia eólica, a corrente de água, nas centrais hidroelétricas, o fluxo de vapor de água evaporada por combustão de carvão, o movimento do motor, no alternador usado para recarregar a bateria num automóvel, etc.

Ver também[editar | editar código-fonte]

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Referências

  1. [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 16 jun. 2013.