Corrente Contínua vs Corrente Alternada

A energia elétrica é um bem de extrema importância para nossas vidas cotidianas. Utilizamos ela nos mais diversos aparelhos e equipamentos. Primordialmente, o princípio básico da energia elétrica é simples: a diferença de potencial elétrico entre dois pontos permite o estabelecimento de uma corrente elétrica entre ambos.

Tipos de corrente

Uma corrente elétrica é simplesmente o fluxo de elétrons através de um condutor. Assim esse fluxo pode ocorrer de duas formas:

Na Corrente Contínua (DC), o fluxo de elétrons ocorre sempre no mesmo sentido.

Esse é o caso, por exemplo, de circuitos abastecidos por pilhas e baterias. Em geral, os circuitos que aparecem nos vestibulares são circuitos de corrente contínua.

Na Corrente Alternada (AC), o fluxo de elétrons alterna de sentido, fazendo um movimento de "vai e vem".

É esse tipo de corrente que abastece as nossas casas. A frequência da corrente que recebemos da companhia elétrica vale 60 Hz, ou seja, essa corrente completa 60 ciclos por segundo!

A corrente alternada parece mais complexa, né? Então por que usamos ela para a maioria das coisas? Senta que lá vem história!

A batalha das correntes

Até o final do século XIX, os poucos lugares que possuíam equipamentos elétricos eram abastecidos por corrente contínua, vendida e defendida pelo inventor Thomas Edison.

No entanto, a corrente contínua possuía um problema grave: grande parte de sua potência elétrica era perdida em cabos de transmissão. Logo, até então, era inviável a transmissão de eletricidade a longas distâncias.

Dessa forma, para expandir o uso de energia elétrica, seria necessária a construção de uma usina elétrica próxima de cada centro urbano.

Em seguida, tendo consciência desse problema, Nikola Tesla, ex-funcionário de Edison, surgiu com a solução: a corrente alternada. Ou seja, com o uso de certos equipamentos, a corrente alternada poderia ser transportada a longas distâncias sem muita perda de potência!

Consequentemente, ambos passaram a disputar pelo direito de eletrificar diversas cidades americanas. Foi assim que a Batalha das Correntes começou:

Visto que não tinha chances contra seu concorrente, Edison optou por uma estratégia mais ousada. Por isso, iniciou uma campanha de desinformação, tentando fazer a população acreditar que a corrente alternada de Tesla era extremamente perigosa.

Mas nada disso adiantou e, no fim, Tesla ganhou a batalha e o direito de eletrificar cidades. Para tal, geradores hidrelétricos foram construídos nas Cataratas do Niágara.

O processo de geração de corrente alternada é um pouco complexo, mas não se preocupe, temos um blog post inteirinho dedicado a isso: Energia Elétrica, Geradores e a Indução Eletromagnética.

Gostou da história? Então, agora senta que lá vem Física!

Potência e resistência

Como vimos, o que deu a vitória a Tesla, foi a capacidade da corrente alternada de ser transmitida com menor perda de potência.

Tá, mas como isso é possível?

Antes de mais nada, para entender esse fenômeno, precisamos aprender sobre duas grandezas físicas: potência e resistência elétrica.

Potência elétrica

A potência elétrica é formalmente definida como a rapidez com que um trabalho é realizado. Da mesma forma, podemos defini-la também como a quantidade de energia elétrica transformada em outra forma de energia por unidade de tempo.

A unidade no sistema internacional para a potência é o watt (W), que equivale a 1 Joule de energia por segundo.

Diferentes equipamentos possuem potências elétricas distintas. Por exemplo, um chuveiro elétrico transforma 5000 J de energia elétrica em energia térmica por segundo, logo sua potência vale 5000 W.

Tá, mas como esse chuveiro transforma a energia elétrica em térmica?

Resistência elétrica

Antes de mais nada, chamamos de resistência elétrica a capacidade de um condutor de se opor à passagem de corrente elétrica.

A unidade no sistema internacional para a resistência é o ohm (Ω).

Um resistor é, então, um dispositivo que possui alta resistência elétrica e que, limitando a passagem de corrente elétrica, consegue transformar energia elétrica em térmica, gerando calor.

Essa forma de "perder energia elétrica" e gerar calor é nomeada efeito joule.

Tá, mas o que isso tem a ver com a perda de potência nos cabos de transmissão? Tudo, pois os cabos também possuem certa resistência, ou seja, sobre eles também atua o efeito joule.

Potência perdida na transmissão

A potência individual de um equipamento, como o chuveiro, não é muito alta. Porém, imagine diversos equipamentos ligados ao mesmo tempo, não só na sua casa, mas em toda a sua cidade. Assim, a potência elétrica total necessária para suprir essa cidade é muito alta!

Suponhamos, por exemplo, que Jubilândia, uma pequena cidade, utilize 20 milhões de Watts (20 MW) de potência em horários de pico.

No Brasil, utilizamos uma diferença de potencial de 110 ou 220 Volts em nossas casas. Ao passo que consideraremos nos cálculos que, em Jubilândia, as casas utilizem 110 V.

Existe uma fórmula simples que relaciona potência (P), diferença de potencial (V) e corrente elétrica (i):

P = V i ou i = P / V

(Fórmula 1)

Assim, para Jubilândia, a corrente elétrica que percorre os cabos de transmissão vale.

Sendo: i = P / V

➡ i = 20.000.000 W / 110 V

Resultando em: i = 182.000 ampere

Por isso, para saber quanto de potência é perdida por efeito joule nos cabos, podemos usar uma segunda fórmula:

P = i² R

(Fórmula 2)

Vamos considerar que um cabo de transmissão, que possui uma resistência de 0.7 ohms por metro, é responsável por suprir energia à Jubilândia.

Sendo assim, a potência perdida nos cabos de transmissão vale:

P = (182.000 ampere)² * (0.7 ohm por metro)

P = 23.186.800.000 watts por metro

Portanto, para que 20 MW sejam fornecidos para a cidade, 23.000 MW seriam perdidos nos cabos, por metro de distância entre a cidade e a usina geradora de energia. Isso é, obviamente, inviável.

Tá, mas qual seria a solução?

A solução: redução da corrente

Vimos que a potência perdida depende de duas variáveis: a resistência do cabo e a corrente elétrica passando por esse cabo (veja a fórmula 2).

Para reduzir a resistência por metro de um condutor, precisamos aumentar o seu diâmetro, já que dessa forma haverá mais material para carregar a corrente. No entanto, a quantidade extra desse material custaria muito caro.

A solução mais eficaz é reduzir a corrente, já que, como notamos na fórmula 2, a relação entre potência dissipada e corrente é quadrática. Por exemplo, reduzindo em 10 vezes a corrente no cabo, reduzimos em 100 vezes a potência dissipada!

Tá, mas como faremos para reduzir a corrente nos cabos sem modificar a potência que abastece a cidade? Simples, basta aumentar a diferença de potencial que atua sobre eles (veja a fórmula 1)!

Na prática, a diferença de potencial que utilizamos em cabos de transmissão é muito maior do que os 110 V que chegam em nossas casas: algo em torno de 750.000 V (750 kV).

Com essa diferença de potencial, a corrente transmitida pelos cabos seria algo em torno de:

i =P/V

➡ i = 20.000.000 W / 750.000 V

Assim, i = 26,7 ampere

Dessa forma, a potência dissipada por efeito joule valeria:

P = i² R

➡ P = (26,7 ampere)² * 0,7 ohm por metro

Dessa forma, P = 500 watts por metro

Sendo assim, com essa mudança na diferença de potencial, reduzimos a potência perdida de 23.000 MW para 500 W, ou seja, uma redução de fantásticos 97,82%!

Tá, mas como podemos modificar a diferença de potencial de um circuito?

Transformadores: a carta na manga da corrente alternada

Os transformadores são equipamentos que nos permitem aumentar a diferença de potencial em um circuito elétrico (reduzindo a corrente presente no mesmo) ou reduzi-la (aumentando a corrente).

Inegavelmente, os transformadores foram a razão da vitória de Tesla: transformadores só funcionam com corrente alternada! Sendo assim, não existe forma de transmitir, de forma eficiente, potência elétrica fazendo uso de corrente contínua.

Vale lembrar que, a energia elétrica é transmitida com alta diferença de potencial (ou alta tensão), porém, nossas casas continuam necessitando de uma baixa diferença de potencial (ou baixa tensão).

Sendo assim, são necessários dois transformadores:

• Transformador A: Aumenta a diferença de potencial produzida na usina para que sejam reduzidas as perdas de potência nos cabos de transmissão.

• Transformador B: Reduz a diferença de potencial que chega dos cabos de transmissão para 110 V (ou 220 V), para que nossos equipamentos domésticos possam funcionar corretamente.

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