Geradores e Indução Eletromagnética: entenda os conceitos

Antes de falar de energia elétrica, temos que entender o que é energia!

Não existe uma definição concreta para energia, o que sabemos é que ela representa a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

Uma característica fundamental da energia é que ela sempre se conserva, ou seja, ela nunca surge nem desaparece do nada. O que ocorre é uma transformação de energia, ou seja, a energia pode se manifestar de outras formas.

Existem diversas formas de energia, alguns exemplos são: elétrica, mecânica, térmica, química e nuclear.

A energia elétrica é um bem de extrema importância para nossas vidas cotidianas. Ela é baseada em um conceito simples: a diferença de potencial elétrico entre dois pontos permite o estabelecimento de uma corrente elétrica entre ambos.

Tá, mas como esse tipo de energia é gerado? Para responder essa pergunta, precisamos primeiro entender alguns conceitos do eletromagnetismo.

Fluxo magnético

A grandeza física conhecida como fluxo magnético é definida como a medida do campo magnético total que atravessa uma área específica.

Difícil de entender, né? Calma, olhe para a imagem abaixo:

As linhas do campo magnético (B) estão representadas em azul claro. O vetor rosa é normal à superfície em verde. Por fim, θ é o ângulo formado entre as linhas de campo e esse vetor normal.

Para calcular o fluxo magnético ( Φ ) através de um área A basta usar a fórmula:

Φ = B A cosθ

Tá, mas pra que serve esse fluxo? Ele é fundamental para o cálculo da indução eletromagnética!

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Indução eletromagnética

O fenômeno chamado de indução eletromagnética dita como a interação entre um campo magnético e um circuito elétrico produz uma diferença de potencial elétrico.

Basicamente, toda variação de fluxo magnético sobre uma espira (fio condutor dobrado em forma circular) fará aparecer sobre essa uma diferença de potencial elétrico e consequentemente uma corrente elétrica.

Existem diversas formas de alterar um fluxo magnético. Por exemplo, modificando a área da espira por onde o fluxo magnético passa ou alterando a intensidade do campo magnético.

No entanto, a forma mais simples de fazê-lo é criar um movimento relativo entre a fonte de campo magnético e a espira.

Observe a figura abaixo:

Observe que, ao movimentar um ímã com relação a uma bobina (composta por diversas espiras), uma corrente aparece na bobina. Vale notar também que o sentido desse movimento altera o sentido da corrente nas espiras.

Tá, mas como eu calculo a diferença de potencial induzida?

Lei de Faraday e Lei de Lenz

A famosa Lei de Faraday nos diz que:

" A diferença de potencial induzida em uma bobina é proporcional ao número de espiras e à variação temporal do fluxo magnético sobre essas espiras. "

Matematicamente, podemos organizá-la dessa forma:

ε = - N * (ΔΦ / Δt )

Onde:

• ε é a diferença de potencial induzida, também chamada de força eletromotriz.
• N é o número de espiras na bobina.
• ΔΦ é a variação do fluxo magnético.
• Δt é o período de tempo em qual foi realizada a variação no fluxo magnético.
  

O sinal negativo que aparece na equação acima é decorrente da chamada Lei de Lenz:

" O sentido da corrente induzida é sempre oposto à variação do fluxo magnético que lhe deu origem "

Gerador de energia elétrica

Um gerador é um equipamento que se utiliza da indução eletromagnética para gerar energia elétrica utilizável.

Sua composição é bem parecida com o sistema ímã-bobina que discutimos anteriormente. No entanto, para fins práticos, mover uma espira sobre um campo magnético estático é uma opção melhor do que mover um campo mantendo a espira estática.

Observe o esquema de um gerador simples:

Na figura acima, um manivela gira uma espira localizada dentro de um campo magnético.

Note que em cada posição da espira, a quantidade de linhas de campo magnético que passam dentro dela muda, ou seja, o fluxo magnético muda.

Por exemplo, quando o plano da espira fica paralelo às linhas de campo, o fluxo magnético é nulo. Já quando esse plano é perpendicular às linhas, o fluxo magnético é máximo.

Dessa forma, a diferença de potencial produzida por esse gerador sobre a espira se alterna. Como consequência, o tipo de corrente elétrica induzida é a chamada corrente alternada.

É esse tipo de corrente que utilizamos em nossas residências.

Usinas de energia elétrica

Obviamente não seria nada viável alguém ficar rodando uma manivela constantemente para gerar energia elétrica para uma cidade inteira, né?!

Entretanto, o conceito por trás da geração de energia é exatamente esse. A diferença é apenas a forma com que giramos a espira dentro do campo magnético.

Por exemplo, nas usinas eólicas, o vento gira a hélice dos aerogeradores que estão atreladas à espira.

Já nas hidrelétricas, o movimento da água gira a espira.

Analogamente, nas usinas de carvão, gás natural e nuclear, o calor gerado força a mudança de estado física da água para vapor, que também move um tipo de espira.

É importante lembrar que, em todos os casos citados, a energia não está sendo gerada do nada, ela apenas muda de forma: a partir de energia mecânica ou térmica é gerada energia elétrica.

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