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Curso: Mecatrnica Mdulo: I Carga Horria: 50h Docente: Turno: Turma: Discente:

Material Instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Newton para uso exclusivo do CETEB-CA.

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Sumrio Magnetismo 5 Cronologia 5 Introduo 5 Termos Magnticos 5 Plos dos ms 6 Sentido das Linhas de Foras 6 Fragmentao de um m 7 Lei de Atrao e Repulso dos ms 7 Magnetismo Terrestre 7 Toria Molecular 7 Permeabilidade Magntica 8 Relutncia Magntica 8 Densidade Magntica 9 Fluxo Magntico 9 Blindagem Magntica 9 Induo 9 Eletromagnetismo 10 Experiencia de Orested 10 Linhas de Fora Magntica 11 Sentido das Linhas de Fora Magnticas 11 Regra do Saca Rolhas 12 Condutores em Posio Paralela 12 Campo Magntico em Solenide / Bobinas 13 Eletrom 14 Disposio de ms 15 Gerador Elementar 16 Introduo 16 Corrente Alternada 17 Freqncia 20 Converso Eletromagntica de Energia 21 Introduo 21 Relao Entre Induo Eletromagntica e Fora Eletromagntica 21 Lei de Farady da Induo Eletromagntica 22 Sentido da FEM Induzida Regra de Fleming 23 Lei de Lenz 24 Fora de Lorentz 25 Efeito Hall 25 Movimento de uma Carga num Campo Magntico 26 Fora sobre uma Corrente 26 Gerador Corrente Alternada e Gerador de Corrente Contnua 27 Estudo de Vetores 27 Alternador 30 Gerador de Corrente Contnua 37 Descrio de Funcionamento de Gerador CC 38 Tipos de Geradores de CC 42 Curva de Saturao Gerador Auto-Excitado Tipo Srie 44 Curva de Saturao Gerador Auto-Excitado Tipo Paralelo 44 Gerador Auto-Excitado do Tipo Compound 44 Motores Eltricos de Corrente Contnua 46 Motores Eltricos de Corrente Alternada 47

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Introduo 47 Motores Monofsico 49 Motores de Induo Trifsicos 52 Mquina Sncrona 61 Motor Sncrono 61 Motor Sncrono sem Carga 62 Motor Sncrono com Carga 63 Gerador Sncrono (Alternador) 63 Transformador 64 Problema 1 64 Problema 2 65 Problema 3 66 Principio Bsico do Transformador 66 Reator (Indutor) 66 Transformadores Trifsico 73 Transformador de Corrente TC 75 Referncias Bibliogrficas 81

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Magnetismo Cronologia

Sculos antes da Era Crist: gregos conheciam um mineral chamado lodestone", xido de ferro, da regio de Magnsia;

2700 A .C.: registros do uso de bssolas rsticas feitas de Lodestone pelos chineses; 1000-1200 D.C: bssolas para navegao largamente utilizadas; 1600: William Gilbert, considerado o pai do magnetismo, publica os primeiros conhecimentos

afirmando que a Terra um grande m; 1820: Oersted descobre a relao entre eletricidade e magnetismo; Ampere determinou que duas

bobinas carregando corrente eltrica agem como ms; Arago descobre que o ferro pode ser magnetizado e Faraday afirma que eletricidade pode ser gerada trocando o fluxo magntico dentro de uma bobina.

1920: ms de maior capacidade magntica so desenvolvidos: o Alnico. 1950: significantes desenvolvimentos de ms cermicos orientados (Ferrites) 1970: impressionantes aumentos de foras magnticas foram obtidas a partir de ligas de Samrio

Cobalto (Terras Raras), porm com custos muito altos. 1980: da famlia Terras Raras os ms de Neodmio Ferro Boro surgiram com capacidades

magnticas ainda maiores e com menor custo, porm muito sensveis altas temperaturas. Termos do Magnetismo:

Ferromagntico: material que exibe fenmeno de histerese onde a permeabilidade magntica depende da fora de magnetizao.

Curva de Histerese: representao grfica da relao entre fora magntica e a magnetizao induzida resultante de um material ferromagntico.

Fluxo magntico: manifestao fsica de um material quando submetido a influencias da magnetizao

Induo magntica(): nmero de linhas magnticas por unidade de rea na direo do fluxo. Fora coercitiva(H): campo desmagnetizante necessrio para reduzir a induo magntica a zero. Desmagnetizao: a completa ou parcial reduo da induo representada no segundo quadrante da

curva de Histerese. Produto de energia (Bhmx): ponto da curva de desmagnetizao no qual o produto da induo

magntica pelo campo desmagnetizante atingem o mximo valor. Anisotrpico: quando um m possui orientao preferencial de maneira que as caractersticas

magnticas so melhores nesta direo. Isotrpico: material que no possui orientao preferencial apresentando caractersticas magnticas

em qualquer direo ou eixo. Gap: poro do circuito magntico que no contm material ferromagntico. Permeabilidade: habilidade da induo magntica atravessar um material. Remanncia(B): induo magntica que permanece em um circuito magntico aps a remoo do

campo magntico externo aplicado. Saturao: um material magntico est saturado quando um aumento de fora de magnetizao

aplicada no resulta no aumento da induo magntica. Fora atrativa: a fora exercida por um m em um objeto ferromagntico.

Introduo ao Magnetismo D-se o nome de magnetismo propriedade que certos corpos possuem de atrair materiais ferrosos.

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Em poca bastante remota, os gregos descobriram que certo tipo de rocha, encontrada na cidade de Magnsia, sia Menor, tinha o poder de atrair pequenos pedaos de ferro. A rocha era constituda por um tipo de minrio de ferro chamada magnetita (xido magntico de ferro) e por isso o seu poder de atrao foi chamado de magnetismo. Mais tarde descobriu-se que se prendendo um pedao dessa rocha ((xido magntico de ferro) m natural) na extremidade de um barbante ela se posicionava de tal maneira que uma das suas extremidades apontavam sempre para uma mesma direo. Esses pedaos de rocha, suspensos por um fio, receberam o nome de pedra-guia e foram usadas pelos chineses h 2 mil anos, para viagens no deserto, e tambm pelos marinheiros, quando das primeiras descobertas martimas. Assim sendo, descobriu-se que a terra um grande m natural e o giro dos ms em direo ao norte causado pelo seu magnetismo. Plos dos ms Os plos dos ms localizam-se nas extremidades e so denominados de Norte e Sul. Nos plos, a fora magntica do m maior, por ser esse local de maior concentrao de linhas magnticas. Para provar, praticamente, a existncia das linhas de foras magnticas do m, podemos fazer a experincia do espectro magntico. Para tal,coloca-se um m sobre uma mesa, sobre o m um vidro plano e, em seguida derrama-se limalhas, aos poucos, sobre o vidro. As limalhas se uniro pela atrao do m, formando um circuito magntico do m sobre o vidro, mostrando assim, as linhas magnticas. A linha de fora magntica a unidade de fluxo magntico. Podemos notar, atravs do espectro magntico, que as linhas de fora magntica caminham dentro do m; saem por um dos plos e entram pelo o noutro, formando assim um circuito magntico. Observa-se tambm, a grande concentrao de linhas nos plos dos msou seja, nas suas extremidades. Sentido das linhas de fora de um m O sentido das linhas de fora de um m, por conveno, sempre, externamente, do plo norte para o plo sul e internamente do plo sul para o plo norte.

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Fragmentao de um m

Se um m for quebrado, em trs partes, por exemplo, cada uma das partes constituir um novo m.Os plos de um m independente do seu tamanho ocorrem em par N-S.

Campo Magntico do m Damos nome de campo magntico do m ao espao ocupado por suas linhas de fora magntica. Lei de Atrao e Repulso dos ms No m, observa-se o mesmo princpio das cargas eltricas. Ao se aproximarmos uns dos outros, plos de nomes diferentes se atraem e plos de nomes iguais se repelem. Magnetismo Terrestre

O plo norte geogrfico da terra , na realidade, o plo sul magntico e o plo sul geogrfico o plo norte magntico. Esta a razo pela qual o plo norte da agulha de uma bssola aponta para o Plo Norte geogrfico. Outras causas do magnetismo terrestre so as correntes eltricas (correntes telricas) originadas na superfcie do globo em sua rotao do Oriente para o Ocidente, e a posio do eixo de rotao da Terra em relao ao Sol.

ms Artificiais So aqueles fabricados pelo homem, e podem ser obtidos pelo contato ou atrito com outro m ou pela influncia de uma corrente eltrica. Esses ms oferecem uma vantagem sobre os naturais, pois, alem de proporcionar maior fora de atrao, podem ser fabricados em tamanho e formatos variados. Teoria Molecular da Magnetizao Esta teoria presume que cada molcula de um material magnetizvel constitui um diminuto m (m elementar), cujos eixos encontram-se desalinhados entre si. Sem o alinhamento dos ms elementares, o corpo na apresentar efeito magntico.

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Colocando-se uma barra desse metal sob efeito de um campo magntico externo, as molculas alinhar-se-o, polarizando-a, formando um campo magntico conjunto. Quando todos os ms elementares forem alinhados, o material tornar-se- saturado. Nos aos de alto teor de carbono, ao ser retirada a influencia do campo externo, os ms elementares permaneceram alinhados e, por esse fator, so denominados ms permanentes. Os melhores ms desse tipo so os aos ligados com nquel e cobalto e ainda com pequena porcentagem de alumnio (Al = Alumnio; Ni = Nquel; Co = Cobalto). Todo o m permanente pode perder total ou parcialmente o seu fator de imantao, isto , ter seus ms elementares novamente desalinhados, quando submetido a um campo alternado intenso ou a temperaturas elevadas.

Os aos de baixo teor de carbono (ferro doce),ao ser retirado a influencia do campo externo, os ms elementares tornam a desalinhar-se, total ou parcialmente, da a receber a denominao de ms temporrios. Quando o desalinhamento parcial, o material conserva o restante do magnetismo, que chamado de remanescncia. Existem substncia que facilitam as passagens das linhas magnticas, assim como existem outras que dificultam a passagem.

Permeabilidade Magntica Permeabilidade magntica a condutibilidade magntica, ou seja, a facilidade que certos materiais oferecem a passagem das linhas magnticas. Os materiais ferrosos, em geral, so bons condutores de linhas magnticas. Os materiais magnticos so classificados da seguinte maneira: Paramagnticos: so materiais que tem imantao positiva, porm constante. Exemplo: alumio, platina, ar e outros materiais que so atrados dentro do campo magntico. Ferromagnticos: so materiais que tem imantao positiva, porm no constante, que depende do campo indutor. Exemplo: ferro, nquel, cobalto e etc...

Diamagnticos: so materiais que tem imantao negativa e constante, como: bismuto, cobre, zinco e outros, que so repelidos para fora do campo magntico. Relutncia Magntica D-se nome de relutncia magntica propriedade de certas substncias se oporem circulao, nelas, do fluxo magntico. Pode-se comparar a relutncia magntica resistncia eltrica, oposio passagem da corrente eltrica em um circuito eltrico.

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Densidade Magntica Densidade magntica o nmero de linhas magnticas, ou o fluxo magntico produzido por um m, numa unidade de superfcie. Ela representada pela letra grega beta ()

Fluxo por unidade da rea = a densidade magntica

Fluxo Magntico O fluxo de um campo magntico o nmero total de linhas de fora que compreende esse campo. Ele e representado pela letra que se pronuncia Fi. A unidade do fluxo magntico o Weber (Wb). O fluxo magntico o produto da induo magntica (densidade magntica) pela superfcie do plo de um m. Portanto, a unidade de fluxo magntico igual ao produtos das unidades de fluxo magntico ao produto das unidades de induo e superfcie. Unidades de fluxo magntico

Blindagem Magntica Blindagem magntica o processo de isolamento de um corpo da ao de um campo magntico. Existem equipamentos que podem sofrer a ao magntica por se danificarem ou fornecerem dados incorretos. Para blindarmos um corpo da ao de campo magntico, basta envolv-lo com um material de alta permeabilidade magntica. Induo Experincia 1: Meios: Bobina 12.000 espiras, m permanente e voltmetro (mV). Execuo: Faa a ligao conforme a figura ao lado e movimente o m dentro da bobina. Observao: Pelo movimento de um m numa bobina produzida uma corrente eltrica I, ou, podemos tambm dizer, uma tenso U nas espiras. O mesmo efeito se obtm ao mover a bobina.

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Concluso: Pelo movimento do m, varia-se a grandeza e o sentido do fluxo magntico nas espiras. Esta variao responsvel pela gerao de uma corrente ou tenso eltrica que chamamos de tenso induzida. Esse processo denominado por induo. Como o magnetismo pode gerar eletricidade, bastaria um pouco de imaginao para que se fizesse uma pergunta: ser que a eletricidade pode gerar campos magnticos? A seguir, veremos que isto realmente acontece.

Eletromagnetismo

Experincia de Orsted Execute o diagrama abaixo e anlise as duas situaes:

Primeira situao Observe a Bssola com a Lmpada apagada. Explique o que ocorre com o ponteiro da bssola. Secunda situao Observe a Bssola com a Lmpada acessa. Explique o que ocorre com o ponteiro da bssola.

Materiais Quantidade Unidade Discrio 1 p Bssola 1 p Fonte 127VAC 1 p Interruptor unipolar 5 p Suporte E-27 5 p Lmpada incandescente 100W 127VAC 3 m Condutor de cobre isolado # 2,5mm2 15 p Grampo fixa fio 1 p Voltmetro 1 p Ampermetro

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Aps as anlises das duas situaes o que podemos comprovar?

Meios: Condutor, acumulador ou fonte de alimentao e bssola. Execuo: Posicione o condutor verticalmente e ligue-o a um acumulador ou fonte de alimentao conforme a figura ao lado. Experincia no 3: Inverter os plos do acumulador ou fonte de alimentao e, assim, inverter a direo da corrente eltrica. Observao: A bssola se posiciona na direo contrria. Concluso: Para desviar o ponteiro da bssola, atrada normalmente pelo magnetismo da Terra, foi preciso outra fora magntica. Essa fora aparece no condutor quando este percorrido por uma corrente eltrica. Sempre que um condutor for percorrido por uma corrente eltrica, a bssola posicionada corretamente ter a agulha desviada pelo campo magntico formado no condutor. Este o efeito magntico da corrente ou eletromagnetismo. Linhas de Fora Magntica Experincia no 4: Meios: Condutor, chapa de acrlico, limalha de ferro, pilha ou acumulador ou fonte de alimentao e interruptor. Execuo: Conecte por intermdio de uma chave de fenda um fio grosso de cobre em srie com o acumulador ou fonte de alimentao. Introduza as chapas de acrlico na posio horizontal, perpendicular ao condutor. Ligue o interruptor e espalhe e espalhe a limalha de ferro. A seguir, bata levemente nas chapas de acrlico para ajudar o alinhamento da limalha. Concluso: A figura formada chama-se espectro magntico. Esta experincia utilizada para demonstrar a existncia de um campo magntico ao redor de um condutor, quando percorrido por uma corrente eltrica. Sentido das Linhas de Fora Magnticas no Condutor No circuito ao lado, constatamos o sentido das linhas de fora magnticas nas posies indicadas pela bssola. Lembre-se que, na bssola, os plos so conforme a figura abaixo.

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A bssola indica o sentido das linhas de fora.

Vamos agora inverter o sentido da corrente eltrica. O sentido das linhas de fora tambm ser invertido.

Regra para determinar o sentido do campo magntico, atravs do sentido da corrente eltrica. Regra dos Saca-Rolhas Compare o sentido da corrente e das linhas de fora com o sentido de penetrao e sentido de giro dos saca-rolhas. O sentido de penetrao corresponde ao sentido da corrente eltrica, o sentido de giro corresponde ao sentido das linhas de fora. Podemos tambm definir sentido do campo magntico atravs da regra da mo direita para condutores. Envolvendo um condutor com a mo direita, os polegares voltando no sentido da corrente, as pontas dos dedos indicaro o sentido do campo magntico. Condutores em Posio Paralela Correntes no mesmo sentido Ao lado, temos dois condutores em paralelo. Por eles passam correntes de mesmo sentido e mesma intensidade, produzindo campos magnticos de mesma densidade e fluxo no mesmo sentido. Observando os campos magnticos dos condutores verificamos que as linhas de forcas dos campos magnticos, entre os condutores esto em sentidos contrrios. Logo no existir campo magntico entre os condutores. Neste caso, as linhas de fora magnticas formam um nico campo em torno dos dois condutores. Correntes em sentidos Opostos Ao lado, temos dois condutores percorridos por correntes de mesma intensidade e sentidos opostos, produzindo campo magntico da mesma densidade, porm com fluxo em sentido contrrio. Observando os campos magnticos dos condutores, verificamos que as linhas de fora dos campos magnticos entre os condutores esto no mesmo sentido. Logo o campo magntico entre os condutores ser mais intenso. Neste caso, as linhas de fora magnticas sero concentradas entre os condutores, formando um fluxo magntico mais intenso.

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Solenide / Bobina Se um pedao de fio, quando atravessado por uma corrente eltrica, gera um campo magntico suficiente para deflexionar a agulha de uma bssola, e se enrolssemos vrias voltas desse o fio, o que aconteceria? Simples: aumentamos a intensidade do campo gerado! Ento, foram criados o que chamamos hoje de solenides, que nos permitem diminuir, aumentar, extinguir ou implementar um campo magntico, pela variao das caractersticas desses solenides. Denomina-se solenide a um enrolamento com fio de condutor isolado sobre uma forma isolante.

No interior de um solenide reto, percorrido por uma corrente eltrica i, estabelece-se um campo de induo magntica uniforme. Observe que as linhas de fora se unem e formam um nico campo magntico. Cada espira contribui com uma parcela para a composio do campo magntico. Assim, as linhas de fora atuaram no solenide da mesma maneira que agem nos ms. As linhas de fora passam por dento do solenide e retornam por fora. Bobina o conjunto enrolado em muitas espiras, em camadas sucessivas, umas sobre as outras. Na bobina tambm existe um s campo magntico de maior intensidade. A cada volta dada pelo condutor ao redor da forma isolante denominamos de espira.Quando circula uma corrente por esse solenide ou bobina, haver formao de um campo magntico tambm ao seu redor. O campo individual de cada espira se soma e reflete-se nos extremos da bobina determinando polaridade mesma, como mostra a fig. ao lado: A quantidade de linhas de fora ao redor desse solenide pode aumentar em funo do aumento das espiras ou da corrente circulante.

Chamado de o nmero de linhas do campo magntico que atravessam perpendicularmente uma superfcie F (rea da forma isolada)em cm2, e a densidade do campo magntico, podemos saber o nmero de linhas que atravessam 1cm2 pela relao:

Onde a unidade de ser 1 linha de campo por cm2, que conhecida por Gauss e ser o fluxo magntico medido em Maxwells. Dizemos que o campo homogneo quando tiver o m esmo valor em todos os pontos. Temos um exemplo de campo homogneo no caso de campo magntico da terra em locais onde no existam objetos ferrosos. Outro exemplo seria o espao interno ocupado pelas linhas de fora que passam no enrolamento da fig. 1.2.2. Este solenide representado nessa mesma figura apresenta as mesmas propriedades de um im permanente. Se suspenso por um fio, orientar-se- na direo norte-sul tendo o seu plo norte apontando para o plo sul geogrfico da terra. Segurando-se a bobina com a mo direita e com os dedos apontando o sentido da corrente, o polegar nos indicar sempre o plo norte (fig. 1.2.3 abaixo).

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A experincia mostra que a densidade do campo diretamente proporcional ao produto da corrente pelo nmero de espiras (Produto medido em ampre-espiras) e inversamente proporcional ao comprimento da bobina.Dessa forma podemos escrever: `` D = densidade do campo em ampre-espiras/cm I = corrente em ampres n = nmero de espiras = comprimento da bobina em cm. Sendo assim podemos afirmar que: onde: = fator de permeabilidade magntica = densidade de campo em Gauss Quando o enrolamento no possui ncleo de ferro ou outra substncia magntica, ser sempre constante e igual a: O nmero de ampre-espiras de uma bobina tambm conhecido como fora magneto/motriz da bobina. Por exemplo, a f.m.m. de uma bobina de 20 espiras, quando por ela circulam 2A de corrente, vale 20 x 2 = 40ampres-espiras. Se o mesmo enrolamento da fig. abaixo tivesse sido efetuado sobre um ncleo de ao ou ferro, teramos ento um eletrom.

Ao passar uma corrente pela bobina, esse ncleo torna-se altamente magnetizado, durando essa ao enquanto a corrente estiver presente pelo enrolamento. Eletrom Um eletrom constitudo de uma ou duas bobinas de fio de cobre e um ncleo de ferro, com o respectivo fecho. Ele tem, portanto, o circuito eltrico das bobinas e o circuito magntico do ncleo. A corrente passando nas bobinas cria um campo magntico no ncleo, que atrai fortemente o fecho mvel. O fecho de ferro atrado pelos plos do eletrom e, quanto mais o fecho se aproximar, mais violenta a atrao. A fora de atrao depende dos elementos seguintes:

rea de seo do ncleo; Nmero total de espiras das bobinas; Intensidade da corrente.

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Os plos no Eletrom Nos aparelhos eltricos, muitas vezes torna-se necessrio saber qual o sentido do campo magntico, isto , onde ficam os plos norte e sul. Para determinar os plos N e S aplicamos a Regra da Mo Direita. Tomando-se o solenide na mo direita, como na figura ao lado, as pontas dos dedos indicaro o sentido da corrente e o dedo polegar indicar o sentido do fluxo interno das linhas magnticas do solenide ou simplesmente, o seu plo Norte. Aplicaes: O eletrom tem inmeras aplicaes em eletrotcnica, eletromecnica, eletrnica, mecatrnica e principalmente nos comandos a distncia. Algumas aplicaes em sinalizao: Campanhia CC; Anuciador; Rel de corrente de trabalho;

Cigarra sincronizada CA; Placa magntica; Freio magntico;

Transformadores; Geradores; Mquinas Rotativas e etc..

Disposio dos ms No espectro magntico, as linhas de foras, como ns j sabemos, saem do plo norte e entram no plo sul, na parte externa do m e percorrem o trajeto do sul para o norte na parte interna. Seccionando um m em duas partes, mantm-se o mesmo alinhamento.

Mudando-se a posio do m como mostra a figura, a trajetria da linha de fora continua sem alterao. Temos somente um circuito magntico. Separando novamente os ms e adotando a disposio ao lado, temos ainda o mesmo circuito magntico. O circuito magntico formado pelos ms e pelo ar.

Para facilitar a passagem das linhas de fora usam-se duas peas de ferro, que constituda de material de alta permeabilidade magntica.

Agora o circuito magntico tem uma parte comum pelos ms, e outra parte que se divide em dois ramos do ncleo de ferro.

Tambm so possveis outras disposies dos ms. No lugar de ms, podem ser usados, tambm, eletroms.

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Ao lado, pode-se observar quatro eletroms. Seus plos externos esto ligados com material magntico para facilitar a passagem das linhas de fora. Esta figura parte de um motor com quatro plos. Gerador Elementar Introduo Colocando um fio de cobre entre dois ms como mostra a figura ao lado: Ligando as duas pontas do fio a um galvanmetro (aparelho de alta sensibilidade, para medio de micro-ampres). Movimentar o fio para direita e para a esquerda; durante o movimento observar o ponteiro do galvanmetro. Observamos: Ao movimentar o fio perpendicularmente entre os dois ms, haver o corte das linhas de fora pelo fio. O fluxo magntico, ao ser cortado pelo fio de cobre, produz nele uma presso magntica. Esta presso faz com que os eltrons se desloquem, gerando eletricidade. Essa a forma mais elementar de gerar tenso eltrica (U) condutor, movimento e magnetismo. Tambm chamado princpio da induo p princpio de um gerador elementar. O gerador elementar idntico aos geradores industriais quanto ao seu funcionamento, seno diferente apenas na sua construo que consiste de uma espira de fio disposta de tal modo que pode ser girada dentro de um campo magntico estacionrio. Este movimento causa a induo de uma corrente na espira. Para ligar a espira a um circuito externo que aproveite a tenso (U, em Volts) induzida, usam-se contatos deslizantes (escovas). Os plos nortes e sul do m que fornece o campo magntico so denominados de peas polares. A espira de fio que gira dentro do campo magntico chamada de armadura ou induzido. As extremidades da espira do induzido so ligadas aos anis que giram com a armadura. As escovas fazem contato com os coletores e transmitem para o circuito externo a eletricidade gerada na armadura.

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Em 1830, Farady obteve a corrente eltrica induzida movendo um condutor no campo magntico permanente, estabelecendo o princpio ou Lei de Farady que diz: Todo condutor que cortar um campo magntico, induz nele uma corrente eltrica. O sentido da corrente induzida em uma espira depende do seu movimento e do sentido das linhas de fora do campo magntico. A intensidade da corrente induzida em uma espira depende da velocidade do movimento e da intensidade do campo magntico. Para que possamos analisar o sentido da corrente de uma espira, utilizamos a regra da mo direita.

1. O dedo polegar indica o sentido do movimento da espira (condutor). 2. As pontas dos outros dedos indicam o sentido da corrente induzida. 3. As linhas do fluxo magntico sempre devem penetra perpendicularmente a palma da mo.

Lembre-se: A teoria eletrnica nos define o sentido real da corrente: o fluxo dos eltrons flui do plo negativo para o plo positivo. Porm, a teoria eltrica utiliza o sentido convencional, que prev o fluxo do plo positivo para o plo negativo.

Se utilizarmos o sentido da corrente eletrnica (real), a regra da mo direita transforma-se na regra da mo esquerda, mas o princpio ser o mesmo. Corrente Alternada

Supondo-se que o movimento da espira seja da esquerda para direita dentro de um campo magntico, demonstraremos a variao da corrente eltrica em funo desse movimento. A isto chamamos de gerao de corrente eltrica alternada.

Posio 1: A espira no se deslocou. Os dois lados da espira no esto cortando as linhas de fora, portanto, no h produo de tenso eltrica e por isso, no h fluxo de corrente. O ponteiro do galvanmetro est na posio zero.

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Posio 2: A espira se deslocou 45o a partir do ponto inicial. Os condutores da espira esto comeando a interferir nas linhas de fora do campo magntico. O ponteiro do galvanmetro est indicando o surgimento de uma tenso induzida nos condutores da espira.

Posio 3: A espira deslocou 90o a partir do ponto inicial. A medida que a espira se aproxima do ponto A o ponteiro do galvanmetro desloca-se mais do que na posio anterior.

Na posio A, as sees transversais aos condutores esto cortando perpendicularmente as linhas de fora magntica (ngulo de 90o). Quanto maior a quantidade de linhas de fora cortada pela espira, maior a tenso nela induzida. Portanto, o ponteiro do galvanmetro esta marcando a mxima quantidade de tenso produzida na espira e, respectivamente, a mxima quantidade de corrente.

Posio 4: A espira se deslocou 135o. Agora o ponteiro do galvanmetro est indicando valor menor que o valor marcado anteriormente. Os dois lados da espira esto, neste momento, em posio inclinada entre as peas polares. Nesta posio, apenas parte do fluxo magntico est sendo interrompido pela espira, produzindo nesta uma tenso cada vez menor. proporo que a espira se afasta do ponto de maior convergncia do fluxo magntico (ponto A), o galvanmetro registra menor tenso induzida e, respectivamente, menor corrente eltrica. O ponteiro do galvanmetro retornou novamente a posio zero. Aqui, os dois lados da espira no esto cortando as linhas de fora. No h induo de tenso nos condutores da espira. Posio 6: A espira se deslocou 225o. Agora, o ponteiro do galvanmetro est se deslocando para esquerda. Lembre-se de que, at a 5 posio, a parte escura da espira estava cortando o fluxo magntico de cima para baixo e, a parte clara, de baixo para cima.

A partir da 6 posio, a parte escura comeou a deslocar-se dentro do campo magntico de baixo para cima e, a parte clara, de cima para baixo. Como o sentido de deslocamento dos lados da espira ficou invertido, inverteu-se tambm o sentido de deslocamento da corrente eltrica. Por este motivo que o ponteiro do galvanmetro mudou de sentido, ou seja, agora ele esta se deslocando para esquerda.

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Posio 7: A espira se deslocou 270o. Neste momento, o ponteiro do galvanmetro est marcando induo mxima da corrente eltrica na espira. Nesta posio novamente, as sees transversais dos condutores esto cortando perpendicularmente as linhas de fora logo, o mximo corte de linhas de fora e, conseqentemente, a mxima tenso induzida. Posio 8: A espira se deslocou 315o. Novamente os valores medidos pelo aparelho esto diminuindo. A corrente eltrica na espira est se reduzindo, pois os dois lados da espira esto cortando um nmero cada vez menor de linhas de fora. Posio 9: Finalmente, completou-se uma volta de 360o.

Segundo o ponteiro do aparelho, no h presena de corrente na espira. Com isto, completamos uma volta do deslocamento da espira dentro do campo magntico. Para cada volta seguinte, os fenmenos da induo eltrica sero idnticos aos demonstrados.

Vermos, a seguir, a demonstrao grfica das variaes da corrente eltrica induzida na espira de um gerador com anel coletor. No grfico est representada a curva senoidal (ou senide). Ela demonstra a variao da corrente eltrica induzida durante uma volta completa da espira. No eixo horizontal representado o movimento da espira em funo de uma volta completa dentro do campo magntico. No eixo vertical representada a intensidade da corrente eltrica induzida, de acordo com as indicaes do galvanmetro, nas vrias posies. Note que a tenso ou corrente eltrica parte de um ponto zero, desloca-se para o lado positivo (+) e volta para o ponto zero; depois, desloca-se para o outro lado (-) e, assim, sucessivamente. A esse movimento denominamos de Corrente Alternada (CA).

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Definio: Corrente alternada aquela que varia periodicamente de intensidade e de sentido. Freqncia Supondo-se que o tempo gasto para a espira percorrer os 360o tenha sido de 1 segundo, podemos represent-lo graficamente. Se continuarmos girando a espira, o tempo continuara sendo representado graficamente de acordo com a figura ao lado: Durante 0,5 segundos, a corrente circula no sentido conforme o desenho abaixo. De 0,5 segundos at 1 segundo, a corrente muda o sentido conforme a figura acima. Quando um gerador de corrente alternada com dois plos completa uma rotao, a tenso completa um ciclo. Se essa rotao for completada no tempo de 1 segundo temos, ento 1 ciclo/s. Na realidade, podem ser gerados mais ciclos por segundo; o nmero de ciclos depende de dois fatores:

1. Rotao por segundo 2. Nmeros de plos do gerador

O nmero de ciclos denominado freqncia, que tem como unidade de medida o Hertz.

Hertz = Hz

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Definio: Freqncia o nmero de oscilaes por segundo ou, simplesmente, ciclos por segundo (ciclos/s). Exemplo: Na sua casa a freqncia da corrente eltrica de 60Hz. Isto significa que a corrente eltrica completa 60 ciclos em 1 segundo. Converso Eletromagntica de Energia Introduo A primeira indicao da possibilidade de intercmbio entre energia eltrica e mecnica foi apresentado por Michael Faraday em 1831. Esta descoberta considerada por alguns como o maior avano individual no progresso da cincia para atingir o aperfeioamento final da humanidade. Deu inicio ao gerador e ao motor eltrico, ao microfone, ao alto-falante, ao transformador, ao galvanmetro e, de fato, a praticamente todos os dispositivos cujos princpios e caractersticas sero considerados nesta disciplina. A converso eletromagntica de energia, como a entendemos hoje, relaciona as foras eltricas e magnticas do tomo com fora mecnica aplicada matria e ao movimento. Como resultado desta relao, a energia mecnica pode ser convertida em energia eltrica, e vice-versa, atravs das mquinas eltricas. Embora esta converso possa tambm produzir outras formas de energia como calor e luz, para a maioria dos usos prticos avanou-se at o estgio onde as perdas de energia reduziram-se a um mnimo e uma converso relativamente direta conseguida em qualquer das direes. Assim, a energia mecnica de uma queda-dgua facilmente convertida em energia eltrica atravs de um alternador; a energia eltrica produzida transformada por converso eletromagntica de energia numa tenso mais elevada para transmisso a longa distncia e, em algum ponto terminal, transformada novamente para distribuio numa subestao, onde, a partir de um centro de cargas, se distribuir energia eltrica a consumidores especficos como fazendas, fbricas, residncias, industrias, estabelecimentos comerciais dentre outros. Nestas aplicaes individuais, a energia eltrica pode, mais uma vez, ser convertida em mecnica atravs dos motores, em energia trmica atravs de estufas eltricas, em energia luminosa atravs de lmpadas eltricas e em energia qumica atravs de uso de processos eletroqumicos; ou pode ser convertida em outras formas de energias eltrica, pelo uso de conversores rotativos, retificadores e conversores de freqncia . A energia eltrica produzida atravs desta converso eletromecnica de energia pode ser reconvertida vrias vezes atravs de dispositivos apresentados neste mdulo, antes que a energia seja finalmente convertida forma que realizar o trabalho til. Relaes Existentes entre Induo Eletromagntica e Fora Eletromagntica Foram descobertos certos fenmenos eletromagnticos naturais que relacionam as energias eltricas e mecnicas. A relativa facilidade com que se processa tal converso de energia devida, de fato, ao conhecimento dessas relaes. Para a maioria das aplicaes usuais, a converso de energia eltrica em mecnica, e vice-versa, pode ser considerada como uma reao reversvel. medida que o processo deixa de ser completamente reversvel e outras formas indesejveis de energia so nele produzidas (tais como energia trmica, luminosa e qumica), resultam perda de energia do sistema eletromecnico.

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Lei de Faraday da Induo Eletromagntica Anteriormente descoberta de Faraday, uma tenso era gerada num circuito atravs de uma ao qumica, como a que ocorre numa pilha ou numa bateria de acumuladores. A incomparvel contribuio da descoberta de Faraday, em 1831, foi gerao de uma tenso atravs do movimento relativo entre um campo magntico e um condutor de eletricidade. Faraday chamou esta tenso de , porque ocorria apenas quando havia movimento relativo entre o condutor e um campo magntico, sem contato fsicoefetivo entre eles. O princpio da induo eletromagntica talvez mais compreensvel a partir dom diagrama mostrado na abaixo A afirmativa geral da lei de Faraday pode ser a que se segue. O valor da tenso aplicada em uma simples espira de fio proporcional razo das linhas de fora que passam atravs daquela espira (ou se concatenam com ela). Neumann, em 1845, quantificou esta afirmativa em uma equao, na qual o valor da fora eletromotriz (fem) induzida gerada era diretamente proporcional razo de variao do fluxo concatenado. Onde Emed a tenso mdia gerada em uma nica espira (volt/espira)

o nmero de Maxwells ou linhas de fora magntica concatenadas pela espira durante T o tempo em segundos no qual linhas so concatenadas 108 o nmero de linhas que uma espira deve concatenar por segundo para que seja induzida uma tenso de 1 volt. Do estabelecido acima e da equao, bastante evidente que uma fora eletromotriz (fem) gerada pode ser aumentada atravs do aumento da fora do campo magntico (isto , do nmero de linhas do fluxo em movimento com relao ao condutor), ou da diminuio do tempo durante o qual ocorre a variao do fluxo concatenado (isto , um aumento na velocidade ou no movimento relativo entre o condutor e o campo magntico). Fatores que afetam o valor da fem induzida A quantificao de Neumann da lei de Faraday, como estabelecida na Eq. , mantm-se verdadeira apenas quando o circuito magntico fisicamente o mesmo do comeo ao fim e durante o perodo em que ocorrem as variaes do fluxo concatenado. Em mquinas eltricas rotativas, entretanto, a variao do fluxo que concatena cada espira individual devido rotao (quer da armadura, quer do campo) no claramente definida ou facilmente mensurvel. mais conveniente, portanto, expressar esta razo de variao em funo de uma densidade mdia de fluxo (suposta constante) e da velocidade relativa entre este campo e um condutor singelo movendo-se atravs dele. Na fig. 1-1, para o condutor de comprimento ativo , a fem induzida instantnea pode ser expressa como.

Onde a densidade de fluxo em gauss (linhas/cm2) ou em linhas/pol2 o comprimento da poro ativa do condutor que concatena o fluxo em cm ou em polegadas

v a velocidade relativa entre o condutor e o campo em cm/s ou em pol/s

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Em unidades prticas ou inglesas a Eq. (1-2) pode ser expressa como

Onde a densidade de fluxo em Gauss (linhas/cm2) ou em linhas/pol2 o comprimento da poro ativa do condutor que concatena o fluxo em cm ou em polegadas

v a velocidade relativa entre o condutor e o campo em cm/s ou em pol/s 10-8 o nmero de linhas que um condutor simples deve concatenar por segundo, a fim de induzir uma tenso de 1V.

Se ambas, a densidade de fluxo e a velocidade relativa do condutor ou do campo, so uniformes e constantes, ento os valores instantneo e mdio da fem induzida so os mesmos. Tanto a Eq. (1-1) como a Eq. (1-3) podem ser usadas levando aos mesmos resultados, como mostra o exemplo abaixo: Exerccio Um condutor singelo de 18 polegadas de comprimento movido por uma fora mecnica perpendicularmente a um campo magntico uniforme de 50.000 linhas/pol2, cobrindo uma distncia de 720 polegadas em 1 segundo. Calcule: a - A fem induzidas instantnea usando a Eq. (1-3). b - A fem induzida mdia usando a Eq. (1-1) Soluo:

a - = 50.000 linhas/pol2 x 18 pol x 720 pol/s x 60 s/min x 1p/12pol x 10-8V Na sua maior parte, as mquinas comerciais so projetadas de modo que as duas primeiras suposies possam ser consideradas verdadeiras para todos os casos prticos. Mesmo quando houver alterao na condio da carga, to logo esta ocorra, pode-se imaginar que as novas densidades de fluxo e velocidade permaneceram constantes enquanto a dada condio de carga permanecer constante. Sentido da FEM Induzida Regra de Fleming Deve-se notar que, quando um condutor se movimenta num sentido ascendente, como se mostra na figura 1-2c, a partir de uma posio abaixo direita para uma posio acima esquerda de maneira que seja menor 90o, a fem induzida e ter a mesma direo ( e polaridade) que mostrada na figura 1-2d, onde maior que 90o. Desde que sen positivo para todos os ngulo entre ) e 180o, eda eq. (1-4) positiva para todos os sentidos com relao a B, de 0o a 180o, isto para um movimento ascendente genrico do condutor. Semelhantemente, se a fora aplicada ao condutor tende a mov-lo descendentemente, como mostra a figura 1-3b, o sentido da fem induzida ser oposto ao mostrado na figura 1-2. Uma vez que sen negativo para todos os ngulos entre 180o e 360o, da eq.(1-4) negativo para todos os sentidos genericamente descendentes.

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Se o campo magntico, entretanto, fosse invertido, tambm o seriam as polaridades. Assim, a referncia bsica para a polaridade e para o ngulo na eq.(1-4) o sentido do campo magntico A relao entre os sentidos da fem induzida, do campo magntico e do movimento do condutor convenientemente representada e relembrada pela regra de Fleming, mostrada na Fig. 1-3a. Quando empregada corrente convencional para determinar-se o sentido da fem gerada, pode-se chamar a regra de Fleming de regra da mo direita, como mostra a abaixo. A regra de Fleming da mo direita pressupe que o campo est estacionrio e que o condutor se move em relao a este campo estacionrio (de referncia). Uma vez que a fem induzida depende do movimento relativo entre o condutor e o campo, ela pode ser aplicada no caso de um condutor estacionrio e um campo mvel, mas fazendo a suposio de que o condutor se movimenta em sentido oposto. Desde que o polegar na Fig.1-3a mostre o sentido do movimento relativo ascendente apenas do condutor, o sentido da fem induzida na figura representar o movimento descendente de um campo em relao a um condutor estacionrio. Usando o polegar para representar o movimento do condutor, o indicador para representar o sentido do campo magntico, e o dedo mdio para representar a fem induzida, o leitor pode verificar o sentido da fem induzida da Fig.1-3b, que oposta da Fig.1-3a devido ao fato de ter invertido seu sentido. Lei de Lenz Sumariamente, deve-se notar que a lei de Faraday, da induo eletromagntica, apenas um dos efeitos eletromecnicos que relaciona a fora mecnica aplicada a um corpo com o campo eletromagntico, conforme se discutiu na Sc 1-2. Enquanto, nos pargrafos anteriores, se deu nfase ao movimento de um condutor e ao sentido do movimento, deve-se atentar que o movimento de um condutor no campo magntico o resultado de uma fora mecnica (trabalho) aplicada ao condutor. A energia eltrica produzida pela induo eletromagntica requer, pois, um dispndio de energia mecnica de acordo com a lei da conservao da energia. A energia para induo eletromagntica no fornecida pelo campo magntico, como se poderia supor, uma vez que no se altera nem se destri o campo durante o processo. Os sentidos da fem e da corrente induzida no condutor, representadas nas Fig 1-2 e 1-3, guardam uma relao definida com a variao no fluxo concatenado que as induz. Esta relao estabelecida pela lei de Lenz:

Em todos os casos de induo eletromagntica, uma fem induzida far com que a corrente circule em um circuito fechado, num sentido tal que seu efeito magntico se oponha variao que a produziu.

Esta formulao da lei de Lenz implica em ambos (1) uma causa e (2) um efeito opondo-se a causa. A causa envolvida no necessariamente o movimento do condutor resultante de uma fora mecnica, mas uma variao do fluxo concatenado. O efeito envolvido uma corrente (devida a uma fem induzida) cujo campo se ope causa. Assim, em todos os casos de induo eletromagntica, sempre quando ocorre uma variao no fluxo concatenado, uma tenso induzida, a qual tende a estabelecer uma corrente numa direo tal que produza um campo em oposio variao do fluxo que concatena as espiras do circuito.

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Encarado desta maneira surgir um conceito da lei de Lenz que satisfaz todos os casos de fem induzida, aplicando-se inclusive a transformadores e motores de induo, bem como da fem induzida em motores e geradores de CC. Pode-se tambm mostrar que a propriedade da indutncia um efeito e um resultado da lei de Lenz (que estabelece que a tenso gerada em um condutor pela variao do fluxo concatenado estabelecer uma corrente, cujo campo magntico associado tende variao do fluxo que concatena o condutor). De fato, quando um circuito ou seu componente possui a propriedade de opor-se a qualquer variao de corrente entre si, esta propriedade chamada de indutncia e a fem induzida chamada fem de auto-induo. Fora de Lorentz Se uma carga de prova q estiver em movimento ela gera um determinado campo magntico. Todavia se essa mesma carga eltrica estiver se movimentando dentro de uma regio de campo magntico, o campo gerado por ela ir interagir com o campo existente, ficando a carga q sujeira ao de uma fora de origem magntica. o que ocorre quando aproximamos um m de um tubo de raios catdico, o feixe de eltrons dentro do tubo desviado de sua posio original. O mesmo fenmeno ocorre quando aproximamos da TV, o m de um alto-falante. A imagem sofre uma alterao. Na verdade a tela da TV um TRC - Tubo de raios catdicos - e a imagem formada por um feixe de eltrons que varre a tela. Em um campo magntico B, este exerce uma fora sobre uma carga, q, em movimento, dada por

onde v a velocidade da carga. A fora magntica nula em duas circunstncias: Carga estacionaria (v = 0); Velocidade paralela ao vetor campo magntico. No caso geral, em que temos um campo eltrico, E, e um campo magntico, a fora sobre uma carga em movimento dada por

A fora expressa em (1.2) conhecida como fora de Lorentz. O efeito HALL A expresso (1.2) tambm permitiu a descoberta do efeito Hall que, como veremos, extremamente til na indstria microeletrnica. A figura 8.2 esquematiza o arranjo experimental para o estudo do efeito Hall. Tem-se uma fita condutora com seo reta A (=Ld) atravs da qual circula um feixe de eltrons com velocidade v.

Aplicando-se um campo magntico na direo horizontal, conforme indicado na figura 8.2, resulta numa fora magntica na direo perpendicular ao movimento eletrnico, no sentido de cima para baixo. Esta fora far com que o movimento dos eltrons seja desviado para baixo. Com o tempo, cargas negativas acumulam-se na face inferior, e cargas positivas na face superior. O excesso de cargas positivas e negativas funciona como um capacitor de placas paralelas, com um campo eltrico conhecido como campo Hall. Chegar um momento

em que a fora Hall equilibra a fora magntica,

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Usando a eq. , e a definio da densidade de corrente, , obtm-se

Por outro lado, Resulta da que

Tendo em conta que a seo reta dada por A=Ld, obtm-se

O efeito Hall permite a obteno de dois resultados importantes. Em primeiro lugar, possvel determinar o sinal da carga dos portadores, bastando medir a diferena de potencial entre as superfcies, superior e inferior. Em segundo lugar, a eq. (1.4) fornece o valor da densidade de portadores. Esses dois resultados so de extrema importncia na indstria eletrnica, pois permite a fabricao de dispositivos que dependem do tipo (eltrons ou lacunas) e da quantidade de portadores. Movimento de uma Carga num Campo Magntico A eq. (1.1) mostra que se a velocidade da partcula tiver a mesma direo do campo magntico, a fora ser nula, resultando num movimento retilneo uniforme. Por outro lado, se o ngulo entre o vetor velocidade e o vetor campo magntico for diferente de zero, podemos decompor o vetor velocidade em duas direes: uma na direo de B, e outra perpendicular. Isto ,

Portanto, o movimento de uma partcula, de massa m e carga q, numa regio do espao onde existe um campo magntico, sempre composto de um movimento retilneo uniforme e de um movimento circular. Este tipo de movimento esquematizado na figura abaixo. Como se v a fora centrpeta, que proporciona o movimento circular, igual fora magntica. Assim, a partcula movimenta-se num crculo com raio.

(1.5a) Da relao v=r, obtm-se a velocidade angular.

(1.5b) Da relao =2pif, obtm-se a freqncia.

(1.5c) e o perodo

(1.5d) Fora sobre uma Corrente Se um campo magntico exerce uma fora sobre uma carga em movimento, bvio que ele exercer uma fora sobre uma corrente eltrica. Vejamos como calcular esta fora. A fora sobre um eltron dada por

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Supondo que existam N eltrons no segmento L do fio (seo reta A), tem-se que a densidade eletrnica ser

Sabemos que J=nev, logo,

A partir desses resultados, temos que a fora sobre um eltron ser

Portanto, a fora sobre o segmento de fio ser

A expresso geral dada por

(1.6) O sentido da fora obtido pela regra da mo direita para o produto vetorial. No caso da Figura 8.4, a fora aponta para baixo.

Neste aplicativo voc pode visualizar o efeito de um campo magntico sobre uma corrente eltrica. A fora sobre o fio conseqncia da fora de Lorentz sobre cada eltron que compe a corrente. Use a equao 8.6 e verifique a fora que age sobre o fio em diferentes situaes (invertendo o sentido da corrente e a polaridade do m). Gerador de Corrente Alternada e Gerador de Corrente Contnua Estudo dos Vetores muito importante no estudo de corrente alternada que se tenha uma noo sobre vetores, ngulos formados, para o estudo de defasagem, e que se conheam tambm os rendimentos necessrios de trigonometria para o entendimento das funes seno e cosseno de um ngulo. Iniciaremos com um rpido estudo dos vetores. Vetor e suas Coordenadas Para se analisar a resultante da combinao de foras precisamos do valor absoluto das mesmas e uma referncia de direo ou ngulo de fase. Podemos apresentar o vetor AB indica a amplitude do sinal, ou da fora, a ponta da seta nos fornece o sentido de aplicao da fora e o ngulo indica a direo em relao referncia (ngulo de fase) (fig.1.6.1) Indica-se graficamente os vetores utilizando-se um sistema de coordenadas, como visto na fig. 1.6.2.

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O eixo X representa a abscissa (horizontal) e o eixo Y a ordenada (vertical). Os eixos X e Y so perpendiculares entre si, isto , formam um ngulo de 90o. As regies I, II, III e IV so conhecidas como quadrantes. Representao Vetorial de uma Onda Senoidal: O ngulo de fase define um ponto da onda senoidal com relao referencia zero graus. Essa referencia zero de onde a onda senoidal apresenta valor zero. A fig. 1.6.3 mostra uma onda senoidal sobre uma linha de referncia de tenso nula.

Os graus indicam os vrios ngulos de fase da onda. Assim, qualquer ponto da onda senoidal pode ser identificado por um ngulo de fase, relativo ao mesmo, e que pode variar entre 0 e 360o. O ciclo completo representa 360o. Podemos, portanto, representar o ngulo de fase relativo pelo ngulo compreendido entre a referncia 0o e o vetor. Logo, o ngulo de 45o da senide da fig. 1.6.3 (linha pontilhada) representado pelo ngulo de 45o no diagrama vetorial da fig. 1.6.3a. O comprimento do vetor OA o valor mximo da onda senoidal. A tenso instantnea da onda senoidal vale o valor mximo multiplicado pelo seno do ngulo de fase. e = valor instantneo Emx = valor mximo = ngulo de fase relativo A linha pontilhada AB mede o valor instantneo da senide, para um ngulo de 45o. O semiciclo positivo possui ngulos de fase entre 0 e 180o e 0 negativo de 180o a 360o. Comparao de Duas Ondas Senoidais Na fig. 1.6.4 so vista duas ondas senoidais.

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Percebe-se que a onda A est adiantada em relao B, isto , ela inicia e completa seu ciclo antes da mesma. As ondas A e B so ditas fora de fase. No instante t1 indicam-se as duas ondas vetorialmente sendo a amplitude mxima de cada onda representada pelo comprimento de cada vetor. Como as duas ondas possuem iguais amplitudes, os comprimentos dos vetores tambm so iguais. No instante t1, A possui = 90o e B possui = 45o. No instante t2, A possui = 180o e B possui = 135o. No instante t1 x t2, a diferena de fase entre A e B constante e igual a 45o. Este fato deve-se s ondas terem a mesma freqncia. Quando a freqncia varia, a diferena de fase tambm varia. Ao passarem pelos seus valores mximos e mnimos no mesmo instantes, as ondas so ditas em fase. Soma de Vetores: Duas formas bsicas so empregadas para somar vetores. Forma Geomtrica:

Vemos que A possui = 45o e B possui = 290o Constri-se um novo sistema de coordenadas desenhando no mesmo um dos dois vetores, por exemplo, o vetor A Na sua extremidade traamos o vetor, B (Note-se que mantemos os ngulos de fase inalterados). O vetor que une o incio do vetor A com o final do vetor B considerado vetor resultante R

Forma dos Paralelogramos Somam-se agora A e B da fig. 1.6.6 Da mesma forma anterior, A possui = 45o e B possui = 290o. Constri-se um novo sistema de coordenadas traando os 2 vetores. Da extremidade de A traamos um segmento de reta paralelo ao vetor B. Traa-se outro segmento de reta paralelo ao vetor A. A resultante (R) ser o vetor que une as origem dos 2 vetores com o ponto de cruzamento dos 2 segmentos traados paralelamente a cada um dos vetores.

Somam-se os vetores A e B da fig. acima

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Alternador O alternador um aparelho destinado a gerar f.e.m. alternada. Na fig. abaixo (2.1) vemos esquematicamente um alternador. A temos um ia de campo (a), uma bobina (b), ligada aos anis (c) montados num eixo girante sob ao de uma fora externa. As escovas, que so peas de carvo fixas, encostam-se aos anis transmitido a ligao externamente (e). Nos alternadores mais sofisticados existem bastantes bobinas, sendo o conjunto delas denominado de armadura ou simplesmente induzido. O grfico da fig. 1.5.2 mostra a forma de onda gerada nas diversas posies. A freqncia da corrente o nmero de ciclos completos que ela realiza no tempo de 1 seg. A bobina do gerador de C A girando a 3.600 rotaes por minuto (rpm) gera uma freqncia de 60 Hertz (Hz) (1 Hertz equivale a 1 ciclo por seg). No Brasil atualmente a freqncia dos geradores de C A das empresas de eletricidade de 60 Hz. Devemos lembrar que a corrente alternada vai e volta no circuito em cada ciclo, conforme o grfico da fig. abaixo No ciclo completo representado na fig. 1.5.3 os valores que realmente nos interessam so:

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Valor efetivo ou eficaz (Vef): o que produz o mesmo efeito de calor produzido pela mesma corrente continua (CC), ou seja, 7,5A CA efetivos equivalem a 10A de CC.

Valor mximo ou de pico (Vmx. ou Vp): sempre igual a Por exemplo, 110Vef = 155Vmx. Esses valores esto indicados no grfico e a eles voltaremos mais adiantes. De um modo geral um alternador pode ter um nmero de plos que se desejar. Dispem-se os plos em pares (norte e sul). Um alternador com um par de plos ou com 2 plos chamado de alternador bipolar. Com mais plos denominam-se multipolares. Os magnetos usados em telefonia podem constituir-se como exemplos de alternadores bipolares. Nesse caso, em cada giro de 360o o nmero de ciclos formado. No caso dos geradores multipolares, o nmero de ciclos numa rotao igual ao nmero de pares de plos da mquina, sendo que o nmero de graus eltricos percorridos numa rotao 360 vezes o nmero de pares de plos. A freqncia em hertz, de uma CA, obtida ento se multiplicando o nmero de pares de plos pelo nmero de rpm do rotor e dividido esse produto por 60 (1 minuto possui 60 segundos).

Se, por exemplo, um alternador possuir 30 pares de plos, e trabalha girando 100 rpm, sua freqncia ser:

Conforme o nmero de tenses geradas os alternadores podem ser: monofsicos, bifsicos, trifsicos, e hexafsicos. Logicamente o monofsico produz apenas uma f.e.m. (fig abaixo) O bifsico gera 2 f.e.m. com uma defasagem de 90o(fig. Abaixo) O trifsico apresenta 3 f.e.m. defasadas de 120o (fig. Abaixo)

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O hexafsico gera 6 f.e.m. defasadas de 60o (fig. abaixo)

Esses alternadores com mais de uma fase chamam-se polifsicos, sendo que o nmero de fases conseguido atravs de ligaes apropriadas no induzido. Os alternadores monofsicos em geral so usados para iluminao. Os bifsicos j so mais eficientes sendo que os trifsicos so os mais aconselhveis devido aos fatores de economia e eficincia Tipo de Alternadores Basicamente podemos considerar dois tipos de alternadores: o de Armadura Giratria (Plos Externos) e o de Campo Giratrio (Plos Internos). Os do tipo de Armadura Giratria (Induzido Giratrio) assemelham-se aos dnamos de corrente contnua uma vez que o induzido gira dentro do campo magntico e a tenso gerada transmitida ao circuito externo pelas escovas. Esse tipo de alternador de baixa potncia e no muito utilizado. A acima fig ao lado mostra esquematicamente esse tipo de alternador. Nos alternadores de campo giratrio, a grande vantagem que tomamos a tenso gerada entre extremos das bobinas da armadura e diretamente, evitando passar-se pelo coletor e escovas, o que elimina o problema do

faiscamento e centelhas, no muitos recomendados especialmente se tivermos alta tenso a ser coletada. Ao induzido nesse caso aplicada uma tenso baixa de corrente contnua atravs das escovas e do coletor (Excitao).

Plos Externos

Plos Internos

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Sada de CA Armadura Excitao do campo Quanto aos valores mximos de corrente que podem fornecer, os alternadores dependem das perdas por

efeito Joule que iro ter no seu enrolamento. A expresso representa a perda em potncia em funo da corrente circulante pelo enrolamento, ou armadura, no caso do alternador de campo giratrio, e da resistncia do mesmo. A potncia dos alternadores medida em volt-ampre ou kilovolt-ampre ou megavolt-ampre e a sua construo sempre feita em funo da sua tenso de sada. O valor kilovolt-ampre - kV A sempre consta de uma placa que vai colocada junto ao alternador e onde se inclui tambm a sobrecarga admissvel, o fator de potncia, a voltagem, a corrente, a velocidade, a freqncia, o nmero de fases, a tenso e corrente de excitao e tambm a elevao de temperatura da mquina. Em geral, fabricam-se alternadores para as tenses de 110V, 120V, 220V, 240V, 380V, 480V, 600V, 2.400V, 4.160V, 6.900V, 11.500V, 13.800V e 25.000V, e de acordo com as normas estabelecidas, os mesmos podem trabalhar numa faixa de tolerncia de i: 5% do valor especificado. Na construo do alternador deve-se dar ateno especial sua carcaa, pois ser a mesma que ir resistir s vrias foras aplicadas mquina. Geralmente ela feita de ao ou ferro fundido. O induzido ser de ao laminado com canais ou ranhuras onde se colocam as bobinas. As escovas so de carvo grafitado. Alternadores Monofsicos Nesse tipo de ligao todas as bobinas do induzido so conectadas em srie, portanto, a tenso total por ele produzida equivaler aproximadamente soma das tenses de cada enrolamento. Esquematicamente podemos represent-lo conforme a fig. ao lado, onde R representa o alternador monofsico e C representa a carga. Esse tipo de ligao empregado em estradas de ferro eletrificadas (trao eltrica). A potncia no circuito monofsico pode ser determinada pela frmula: P= E x I x cos onde E = Tenso, I = Intensidade da corrente e = Fator de Potncia. O fator de potncia a relao entre a resistncia R e a impedncia Z do circuito. Ou tambm podemos considerar a relao Potncia Ativa / Potncia Aparente, como o fator de potncia, onde a Potncia Ativa medida em watts e a Potncia Aparente a fornecida pelo produto E x I em volt-ampre. Temos ento:

FP = Fator de Potncia Pa = Potncia Ativa

Pap = Potncia Aparente P = Potncia Ativa Medida

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Normalmente representamos no tringulo retngulo a hipotenusa como impedncia, e os catetos como resistncia e reatncia. Ao ngulo formado entre a resistncia R e a reatncia X, representa o ngulo de fase. Nesse caso 90o. (fig. abaixo):

onde representa tambm o fator de potncia. Logo, justifica-se o uso da frmula:

Para a determinao da potncia ativa utilizada num circuito de C.A. Alternadores Bifsicos Neste tipo de alternador as ligaes do induzido so feitas com dois enrolamentos separados (fig. 3.1.5). O enrolamento 1 est ligado de tal forma a alimentar a carga R1 e o 2 alimenta a carga R2. A diferena de fase entre esses dois enrolamentos de 90o. Pode ocorrer que as correntes e o defasamento, entre ambas as fases, sejam idnticos. O sistema ser ento equilibrado, caso contrrio, desequilibrado. Se aproveitarmos o mesmo condutor nessa ligao como comum s duas fases, teremos o esquema da figura 3.1.6.

Nesse caso denominaremos o condutor JK de neutro ou comum a ambas as fases A e B. A corrente por esse fio igual corrente das duas fases. No sistema equilibrado teremos, (abaixo);

Pois se o sistema est em equilbrio I fase A = I fase B

A Potncia ser ento:

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Nesse sistema quando nos referimos tenso, falamos da tenso entre o neutro e qualquer uma das fases, e a corrente ser tambm a corrente em cada fase e no a do neutro. Alternadores Trifsicos O enrolamento desse tipo de alternado r est constitudo por 3 conjuntos de bobinas de tal modo que cada uma delas produz uma tenso em defasagem de 120o. Esses trs enrolamentos podem ser conectados entre si de duas maneiras: Ligao em estrela, y ou circuito aberto Nesse caso obedecem-se as relaes: Potncia Total do Sistema = Potncia da 1 Fase x 3;

Tenso entre as Linhas = Tenso de 1 Fase - ( 1,732); Corrente de Linha = Corrente de Fase Ligao Delta, Tringulo ( ) ou circuito fechado Nesse caso obedecem-se as relaes: Potncia Total do Sistema = Potncia da 1 Fase x 3; Tenso entre as Linhas = Tenso de Fase;

Corrente de Linha = Corrente de 1 Fase x - ( 1,732). Notamos que no Sistema Trifsico a potncia total sempre a mesma no sistema tringulo ou estrela. As tenses da linha podem ser variadas de acordo com as ligaes e com a convenincia da distribuio.

O fator 1,732 aproximadamente a e representa o comprimento da diagonal de um cubo tendo como aresta a unidade de comprimento. A potncia no sistema trifsico calculada pela frmula:

onde P = Potncia em kW; E = Tenso entre as linhas em V; I = Corrente de uma linha em A;

ou 1,732 fator do Sistema Trifsico. Exerccio: Um gerador trifsico apresenta nos dados de placa as seguintes informaes: Ligao em Estrela: Tenso de Linha = 220V e Corrente de Linha = 10A, calcule a potncia na linha em quilowatts?

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Ligao em Tringulo Tenso entre as linhas 127V e Corrente de Linha 17,32A, calcule a potncia em quilowatts? Aps comparar os resultados, analise e justifique as respostas. A partir da frmula bsica da potncia pode-se obter por transposio a tenso e a corrente. Regulao de Tenso e Freqncia J vimos que a freqncia da CA produzida pelo alternador est em funo da quantidade de plos e da velocidade do

rotor, atravs da frmula A tenso gerada funo da intensidade do campo, que por sua vez depende da corrente que circula pelo mesmo. Sabemos que nos alternadores a tenso de sada varia conforme a carga, da mesma forma que nos dnamos de corrente contnua. Alm da queda de tenso R x I, temos nos enrolamentos uma queda I XL devido reatncia indutiva do mesmo. Com o aumento da carga (consumo) logicamente essas resistncias (R e XL reduzem o valor da mesma. A variao que se d desde carga mnima carga mxima chamada regulao de voltagem do alternador). A tenso de sada pode ser mantida constante fazendo-se variar apenas a intensidade do campo, atendendo assim o consumo da carga. A maioria dos alternadores utiliza-se de ligaes trifsicas, tringulo ou estrela, devido ao rendimento ser maior. Transformadores so utilizados em conjunto com esses alternadores, os quais so ligado tambm nas configuraes tringulo ou estrela, segundo mostra o esquema das figuras abaixo. So transformadores monofsicos ligados da mesma forma que o alternador. Se ligarmos primrio e secundrio em estrela, o transformador chamado "estrela-estrela" e se o ligarmos em tringulo, o mesmo ser "tringulo-tringulo".

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A regulao de um gerador dada pela relao:

Onde: Reg = Regulao, em porcentagem; E0 = Tenso sem carga (em vazio) = mnima; E = Tenso plena carga = mxima.

De um modo geral a regulao deve ser pequena, ou ainda, a diferena entre Eo e E deve ser a menor possvel, para que o mesmo seja pouco sensvel aplicao da carga. A figo 3.1.12 mostra roto r e um estator de um alternador tpico. Gerador de Corrente Contnua

Gerador de Corrente Contnua Antes de iniciarmos o estudo de como so montados e as caractersticas dos geradores reais, vamos relembrar o funcionamento de um gerador de corrente contnua elementar. Podemos verificar pela fig. 2.2.1 quando uma espira exerce um movimento de rotao dentro de um campo magntico, ir surgir nos terminais do condutor uma variao do fluxo. Considerando-se o lado preto da espira que gera dentro do campo magntico podemos verificar o seguinte:

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Na primeira figura, a espira est na posio vertical, portanto o fluxo magntico induzido na espira nulo, porm ao exercer um giro de 90o o lado preto da espira fica voltado para o plo sul do im, tornando-se positivo. Prosseguindo o movimento rotativo, vamos para posio 180o onde a espira est na posio vertical tornando o fluxo nulo; porm na posio seguinte, 270o, o lado preto est voltado para o plo norte, tornando-se negativo. Na realidade a variao para (+) 0u para (-) d-se regularmente, pois da posio vertical at chegar posio horizontal, a espira dentro do fluxo magntico foi virando e ao mesmo tempo aumentando a f.e.m. induzida no condutor sob a forma de espira. Ela vai de zero at atingir o ponto mximo de fora eletromotriz e depois de completar volta, ela retorna a zero novamente. Descrio de Funcionamento de um Gerador CC Tendo-se uma bobina gerando em um campo magntico, as variaes de fluxo do plo norte e do plo sul sucedem-se na rotao, isso faz com que seja gerado na bobina uma f.e.m. alternada senoidal. Ficou evidente que impossvel gerar f.e.m. contnua diretamente por intermdio de bobinas que giram dentro de um campo magntico. Por esse motivo usa-se um coletor formado por lminas de cobre isoladas entre si, para retificar a f f.e.m. alternada induzida. Como podemos ver na fig. abaixo, os terminais da bobina so ligados a dois semicrculos isolados entre si. Dessa forma a escova A ser sempre positiva e a escova B sempre negativa, enquanto for mantida a rotao indicada e o sentido do campo magntico. Mesmo quando a parte branca tocar a escova A fig. Abaixo mostra mais detalhadamente o que acontece durante uma rotao completa do rotor.

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Posio I A fora eletromotriz induzida E = 0, pois alm das escovas estarem curtocircuitando o coletor, as duas partem da bobina recebem o mesmo efeito do campo magntico. Posio II Nesse ponto a bobina sofreu um giro de 90o e a parte preta que positiva, devido f.e.m. induzida correr e a parte preta que positiva, devido f.e.m.induzida correr no sentido inverso do campo magntico, fazendo contato somente com a escova B, esta ser positiva e a f.e.m. induzida ser mxima Posio III A bobina sofreu um giro de 180o fazendo que a bobina ficasse na posio horizontal, porm ao inverso da posio I. As escovas tanto A quanto B tm fora induzida igual, E = 0. Posio IV A bobina sofreu um giro de 270o e a parte branca da bobina, totalmente virada para direita, faz com que o seu coletor entre em contato com a escova B, que fica positiva e a escova A negativa. Posio V Idntica posio I quando o rotor completou um giro de 360o. Pelo que podemos observar na fig. acima, a fora eletromotriz induzida faz com que houvesse uma carga conectada entre as escovas A e B, a corrente que circularia atravs da carga seria contnua porm pulsativa. Um gerador desse tipo no tem muitas aplicaes na prtica. O que necessitamos que o gerador fornea uma tenso e que esta tenha polaridade constante e seu valor seja, pelo menos aproximadamente constante. Esse problema foi resolvido da seguinte maneira: Utilizando-se do gerador elementar, acrescenta-se mais uma bobina fazendo 90o com a primeira, divide-se o coletor em 4 partes ou em 4 comutadores. Dessa forma quando a fora eletromotriz induzida numa bobina for nula a outra ser mxima, assim teremos em uma volta completa, ou durante a rotao de 360o, 4 valores mximos por ciclo, como mostra a fig. ao lado. Usando 4 bobinas ao invs de 2 e dividindo-se o coletor em oito comutadores, teremos 8 valores mximos por ciclos. Com isso a tenso apresentada s escovas se aproximar cada vez mais de uma tenso contnua pura. No estudo das mquinas eltricas, fala-se normalmente dos geradores e dos motores conjuntamente, pois a diferena fundamental entre ambos que o gerador recebe energia mecnica atravs de seu eixo e transforma em energia eltrica. Essa energia mecnica pode ser fornecida por turbinas hidrulicas, motores a combusto, ou mesmo motores eltricos. Temos nos motores eltricos justamente o inverso dos geradores, pois recebem a energia eltrica e transformam em energia mecnica que transmitida pelo eixo do motor. Tanto o motor como o gerador, possuem duas partes fundamentais. Estator este responsvel pelo fornecimento de campo magntico constante e uniforme. Anteriormente visto como im permanente no gerador elementar. Rotor a parte mvel do gerador a qual fixa a um eixo. Nos geradores o campo magntico no produzido pelo im permanente, mas por bobinas que podem ser duplas ou qudruplas que recebem o nome de bobinas de campo.

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Para que a bobina de campo mantenha um campo constante e uniforme ao seu redor, necessitamos que o bobinado seja alimentado por uma corrente continua e que seu valor seja constante. Nos geradores reais essa alimentao proporcionada por outro gerador de corrente contnua ou como normalmente por uma unidade mecnica acoplada ao gerador principal ou ainda pela prpria fora eletromotriz gerada por ele. A carcaa do gerador serve como parte do circuito magntico onde so fixadas as peas que servem como extenso polar, e estas so envolvidas por bobinas, cuja funo produzir um campo magntico. Verificamos na fig. abaixo o conjunto estator montado, sendo que a pea polar da esquerda foi desenhada sem bobina, para melhor representao. Observao: A pea polar tambm conhecida por sapata polar. A bobina de campo recebe cuidados especiais quando da sua confeco. Utilizando-se de um fio de cobre com revestimento de verniz, algodo ou nayon, posteriormente a bobina recoberta com tiras de algodo. Nesse ponto de confeco o conjunto levado a um estufa, com temperatura moderada para que a umidade que por ventura exista no condutor ou no algodo seja eliminada aps ficar um determinado tempo dentro da estufa, a bobina mergulhada em verniz isolante e novamente levada estufa. As dimenses da bobina, depois de pronta, devem ser tais, que caiba entre a pea polar e a carcaa sem folga. Temos na fig. 2.1.6 uma bobina de campo, aps receber este tratamento. Nos extremos da carcaa temos duas tampas de ferro fundido, em cujo centro acha-se uma abertura, na qual so colocados os mancais que sustentam o eixo do rotor. Em uma das tampas confeccionada de forma a permitir a instalao do par de portas-escovas que fazem contato com o coletor do rotor. A fig. abaixo. mostra detalhadamente um gerador desmontado visto em exploso. Os portas-escovas so dotados de mola que pressiona a escova ao coletor, pois o contato entre ambos deve ser firme e constante. O carvo utilizado tem caractersticas especificas como: deve ser compacto, homogneo e ter dureza relativa; em certos casos usam-se escovas de grafite. Dentro do gerador, entre os plos magnticos de estator, gira o rotor que composto de armadura ou induzido e coletor que so mantidos centralizados por um eixo que, por sua vez, encaixado nos mancais, e que permite apenas o movimento de rotao do conjunto.

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O nosso gerador elementar apresenta uma nica espira formada pelo prprio condutor. Na realidade o induzido formado de um eixo de ao temperado, um ncleo de ferro laminado com ranhuras longitudinais, nas quais so enrolados os bobinados, para cada ranhura a sua bobina e respectivo coletor. O coletor tem em sua construo peas de cobre endurecido, separados entre si e do eixo do rotor por laminas de mica. O rotor ao se movimentar dentro do campo magntico induz uma fora eletromotriz no embobinado, que a f.e.m. que temos na sada. Entretanto, o ncleo induzido composto de material condutor, e por este motivo nele tambm induzida uma f.e.m induzida cria correntes parasitas que, por sua vez, produzem calor. Supondo que o ncleo do induzido fosse constitudo de uma nica pea, a resistncia do mesmo seria baixa, fazendo com que a corrente nele fosse alta, produzindo bastante aquecimento, j que este cresce com o quadrado de corrente ( P=R.I ). Tendo em vista que o aquecimento do induzido reduziria o tempo de vida do gerador isso iria danificar a isolao dos condutores dos embobinados. Por estes motivos, o ncleo do induzido composto por vrias camadas de ferro doce isolada umas das outras, fazendo com que as correntes parasitas sejam bastante reduzidas. A maioria dos motores e geradores de corrente continua utilizam um tipo determinado de tambor. O tambor tem forma cilndrica e na sua periferia existem ranhuras no sentido longitudinal, na qual so enroladas as bobinas. A colocao da bobina no ncleo do induzido (tambor) feita da seguinte forma. Na superfcie interna da ranhura colocado um papelo isolante que ficar assentado entre a bobina e as partes da ranhura. Quando em uma nica ranhura so colocadas duas bobinas, entre ambas ir um pedao de papelo isolante. Existe outra maneira de se fazer s bobinas para colocao nas ranhuras. Uma mquina faz as bobinas com os nmeros de espiras determinados e nos moldes certos para que a fixao seja perfeita.

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Aps a maquina enrolar a bobina, esta enrolada com fita de algodo ou plstico e envernizada para posterior colocao nas ranhuras. Este processo de confeco utilizado somente para geradores de grande porte.

No induzido ainda temos de observar uma das caractersticas mais importantes que o passo. Defini-se passo como sendo o ngulo entre as ranhuras em que se encontram os dois lados da bobina. Conforme o numero de ranhuras do tambor determina-se o ngulo. A figura 2.1.10 nos mostra um gerador de dois plos; os passos no induzido so calculados de forma que quando a ranhura estiver no centro de um dos plos a outra extremidade tambm esteja o centro do plo contrario ao anterior.

O mesmo acontece com um gerador de 4 plos como podemos verificar na figura abaixo Tipos de Geradores de CC Temos vrios tipos de geradores de C.C. Esta diviso feita de acordo com a forma como so alimentados as bobinas indutoras dos plos magnticos com respeito ao fornecimento de corrente continua. Excitao independente

Os geradores de alimentao independente so formados basicamente por dois circuitos distintos, onde o primeiro o circuito de alimentao do indutor, e o segundo o do induzido e pela carga a ele ligada. A figura 2.1.12 mostra uma bateria que alimenta o indutor e o induzido que fornecer a corrente a ser consumida pela carga.

Auto-excitao Auto-excitao: a) serie; b) paralelo; c) mista. Nos geradores auto-excitados, uma parte da tenso gerada utilizada para alimentar os indutores do mesmo. No decorrer da leitura, o leitor pode vir a perguntar: como gerado o primeiro pulso de tenso se, aparentemente, com a mquina parada no h nenhum campo magntico presente?

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O ferro-doce, que compreende o ncleo da bobinas de campo, atua dessa forma quando a corrente deixa de circular pela bobina. Este apesar de incapaz de reter suas propriedades magnticas teoricamente, quando deixa de ter corrente na bobina, permanece ligeiramente, magnetizado. Este campo magntico chamado de campo remanescente; apesar de fraco, suficiente para que na partida do gerador aparea uma tenso nos terminais. Esta tenso atravs de ligaes internas do gerador vai a bobina de campo, produzindo um campo magntico que se somara ao campo remanescente, provocando um aumenta da tenso de sada, e isto se repete at que o operador atinja seu valor nominal de trabalho.

Gerador de auto-excitao serie

Como mostra a figura 2-1-13, a carga que o gerador alimentara est ligada em serie com a bobina de campo. Neste caso toda a corrente que circular pela carga circulara pela bobina de campo; com isso o fio que forma o enrolamento da bobina de campo mais grosso, portanto a bobina ter menos espiras. Gerador de auto-excitao paralelo

Como mostra a figura 2-1-14, a bobina de campo esta ligada em paralelo com a carga que o gerador ir alimentar. Neste caso parte da corrente que fornecida pelo gerador ir pela carga e parte para a bobina de campo. Esta ligao conhecida como em paralelo, derivao ou shunt. O condutor que compe a bobina de campo de dimetro pequeno para que a resistncia desse no seja elevada e para que o mesmo consuma pouca corrente. Quando o gerador no tiver carga, haver sempre uma f.e.m nos terminais do mesmo, pois esse tipo de ligao faz com que a bobina de campo esteja sempre alimentada. Gerador de auto-excitao do tipo misto (serie e paralelo)

Este tipo de gerador conhecido por Composto ou compound por apresentar os dois tipos de ligaes. A figura 2.1.15 mostra como feita a ligao. Uma das bobinas ligada em paralelo com a carga e a outra ligada em serie com a carga. Dessa forma ocorre que o bobinado que est ligado em serie com a carga percorrido pela corrente que a carga necessita. Por este motivo, quanto maior for a corrente solicitada pela carga, maior ser a corrente atravs do bobinado, provocando assim um aumento do campo magntico. Como j sabemos, os circuitos magnticos dependem do nmero de espiras-ampre e da relutncia do circuito magntico; porm, nos geradores comerciais, o fabricante determina o nmero de espiras do bobinado e a relutncia do circuito magntico. Temos assim s a corrente que circula atravs do mesmo como grandeza varivel. A f.e.m induzida proporcional a intensidade de campo magntico e velocidade do rotor em r.p.m. Se por algum motivo a corrente que circula pelas bobinas aumentar, haver como conseqncia um aumento da f.e.m induzida. Este aumento da f.e.m proporcional em at certos limites, pois a permeabilidade do material magntico diminuda quando aumenta o fluxo magntico atravs do mesmo, com isto aumenta a relutncia do circuito. D-se o nome de saturao do material magntico a este fenmeno.

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Curva de saturao do gerador auto-excitado tipo srie. A curva de saturao da figura ao lado, mostra a variao da tenso de sada de um gerador tipo serie (C.C.) em funo da corrente solicitada pela carga Aumentando-se a corrente consumida pela carga, aumentar o campo magntico do estator aumentando em conseqncia a tenso nos terminais da escova. Como foi visto este aumento quase proporcional sofre grandes variaes a medida que se atinge o ponto de saturao do material magntico utilizado no estator. Quando chegar ao ponto limite de saturao no haver mais o aumento da f.e.m. induzida, pois o fluxo magntico no bobinado chegou ao seu ponto mximo (A). A partir do ponto A j se faz presente no gerador o fator saturao. Com o aumento da corrente de carga, e o gerador trabalhando na zona de saturao, haver a queda de tenso I.R. provocada na bobina de campo sem que haja um aumento de tenso de sada que compense a queda de tenso I.R. (ponto B). Com isto a tenso de ainda decresce rapidamente sem que haja um aumento excessivo da corrente de carga. Entre os pontos B e C a tenso cai quase que verticalmente.

Este tipo de ligao para geradores apresenta grande dificuldade para regular a tenso de sada. Dessa forma a nica utilidade do mesmo como gerador de corrente constante, utilizando-se do trecho BC da curva de saturao de um gerador auto-excitado do tipo serie. Curva de saturao de um gerador auto-excitado do tipo paralelo.

Como j foi visto anteriormente este tipo de ligao para geradores C.C. fornece constantemente uma tenso de excitao para as bobinas de campo, e estas consomem pouca corrente devido ao pequeno dimetro dos fios que a enrolam e seu maior nmero de espiras. A curva de saturao da figura 2.1.17 mostra, conforme a carga passa a consumir mais corrente, que a tenso de sada do gerador vai caindo. Esta queda de tenso devido ao fator I.R.da bobina de campo que vai aumentando. Entre os pontos A e B da curva de saturao, a tenso de sada quase constante, desde que a carga no consuma uma corrente maior que o valor especificado pelo fabricante, pois alem do ponto B, um consumo maior da carga, ocasionar uma diminuio na tenso de sada.

Devido ao pequeno consumo de corrente no bobinada de campo, pode se colocar um reostato em serie com a bobina, podendo-se assim regulara a tenso no bobinado, que por sua vez ir exercer um controle de tenso de sada. Gerador auto-excitado do tipo compound Nos geradores do tipo compound, tempo dois tipos de ligaes.

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a) Circuito Compound tipo paralelo curto, como mostra a figura a baixo 2.1.19, cujas nas ligaes so feitas diretamente nas terminais de sada.

b) Circuito Compound do tipo paralelo comprido como mostra a figura 2.1.20, onde tempos uma bobina ligada diretamente ao terminal de sada e do outro extremo da mesma temos uma derivao em paralelo entre a carga e a outra bobina. Quanto relao dos campos das bobinas, temos dois tipos tambm.

a) anticompound-diferencial (fig.a baixo2.1.21). Este tipo apresenta campos separados e opostos, ou seja, eles se opem mutuamente. Normalmente este tipo de ligao usado nos locais onde se aplicam cargas rpidas. Exemplo: a solda eltrica ou por arco utiliza-se desse sistema, pois com a intensidade de carga, o induzido obrigado a formar uma corrente elevada, e esta atravessa. Por serem os campos em serie, enrola em oposio. Temos o seguinte funcionamento: O campo serie induz no sentido contrario do campo que est em paralelo. Antes de aplicar a tenso sobre a carga, somente o enrolamento que est em paralelo induz. No momento em que feito o contato com a carga, devido a grande diferena de potencial, temos a criao do arco voltaico. Com a criao do arco voltaico a corrente que circula pela bobina em serie elevada ma devido ao fato de seu enrolamento ser oposto ao outro, os dois campos magnticos oposto fazem com o que a f.e.m. induzida diminua; dessa forma a corrente diminui no induzido, no momento em que h a sobre carga.

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Podemos dizer que o gerador anticompound-diferencial contm controle automtico. b) Gerador ccompound-adicional (fig abaixo)

Este tipo de gerador utilizado nos locais em que a voltagem deve ser constante levando-se em considerao os aumentos de carga. Como neste tipo de gerador, as bobinas esto dispostas de maneira a criar um campo adicional. Exemplo de funcionamento (fig. Ao lado): Supondo que o gerador esteja fornecendo uma tenso e uma carga determinada, em um dado momento h um aumento de carga ocasionado o aumento da corrente. No enrolamento que se encontra em paralelo com a carga, o aumento da corrente provocar uma queda de tenso do bobinado em paralelo que ocasionara uma diminuio do fluxo magntico provocado pela bobina de campo disposta em paralelo. Com este efeito a tenso de sada cairia. Porem isto no acontece, pois sendo o enrolamento em serie com a carga e com o induzido, o campo desta bobina aumenta junto com aumento da corrente. Com o aumento do campo em srie e com a diminuio do paralelo proporcionalmente, resultara um campo igual ao original. Ele ainda pode apresentar um reostato de campo para regular a sada. Principais Caractersticas dos Geradores de Corrente Contnua

Motores de Corrente Contnua So motores que precisam de alimentao em corrente contnua para o seu correto funcionamento. Seu custo de aquisio e de manuteno elevado e, alm disso, precisam de uma fonte de corrente contnua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contnua. O seu uso restrito aos casos em que estas exigncias compensam o custo muito mais alto de sua instalao. Possuem facilidade no controle de velocidade e elevados torques a baixas rotaes. Essas caractersticas garantem sua aplicao em sistemas de trao eltrica (locomotivas, bondes, troleibus) e em processos industriais como laminadores e acionadores para cargas mecnicas (sistemas automatizados e robs). Uma aplicao bastante comum deste tipo de motor na partida de motores de combusto, onde so exigidos grandes torques a baixas rotaes.

TIPO VANTAGENS DESVANTAGENS Excitao

independente tima regulao Dispendioso

Volumoso Excitao em srie

------------------------------- A regulao no boa

Excitao em paralelo Utiliza-se em alguns caso reostato para regular a sada. ---------------------------

Compound

1o. Anticompound diferencial

Apresenta fator de segurana para o caso de cargas

pesadas, reduzindo a corrente do induzido.

No possui boa regulao

2o. Compound adicional Regulao tima.

Utiliza reostato de campo para regular sada.

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Utilizam escovas, o que torna sua manuteno mais cara e trabalhosa, alm de gerar perdas no seu funcionamento normal. Para o funcionamento de um motor, necessrio que haja alimentao nos dois conjuntos de bobinas (estator e rotor). De acordo com o tipo de alimentao nesses dois conjuntos, podemos classificar os motores cc em quatro grupos: - Motores cc de excitao independente (figura a); - Motores cc de excitao srie (figura b); - Motores cc de excitao em paralelo ou shunt (figura c); - Motores cc de excitao composta ou mista (srie-paralelo) (figura d).

Observao: O motor com excitao srie que funciona tanto com corrente contnua como com corrente alternada chamado motor universal. Este tipo de motor utilizado em quase todos os aparelhos eletrodomsticos. Motores Eltricos de Corrente Alternada Introduo Motor eltrico a mquina destinada a transformar energia eltrica em energia mecnica, atravs da interao dos campos eletromagnticos internos. Esses campos internos so gerados por dois grupos principais de enrolamentos (bobinas): um que estacionrio e outro que rotativo. A atrao /repulso entre esses campos e a forma de construo do motor que originam o movimento rotativo dessas mquinas. O enrolamento estacionrio chamado de estator e o rotativo chamado de rotor.

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Introduo O motor de induo o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilizao de energia eltrica sem transformao, baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com sua construo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Os tipos mais comuns de motores eltricos so: Motores de Corrente Alternada De uma forma geral funcionam da mesma maneira que os motores de corrente contnua apresentando algumas vantagens sobre os mesmos. Tm como principal caracterstica poderem trabalhar em velocidades constantes uma vez que a mesma est determinada pela freqncia da corrente alternada a ele aplicada. Funcionam em redes monofsicas ou polifsicas sendo o princpio de funcionamento o mesmo para ambos os casos. Dividem-se genericamente em dois tipos: monofsicos e trifsicos. Monofsicos: So os motores que vo ligados aos circuitos de fase e neutro. Classificam-se em: a) Motor universal

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So os que podem ser ligados ou em CC ou CA. So utilizados em mquinas de costura, liquidificadores, enceradeiras, aspiradores e eletrodomsticos em geral. Seu rotor e estator so vistos na figura ao lado. Suas bobinas do estator ligam-se eletricamente ao rotor, atravs das escovas. (fig. 3.2.2). Esses motores permitem a variao de velocidade atravs de um reostato na linha de alimentao do mesmo. Suas principais caractersticas so: Potncia: de 1/20 HP a 1/6 HP Velocidade: 1.500 rpm a 15.000 rpm Reverso: S possvel quando so modificadas as ligaes internas das bobinas. b) Motor de Campo Distorcido

tambm conhecido como motor de anel em curto. Compreendem a classe dos motores empregados em ventiladores, toca-discos, secadores, etc. O seu estator possui semelhana com o motor universal, com a diferena que na sapata polar existe uma espira em curto. O rotor apresenta um enrolamento de barras em curto-circuito chamado "gaiola de esquilo". As figuras ao lado mostram o rotor e o estator desse motor. Nesse caso no existe ligao eltrica entre o rotor e o estator. Os mesmos no possuem escovas. As ligaes so feitas nas bobinas instaladas no estator.

Caractersticas: Potncia: de 28 W a 120 W. Velocidade: 1.000 rpm a 3.400 rpm para 60 Hz constante e no possuem regulagem. Reverso: S possvel quando so modificadas as ligaes internas das bobinas.

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c) Motor de Fase Auxiliar So os que encontram a maior aplicao, tais como: compressores, mquinas de lavar, bombas de gua, exaustores, etc. A figura ao lado mostra o estator e o rotor desse tipo de motor. O estator consta de dois enrolamentos: principal (fio grosso) e auxiliar ou de partida (fio fino). Esses motores possuem um dispositivo especial para acion-los (partida) geralmente montado sobre o mesmo. Esse automtico aciona o enrolamento auxiliar o qual pe o enrolamento principal em servio tambm. Em certos tipos de motores encontra-se o capacitor, que fornece uma partida mais possante. Os motores podem possuir 2, 4 ou 6 terminais de sada. Os mo