Corrente alternada

A corrente alternada (CA ou AC - do inglês alternating current) é uma corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente contínua, cujo sentido permanece constante ao longo do tempo. A forma de onda usual em um circuito de potência CA é senoidal. Por ser uma forma de transmissão de energia mais eficiente, normalmente a CA é o tipo de corrente que chega às residências. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas, tais como triangular ou ondas quadradas. Enquanto a fonte de corrente contínua é constituída pelos polos positivo e negativo, a de corrente alternada é composta por fases (e, muitas vezes, pelo fio neutro).^[1]^[2]

História

A corrente alternada surgiu pela primeira vez, em 1832, quando o francês Hippolyte Pixii aplicou o princípio de indução electromagnética de Michael Faraday. Nikola Tesla e outros cientistas, anos depois da invenção da corrente alternada, melhoraram enormemente o sistema de distribuição de corrente alternada e inovações que tornaram o seu uso prático. Nikola Tesla foi contratado por J. Westinghouse para construir uma linha de transmissão entre Niágara e Buffalo, em NY. Thomas Edison, que defendia e empregava a corrente contínua em seus experimentos, fez o possível para desacreditar Tesla, mas sem sucesso. O sistema polifásico acabou por prevalecer, pelas vantagens inegáveis de custo, praticidade e eficiência em relação à corrente contínua. A Corrente Alternada é a forma mais eficiente de se transmitir uma corrente elétrica por longas distâncias, algo em que a corrente contínua é extremamente limitada, o que acarretaria custos incomparavelmente maiores para ser empregada. Na corrente alternada, os elétrons invertem o seu sentido várias vezes por segundo.

A corrente alternada foi adotada para transmissão de energia elétrica a longas distâncias devido à facilidade relativa que esta apresenta para ter o valor de sua tensão alterada por intermédio de transformadores. Além disso as perdas em CA são bem menores que em CC. No entanto, as primeiras experiências e transmissões foram feitas com Corrente contínua (CC). É hoje sabido que a transmissão de corrente alternada a longas distâncias é mais vantajosa, porém no que concerne ao funcionamento de aparelhos electrónicos é preferível a conversão para Corrente contínua (CC).

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

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

Sistemas CA de 400 Hz são usados na indústria têxtil, aviões, navios, naves espaciais e em grandes computadores.

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

Matemática

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

$V(t)=V_{0}\sin(\omega _{0}t+\delta _{v})\,$

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

$I(t)=I_{0}\sin(\omega _{0}t+\delta _{i})\,$

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

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

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

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

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

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

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

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

Tensão alternada

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

Uma tensão alternada é um sinal senoidal:

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

os diagramas de circuito, uma fonte ideal de tensão alternada representa-se pelo símbolo na figura abaixo. Junto do diagrama indica-se a tensão máxima e a frequência. Os valores apresentados na figura são os que estão em uso na rede elétrica pública da União Europeia: frequência $\scriptstyle f$ de 50 Hz e tensão máxima de 325 V.^[3]

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

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

Gerador de tensão alternada

Gerador de tensão alternada.

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

O fluxo através da bobina é:

$\Phi _{\mathrm {m} }=B\,A\,\cos \theta$

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

Se a bobina roda com velocidade angular constante, $\scriptstyle \omega$ , o ângulo $\scriptstyle \theta$ , em função do tempo, é representado por $\scriptstyle \omega \,t+\theta _{0}$ .

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

$V=V_{\text{máx}}\,\sin(\omega \,t+\theta _{0})$

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

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

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

Ver também

Referências

↑ N. N. Bhargava & D. C. Kulshreshtha (1983). Basic Electronics & Linear Circuits. [S.l.]: Tata McGraw-Hill Education. p. 90. ISBN 978-0-07-451965-3
↑ National Electric Light Association (1915). Electrical meterman's handbook. [S.l.]: Trow Press. p. 81
↑ [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 16 jun. 2013. Link: villate.org

Ligações externas

O Commons possui uma categoria com imagens e outros ficheiros sobre Corrente alternada

«AC Power History and Timeline» (em inglês)
«Pixii Machine» (em inglês)
«5 Reasons Michael Faraday Is as Cool as Tesla» (em inglês)
«Nikola Tesla Wasn't God And Thomas Edison Wasn't The Devil» (em inglês)

[1] N. N. Bhargava & D. C. Kulshreshtha (1983). Basic Electronics & Linear Circuits. [S.l.]: Tata McGraw-Hill Education. p. 90. ISBN 978-0-07-451965-3

[2] National Electric Light Association (1915). Electrical meterman's handbook. [S.l.]: Trow Press. p. 81

[Villate-3] [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 16 jun. 2013. Link: villate.org

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