A maioria dos estudantes do nível fundamental e até de engenharia possuem dificuldade em entender a corrente alternada porque começam seu estudo com o que é conhecido como corrente contínua (CC), que é a eletricidade que flui em uma direção constante, e/ou possui uma voltagem com polaridade constante. CC é o tipo de eletricidade produzida por uma bateria (com terminais positivos e negativos), ou o tipo de carga gerada pela fricção de certos tipos de materiais um contra o outro mas sempre com tensão contínua.

1 – Corrente Alternada x Corrente Contínua

Por mais útil e fácil de entender que a CC seja, ela não é o único “tipo” de eletricidade em uso. A própria energia que chega em nossa residência chega pelo poste em corrente alternada (CA). Certas fontes de eletricidade (mais notavelmente geradores eletro-mecânicos rotativos) naturalmente produzem tensões alternada em polaridade, invertendo em um certo intervalo de tempo os ciclos positivo e negativo. Assim, na CA, tanto a tensão quanto a corrente se MOVimentam para frente e para trás invertendo constantemente os pólos positivos e negativos.

corrente alternada x corrente continua corrente alternada x corrente continua

Figura 1 – Corrente Alternada x Corrente Contínua

Enquanto o símbolo da bateria é usado como um símbolo genérico para qualquer fonte de tensão CC, o círculo com a linha ondulada no interior é o símbolo genérico para qualquer fonte de tensão de corrente alternada (CA).

Alguém poderia se perguntar por que deveria se preocupar com algo como CA. É verdade que, em alguns casos, a CA não tem vantagem prática sobre a CC. Exemplo disso é que em aplicações onde a eletricidade é usada para dissipar energia na forma de calor, a polaridade ou direção da corrente é irrelevante, desde que haja tensão e corrente suficientes para a carga produzir o calor desejado (dissipação de energia). No entanto, com a corrente alternada é possível construir geradores elétricos, motores e sistemas de distribuição de energia que são muito mais eficientes que do que se fossem em corrente contínua, e assim encontramos a CA como sendo a forma de energia predominante em todo o mundo nas aplicações de alta potência. Para explicar os detalhes do motivo pelo qual isso é acontece, vamos um pouco mais a fundo aos fundamentos da corrente alternada.

2 – Alternadores em Corrente Alternada

Se você construir uma máquina com um íma em forma de C onde a parte vermelha seja o polo Norte e a parte verde seja o polo Sul e colocar uma bobina de forma que ela gire em torno do campo magnético criado pelo íma, uma tensão CA será produzida através das extremidades da espira a medida que o eixo é girado, de acordo com a Lei de Indução Eletromagnética de Faraday. Este é o princípio básico de funcionamento de um gerador de corrente alternada, também conhecido como alternador: Figura abaixo.

gerador corrente alternada gerador corrente alternada

Figura 2 – Operação de Alternador em Corrente Alternada

Observe como a polaridade da tensão entre as bobinas de fio é invertida à medida que os pólos opostos do ímã giratório passam. Conectada a uma carga, a inversão da polaridade da tensão criará também uma inversão de corrente no circuito. Quanto mais ráPIDo o eixo do alternador for girado, mais ráPIDo a tensão e a corrente vão ficar mudando de direção com uma determinada frequência. A energia que chega em nossa residência por exemplo possui uma frequência de 60 Hz e isso significa que em 1 segundo a espira realiza 60 voltas completas pelo campo magnético do íma. Assim, a tensão e a corrente invertem o sentido 120 vezes (lembre-se que a cada 1/2 período acontece a inversão de polaridade).

Apesar dos geradores de corrente contínua trabalharem utilizando o mesmo princípio de indução eletromagnética do gerador de corrente alternada, sua construção não é tão simples quanto seria no CA. Em um gerador de corrente contínua, a espira deve ser acoplada diretamente no no circuito da carga e as conexões elétricas são feitas a esta bobina através de “escovas” estacionárias de carbono que permitem fechar o contato entre a espira e a carga. Tudo isso é necessário para que a polaridade da saída da espira apesar de se inverter, não seja “enxergada” pela carga, mantendo nesta uma polaridade positiva constante. Veja a Figura abaixo:

gerador corrente continua gerador corrente continua

Figura 3 – Operação de Gerador em Corrente Contínua

O gerador mostrado acima produzirá dois pulsos de tensão por rotação do eixo sendo que ambos os pulsos na mesma direção (polaridade). Para que um gerador de CC produza uma voltagem constante, em vez de breves pulsos de voltagem a cada 1/2 volta, existem vários conjuntos de bobinas que fazem contato intermitente com as escovas. Assim, o diagrama mostrado na animação acima é um pouco mais simplificado do que o que você veria na vida real.

Os problemas envolvidos na utilização de escovas para proMOVer o contato elétrico com as espiras devem ser óbvios (geração de faíscas e calor), especialmente se o eixo do gerador estiver girando em alta velocidade. Se a atmosfera ao redor da máquina contiver vapores inflamáveis ​​ou explosivos, os problemas dos contatos da escova que produzem faíscas são ainda maiores. Por outro lado um gerador de corrente alternada (alternador) não exige utilização de escovas e comutadores e portanto, estão imunes a esses problemas enfrentados pelos geradores de corrente contínua.

3 – Motores de Corrente Alternada (CA)

Os benefícios da corrente alternada sobre a corrente contínua no que diz respeito ao projeto do gerador também são refletidos nos motores elétricos. Enquanto os motores CC requerem o uso de escovas para fazer contato elétrico com bobinas móveis de fios, os motores CA não precisam disso. De fato, os projetos de motores CA e CC são muito semelhantes aos seus homólogos geradores (idênticos para este artigo), sendo o motor ca dependente do campo magnético de reversão produzido pela corrente alternada através de suas bobinas de fio estacionárias para girar o ímã rotativo ao redor de seu eixo, e o motor de CC sendo dependente dos contatos da escova fazendo e interrompendo as conexões para reverter a corrente através da bobina rotativa a cada 1/2 rotação (180 graus).

4 – Transformadores

Agora sabemos que os geradores CA e os motores CA tendem a ser mais simples que os geradores CC e motores CC. Também não é difícil perceber que essa simplicidade se traduz em maior confiabilidade e menor custo de fabricação dos motores e geradores CA. Mas para que serve a Corrente Alternada? Certamente deve haver mais do que detalhes de projeto de geradores e motores! E realmnete há. Há um efeito de eletromagnetismo conhecido como indução mútua, em que duas ou mais bobinas de fio são colocadas de modo que o campo magnético variável criado por um induz uma voltagem no outro. Se tivermos duas bobinas mutuamente indutivas e energizarmos uma bobina com CA, criaremos uma tensão CA na outra bobina. Quando usado como tal, este dispositivo é conhecido como um transformador: Figura abaixo.

transformador corrente alternada transformador corrente alternada

Figura 4 – Transformador “transformando” tensão e corrente alternada.

O principal recurso de um transformador é a sua capacidade de aumentar ou diminuir a tensão de uma bobina alimentada para outra bobina sem alimentação. Em um transformador, a tensão CA induzida na bobina não alimentada (“secundária”) é igual à tensão CA na bobina alimentada (“primária”) multiplicada pela relação de espiras da bobina secundária dividido pelo número de espiras primárias da bobina.

EP/ES=N1/N2

Outra característica do transformador é que se a bobina secundária estiver energizando uma carga, a corrente através da bobina secundária é exatamente o oposto da corrente primária e seu valor será a corrente primária da bobina multiplicada pela relação de voltas primárias dividido pela relação de bobinas secundárias. Esta relação tem uma analogia mecânica muito próxima, usando torque e velocidade para representar tensão e corrente, respectivamente:

IP/IS=ES/EP

engrenagem e transformador abaixador em corrente alternada1 engrenagem e transformador abaixador em corrente alternada1

Analogia de engrenagens de multiplicação de velocidade com o transformador abaixador de tensão.

Se a relação do enrolamento estiver invertida de modo que a bobina primária tenha menos voltas que a bobina secundária, o transformador “eleva” a tensão do nível da fonte para um nível mais alto na carga: Figura abaixo

engrenagem e transformador elevador em corrente alternada engrenagem e transformador elevador em corrente alternada

A capacidade do transformador de aumentar ou diminuir a tensão AC com facilidade dá ao CA uma vantagem inigualável por DC no domínio da distribuição de energia na figura abaixo. Ao transmitir energia elétrica por longas distâncias, é muito mais eficiente fazê-lo com tensões aumentadas e correntes escalonadas (fio de menor diâmetro com menos perdas de energia resistiva), então pise a voltagem de volta e a corrente de volta para indústria, negócios ou uso do consumidor.

corrente alternada geracao e transmissao corrente alternada geracao e transmissao

A tecnologia de transformadores tornou prática a distribuição de energia elétrica de longo alcance. Sem a capacidade de aumentar e diminuir a tensão eficientemente, seria proibitivo o custo de construir sistemas de energia para qualquer uso que não fosse de curto alcance (dentro de algumas milhas no máximo).

Tão útil quanto os transformadores, eles só funcionam com CA, não DC. Como o fenômeno da indutância mútua depende da mudança dos campos magnéticos, e a corrente contínua (DC) só pode produzir campos magnéticos estáveis, os transformadores simplesmente não funcionarão com corrente contínua. Naturalmente, a corrente contínua pode ser interromPIDa (pulsada) através do enrolamento primário de um transformador para criar um campo magnético variável (como é feito em sistemas de ignição automotivos para produzir energia de alta tensão de uma bateria DC de baixa tensão), mas DC pulsado não é tão diferente de AC. Talvez mais do que qualquer outro motivo, é por isso que a AC encontra uma aplicação tão ampla nos sistemas de energia.