Física do ensino fundamental · Grades 1–9

69Da usina até a casa: o alternador

Um ano inteiro de quilowatt-horas passou pelas suas auditorias — mas vindos de onde? Siga o cabo para fora de casa, por baixo da rua, através das torres, e ele termina numa máquina girando num grande salão: o alternador. O segredo dele é a mais bonita surpresa da eletricidade deste livro: a descoberta do ano passado, de que a corrente faz magnetismo, rodada ao contrário.

69.1 A indução: o efeito invertido

Proposição 69.1 (A indução eletromagnética)

Mova um ímã perto de um circuito fechado — ou mova o circuito perto do ímã — e, enquanto o movimento durar, uma tensão aparece e impele uma corrente: eletricidade induzida por magnetismo que muda. As regras, tiradas da bancada:

só a mudança induz: ímã parado ao lado da bobina, nada — por mais forte que o ímã seja;
movimento mais rápido, ímã mais forte, mais voltas de bobina: tensão induzida maior;
inverta o movimento e a corrente induzida se inverte — aproximar e afastar impelem marchas opostas.

No ano passado uma corrente fazia magnetismo; neste ano o magnetismo em movimento faz uma corrente. Os dois efeitos são uma moeda só, lida pelas duas faces — e a segunda face move a civilização.

Método 69.2 (Indução na bancada)

Uma bobina de muitas voltas, um ímã em barra, um medidor sensível com o zero no centro:

ligue o medidor atravessado na bobina; segure o ímã parado dentro dela: o ponteiro dorme no zero — a força sozinha não induz nada;
enfie o ímã: o ponteiro dá um pulo para um lado — e volta ao zero no instante em que o movimento para;
retire-o: um pulo igual, para o outro lado;
enfie mais depressa: um pulo maior. Chacoalhe o ímã para dentro e para fora com ritmo, e o ponteiro balança para a esquerda, para a direita, para a esquerda — você está fabricando corrente alternada com a manivela da mão.

Indução na bancada: só um ímã em movimento acorda a bobina — e o pulo do ponteiro se inverte junto com o movimento. — Indução na bancada: só um ímã *em movimento* acorda a bobina — e o pulo do ponteiro se inverte junto com o movimento.

69.2 O alternador

Definição 69.3 (Alternador)

Um alternador é a indução tornada incansável: um ímã girado de modo constante ao lado de uma bobina fixa (ou uma bobina girada dentro de um campo magnético). Cada meia volta traz um polo na direção da bobina e depois o leva embora — mudança, renovada sem parar — e assim a tensão induzida oscila positiva, negativa, positiva: alternada, por construção, traçando exatamente a senoide suave do capítulo do osciloscópio. Gire a cinquenta voltas por segundo e a saída alterna a $50\,\mathrm{Hz}$ : a frequência da rede é uma velocidade de rotação, mantida em passo por todas as usinas da rede.

Exemplo 69.4 (O dínamo da sua roda)

O dínamo de bicicleta é um alternador de bolso: a roda gira um ímãzinho dentro de uma bobina fixa, e a lâmpada acende — mais forte e com frequência mais alta conforme você pedala com mais vontade, exatamente como as regras da bancada prometem (e piscando na lentidão, como o capítulo da corrente alternada observou). O preço dele também é honesto: o dínamo arrasta — acender a lâmpada custa esforço de verdade às suas pernas. A indução não dá energia; ela converte movimento em eletricidade, joule por joule, menos o imposto do atrito.

Uma usina hidrelétrica: a água levantada desce em disparada, gira as turbinas, e os alternadores mandam a energia embora pelos fios.

69.3 Toda usina é uma máquina só

Proposição 69.5 (O núcleo comum)

Quase toda a eletricidade do mundo, seja qual for a propaganda dela, é feita do mesmo jeito: alguma coisa gira uma turbina — um robusto moinho de pás — e a turbina gira um alternador. As usinas diferem apenas em o que empurra as pás:

as usinas térmicas fervem água queimando carvão ou gás — jatos de vapor movem a turbina;
as usinas nucleares fervem a água com o calor da divisão de átomos — vapor de novo;
as barragens hidrelétricas deixam um lago de montanha cair através das pás — a corrente da barragem da infância, completada;
as turbinas eólicas dispensam o intermediário: o vento é o empurrão das pás, com um alternador em cada nacele.

Uma exceção confirma a regra: os painéis solares fazem eletricidade sem giro nenhum — por um efeito da luz que pertence aos anos de universidade.

Toda usina, uma corrente só: alguma coisa gira a turbina, a turbina gira o alternador, e a indução faz o resto. Só a primeira caixa muda de usina para usina.

Exemplo 69.6 (Correntes, auditadas)

Escreva cada usina como uma corrente de energia da infância, agora com vocabulário profissional. A barragem: altura armazenada $\to$ movimento da água que cai $\to$ rotação $\to$ eletricidade — e o Sol, lembre, levantou aquele lago por evaporação: a energia hidrelétrica é luz do Sol adiada em forma de chuva. A usina de carvão: reserva química $\to$ calor $\to$ movimento do vapor $\to$ rotação $\to$ eletricidade — com calor vazando em cada seta, como as plumas das torres de resfriamento confessam. Vento: ar em movimento (agitado pelo Sol) direto para a rotação. As fontes que a natureza reabastece — água, vento, luz do Sol — são chamadas de renováveis; as reservas queimadas e divididas são gastas para sempre nas escalas de tempo humanas.

Observação 69.7 (Por que as torres zumbem a 400000 volts)

A última promessa do capítulo da corrente alternada vence hoje. Uma cidade precisa, digamos, de cem milhões de watts. Por $P = U I$ , essa potência pode viajar como uma corrente enorme com tensão modesta — ou como uma corrente modesta com tensão enorme. Mas os fios esquentam com a corrente (o velho efeito térmico), e cada grau de aquecimento das torres é energia paga e perdida para os corvos. Então a rede transporta com tensões de tirar o fôlego — centenas de milhares de volts, correntes minúsculas, perda mínima — e vai baixando a tensão, bairro por bairro, até os mansos $230\,\mathrm{V}$ da sua parede. A máquina que faz esse degrau, o transformador, é duas bobinas e indução mais uma vez — e ela funciona apenas com corrente que alterna: a rede inteira fala CA porque o transformador fala.

69.4 Exercícios

Exercício 69.1 ★

Enuncie as três regras de bancada da indução. O que um ímã forte parado induz?

Solução

Solução de Exercício 69.1.

Só a mudança induz; movimento mais rápido, ímã mais forte e mais voltas dão tensão maior; movimento invertido inverte a corrente. Um ímã parado, por mais forte que seja, induz exatamente nada.

Exercício 69.2 ★

Por que a saída de um alternador é alternada? Ligue as mudanças de sinal à rotação.

Solução

Solução de Exercício 69.2.

Cada meia volta do rotor traz um polo na direção da bobina (induzindo para um lado) e depois o leva embora (induzindo para o outro): a tensão precisa trocar de sinal a cada meia rotação — a alternância está embutida no giro.

Exercício 69.3 ★

Com que velocidade de rotação um alternador alimenta uma rede de $50\,\mathrm{Hz}$ ? Sobre o que todas as usinas da rede precisam, portanto, concordar?

Solução

Solução de Exercício 69.3.

Cinquenta voltas por segundo (para a máquina simples de dois polos). Toda usina precisa manter exatamente o mesmo ritmo de rotação — a rede inteira gira em passo, dividindo uma frequência só.

Exercício 69.4 ★

Diga o nome das duas caixas universais de toda usina, e da única caixa que muda entre carvão, átomo, barragem e vento.

Solução

Solução de Exercício 69.4.

A turbina e o alternador. Só muda quem empurra as pás: o vapor da chama, o vapor do átomo, o lago que cai ou o vento.

Exercício 69.5 ★

Escreva a corrente hidrelétrica do lago de montanha até a sua lâmpada — e diga o nome da máquina celeste que encheu o lago.

Solução

Solução de Exercício 69.5.

Altura armazenada do lago $\to$ movimento da água que cai $\to$ rotação da turbina $\to$ eletricidade do alternador $\to$ transformador e rede $\to$ lâmpada. O Sol encheu o lago: a evaporação levantou o mar, e a chuva o entregou às montanhas.

Exercício 69.6 ★

Por que pedalar fica mais difícil no instante em que a lâmpada do dínamo acende? Que princípio proíbe que seja de outro jeito?

Solução

Solução de Exercício 69.6.

A energia da lâmpada precisa vir de algum lugar, e a única reserva que existe numa bicicleta é quem pedala: o dínamo converte trabalho de perna em luz, e por isso os joules da lâmpada aparecem como arrasto extra. A energia é convertida, nunca conjurada — a lei mais antiga do curso.

Exercício 69.7 ★

Separe em renovável e não renovável: vento; carvão; o lago da barragem; urânio; luz do Sol. O que define a separação?

Solução

Solução de Exercício 69.7.

Renováveis: o vento, o lago (a chuva o reabastece), a luz do Sol. Não renováveis: o carvão e o urânio — gastos para sempre nas escalas de tempo humanas. A separação pergunta: a natureza reabastece a reserva no ritmo em que a esvaziamos?

Exercício 69.8 ★

Por que a rede transporta a potência dela a centenas de milhares de volts? Diga o nome da fórmula que oferece a escolha e do efeito que a decide.

Solução

Solução de Exercício 69.8.

$P = U I$ deixa uma mesma potência viajar com tensão alta e corrente pequena; o efeito térmico faz a perda dos fios crescer com a corrente. Corrente pequena, fios frios, energia poupada — e por isso a rede transporta alto e baixa a tensão na porta de casa.

Exercício 69.9 ★★

Um alternador de demonstração girado devagar na manivela acende a lâmpada dele fraquinho e com piscada visível; girado depressa, forte e de modo constante. Explique as duas mudanças com as regras da bancada e com o capítulo da frequência.

Solução

Solução de Exercício 69.9.

Manivela lenta: tensão induzida pequena (regra dois) — lâmpada fraca — com poucos ciclos por segundo: piscada visível, abaixo da taxa de fusão do olho. Manivela rápida: tensão maior — brilho — e uma frequência que o olho funde e alisa. Dois botões, uma manivela.

Exercício 69.10 ★★

Uma usina entrega $1 \times 10^{8}\,\mathrm{W}$ . Compare as correntes necessárias em $230\,\mathrm{V}$ e em $400\,000\,\mathrm{V}$ (notação científica). Qual delas os cabos reais conseguiriam carregar?

Solução

Solução de Exercício 69.10.

Em $230\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 230 \approx 4.3 \times 10^{5}\,\mathrm{A}$ — quatrocentos mil ampères: cabo nenhum na Terra. Em $400\,000\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 4 \times 10^{5} = 250\,\mathrm{A}$ — cabo de transmissão comum. O caso do transformador, encerrado.

Exercício 69.11 ★★

As usinas térmicas e nucleares são, no fundo, chaleiras elaboradas. Defenda esse slogan com as correntes de energia delas — e localize o único elo em que as duas diferem.

Solução

Solução de Exercício 69.11.

As duas correntes de energia se leem: reserva $\to$ calor $\to$ água fervendo $\to$ movimento do vapor $\to$ rotação $\to$ eletricidade — chaleiras elaboradas alimentando turbinas. As correntes diferem em exatamente um elo: o que faz o calor — a química do carvão que queima ou a divisão dos núcleos de urânio.

Exercício 69.12 ★★★

A grande viagem, feita ao contrário: hoje à noite a sua lâmpada brilha em $230\,\mathrm{V}$ . Trace a energia dela rio acima por todas as caixas — transformador, torres, alternador, turbina e uma reserva primária à sua escolha — dizendo o nome da forma de energia em cada etapa e dos vazamentos pelo caminho. Depois responda à pergunta da infância com uma frase de nono ano: de onde vem, no fim das contas, a luz do seu quarto?

Solução

Solução de Exercício 69.12.

Rio acima: os $230\,\mathrm{V}$ da parede vieram pelo transformador do bairro (tensão rebaixada), pelas torres a centenas de quilovolts (forma de transporte: CA de alta tensão, vazando um pouco de calor), saídos de um alternador (rotação para eletricidade, por indução), girado por uma turbina (movimento do vapor ou da água), alimentada por uma reserva — digamos o lago levantado da barragem, levantado pela evaporação do Sol. Daí a frase de nono ano: a luz do seu quarto é luz do Sol — armazenada, caída, girada e transportada.

69.5 Problema: Plantão noturno na usina

Problema 69.1

Problema de fim de semana — plantão noturno na usina hidrelétrica; indução, sincronismo e a tempestade; o diário do engenheiro

Você acompanha a engenheira noturna na barragem do vale — lago em cima, cidade embaixo, alternadores zumbindo no meio.

Parte I — O salão das máquinas.

A engenheira abre uma comporta: a água troveja pela turbina três, e os medidores do alternador dela acordam. Escreva a corrente de energia do lago até o barramento.
Dentro do alternador, o que se move e o que fica parado — e por que alguma coisa precisa se mover?
A rede funciona a $50\,\mathrm{Hz}$ . A engenheira observa um mostrador que mantém a turbina três exatamente na rotação correspondente. O que dá errado na velocidade errada? (O que a frequência da tensão dela faria?)
Um aprendiz pergunta se um ímã mais forte no rotor daria potência extra “de graça”. Corrija o sonho com o preço honesto do dínamo.

Parte II — A demanda da cidade.

Às 03:00 a cidade puxa $2 \times 10^{7}\,\mathrm{W}$ . Nos $200\,000\,\mathrm{V}$ da linha de transporte, que corrente sai da usina?
A mesma potência em $230\,\mathrm{V}$ precisaria de que corrente — e o que a comparação diz sobre o serviço do transformador?
Às 07:00, as chaleiras e os aquecedores acordam: a demanda dobra. Do que a engenheira precisa alimentar mais as turbinas, e o que aconteceria com a frequência da rede se ela alimentasse de menos? (As máquinas desaceleram sob carga, como um ciclista numa subida.)
A usina irmã — um parque eólico na crista — sai do ar quando o vento morre. Que caixa da corrente dela falhou, e que caixas ficaram inteiramente saudáveis?

Parte III — A tempestade.

Um raio corta uma linha de transporte; os disjuntores disparam. A engenheira redireciona a potência pelas linhas vizinhas. Que propriedade da rede — uma única grande rede em paralelo — torna o redirecionamento possível?
Durante a correria, as luzes de um galpão ficam amarronzadas e fracas por um minuto. Interprete: o que caiu, e do que os motores e as lâmpadas do galpão ficaram brevemente subalimentados?
Amanhecer: o diário precisa explicar aos aprendizes por que a eletricidade da noite inteira era, na origem, luz do Sol. Rascunhe a explicação em duas linhas (lago, evaporação, chuva).
Última linha do diário, por tradição: a física da noite em uma frase — com o movimento, o magnetismo e a chaleira matinal da cidade dentro dela.

Solução

Solução de Problema 69.1.

1. Altura do lago $\to$ movimento em disparada da água $\to$ rotação da turbina $\to$ tensão alternada induzida do alternador $\to$ barramento da usina. 2. O ímã do rotor gira; as bobinas ficam paradas. Sem movimento, não há mudança do magnetismo através das bobinas — e sem mudança a indução não dá absolutamente nada. 3. A frequência da tensão copia a rotação: velocidade errada, frequência errada — e uma máquina fora de passo com os $50\,\mathrm{Hz}$ da rede briga com todos os outros alternadores da rede em vez de ajudá-los. 4. Um ímã de rotor mais forte de fato induz mais — e a turbina imediatamente se esforça mais para mantê-lo girando contra o arrasto magnético mais duro: mais eletricidade saindo exige mais água passando, joule por joule. Quem paga é o lago, não o ímã. 5. $I = 2 \times 10^{7} \div 2 \times 10^{5} = 100\,\mathrm{A}$ . 6. $I = 2 \times 10^{7} \div 230 \approx 8.7 \times 10^{4}\,\mathrm{A}$ — oitenta e sete mil ampères: cabo impossível. O serviço do transformador é exatamente essa troca — tensão para cima, corrente para baixo, potência inalterada. 7. De mais água passando pelas comportas. Subalimentadas, as máquinas com carga desaceleram como um ciclista numa subida — e a frequência da rede cai abaixo de cinquenta: os relógios e as máquinas da rede toda sentem uma rede faminta. 8. Só a primeira caixa — o vento, o empurrão das pás. A turbina, o alternador e o transformador ficaram perfeitamente saudáveis, em calmaria. 9. A rede é uma única grande rede em paralelo: muitas estradas ligam cada usina a cada cidade, e assim a parcela de uma linha cortada pode circular pelos ramos sobreviventes — independência do paralelo, em escala nacional. 10. As linhas redirecionadas e sobrecarregadas deixaram a tensão entregue cair abaixo da nominal por um minuto: as lâmpadas do galpão enfraqueceram e os motores dele giraram com preguiça — subalimentados, como todo aparelho abaixo da tensão nominal dele precisa ficar. 11. “Cada watt desta noite veio da queda da água do lago; o Sol evaporou o mar e a chuva a trouxe para as nossas montanhas. Aqui a gente gira luz do Sol — guardada num lago, pelo caminho do céu.” 12. Por exemplo: “O movimento diante dos ímãs fez cada volt da noite — e, às sete, dez mil chaleiras pediram ao lago que caísse um pouquinho mais depressa.”

Termos definidos neste capítulo

Alternador

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