O que é corrente alternada (CA)?

A maioria dos estudantes de eletricidade começa seu estudo com o que é conhecido como corrente contínua (DC), que é a eletricidade fluindo em uma direção constante e / ou possuindo uma tensão com polaridade constante.

DC é o tipo de eletricidade produzida por uma bateria (com terminais positivos e negativos definidos), ou o tipo de carga gerada pela fricção de certos tipos de materiais uns contra os outros.

Corrente alternada vs corrente contínua

Por mais útil e fácil de entender que DC seja, não é o único “tipo” de eletricidade em uso. Certas fontes de eletricidade (mais notavelmente, geradores eletromecânicos rotativos) produzem naturalmente tensões que alternam em polaridade, revertendo positiva e negativa ao longo do tempo.

Tanto como uma polaridade de troca de tensão ou como uma direção de troca de corrente para frente e para trás, este "tipo" de eletricidade é conhecido como Corrente Alternada (AC):

Corrente direta vs corrente alternada

Enquanto o símbolo familiar da bateria é usado como um símbolo genérico para qualquer fonte de tensão DC, o círculo com a linha ondulada dentro é o símbolo genérico para qualquer fonte de tensão AC.

Alguém pode se perguntar por que alguém se importaria com algo como AC. É verdade que, em alguns casos, a CA não apresenta nenhuma vantagem prática sobre a CC.

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 CA é possível construir geradores elétricos, motores e sistemas de distribuição de energia que são muito mais eficientes do que CC e, portanto, encontramos CA sendo usado predominantemente em todo o mundo em aplicações de alta potência.

Para explicar os detalhes de por que isso acontece, um pouco de conhecimento prévio sobre CA é necessário.

Alternadores AC

Se uma máquina for construída para girar um campo magnético em torno de um conjunto de bobinas de fio estacionárias com o giro de um eixo, a tensão CA será produzida através das bobinas de fio conforme o eixo é girado, de acordo com a Lei de indução eletromagnética de Faraday.

Este é o princípio operacional básico de um gerador CA, também conhecido como alternador :Figura abaixo

Operação do alternador



Observe como a polaridade da tensão nas bobinas do fio se inverte à medida que os pólos opostos do ímã em rotação passam.

Conectado a uma carga, esta inversão da polaridade da tensão criará uma inversão da direção da corrente no circuito. Quanto mais rápido o eixo do alternador for girado, mais rápido o ímã girará, resultando em uma tensão e corrente alternadas que muda de direção com mais frequência em um determinado período de tempo.

Embora os geradores CC trabalhem com o mesmo princípio geral de indução eletromagnética, sua construção não é tão simples quanto seus equivalentes CA.

Com um gerador CC, a bobina de fio é montada no eixo onde o ímã está no alternador CA e as conexões elétricas são feitas a esta bobina giratória por meio de “escovas” de carbono estacionárias em contato com tiras de cobre no eixo giratório.

Tudo isso é necessário para alternar a mudança da polaridade de saída da bobina para o circuito externo, de modo que o circuito externo veja uma polaridade constante:

Operação do gerador DC



O gerador mostrado acima irá produzir dois pulsos de tensão por revolução do eixo, ambos os pulsos na mesma direção (polaridade). Para que um gerador DC produza constante tensão, em vez de breves pulsos de tensão uma vez a cada 1/2 revolução, existem vários conjuntos de bobinas fazendo contato intermitente com as escovas.

O diagrama mostrado acima é um pouco mais simplificado do que você veria na vida real.

Os problemas envolvidos em fazer e interromper o contato elétrico com uma bobina em movimento devem ser óbvios (faíscas e calor), especialmente se o eixo do gerador estiver girando em alta velocidade. Se a atmosfera ao redor da máquina contém vapores inflamáveis ​​ou explosivos, os problemas práticos de contatos de escova que produzem faíscas são ainda maiores.

Um gerador CA (alternador) não requer escovas e comutadores para funcionar e, portanto, é imune a esses problemas experimentados por geradores CC.

Motores CA

Os benefícios da CA sobre a CC no que diz respeito ao projeto do gerador também se refletem nos motores elétricos.

Enquanto os motores CC exigem o uso de escovas para fazer contato elétrico com bobinas de fio em movimento, os motores CA não. Na verdade, os projetos de motores CA e CC são muito semelhantes aos seus equivalentes de gerador (idênticos para o propósito deste tutorial), o motor CA sendo dependente do campo magnético de reversão produzido pela corrente alternada através de suas bobinas estacionárias de fio para girar o ímã giratório ao redor de seu eixo, e o motor DC sendo dependente dos contatos da escova fazendo e interrompendo conexões para reverter a corrente através da bobina giratória a cada 1/2 rotação (180 graus).

Transformadores

Portanto, sabemos que geradores CA e motores CA tendem a ser mais simples do que geradores CC e motores CC. Essa relativa simplicidade se traduz em maior confiabilidade e menor custo de fabricação. Mas para que mais o AC é bom? Certamente deve haver mais do que detalhes de design de geradores e motores! Na verdade, existe.

Existe um efeito de eletromagnetismo conhecido como indução mútua , por meio do qual duas ou mais bobinas de fio colocadas de modo que o campo magnético variável criado por um induza 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 transformador :

O transformador “transforma” a tensão e a corrente CA.



O significado fundamental de um transformador é sua capacidade de aumentar ou diminuir a tensão da bobina com energia para a bobina sem energia. A tensão CA induzida na bobina não alimentada (“secundária”) é igual à tensão CA através da bobina energizada (“primária”) multiplicada pela relação entre as voltas da bobina secundária e as voltas da bobina primária.

Se a bobina secundária está alimentando uma carga, a corrente através da bobina secundária é exatamente o oposto:corrente da bobina primária multiplicada pela relação entre as espiras primária e secundária. Essa relação tem uma analogia mecânica muito próxima, usando torque e velocidade para representar a tensão e a corrente, respectivamente:

As etapas do trem de engrenagens de multiplicação de velocidade reduzem o torque e aumentam a velocidade. O transformador redutor reduz a tensão e aumenta a corrente.



Se a relação do enrolamento for invertida de modo que a bobina primária tenha menos voltas do que a bobina secundária, o transformador "aumenta" a tensão do nível da fonte para um nível mais alto na carga:

O trem de engrenagens de redução de velocidade aumenta o torque e diminui a velocidade. O transformador elevador aumenta a tensão e diminui a corrente.



A capacidade do transformador de aumentar ou diminuir a tensão CA com facilidade dá à CA uma vantagem incomparável à CC no reino da distribuição de energia na figura abaixo.

Ao transmitir energia elétrica por longas distâncias, é muito mais eficiente fazê-lo com tensões e correntes reduzidas (fio de diâmetro menor com menos perdas de potência resistivas) e, em seguida, reduzir a tensão e aumentar a corrente para indústria, negócios ou uso do consumidor.

Os transformadores permitem uma transmissão eficiente de energia elétrica em alta tensão de longa distância.



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

Por mais úteis que sejam, os transformadores funcionam apenas com CA, não CC. Porque o fenômeno da indutância mútua depende da mudança campos magnéticos e corrente contínua (DC) só podem produzir campos magnéticos estáveis, transformadores simplesmente não funcionam com corrente contínua.

Claro, 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 vela de ignição de alta tensão a partir de uma bateria CC de baixa tensão), mas a DC pulsada não é muito diferente da AC.

Talvez mais do que qualquer outro motivo, é por isso que o AC encontra uma aplicação tão difundida em sistemas de energia.



REVER:

• DC significa “corrente contínua”, significando tensão ou corrente que mantém a polaridade ou direção constante, respectivamente, ao longo do tempo.
• AC significa “corrente alternada”, significando tensão ou corrente que muda de polaridade ou direção, respectivamente, ao longo do tempo.
• geradores eletromecânicos CA, conhecidos como alternadores , são de construção mais simples do que os geradores eletromecânicos DC.
• O projeto do motor CA e CC segue os respectivos princípios de projeto do gerador muito de perto.
• Um transformador é um par de bobinas mutuamente indutivas usadas para transmitir energia CA de uma bobina para a outra. Freqüentemente, o número de voltas em cada bobina é definido para criar um aumento ou diminuição da tensão da bobina alimentada (primária) para a bobina não alimentada (secundária).
• Tensão secundária =tensão primária (espiras secundárias / espiras primárias)
• Corrente secundária =corrente primária (espiras primárias / espiras secundárias)

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de fontes de alimentação AC-DC básicas
• Planilha de transformadores de aumento, redução e isolamento