Indução Eletromagnética - O princípio físico da Indução Eletromagnética estabelece que:
Toda mudança no campo magnético em que se encontra imersa uma bobina ou solenoide provocará a indução de uma tensão na mesma, independentemente de como é produzida a modificação no campo magnético.
Esta mudança pode ser provocada:
1. Girando a bobina relativamente ao campo: Princípio do gerador elétrico.
2. Modificando a intensidade do campo magnético: Princípio do transformador e da bobina de ignição.
3. Movimentando, relativamente, um ímã e uma bobina; aproximando-os ou afastando-os: Princípio do sensor de rotação de relutância variável.
Transformador
O transformador funciona sob o princípio de indução eletromagnética e é utilizado para aumentar ou diminuir tensão ou corrente elétrica. Nos transformadores, o fenômeno de indução é provocado por um campo magnético variável. Não há movimento relativo entre o condutor e o campo magnético.
O transformador é constituído de um bobinado (solenoide) primário P, sobre o qual é bobinado outro S, denominado secundário. O núcleo destes bobinados é um conjunto de lâminas de ferro ou outro material ferromagnético, o qual constitui o “circuito magnético” do transformador. Isto, com o objetivo de reforçar o campo gerado pelo solenoide primário, diminuindo a “resistência” do circuito magnético ao fluxo magnético.
• Funcionamento
Tomando como exemplo o circuito de figura acima, verifica-se que quando é fechado o interruptor, aparece um campo magnético na bobina P (bobinado primário). Quando o interruptor abre, o campo desaparece. Também, pode ser verificado que, tanto no momento de fechar como no de abrir o interruptor, o voltímetro conectado nos bornes da bobina S (bobina secundária) acusa a presença de uma tensão para logo após, voltar a indicar zero volt. Ou seja, quando se modifica o campo magnético na bobina P existe transferência de energia elétrica para a bobina S.
Aumentando o número de voltas (espiras) de S com relação às de P, aumenta a tensão induzida; diminuindo o número de voltas de S, se produz uma diminuição na tensão.
Aplicando uma tensão alternada no primário, no secundário se induz outra tensão alternada, da mesma frequência, e de valor maior ou menor, dependendo da relação de espiras entre primário e secundário.
Transformador de Tensão
São os transformadores utilizados para reduzir ou aumentar a tensão da rede pública, por exemplo. Neste caso, a tensão secundária será igual a:
Vs = Vp x Ns/Np
Com: Ns: número de espiras do bobinado secundário
Np: número de espiras do bobinado primário
Gerador Elétrico
A função do gerador elétrico é a de transformar energia mecânica em energia elétrica. Os dispositivos a serem abordados nesta edição e seguintes são aqueles utilizados no veículo, e que fazem parte dos sistemas de eletrônica embarcada atuais. Os geradores elétricos podem ser de dois tipos:
1. Gerador de corrente contínua: conhecido também, como dínamo ou gerador DC (DC: do inglês, “direct current”, corrente direta).
2. Gerador de corrente alternada: é o alternador ou gerador AC (AC: do inglês “alternate current”, corrente alternada).
Ambos os tipos funcionam segundo o princípio de indução eletromagnética que estabelece:
Sempre que um condutor (bobina) se movimenta dentro de um campo magnético de forma tal que, o condutor (bobina) corta linhas de fluxo, uma tensão é gerada entre os extremos do mesmo, como resultado do fenômeno de indução eletromagnética.
O conceito pode ser também apresentado da seguinte forma:
Na medida em que há um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético, uma tensão será induzida nos extremos do condutor. Este é o “efeito gerador”.
No gerador elétrico podem ser identificados dois elementos principais:
- “Campo”: É o elemento que produz o campo magnético.
- “Armadura” ou “Induzido”: É o elemento onde é induzida a tensão. É constituído por um condutor enrolado na forma de bobina.
O campo pode ser produzido por um ímã permanente ou por um eletroímã. Para que haja movimento relativo entre o condutor e o campo magnético, todos os geradores possuem duas partes mecânicas: um rotor (que gira) e um estator (estacionário).
Na figura abaixo, o campo é produzido pelo ímã permanente que constitui o estator.
Com o rotor girando, a voltagem gerada depende:
- Da intensidade do campo magnético B
- Do ângulo com que o condutor da bobina corta as linhas de força
- Da velocidade relativa com a qual a bobina se movimenta com relação ao campo
- Do comprimento do condutor (que constitui a bobina) que está dentro do campo magnético
A polaridade da tensão depende:
- Do sentido das linhas de fluxo do campo magnético B
- Do sentido de rotação relativa da bobina com relação ao campo
Se o condutor tem a forma de uma espira giratória, os dois lados da mesma se movimentam em sentidos opostos e as tensões geradas (em cada um dos lados da espira) se somam.
• Configurações
- No gerador AC (alternador), a armadura pode ser tanto o rotor como o estator.
- No gerador DC (dínamo), a armadura é o rotor e o campo é o estator. O dínamo é, na sua essência, um gerador AC. Os terminais da armadura estão conectados ao conjunto “anel comutador/escovas” que tem a função de “retificar” a onda alternada e transformá-la numa onda de polaridade única.
Gerador AC de Armadura Rotativa
O mais elementar dos geradores elétricos é o alternador ou gerador AC, no qual a armadura constitui o rotor e o campo magnético, o estator (campo estacionário).
O campo magnético do estator pode ser gerado por um ímã permanente ou por um eletroímã.
Ainda que não encontre aplicação prática, este tipo de alternador será abordado por motivos didáticos.
Consiste de uma bobina (espira) que gira dentro de um campo magnético estacionário. Esta ação produz uma tensão ou força eletromotriz entre os extremos da bobina, sendo que a rotação produz diferentes ângulos entre a bobina e as linhas de força do campo magnético, a tensão gerada é variável, com polaridade positiva e negativa.
Portanto, é uma tensão alternada (AC) que pode ser representada por uma “onda senoidal”.
A polaridade e o valor da tensão gerada dependem do ponto, no círculo de giro, em que se encontra a bobina.
As peças polares que geram o campo magnético são conformadas e posicionadas de forma a concentrar o referido campo o mais próximo possível da bobina (armadura).
Numa implementação prática, o bobinado de armadura está montado sobre um núcleo de material ferromagnético com o objetivo de diminuir a relutância do circuito magnético e com isto, obter um reforço do campo. Cabe lembrar que a relutância magnética é o equivalente à resistência elétrica. Ou seja, a relutância magnética é a medida da oposição que um meio oferece ao estabelecimento e concentração das linhas de campo magnético.
Os extremos da bobina, como mostra a figura acima, estão conectados à carga (consumidor elétrico), através de um par de contatos deslizantes (anéis/escovas A e B), para o aproveitamento da tensão induzida.
Reparar que neste tipo de configuração (armadura rotativa) toda a corrente de carga passa pelos conjuntos anel/escova.
O gerador até aqui analisado constitui o alternador monofásico, já que possui uma única bobina e gera uma onda de tensão alternada entre os terminais de saída.
Os alternadores utilizados nos veículos automotivos possuem 3 fases (alternador trifásico) e são constituídos por 3 bobinados com 3 terminais de saída.
• Onda de Saída do Alternador
Para a análise da onda de tensão de saída do alternador, a figura abaixo apresenta 5 posições da bobina de armadura. O gráfico da figura 7 mostra a onda de tensão gerada quando a armadura completa um ciclo completo de 360 graus.
- Na posição [A] (0 graus) o lado L1 (assim como, o lado oposto) se desloca de forma paralela ao campo magnético e, portanto, não corta linhas de fluxo. Assim sendo, não se induz nenhuma tensão.
- Na posição [B] (90 graus) o lado L1 (assim como, o lado oposto) se desloca de forma perpendicular às linhas de força, cortando a maior quantidade delas por ângulo girado.
Portanto, a tensão induzida alcança o máximo Vm.
- Na posição [C] (180 graus) o lado L1 (assim como, o lado oposto) se desloca novamente, de forma paralela ao campo magnético e, portanto, não corta linhas de fluxo. Assim sendo, não se induz nenhuma tensão.
- Na posição [D] (270 graus) o lado L1 (assim como, o lado oposto) se desloca de forma perpendicular às linhas de força (mas de forma inversa à da posição [B]), cortando a maior quantidade delas por ângulo girado. Portanto, a tensão induzida alcança o máximo, mas com o signo oposto.
- Finalmente, na posição [E] (360 graus), idêntica à posição [A], o lado L1 (assim como, o lado oposto) se desloca de forma paralela ao campo magnético e, portanto, não corta linhas de fluxo. Assim sendo, não se induz nenhuma tensão.
- Nas posições intermediárias, os lados da bobina cortam uma maior ou menor quantidade de linhas de fluxo, por ângulo girado, pelo que, as tensões induzidas assumem valores entre o máximo (Vm) e o mínimo (-Vm). A onda resultante, como mostrado na figura acima, é uma onda senoidal.
Outra forma de descrever o processo é observando que a rotação da armadura provoca uma constante variação do campo magnético (quantidade de linhas de fluxo) que atravessa a bobina, o que, como resultado, gera uma tensão induzida.