Aula 3: Usina hidrelétrica. Transformação de energia ... · Acoplamento do rotor à turbina...
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Aula 3: Usina hidrelétrica. Transformação de energia
ACH1014 Fundamentos de Física
Transformação de energia mecânica em elétrica
Profa Dra Patricia Targon Campana
2013
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Emecânica Eelétrica
B
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estator: carcaça metálica fixa contendo fios enrolados
Rotor: conjunto de enrolamentos presos ao eixo do gerador (eletroímã)
Acoplamento do rotor à turbina (fornecedora de energia mecânica)
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Energia elétrica: obtida nos enrolamentos do estator
Onde a corrente elétrica será gerada
Como são geradas essas correntes?
Modo 1: pela Lei de Faraday
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Um imã: possui campo magnético a sua volta
N S
O campo provocado por um imã parado não varia no tempo
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Se o imã estiver girando…
Ele carrega consigo as linhas de campo…e então essas linhas variam no tempo
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Essa variação gera um campo elétrico que pode agir sobre elétrons livres que estejam num determinado circuito elétrico
Essa ação produz uma corrente elétrica!
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Lei de Faraday: a variação temporal de um campo magnético no espaço gera campo elétrico caso
Campo magnético variável com o tempo
Campo elétrico no espaço
Condutor presente
Corrente elétrica no condutor
Matematicamente…
∆B E
∆t
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Aplicando essa lei no caso mais simples de geração de energia elétrica:o dínamo na bicicleta!
Dois imãs em rotação geram corrente nas espiras do estator
O par de pólos duplica a frequência de variação do campo magnético a cada volta
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Na usina (de Itaipu, por exemplo)
Velocidade de rotação da turbina: 90 rotações/minutos (1,5 Hz)
40 pares de pólos
Frequência da corrente elétrica gerada: 60 Hz!
Aqui temos eletroímãs ao invés de imãs permanentes
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O gerador da Usina Três Marias…
Altura: 15 mRaio: ~15 mMassa total: ~900 ton(900.000 kg)
O gerador da usina tem dimensões muito maiores que o dínamo!!
Condutores: placas de cobre retangulares de 7 cm2 de área (como em todas as usinas), com placas isolantes para minimizar perdas por aquecimento
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Modo 2: o motor-gerador – Força de Lorentz
parte móvel+ parte fixa
Produzir o campo magnético (imãs permanentes ou eletroímãs)
Rotor: eixo no qual estão as espiras
Quando gira na presença do campo magnético produzido pelo estator, a corrente elétrica é gerada nos fios da espira
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a corrente que aparece neste tipo de gerador é explicada pela Força de Lorentz
Corrente alternada cuja frequência é determinada pelo número de voltas da espira por unidade de tempo. Para aumentar a eficiência colocamos o máximo possível de espiras dentro do campo magnético
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Comparando os dois processos
Usina hidrelétrica e dínamo de bicicleta
Corrente gerada pela rotação de um campo
magnético
Motor-gerador
Corrente gerada pelo movimento das partes
metálicas em relação a um campo magnético fixo
magnético
Ambos precisam de campo magnético e movimentoPorém diferem em fluxo de energia envolvidos e forças que causam o movimento
dos elétrons
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Em relação à energia
Campo magnético fixo: Energia mecânica fornecida através da rotação do rotor e retirada na forma de energia elétrica nas espiras do próprio rotor não há transferência de energia do estator para o rotor.
Campo magnético móvel: Energia mecânica fornecida ao rotor é transferida ao estator onde é gerada a corrente elétrica.
Em relação à força que age sobre os elétrons
Campo magnético fixo: força de origem magnética (de Lorentz)
Campo magnético móvel: campo elétrico sobre os elétrons livres do interior das espiras do estator. Corrente gerada indiretamente pelo campo magnético (processo mediado pela Lei de Faraday).
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Créditos
www.nutsbike.com/transportation/police-lookin...
http://www.cemig.com.br/cemig2008/media/imagens/UHE%20Salto%20Grande%20VA%203%20IT.jpg
Física 3 – GREF, Edusp
http://ga.water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html