Máquinas elétricas
O transformador converte-se num gerador ou num motor

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Geradores elétricos
Em um transformador, a tensão no enrolamento secundário em repouso é decorrente do fluxo magnético variável F_m que atravessa esse enrolamento. Todavia, pode-se obter uma ação fundamentalmente idêntica alimentando-se o enrolamento primário com corrente contínua, de maneira que no núcleo de ferro se obtenha um fluxo magnético constante em relação ao tempo e se disponha o enrolamento secundário em um cilindro de ferro doce (induzido) que se encaixe num recorte praticado no núcleo de ferro, onde o cilindro, junto com o enrolamento, possam girar. Ilustremos isso, abaixo à esquerda:

Se o induzido está em repouso e a superfície do enrolamento se dispõe perpendicularmente ao fluxo magnético, estando o enrolamento primário alimentado com corrente alternada, o dispositivo constitui um verdadeiro transformador --- que só trabalha menos economicamente que um transformador cujo núcleo de ferro é completamente fechado por causa do inevitável espaço de ar originado na modificação.

Porém, se o enrolamento primário for alimentado com corrente contínua, podemos fazer com que o fluxo que passa através do enrolamento secundário varie com o tempo, simplesmente fazendo girar esse induzido ao redor de seu eixo.
Seja j o ângulo que forma a superfície do enrolamento com o fluxo F que o atravessa, e seja F_o o fluxo correspondente quando está disposta perpendicularmente ao mesmo; teremos: F = F_o.senj.
Se o induzido girar com velocidade angular w = dj/dt , teremos: j = w.t  e  F = F_o.senwt . Portanto, no enrolamento 'secundário' existe uma força eletromotriz induzida expressa por:

E = -n.dF/dt = n.w.F_o.coswt = n.w.F_o.sen(wt - p/2)

cuja pulsação é igual à velocidade angular w do induzido, exatamente do mesmo modo que se o enrolamento primário de um transformador estivesse alimentado com corrente alternada de pulsação w.

Este é o princípio fundamental dos geradores e dínamos eletromecânicos, que são os únicos usados atualmente para a produção de tensões e correntes elétricas em grande escala.

Na ilustração acima, centro e direita, temos esquemas algo mais próximos da realidade. O da esquerda mostra uma carcaça de ferro/aço/liga exterior, que podemos imaginar imantada, de modo permanente (ímã), ou mediante uma corrente contínua que circule por um enrolamento apropriado, na qual existe, portanto, um fluxo magnético constante, com linhas de indução como as ilustradas. A diferença essencial entre os dispositivos da ilustração acima consiste em que, o do centro e o da direita, formam um conjunto que é simétrico, pois o primário está desdobrado.

Se o induzido estivesse em repouso e a carcaça imantada se excitasse com corrente alternada, teríamos novamente um transformador, cujo circuito magnético, como antes, estaria interrompido pelos estreitos espaços de ar através dos quais o fluxo magnético penetra no induzido e dele sai. No esquema da direita, acima, só desenhamos uma 'vareta' (em vermelho) do enrolamento induzido.

Para as escolas de engenharia elétrica e cursos técnicos é altamente recomendável dispor de um 'kit' didático, desmontável, apto aos experimentos de converter um transformador em um gerador. Eis minha sugestão:

Nessa sugestão, não incluí entre as 'peças' do kit, detalhes sobre núcleos laminados, bobinas primárias e secundárias, suporte para fixar armadura, dispositivo para girar o induzido etc. pois, para os professores da engenharia elétrica, meia palavra basta.

Se no enrolamento giratório se intercala um circuito externo por meio de contatos deslizantes apropriados (anéis ou segmentos de cobre com escovas sobre o induzido), de modo que se estabeleça uma corrente i, no lapso de tempo dt se consumirá o trabalho  T = E.i.dt . Vejamos de onde procede esse trabalho.

Se o circuito externo ligado ao enrolamento induzido mediante escovas está aberto, o giro uniforme do induzido não despende trabalho algum se prescindirmos de perdas devidas ao atrito. Porém, se circula uma corrente por esse enrolamento, como este se encontra em um campo magnético B presente nos espaços de ar, atua sobre o mesmo um momento de giro de oposição dado por M = - n.i.A.B.sena_n , sendo A a área da superfície envolvida pelas espiras, n o número de espiras e a_n o ângulo que a normal a essa superfície de área A forma com a direção do campo. Se o induzido efetua um giro da_n no tempo dt , se consome no induzido um trabalho:

dT = -M.da_n = n.i.A.B.sena_n.da_n =  -n.i.A.B.(dcosa_n/dt).dt

Segundo a regra da mão esquerda (ou pela lei de Lenz), já nossa conhecida, é fácil ver que a corrente induzida na 'vareta' desenhada na primeira ilustração (à direita, círculo vermelho na periferia do induzido), quando o induzido gira no sentido horário, tem sentido 'para fora' (saindo da tela do monitor); por sua vez, na 'vareta' diametralmente oposta à anterior (que não está desenhada), a corrente induzida circula 'para trás' (entrando na tela do monitor).

Empregando-se a regra da mão esquerda ou a do saca-rolhas, se conclui que sobre cada 'vareta' atua uma força magnética tal, e sobre todo o induzido um momento de giro tal, que tende a fazer girar em sentido anti-horário, ou seja, que tende a 'brecar' o movimento do induzido que se realiza no sentido horário. É essa 'oposição' que se sente quando se tenta girar com a mão a manivela ligada ao induzido, numa montagem didática. A lei de Lenz permite chegar à mesma conclusão. Para vencer o momento mencionado, é preciso realizar trabalho sobre o induzido.

Por outro lado, no circuito externo ligado ao enrolamento (e no próprio enrolamento), o induzido realiza um trabalho dT' = E.i.dt  no tempo dt. Como temos   E = - n.dF/dt = -n.A.B.dcosa_n/dt , podemos escrever:

dT' = -n.i.A.B.(dcosa_n/dt).dt = dT

Assim, o trabalho efetuado pelo induzido é igual ao realizado por ele; a energia consumida para fazer girar o induzido uniformemente se transforma integralmente (prescindindo das perdas por atrito) em trabalho elétrico. Isto corresponde ao fato de que num transformador o gasto realizado pelo enrolamento primário pela corrente i₁ , é igual ao obtido pelo enrolamento secundário, por meio da corrente i₂ (desprezando as perdas inerentes).

Motores elétricos
Imaginemos agora que o induzido esquematizado acima (direita) não gire mediante ação de um momento exterior, mas que pelo seu enrolamento se faça circular uma corrente que procede de uma fonte exterior, cujo sentido seja igual ao da corrente que se originaria pelo giro do induzido no sentido horário. Temos visto que a existência de uma corrente no induzido origina um momento de giro que tende a frear a rotação efetuada no sentido horário e a produzir uma rotação em sentido anti-horário. No caso presente temos a corrente, porém falta o giro mecânico externo (ninguém gira a manivela!) que fazia girar o induzido no sentido horário; por conseguinte, o momento de giro anti-horário pode ser eficaz. E assim chegamos ao princípio fundamental dos motores elétricos.

Resulta, pois, que os geradores e os motores coincidem em seus fundamentos, ainda que na maioria dos casos práticos sua construção técnica seja diferente. Um gerador pode funcionar como motor fornecendo-lhe corrente de um modo apropriado, e um motor pode ser usado como gerador quando seu induzido é posto em rotação sob a ação de um momento de giro externo. Um mesmo dispositivo permite transformar trabalho mecânico em energia elétrica, e energia elétrica em trabalho mecânico.

De todo modo, o induzido de nosso dispositivo original, quando se emprega como motor, não pode ser alimentado com corrente contínua se pretendemos manter uma rotação permanente, e sim que o curso da corrente (pelo menos em suas linhas gerais) deve corresponder ao da corrente induzida obtida quando o dispositivo é usado como gerador. Temos que usar, pois, uma corrente alternada, cuja freqüência coincida exatamente com a velocidade angular do induzido; isso é fácil de se compreender. Dissemos antes que a corrente que circula pela 'vareta' desenhada na ilustração acima (direita), quando o giro é horário, tem sentido 'para fora', e que na 'vareta' diametralmente oposta a corrente tem sentido 'para trás', caso o dispositivo seja usado como gerador. O mesmo deve ocorrer quando se usa o dispositivo como motor, com induzido girando em sentido anti-horário. Porém, a 'vareta' desenhada, depois de meia volta, se coloca precisamente na posição da não desenhada, e se pelo enrolamento passar corrente contínua, a corrente que passará agora pela 'vareta' terá sentido oposto ao da corrente anterior; o momento de giro inverterá também seu sentido --- a tendência do induzido seria a de oscilar para frente e para trás e não de girar!. Então, no curso de uma meia-volta, a corrente que circula pelo enrolamento deve mudar seu sentido; há que comportar-se como uma corrente alternada cuja freqüência coincida com a velocidade angular do induzido. Neste caso, o induzido apresentará um movimento de rotação permanente, sempre de mesmo sentido (o sistema de coletores e escovas se incumbem desse serviço --- trocar o sentido da corrente a cada meia volta do induzido). Este problema está resolvido inclusive no caso em que se alimenta o induzido com corrente contínua.

Do mesmo modo, se pode conseguir que o induzido de um gerador forneça corrente contínua apesar de que em suas 'varetas' (laterais úteis dos enrolamentos) se produzam tensões alternadas. Como sabemos, ambos resultados se obtém dispondo de contatos deslizantes de maneira apropriada, através dos quais o gerador se une ao circuito externo, ou um motor com sua fonte de corrente. Não entraremos em detalhes relativos às particularidades técnicas e as diferentes formas práticas que poderemos dotar as máquinas de corrente contínua e alternada (geradores e motores); ficaremos com as idéias gerais.