3 Principais efeitos dos quais a engenharia elétrica depende

Este artigo lança luz sobre os três principais efeitos dos quais a engenharia elétrica depende. Os efeitos são: 1. Efeito Magnético 2. Efeito de Aquecimento da Corrente Elétrica 3. Efeito Químico.

Engenharia Elétrica: Efeito # 1. Efeito Magnético:

Sabemos, a partir de nossa experiência, que sempre que uma corrente elétrica flui, o espaço imediatamente ao redor de seu caminho se torna um campo magnético. A Fig. 3.1 aqui mostra uma seção transversal de um fio circular no qual uma corrente elétrica está seguindo.

A linha pontilhada representa um campo magnético cilíndrico que envolve o condutor através de seu comprimento. A intensidade deste campo magnético e sua extensão variam com a força da corrente que flui no fio.

De fato, quanto mais forte a corrente, mais amplo e mais intenso é o campo. Portanto, uma propriedade importante de uma corrente elétrica é que ela pode produzir um campo magnético, e essa propriedade da eletricidade é usada na prática em motores, transformadores, relés, telefones etc. De fato, devido a esse campo magnético e por indução eletromagnética, a diferença de potencial em um condutor é desenvolvida devido à taxa de mudança do campo magnético.

e = Blv ……………… (eq. 3.1)

onde e-emf em volts.

B - Webers por metro quadrado.

I - Comprimento do condutor em metro.

v - Velocidade (em movimento) em metro por segundo.

A indução eletromagnética pode ocorrer somente até que a mudança continue. Isso é quando esta mudança para a indução também cessa imediatamente.

De fato, existem dois métodos claros em que as condições para a indução podem ser satisfeitas:

(1) Por movimento relativo entre o condutor e o campo, ou o condutor se move no campo, ou o campo varre o condutor; e / ou

(2) Alterando a intensidade do campo magnético. Portanto, quando um condutor, por exemplo um pedaço de arame, é colocado em um campo magnético variável, uma força eletromotriz, fem é induzida nele, e isso desenvolve uma diferença de potencial entre suas extremidades, como explicado na fórmula 3.1.

Se um fio estiver conectado a um circuito, o fem induzido dirige uma corrente ao redor do circuito enquanto o campo magnético continua a mudar. O condutor no qual a fem é induzida é agora a fonte de energia para o circuito no qual ela está conectada, de modo que a corrente flua de negativa para positiva ao longo do condutor enquanto flui de positivo para negativo em torno do resto do circuito.

A força da fem induzida no fio depende da velocidade com que é movida através do campo magnético e da intensidade do campo magnético. Isso também é explicado pela fórmula básica 3.1.

E isso significa que apenas um pequeno fem seria induzido por um movimento lento em um campo fraco, e similarmente um fem forte seria induzido por um movimento rápido em um campo fraco, ou um movimento lento em um campo mais intenso. E também uma fem ainda mais forte seria induzida por um movimento rápido em um campo intenso. Na verdade, esse princípio básico é o princípio fundamental da engenharia elétrica.

Agora, vamos examinar de maneira muito simples os dois princípios importantes:

(a) Princípio do Gerador e

(b) Princípio do Motor.

(a) Princípio do Gerador:

Um gerador consiste de condutores de cobre enrolados em uma armadura que é girada dentro de um campo magnético, seja por uma turbina movida a vapor ou água, seja por um motor de combustão interna ou por um motor elétrico.

Quando a armadura gira continuamente, os fios enrolados nela se movem continuamente através do campo magnético e uma fem é continuamente induzida. Portanto, cada condutor que se move através do campo tem uma fem induzida nele proporcional à velocidade de rotação e à intensidade do campo.

Os condutores na armadura estão conectados em série. Se muitos condutores são usados, a diferença de potencial desenvolvida na armadura é muitas vezes a diferença de potencial entre as extremidades de um único condutor. Portanto, velocidade, intensidade de campo e o número de condutores em série na armadura são os principais fatores que determinam a tensão fornecida por um gerador.

Agora, à medida que a armadura gira, cada enrolamento passa alternadamente entre um pólo norte e um pólo sul. Aplicando a Regra da Mão Direita de Fleming como mostrado na Fig. 3.2, pode-se ver que a direção da corrente induzida em um enrolamento é invertida toda vez que passa através de um pólo de polaridade oposta.

Se os enrolamentos fossem conectados diretamente em um circuito, uma corrente alternada fluiria naquele circuito, como mostrado na Fig. 3.3. Um gerador de corrente alternada é chamado de alternador.

Nesta figura, podemos ver que um gerador gera naturalmente uma fem alternada e cada terminal é alternadamente positivo e negativo. Freqüência depende da velocidade de rotação; com o campo simples de dois pólos mostrado, a frequência é igual ao número de revoluções completadas pelo circuito condutor por segundo.

A freqüência da tensão gerada depende da taxa na qual os condutores passam os pólos de polaridade oposta. Na Fig. 3.3, um campo de dois pólos é mostrado, mas o campo do gerador poderia ter mais pólos.

Um campo gerador pode ter qualquer número par de pólos; geralmente, quatro e seis e oito pólos são comuns. Para qualquer velocidade de rotação, os condutores de armadura passam os pólos de polaridade oposta mais freqüentemente, proporcionalmente ao número de pólos.

Em uma máquina de dois pólos, por exemplo, cada condutor passa por um polo norte e um polo sul por revolução, enquanto em uma máquina de quatro polos, cada condutor passa por dois pólos norte e dois polos sul por revolução.

Para qualquer velocidade dada, portanto, a corrente alternada gerada por uma máquina de quatro pólos tem o dobro da freqüência daquela gerada por uma máquina de dois pólos; uma máquina de oito polos tem o dobro da freqüência de uma máquina de quatro polos e assim por diante. A frequência é, portanto, determinada pela velocidade na qual o gerador é acionado e o número de pólos no campo. Isso sempre deve ser lembrado.

Gerador de Corrente Direta:

Quando o Gerador é obrigado a fornecer uma corrente contínua, um dispositivo deve ser usado para reverter a conexão entre o enrolamento e o resto do circuito toda vez que a direção da EMF induzida no enrolamento mudar. Tal dispositivo é chamado de comutador.

Um comutador é um tambor montado no eixo dos enrolamentos da armadura. A superfície do tambor é dividida em segmentos de metal, cada um isolado dos outros. Contatos fixos, chamados de escovas, conectados diretamente ao circuito externo, suportam a superfície cilíndrica do comutador, de modo que cada um faça contato com os segmentos metálicos, à medida que o tambor gira.

O enrolamento da armadura é conectado aos segmentos do comutador de tal forma que, qualquer que seja a polaridade da diferença de potencial induzida no enrolamento da armadura, a corrente flui na mesma direção ao redor do circuito externo. Na Fig. 3.4, vemos um comutador muito simples.

Na Fig. 3.4 (a), o condutor A está se movendo através do pólo norte e o condutor B está se movendo através do pólo sul; portanto, a corrente flui dos segmentos B para o segmento A do comutador, ou seja, da escova negativa para a escova positiva dentro da armadura. Quando a armadura girou 180 ° como na Fig. 3.4 (b), o condutor A está passando pelo pólo sul e o condutor B está passando pelo pólo norte.

Campo do Gerador:

Um gerador pode trabalhar com um campo magnético constante, de modo que possam ser usados ​​ímãs permanentes ou enrolamentos de campo (nos quais uma corrente de energização constante produza um campo magnético constante).

A maioria dos geradores usa enrolamentos de campo, mas os campos de imã permanentes são usados ​​para alguns pequenos geradores destinados a fornecer apenas uma saída baixa, por exemplo, aqueles usados ​​em circuitos telefônicos. Geradores que usam um campo de imã permanente são geralmente chamados de magnetos.

Alternador de campo rotativo:

Em alguns alternadores e ímans de corrente alternada, os papéis das partes rotativa e estacionária são invertidos, sendo o ímã energizado na armadura (ou rotor, como é chamada a parte rotativa de uma máquina CA). Quando o rotor é acionado em volta, o campo magnético passa por todos os condutores na parte estacionária do estator da máquina.

O efeito é exatamente o mesmo como se as bobinas de fio fossem giradas no campo magnético como ilustrado na Fig. 3.5.

(b) Princípio Motor:

A partir de nossa experiência e conhecimento teórico, sabíamos que a estreita conexão entre corrente elétrica, campo magnético e movimento não se limita à geração de corrente elétrica. Essa conexão estreita também dá origem ao princípio do motor, o princípio sobre o qual funcionam todos os motores elétricos, ou seja, que permite que a energia elétrica seja convertida continuamente em movimento.

Na verdade, o princípio do motor é o inverso do princípio gerador. Se um condutor é colocado em um campo magnético, como mostrado na fig. 3.6 e corrente flui através dele, o condutor tenderá a se mover através do campo magnético.

Se o arame estiver montado em uma armadura que esteja livre para girar, a força que atua no condutor tende a girar o rotor. E como esta ação magnética continua repetidamente, o rotor continua a se mover, e isso é chamado de ação motora.

No entanto, um motor é construído de maneira quase semelhante a um gerador, com condutores enrolados em uma armadura e colocados dentro de um campo magnético. A corrente flui através do enrolamento da armadura e a armadura gira. À medida que cada condutor passa pelo campo magnético, a corrente que circula nele mantém a força que gira a armadura de modo que um torque contínuo (que pode ser chamado de força de rotação) seja mantido.

A direção do movimento de um condutor condutor de corrente em um campo magnético pode ser mostrada pela Regra da Mão Esquerda de Fleming, como ilustrado na Fig. 3.7. Assim como os geradores podem fornecer corrente alternada ou contínua, os motores podem ser projetados para operar a partir de uma corrente alternada ou corrente direta.

(c) Indução por mudança de intensidade de campo:

Quando um condutor é mantido estacionário dentro de um campo magnético que está ficando mais forte ou mais fraco, um fem é induzido nesse condutor. Se o condutor estiver conectado a um circuito elétrico, a corrente flui.

A intensidade do campo de um imã permanente é invariável, de modo que nenhum fem pode ser induzido em um condutor que é estacionário em tal campo. Mas a intensidade do campo magnético produzido por uma bobina pode, no entanto, ser aumentada ou diminuída, alterando a força da corrente que a flui.

Um fem pode, portanto, ser induzido em um condutor que é colocado em um campo eletromagnético, alterando a força da corrente que circula na bobina que produz o campo. A fem é, portanto, induzida somente quando a força atual está realmente mudando.

Indução Mútua:

Se o condutor no qual a fem é induzida estiver conectado a um circuito eletricamente independente do circuito espiralado, uma corrente flui. A corrente flui de negativa para positiva no resto do circuito. O processo pelo qual a corrente pode fluir em um circuito, alterando a força da corrente em outro circuito é denominado indução mútua.

A força da fem induzida depende da taxa na qual a corrente que está produzindo o campo está mudando. Quanto maior a taxa de mudança, maior é a fem induzida A maior taxa de mudança possível em um circuito de corrente contínua ocorre quando o suprimento para uma bobina é ligado ou desligado, porque, nesses momentos, o fluxo de corrente muda quase instantaneamente nada ao seu máximo, ou do máximo ao nada.

Em todos esses momentos, uma fem mensurável é induzida em um condutor colocado próximo à bobina. Agora, se uma bobina é colocada em um campo magnético variável e a fem é induzida separadamente em cada turno, a fem total induzida na bobina é maior do que a induzida em uma única volta, uma vez que todas as espiras da bobina estão em série. Seguindo este princípio, uma bobina com um grande número de voltas pode ser usada para a indução de uma alta voltagem.

Bobina de indução:

A indução mútua é o princípio da bobina de indução, que é um dispositivo para produzir impulsos em alta tensão a partir de uma fonte de baixa tensão, como mostra a Fig. 3.8. A bobina de indução consiste de uma bobina primária, enrolada em um núcleo de ferro macio e conectada a uma fonte de baixa tensão através de um interruptor.

Quando o fornecimento é conectado ao enrolamento primário, fechando o interruptor, o enrolamento é energizado e uma tensão muito alta é momentaneamente induzida no enrolamento secundário. Similarmente, quando o circuito do enrolamento primário é interrompido, uma tensão muito alta é também momentaneamente induzida no secundário, mas desta vez atuando na direção oposta.

O enrolamento secundário da bobina de indução pode, portanto, ser feito para desenvolver uma sucessão de impulsos com potencial muito alto. De facto, por este princípio muito simples, as faíscas de ignição nos motores dos automóveis são produzidas por uma bobina de indução que funciona a partir da bateria do automóvel. O circuito primário é feito e quebrado, a tempo da revolução do motor.

Indução Mútua por Corrente Alternada:

A força real de uma corrente alternada está mudando continuamente de um momento para outro devido a sua característica. O campo magnético produzido por uma corrente alternada é, portanto, continuamente variável. Se um condutor é colocado dentro do campo, um fem continuamente será induzido nele.

Se o condutor estiver conectado a um circuito elétrico, a corrente fluirá continuamente nesse circuito. A corrente induzida está relacionada à corrente aplicada de maneira muito precisa.

Durante o primeiro trimestre de um ciclo, a força da corrente aplicada aumenta de zero a máxima. A intensidade do campo, portanto, aumenta de zero para o máximo, e o final 'A' da bobina tem polaridade norte. Um fem é, portanto, induzido no condutor que tende a dirigir a corrente da esquerda para a direita.

A taxa de variação da intensidade de campo (representada pela inclinação da curva) é maior no início de um ciclo e é nivelada a zero no ponto em que a força máxima atual é atingida. A fem induzida, que depende da taxa de variação, está, portanto, no máximo no início do ciclo e cai para zero no final do primeiro trimestre do ciclo.

Durante o segundo trimestre de um ciclo, a força da corrente aplicada diminui de máximo para zero. Como no primeiro trimestre, a polaridade da extremidade A da bobina é norte. Uma fem é, portanto, novamente induzida no condutor, mas desta vez tendendo a dirigir a corrente da direita para a esquerda.

Durante este quarto de ciclo, a taxa de mudança de intensidade de campo começa em zero quando o campo é mais intenso e aumenta gradualmente à medida que a intensidade diminui. A fem no condutor, portanto, aumenta de zero no início do segundo trimestre, até um máximo no final do segundo trimestre.

A segunda metade do ciclo segue um padrão similar ao primeiro semestre, mas com todas as direções invertidas. Durante o terceiro trimestre, o campo sobe ao máximo, final A da bobina com polaridade sul. A fem induzida cai do seu máximo para zero, tendendo a dirigir a corrente da direita para a esquerda.

Durante o quarto trimestre, a intensidade de campo cai do máximo com o final 'A' da bobina com polaridade sul para zero, e a fem induzida sobe de zero a um máximo, com a corrente fluindo da esquerda para a direita.

A fem induzida no condutor é, portanto, uma fem alternada com a mesma frequência que a corrente aplicada. Se a corrente aplicada tem forma de onda senoidal, então a fem induzida tem exatamente a mesma forma de onda.

Os picos da fem induzida ocorrem exatamente um quarto de ciclo após os picos da corrente aplicada, ou seja, ficam 90 ° atrasados ​​em relação à corrente aplicada. A capacidade de uma corrente alternada para induzir uma fem alternada em um circuito eletricamente independente através de um campo magnético dá origem ao princípio do Transformador.

É importante notar que a onda senoidal é a única forma de onda que é reproduzida exatamente por indução mútua. Se uma corrente alternada com outra forma de onda fosse aplicada à bobina, a indução mútua ocorreria como um processo contínuo, mas a forma de onda da fem induzida não se assemelharia à da corrente aplicada.

Auto-indução:

Qualquer bobina, na qual uma corrente produz um campo eletromagnético, está nesse campo. Portanto, sempre que a força da corrente que flui na bobina muda e provoca uma mudança na intensidade do campo, uma fem é induzida na própria bobina. Um fem é induzido na bobina somente quando a força atual está mudando.

De fato, a fem induzida sempre se opõe e atrasa a mudança de força atual que a induz. Se e quando a corrente aumenta, a fem induzida tende a impedir o aumento, opõe-se à fem aplicada à bobina e, portanto, é uma fem posterior. Se a corrente diminui, a fem induzida tende; perpetuar o fluxo de corrente, sendo exercido na mesma direção que a fem aplicada

Quando o circuito é quebrado, a queda súbita de corrente para zero induz um fem grande, que tende a manter a corrente fluindo após a ocorrência da quebra. Na verdade, esta é a razão para a faísca que vemos quando a corrente passa momentaneamente por todas as lacunas.

Energia em um circuito de indução:

O campo magnético criado por uma bobina é uma reserva de energia fornecida pelo circuito elétrico; quando a corrente que flui através da bobina aumenta, a intensidade do campo magnético também aumenta.

Parte da energia fornecida pela bateria ou gerador é usada para superar a fem posterior induzida, e essa energia passa para o campo magnético. Enquanto a corrente de força constante está fluindo na bobina, o campo magnético é mantido e mantém a energia fornecida a ele.

Quando a corrente que circula na bobina é reduzida, o campo magnético perde intensidade e desiste de energia. Essa energia é devolvida ao circuito, pois a fem induzida tende a perpetuar o fluxo de corrente. O efeito dessa energia retornada pode ser causar uma faísca se o circuito estiver quebrado.

A faísca causada pela liberação de energia de um circuito indutivo é um potencial perigo subterrâneo em uma mina. Se tal faísca ocorrer quando a concentração explosiva de sirenes de incêndio ou poeira de carvão estiver presente na atmosfera, a concentração provavelmente será inflamada, e uma explosão poderá ocorrer com muita facilidade.

Por esta razão, cada equipamento elétrico usado no subsolo deve ser projetado de tal maneira que as faíscas sejam impedidas de incendiar a poeira do fogo ou do carvão. Estes são dois métodos de superar o perigo de faíscas, e estes são descritos em capítulos que tratam de equipamentos à prova de chamas e circuito intrinsecamente seguro.

Indutância:

O processo de auto-indução ocorre em cada bobina, seja ela solenóide, ou pequena, ou enrolamento do transformador, sempre que a força da corrente que flui nela muda. Em todos os casos, a fem induzida atrasa a mudança de força atual que a induz. O efeito de qualquer bobina no circuito ao qual ela está conectada é semelhante ao efeito de uma roda em um sistema mecânico.

Esta propriedade que uma bobina tem de retardar mudanças dentro de seu circuito é chamada de indutância. Cada circuito tem alguma ligeira indutância, mas, para a maioria dos propósitos práticos, apenas a indutância das bobinas precisa ser considerada. Um circuito contendo bobinas é denominado circuito indutivo.

A indutância de uma bobina depende principalmente do número de voltas que ela possui. Uma bobina com um grande número de voltas cria um forte campo magnético, de modo que uma volta relativamente forte é induzida em cada turno. Uma vez que todas as voltas da bobina estão em série, a volta total induzida na bobina é considerável.

Uma bobina de apenas algumas voltas, por outro lado, pode produzir apenas um campo magnético fraco e o fem total de volta é apenas algumas vezes o de uma única volta, de modo que sua indutância é muito pequena. A indutância também é afetada por outros fatores, como a proximidade e o tamanho das curvas, e as propriedades de qualquer núcleo que a bobina possa ter. Em geral, no entanto, qualquer bobina projetada para produzir um campo magnético forte tem uma alta indutância.

(d) circuito de corrente alternada e auto-indutância:

Uma corrente alternada está mudando continuamente, de modo que, em qualquer bobina em que uma corrente alternada esteja fluindo, a fem posterior é continuamente induzida. A fem auto-induzida (como uma fem induzida mutuamente) é uma fem alternada e fica exatamente 90º atrás das curvas de corrente indutora A e B da Figura 3.9 (a).

No início do primeiro trimestre de um ciclo, a corrente está aumentando mais rapidamente na direção positiva, de modo que uma fem máxima na direção negativa é induzida.

À medida que a corrente aumenta ao máximo, sua taxa de mudança diminui e a fem induzida cai para zero. No segundo trimestre de um ciclo, enquanto a corrente na direção positiva está diminuindo, a fem posterior também atua na direção positiva (opondo-se à mudança de corrente, ou seja, tendendo a manter a corrente fluindo). À medida que a taxa de mudança aumenta, a força induzida aumenta, atingindo um máximo no momento em que a corrente é realmente zero.

A segunda metade do ciclo é semelhante ao primeiro semestre, mas com todas as direções invertidas. No terceiro trimestre, os aumentos atuais nas direções negativas e fem posterior são induzidos na direção positiva. À medida que a taxa de mudança de corrente diminui, a fem induzida cai para zero.

No quarto trimestre, a corrente na direção negativa cai para zero e a emf é induzida na direção negativa. À medida que a taxa de mudança de corrente aumenta, a fem induzida aumenta até um máximo.

Comportamento da corrente alternada:

Quando uma voltagem alternada é aplicada a um circuito indutivo, e uma corrente alternada flui, duas fems alternadas operam ao mesmo tempo no mesmo circuito, isto é, a fem de suprimento e a fem autoinduzida

Em qualquer instante no tempo em que os dois fem estão operando em direções opostas, o fem resultante que tende a dirigir a corrente ao redor do circuito é a diferença entre os dois Fem nesse instante. Novamente, a qualquer momento, quando os dois fem estão operando na mesma direção, a fem resultante que tende a dirigir a corrente em volta do circuito é a soma dos dois Fem nesse instante.

Assim, quando duas fems alternadas tendo forma de onda senoidal operam juntas em um circuito, a fem resultante é sempre uma Fem alternada, também de forma de onda senoidal. Entretanto, a única exceção é quando os dois ferns alternados são iguais e exatamente em anti-fase.

Então não há nenhum emf resultante. A menos que os dois ferns alternados estejam exatamente em fase ou em anti-fase, o fem resultante está fora de fase tanto com o fem de suprimento quanto com fem auto-induzido

Em qualquer circuito, conforme a lei de Ohm, a corrente real fluindo a qualquer instante em proporção à tensão, na verdade tendendo a conduzir a corrente em volta do circuito naquele instante. Uma vez que, quando ocorre a auto-indutância, a tensão realmente tendente a conduzir a corrente em volta do circuito é a fem resultante, uma corrente alternada em um circuito indutivo deve estar em fase com uma fem resultante alternada

Mostrou-se que a força autoinduzida encontra-se na corrente indutora em exatamente 90 °, de modo que, em conseqüência, a fem resultante leva a fem induzida em 90 °. Além disso, o fem resultante pode estar em fase com o fem de fornecimento apenas se o fem auto-induzido estiver exatamente em fase ou em anti-fase.

Como a fem resultante está 90 ° fora de fase com fem autoinduzida, segue-se que a fem resultante está necessariamente fora de fase com a fem de suprimento. A corrente alternada que flui no circuito está, portanto, fora de fase com a fem de suprimento.

Na fig. 3.9 (b) os pontos acima são ilustrados. O fem resultante (curvo) é desenhado em fase com a corrente (curva A). A fem auto-induzida (curva B) é mostrada atrasada 90 ° atrás da corrente. Como pode ser visto no diagrama, os picos do ciclo atual ocorrem após picos no ciclo de fornecimento de energia.

Em qualquer circuito indutivo, portanto, a corrente alternada fica atrás da tensão alternada do suprimento. A relação entre corrente e tensão de alimentação no circuito pode ser ilustrada desenhando as curvas de ambos, usando o mesmo eixo da Fig. 3.10. A quantidade pela qual a corrente fica lenta depende da quantidade de indutância e da quantidade de resistência no circuito.

Em qualquer circuito, o aumento da indutância ou diminuição da resistência aumenta o atraso atual. Por outro lado, a diminuição da indutância ou aumento da resistência diminui o atraso atual. No caso extremo de circuito contendo indutância pura, e sem resistência alguma, a corrente ficaria exatamente um quarto do ciclo que está 90 ° atrás da tensão de alimentação, como mostrado na Fig. 30.10 (b).

Em qualquer circuito prático, no entanto, sempre há alguma resistência (pelo menos a resistência dos condutores) de modo que a corrente esteja sempre abaixo de 90 °, como explicado na Fig. 3.10 (c).

Reatância:

Quando uma alimentação de corrente alternada é conectada a um circuito indutivo, o valor eficaz da corrente que flui é limitado, independentemente de qualquer resistência, pelo processo de auto-indução que ocorre. É possível, em teoria, supor que um circuito, sem resistência, mas apenas indutância, possa existir.

Se uma diferença de potencial de corrente contínua fosse aplicada a esse circuito, não haveria limite para a intensidade da corrente contínua que fluiria. Do primeiro princípio da eletricidade, sabemos que,

Corrente = Tensão / Resistência

mas desde resistência = 0 Ohms,

Corrente = Voltagem / 0 ou infinito.

Se uma fonte de corrente alternada fosse conectada, a corrente seria limitada pela fem auto-induzida. A corrente fica exatamente 90º atrás da tensão aplicada, e a fem induzida está exatamente em anti-fase com a voltagem aplicada.

O emf induzido nunca pode ser maior que a tensão aplicada, caso contrário a corrente indutora não pode fluir. O tamanho da fem induzida em cada momento do ciclo depende da taxa de mudança de corrente naquele momento. Como a fem induzida é limitada, a taxa de mudança de corrente é limitada e, assim, os valores máximos e efetivos da corrente também são limitados.

Agora, a força real da corrente que flui no circuito depende,

(a) a indutância do circuito; e sabemos que, quanto maior a indutância, maior a fem induzida para qualquer taxa de mudança de corrente, e

(b) frequência; e também sabemos que, quanto maior a frequência, maior é a taxa de mudança requerida dentro do ciclo para um dado valor rms.

A Fig. 3.11 ilustra as declarações acima. A propriedade que uma bobina (ou um circuito de indutância como um todo) tem de limitar a força de uma corrente alternada que flui nela é chamada de reatância.

Impedância:

Qualquer circuito prático contendo uma bobina tem resistência assim como reatância, e o valor de uma corrente alternada fluindo no circuito é determinado pelo efeito combinado das duas propriedades. Este efeito combinado é denominado impedância.

Uma bobina, por exemplo, pode ser construída de modo que tenha uma alta indutância, mas uma resistência muito baixa. Se então, um potencial de CC de 100 volts é aplicado através dele, uma corrente direta pesada fluirá.

Se, por outro lado, uma tensão alternada de 100 volts rms for aplicada, a reatância da bobina limitará a corrente alternada a um valor muito baixo. O circuito tem, portanto, uma alta impedância. Um circuito contendo uma alta resistência e apenas uma pequena quantidade de indutância também permitirá que apenas uma pequena corrente alternada flua, e igualmente tenha uma alta impedância.

Embora a impedância de um circuito como a reatância por si só varie com a freqüência da alimentação alternada, para qualquer freqüência determinada, a impedância está relacionada à diferença de corrente e potencial exatamente da mesma maneira que a resistência sozinha, ou seja,

Como essas fórmulas são exatamente como as declaradas pela Lei de Ohms, a impedância é medida em ohms. Na verdade, esses são os princípios básicos que sempre serão essenciais para resolver qualquer problema de aplicação de engenharia elétrica.

Capacitância:

Um condensador ou capacitor é um componente elétrico projetado para reter uma carga elétrica específica. Condensadores são usados ​​em circuitos elétricos para muitos propósitos. Em minas e indústrias, elas são mais usadas para correção do fator de potência e segurança intrínseca.

De fato, um simples condensador consiste em duas placas de metal mantidas juntas, mas isoladas uma da outra, como mostrado na Fig. 3.12 (a). O material isolante que separa as placas é conhecido como o dielétrico.

Se uma bateria fosse conectada através das duas placas, como mostrado na Fig. 3.12 (b), a placa conectada à bateria positiva aceitaria uma carga positiva, enquanto a placa conectada ao negativo da bateria aceitaria uma carga negativa.

Quando cada placa é carregada, uma diferença de potencial é criada entre as duas placas, que não podem ser reduzidas devido ao isolamento entre elas. Mas quando totalmente carregada, a diferença de potencial entre as duas placas é igual à diferença de potencial nos terminais da bateria.

Unidade de Capacitância:

A capacitância pode ser medida e a unidade básica é o farad. Um objeto tem uma capacitância de um farad se requer um fluxo de corrente de um ampere por um segundo para alterar seu potencial em um volt.

A unidade básica de capacitância é, no entanto, grande demais para medições práticas, uma vez que ninguém jamais construiu um objeto com uma capacitância de mais do que uma pequena fração de um farad. De fato, calculou-se que se uma esfera de metal fosse feita com uma capacitância de um farad, seria muitas vezes maior que a própria terra.

As unidades de capacitância utilizadas para fins práticos são o microfarad, que é igual a uma milionésima parte da farad; e o Pico farad (ou micro microfarad), que é igual a uma milionésima parte de um microfarad. No entanto, sabemos que quando um condutor recebe uma carga de uma fonte de suprimento, o fluxo de corrente indica que a energia foi transferida na produção da carga.

Enquanto o condutor mantiver a carga estática, pode ser considerado como uma forte energia elétrica. A energia é dissipada quando o condutor descarrega. A propriedade de poder aceitar e reter uma carga estática é denominada capacitância.

Capacitância de um Condensador:

A capacitância de um condensador é muitas vezes maior que a capacitância das placas como objetos isolados. Este grande aumento na capacitância é provocado pelo efeito que as duas placas carregadas exercem umas sobre as outras. Agora vamos ver o que acontece quando o condensador começa a carregar, uma placa adquirindo uma carga negativa, enquanto a outra adquirindo uma carga positiva.

A placa positivamente carregada tende a atrair uma carga negativa adicional para a superfície oposta da placa negativa e, de modo semelhante, a placa carregada negativamente tende a atrair uma carga positiva adicional para a placa positiva. O efeito é que a corrente continua a fluir enquanto as cargas se concentram ou condensam (na verdade, o nome condensador veio devido à condensação de carga) opostas uma à outra nas superfícies das placas.

A concentração de cargas opostas entre si é chamada de indução eletrostática. Seu efeito é opor-se à criação de uma diferença de potencial entre as placas, porque as cargas puxadas para as placas tendem a neutralizar-se umas às outras.

Portanto, quando um condensador é carregado, a maior parte da carga fornecida às placas é atraída para as faces opostas, onde é neutralizada, e apenas uma proporção muito pequena está disponível para criar a diferença de potencial entre as placas.

Assim, uma grande quantidade de carga deve ser fornecida às placas do condensador para produzir uma pequena diferença de potencial entre as placas, ou seja, a capacitância do condensador é grande.

Um condensador com uma capacitância de 10 microfarad é facilmente construído, cujas placas, quando separadas, têm uma capacitância imensamente pequena. De fato, a capacitância real de um condensador depende de vários fatores.

Os fatores mais importantes são:

(i) Área total das placas:

Uma vez que as cargas neutralizadas no condensador se concentram nas faces opostas das placas, a quantidade de carga que pode ser absorvida e neutralizada depende da área da superfície que está diretamente oposta uma à outra.

The greater this area, the greater is the capacitance of the condenser. In practice, large plate areas are accommodated by rolling the plates into a coil, by building up banks of plates, alternately positive and negative.

(ii) Distance between plates:

The force of electrostatic induction exerted between the plates increases as they are brought closer together. The nearer the plates, therefore, the greater is the amount of charge which can be concentrated on their surfaces and neutralized, and the larger is the capacitance of the condenser.

The dielectric between the plates must be thick and electrically strong enough to withstand the voltage applied across it, otherwise the whole thing will fail much, much earlier.

(iii) Property of the Dielectric:

A simple condenser, such as that illustrated in Fig. 3.12(a), may have air as its dielectric. Some solid dielectrics, such as mica, waxed paper, or insulating oil give a condenser of similar dimensions a greater capacitance. The reason for this is that the charge on the plates tends to induce charges on the surface of the dielectric with which they are in contact.

The surface of the dielectric in contact with the positive plate acquires a negative charge and vice-versa. The charges on the surfaces of the dielectric, therefore, act as an additional neutralizing force against charge on the surfaces of the plates, so that the condenser must absorb still more charge to establish a given potential difference between the plates.

(e) Condensers in Direct Current Circuit:

Since there is no electrical connection between the plates of a condenser, a direct current circuit cannot be completed through it. If a condenser is connected across a battery in series with a lamp, no circuit is completed, and the lamp will not operate. However, if the condenser is not charged when the connections are made, a current will flow in the conductors until the condenser is charged.

If the charging current were strong enough, the lamp would flash on momentarily. Although no current flows through the dielectric of the condenser, for the brief period while the condenser is charging, current flows as though a circuit were completed through it. The strength of the current is greatest at the moment when the battery is first connected, but it rapidly falls off as the charge on the condenser builds up.

When the full potential difference between the plates is achieved, the flow of current ceases. The flow of current indicates that the battery has supplied electrical energy to the condenser. This energy is now stored in the charge. If the battery is disconnected, the condenser remains charged and retains its store of electrical energy.

If a connection is now made between the two plates, a current flows from the positively charged plate to the negatively charged plate until the condenser is discharged, and the two plates are at the same potential. This flow of current is again greatest when the connection is first made and rapidly falls off as the potential difference decreases.

Condenser and ac Circuit:

The effect of condenser on an alternating current circuit is quite different from its effect on a direct current circuit. Please look into the Fig. 3.13. The polarity of the alternating current supply is continually reversed, so that the condenser cannot retain a static charge, as it does in a direct current circuit.

When the alternating current supply is first connected, the first cycle begins by boiling up a potential difference across the plates of the condenser. As when a direct current source is first connected, a current flows momentarily and rapidly falls off as the voltage between the plates rises. At the end of a quarter of a cycle, the voltage has reached a peak, and the current has stopped flowing.

During the second quarter of the cycle, the voltage of the supply is decreasing. When the voltage of the supply has fallen to a lower value than the potential difference between the plates of the condenser, the condenser begins to discharge.

As the condenser discharges, current begins to flow in the opposite direction to that of initial current. Since the voltage of the supply still opposes the discharging current, the discharge current is at first very small: It reaches a maximum value only when the supply voltage is at zero.

Then, when the second half begins, current continues flowing in the same direction and the condenser begins to charge with a reverse polarity. At the end of the third quarter cycle, voltage again reaches a peak and current ceases to flow. During the fourth quarter of the cycle, the condenser begins to discharge again, the discharge current flowing in the same direction as the first charging current.

When an alternating supply is connected to a condenser, an alternating current actually flows in the conductors connecting the source of supply to the plates of the condenser. Although no current actually flows through the dielectric between the plates, the circuit behaves as though it were complete, and, for practical purposes, a condenser may be regarded as allowing an alternating current to flow through it.

Now again from Fig. 3.13 we can show that an alternating current circuit cycle would occur when the voltage is at zero, and vice versa. The current cycle therefore leads the voltage cycle by 90°.

However as we know that any practical circuit necessarily contains some resistance as well as capacitance, the current never actually leads the voltage by a full 90°. The actual amount by which the current cycle leads the voltage cycle depends upon how much resistance and how much capacitance the circuit contains. The vector diagram in Fig. 3.13 explains the above statements vectorially.

Capacitance Reaction and Impedances:

When an alternating voltage is applied across a condenser, the strength of the alternating current which flows is determined by the capacitances of the condenser. For any given voltage a condenser of a large capacitance absorbs a large amount of charge, so that a heavy current flows.

But a condenser of small capacitance absorbs a small amount of charge, so that only a small current flows. The property which a condenser has of limiting alternating current is called capacitive reactance.

The capacitance and resistance of a circuit together offer an impedance to the passage of alternating current. As with inductive impedance, for any given frequency, capacitive impedance is related to alternating voltage and current in exactly the same way as pure resistance. Impedance is therefore also measured is ohms.

The impedance of a capacitive circuit varies with frequency of the alternating supply. The higher the frequency of the supply, the lower is the impedance of circuit. When the frequency of the supply is increased, the rate at which the condenser must be charged during each half cycle is also increased so that a heavier current must flow.

Unless otherwise stated, the impedance of capacitive circuit is always measured at 50 c/s, USA (and the countries influenced by USA system) has their frequency as 60 cycles per second.

Comparison of Capacitance & Inductance:

The effect of a condenser on an alternating current circuit is in many ways the reverse of the effect of a coil.

The effect of capacitance and inductance are compared as below:

Capacitance of Circuit Conductor:

Every electrical circuit has a certain amount of capacitance irrespective of whether a condenser is connected into it. It is not usually possible to calculate what the capacitance of a circuit will be, and the capacitance of many circuits is too small to be measured, but the capacitance of a power circuit may be large enough to present a danger if its effects are not guarded against.

Therefore it is always advisable to discharge the power circuits to earth ever after they are switched off, before working on the line.

The cable conductors, switchgear connections, and motor windings of, for example, a coalface circuit contains a considerable amount of metal connected together. This mass of metal has, of itself, a certain capacity for retaining a charge of electricity.

It is, however, surrounded by the earth screen of the cable and the metal casings of the motor and switchgear. The casing and the conductors together act as a condenser, so that the capacitance of the metal parts of the circuit is greatly increased.

Now when the supply is switched off from the motor after it has been working, the metal parts of the circuit could retain a charge of electricity for a time even though the current is not flowing. The electrical energy contained in the charge would be very little compared with the energy carried by the system when working, but it could be sufficient to give anyone touching a conductor in the circuit a severe shock.

Further, the accidental discharge of the conductor when exposed could cause a spark which might ignite any fire damp present in the atmosphere. It is, therefore, possible to receive a severe shock or produce an incendive spark from a conductor even though the conductor is isolated from the source of supply.

In order to eliminate the danger of shock or sparking from a charged conductor, isolator switches are usually provided with an 'earth' position which enables all the conductors isolated by the switch to be connected directly to earth, so that they can be discharged.

It is therefore must, and important when working on any high or medium voltage electrical equipment, to ensure that any conductor to be exposed have been both isolated and discharged before any cover is removed. Conductors should be connected directly to earth for at least one minute in order to ensure that these are fully discharged.

Electrical Engineering: Effect # 2. Heating Effect of Electric Current:

Whenever an electric current flows it meets with resistances. If the current is flowing in a good conductor, such as copper, the resistance is very slight, but some other materials which conduct electricity offer much more resistance. Whenever an electromotive force drives a current round an electric circuit, energy is expended in overcoming the resistance in the circuit.

The electrical energy expended is given out in the form of heat. The amount of heat produced at any point in an electric circuit depends upon the resistance of the material of which the circuit is made at that point, and upon the strength of the current flowing.

Some heat is produced at every point of every circuit in which current is flowing, but throughout most of the circuit, eg the cables, the amount of heat produced is normally very small and is readily dispersed.

Some parts of a circuit have higher resistance than the rest and, in these parts, more heat is- produced. For that reason, electric motors, generators, transformers and other equipment, have to be cooled while in operation.

Similarly, a bad connection in a circuit eg a poorly made plug, offers a higher resistance, and excessive heat may be produced at that point. The heating could be sufficient to damage the equipment and possibly start a fire.

However, the heating of an electric current is used in electric light bulbs and electric fires. In an electric light bulb current passing through a fine wire produces sufficient heat to raise the temperature wire very high so that it glows brilliantly. This useful aspect of electricity is explained and illustrated in the chapter dealing with Electric Lighting.

Electrical Engineering: Effect # 3. Chemical Effect:

Some liquids also conduct electricity, but when they do so, some chemical reactions occurs. Fig. 3.14 illustrates how such liquids conduct electricity.

A potential difference is applied across the liquid by connecting a source of energy to two solid conductors (called electrodes) immersed in the liquid. The positive electrode is called the anode and the negative electrode is called the cathode. The liquid is called the electrolyte, and the process by which a liquid conducts electricity is called electrolysis.

Most conducting liquids consist of a solution of solid (eg washing soda, or copper sulphate) or liquid (eg sulphuric acid) in water. When the substance dissolves it splits chemically into two electrically charged parts, called ions.

One ion consists of positively charged particles whilst the other consists of negatively charged particles. In its normal state, the solution is electrically neutral, because the negatively and positively charged ions completely neutralize one another.

When a potential difference exists between the electrodes, the positively charged ions (cations) are attracted towards the cathode and the negatively charged ions (anions) are attracted towards the anode. In this way, a two way flow of ions is set up in the liquid. This movement of ions constitutes the passage of current through the liquid.

When the ions reach the electrodes they lose their electric charge and are released, either as a gas, or as a coating on the electrode. Some ions, however, are incapable of existing independently as substances, and they therefore combine chemically with the material of the electrode.

Um exemplo do uso do efeito químico de uma corrente elétrica é a eletrodeposição de cobre. Um ânodo de cobre é imerso em uma solução de sulfato de cobre. Qualquer objeto de metal imerso nesta solução quando o cátodo fica coberto de cobre quando uma corrente flui através da solução. O sulfato de cobre é dividido quimicamente em um íon de cobre (positivo) e um sulfo negativo (a parte de sulfato do sulfato de cobre).

O cobre é atraído e depositado nos cátodos, os sulphions são atraídos ao ânodo onde combina com o cobre, recriando o sulfato de cobre. O efeito geral é que o cobre é transferido do anodo para o cátodo, o eletrólito, de fato, permanece inalterado.

O efeito químico de uma corrente elétrica é freqüentemente encontrado em collieries, onde a eletrólise causa corrosão de aparelhos elétricos, por exemplo, a blindagem de cabos.

Água mídica ácida do eletrólito e, no caso de uma ligeira fuga de corrente de fuga para a terra do aparelho, a ação química ocorre entre a água e o metal do equipamento. Também é notado que o processo de eletrólise pode ser revertido.

Uma ação química entre um eletrólito e dois eletrodos pode produzir uma corrente elétrica. A geração de eletricidade por ação química é o princípio da bateria, que também foi explicado e ilustrado no capítulo sobre baterias.

Conduzindo Gases:

Gases e vapores, como líquidos, também conduzem eletricidade por um fluxo bidirecional de íons. O néon é um exemplo de condução de gás, os vapores que conduzem eletricidade incluem vapor de mercúrio e vapor de sódio. O gás ou vapor é geralmente contido em um invólucro, como um tubo de vidro, do qual o ar foi exaurido pela primeira vez.

Dois eletrodos, um ânodo e um cátodo, são selados no gabinete. Quando uma diferença de potencial suficiente é aplicada através dos eletrodos, o gás é ionizado, e os íons positivos e negativos são atraídos, respectivamente, para o cátodo e ânodo, de modo que o gás começa a conduzir.

O fluxo bidirecional de íons faz com que alguns gases e vapores emitam um brilho brilhante enquanto estão conduzindo. No entanto, para cada gás ou vapor, existe uma certa voltagem mínima que deve ser aplicada através dos eletrodos antes do início da ionização.

Abaixo dessa tensão, nenhum íon é produzido e o gás não é conduzido. A voltagem mínima na qual um gás ou vapor irá conduzir é chamada de voltagem marcante. A condução de gases e vapores é usada em certos tipos de iluminação e para uma forma de retificador. Algumas aplicações da condução de gases na indústria são mostradas no capítulo sobre iluminação elétrica.