Gerador elétrico

Um gerador elétrico transforma movimento mecânico em corrente fazendo passar um íman e uma bobina de fio um pelo outro. Michael Faraday descobriu o princípio em 1831, e quase toda a eletricidade usada hoje ainda sai de máquinas baseadas nele.

O que é

Um gerador converte trabalho mecânico, vindo de uma manivela, de uma roda de água, de uma máquina a vapor ou de uma turbina, em corrente elétrica. Precisa de um íman, de uma bobina de fio de cobre e de uma forma de fazer passar um pelo outro.

As pilhas são caras e esgotam-se; os geradores passaram a produzir eletricidade em grande quantidade a partir do carvão ou de uma queda de água. Centrais elétricas, alternadores de automóvel, dínamos de bicicleta e turbinas eólicas funcionam todos assim.

Como funciona

O anel de indução de Faraday: a agulha só se mexia no instante em que a pilha era ligada ou desligada.

O princípio é a indução eletromagnética. Quando o fluxo magnético através de uma bobina (a quantidade de campo que a atravessa) varia, surge uma tensão entre as suas extremidades. Se o fluxo se mantiver constante, não há tensão. Quanto mais depressa o fluxo varia e quanto mais espiras tem a bobina, maior é a tensão.

Na máquina da prancha, construída por Hippolyte Pixii em 1832, uma manivela faz girar um eixo vertical através de um par de engrenagens cónicas. O eixo leva um íman permanente em ferradura cujos polos passam mesmo por baixo de duas bobinas fixas, enroladas em núcleos de ferro. Quando um polo norte chega por baixo de uma bobina, o fluxo que a atravessa aumenta e a corrente circula num sentido. Quando o polo se afasta, o fluxo diminui e a corrente inverte-se. O polo sul repete depois o ciclo com o campo no sentido oposto, pelo que a máquina, sem mais nada, produz corrente alternada.

Pixii acrescentou um comutador, sugerido por André-Marie Ampère: um interruptor no eixo que troca as duas ligações de saída a cada meia volta, precisamente quando a corrente muda de sentido. Obtém-se uma corrente contínua pulsada, capaz de carregar baterias ou decompor a água.

O disco de Faraday, de 1831, dava uma pequena corrente contínua e ininterrupta.

Logo que a corrente passa, as bobinas tornam-se ímanes e travam o movimento, por isso a manivela fica mais pesada quando se liga uma lâmpada. A energia elétrica obtida é o trabalho fornecido pela mão ou pelo motor, menos as perdas por atrito e aquecimento.

No século XIX os ímanes permanentes eram fracos, e as máquinas grandes usavam eletroímanes. Num dínamo autoexcitado, parte da corrente produzida pela própria máquina alimenta esses eletroímanes. O leve magnetismo que fica no ferro faz nascer uma pequena corrente, que reforça o campo, que aumenta a corrente, até a tensão estabilizar num nível fixado pela velocidade e pela saturação do ferro. Um gerador de central moderno faz girar um eletroíman dentro de enrolamentos fixos; com dois polos, gira a 3000 rotações por minuto para dar 50 hertz, ou a 3600 para 60 hertz.

Como construir

Um pequeno alternador de manivela consegue acender um LED ou uma lâmpada de lanterna.

Fazer o rotor. Cortar um disco de contraplacado ou madeira dura com cerca de 15 cm de diâmetro. Colar oito ímanes planos em disco (ferrite ou neodímio) numa das faces, igualmente espaçados junto à borda, de modo que as faces voltadas para fora alternem norte, sul, norte, sul. Atá-los com cordel, porque um íman solto é projetado a alta velocidade.

Bobinar. Enrolar oito bobinas planas de fio de cobre esmaltado de 0,3 a 0,5 mm, com algumas centenas de espiras cada, todas no mesmo sentido, num molde do tamanho de um íman.

Montar o estator. Fixar as bobinas numa tábua paralela ao rotor, cada uma em frente de um íman, a poucos milímetros de distância. Bobinas vizinhas ficam sempre em frente de polos opostos, por isso devem ligar-se em série invertendo uma bobina em cada duas; assim as tensões somam-se.

Multiplicar a velocidade. Uma correia entre uma polia grande na manivela e uma pequena no eixo do rotor multiplica a velocidade quatro ou cinco vezes.

Retificar e testar. A saída é corrente alternada. Quatro díodos montados em ponte transformam-na em corrente contínua pulsada. Acender um LED a partir da ponte através de uma resistência de um quilo-ohm e meio watt, que mantém a corrente abaixo de cerca de 20 miliamperes enquanto a saída não passar de cerca de 20 volts; medir a tensão com um multímetro antes de rodar a manivela com força. Carregar uma bateria exige um controlador de carga adequado ao seu tipo, e não apenas díodos.

Sem ímanes comprados, podem magnetizar-se barras de aço dentro de uma bobina alimentada durante alguns segundos por uma bateria, com uma lâmpada de automóvel em série para limitar a corrente. Um dínamo autoexcitado, uma vez arrancado pelo magnetismo residual, dispensa qualquer íman permanente.

Segurança. As peças rotativas apanham dedos, cabelo e roupa larga: proteger a correia e o rotor. Os ímanes de neodímio juntam-se com força suficiente para beliscar a pele e partir-se; mantê-los longe de pacemakers. A tensão sobe com a velocidade e torna-se perigosa nas máquinas maiores. Nunca ligar um gerador artesanal ou portátil à instalação de um edifício nem à rede elétrica: a corrente devolvida à rede pode matar quem trabalha nas linhas, e só um eletricista, com um comutador de transferência adequado, deve fazer essa ligação.

História e evolução

Em 1820, Hans Christian Ørsted mostrou que uma corrente elétrica desvia a agulha de uma bússola. Michael Faraday raciocinou que o magnetismo também devia poder produzir eletricidade. A 29 de agosto de 1831, na Royal Institution de Londres, enrolou duas bobinas num anel de ferro e viu a agulha de um galvanómetro saltar sempre que ligava ou desligava uma pilha na outra bobina. Nesse outono fez girar um disco de cobre entre os polos de um íman e tirou dele uma corrente contínua. Apresentou os resultados à Royal Society a 24 de novembro de 1831.

Menos de um ano depois, Pixii, fabricante de instrumentos em Paris, construiu a máquina de manivela da prancha. Em 1866 e 1867, Samuel Alfred Varley, Werner Siemens e Charles Wheatstone anunciaram cada um o dínamo autoexcitado, e Siemens deu nome ao princípio dínamo-elétrico. Por volta de 1870, Zénobe Gramme construiu um induzido em anel que dava uma corrente regular.

O anel de Gramme distribuía o enrolamento à volta de todo o induzido, e a corrente quase deixava de pulsar.

A 4 de setembro de 1882, a central de Thomas Edison em Pearl Street, Nova Iorque, começou a fornecer corrente contínua a 110 volts produzida por seis dínamos «Jumbo» movidos a vapor. A corrente alternada venceu nas longas distâncias, porque os transformadores permitem elevar a sua tensão; em 1891 uma linha trifásica levou energia ao longo de 175 km, de Lauffen am Neckar a Frankfurt. Charles Parsons acoplou um dínamo a uma turbina a vapor em 1884, e desde então são geradores acionados por turbinas que abastecem a maioria das grandes centrais. Em 1975, o primeiro de três grupos de 600 MW entrou em serviço na barragem de Grand Coulee, com um estator de 22 metros de diâmetro.