Corrente Alternada

• No caso de um capacitor, V = IX , em que X = 1/ω C é a reatância capacitiva; a corrente está C C′ C d adiantada de 90o o em relação à diferença de potencial (ϕ = –90 = π/2 rad).

• No caso de um indutor, V = IX , em que X = ω L é a reatância indutiva; a corrente está atrasada L L L d de 90 o o em relação à diferença de potencial (ϕ = +90 = +π/2 rad).

Corrente Alternada

As oscilações de um circuito RLC não são amortecidas se uma fonte de tensão externa fornece energia suficiente para compensar a energia dissipada na resistência R. Os aparelhos elétricos usados nas fábricas, escritórios e residências contêm um número muito grande de circuitos RLC, que são alimentados pela rede de distribuição de energia elétrica. Na grande maioria dos casos, a energia é fornecida na forma de correntes e tensões senoidais, sistema que é conhecido como corrente alternada ou CA. (No caso das correntes e tensões que não variam com o tempo, como as fornecidas por uma bateria, o sistema é conhecido como corrente contínua ou CC.) No sistema de corrente alternada usado no Brasil, a tensão e a corrente mudam de sentido 120 vezes por segundo e, portanto, têm uma frequência f = 60 Hz.

Oscilações dos Elétrons. À primeira vista, a corrente alternada pode parecer uma forma estranha de fornecer energia a um circuito. Vimos que a velocidade de deriva dos elétrons de condução em um fio comum é da ordem de 4 × 10−5 m/s. Se o sentido de movimento dos elétrons se inverte a cada 1/120 s, os elétrons se deslocam apenas cerca de 3 × 10−7 m a cada meio ciclo. Assim, em média, um elétron passa apenas por 10 átomos da rede cristalina do material de que é feito o fio antes de dar meia-volta. Nesse ritmo, o leitor deve estar se perguntando: Como o elétron consegue chegar a algum lugar?

A resposta é simples: O elétron não precisa ir “a algum lugar”. Quando dizemos que a corrente em um fio é um ampère, isso significa que as cargas passam por qualquer plano que intercepta totalmente o fio à taxa de um coulomb por segundo. A velocidade com a qual os portadores passam pelo plano não é o único parâmetro importante: um ampère pode corresponder a muitos portadores de carga se movendo devagar ou a poucos portadores de carga se movendo depressa. Além disso, o sinal para os elétrons passarem a se mover no sentido oposto, que tem origem na força eletromotriz alternada produzida nos geradores das usinas elétricas, se propaga ao longo dos condutores com uma velocidade quase igual à velocidade da luz. Todos os elétrons, onde quer que estejam, recebem essa instrução praticamente no mesmo instante. Finalmente, convém observar que em muitos dispositivos, como as lâmpadas e as torradeiras, o sentido do movimento não é importante, contanto que os elétrons estejam em movimento e transfiram energia para o dispositivo por meio de colisões com átomos.

Por que Usar CA? A principal vantagem da corrente alternada é a seguinte: Quando a corrente muda de sentido, o mesmo acontece com o campo magnético nas vizinhanças do condutor. Isso torna possível usar a lei de indução de Faraday, o que, entre outras coisas, significa que podemos aumentar ou diminuir à vontade a diferença de potencial usando um dispositivo, conhecido como transformador, que será discutido mais tarde. Além disso, a corrente alternada é mais fácil de gerar e utilizar que a corrente contínua no caso de máquinas rotativas como geradores e motores.

Força Eletromotriz e Corrente. Fig. 31-6 mostra um tipo simples de gerador de corrente alternada. Quando a espira condutora é forçada a girar na presença do campo magnético externo uma força eletromotriz senoidal é induzida na espira:

A frequência angular ω da força eletromotriz é igual à velocidade angular d

de rotação da espira, a fase é ω t, e a amplitude é (o índice significa d máxima). Se a espira faz parte de um circuito elétrico, a força eletromotriz produz uma corrente senoidal (alternada) no circuito com a mesma frequência angular ω , que nesse caso é chamada de frequência angular de d

excitação. Podemos escrever a corrente na forma

em que I é a amplitude da corrente. (Por convenção, a fase da corrente é normalmente escrita como ω t − ϕ e não como ω t + ϕ). Uma constante de d d

fase ϕ foi introduzida na Eq. 31-29 porque a corrente i pode não estar em fase com a força eletromotriz. (Como vamos ver, a constante de fase depende do circuito ao qual o gerador está ligado.) Podemos também escrever a corrente i em termos da frequência de excitação f da força d