Como funciona um gerador DC?

Como funciona um gerador DC?

Definição de Gerador DC

Um gerador DC é um dispositivo que converte energia mecânica em energia elétrica contínua usando o princípio da indução eletromagnética.

Lei de Faraday

Esta lei afirma que quando um condutor se move em um campo magnético, ele corta linhas de força magnéticas, o que induz uma força eletromotriz (FEM) no condutor.

A magnitude da FEM induzida depende da taxa de variação do fluxo magnético ligado ao condutor. Esta FEM causará uma corrente se o circuito do condutor estiver fechado.

As duas partes mais essenciais de um gerador são:

• O campo magnético

• Condutores que se movem dentro desse campo magnético.

Agora que entendemos os fundamentos, podemos discutir o princípio de funcionamento de um gerador DC. Você também pode achar útil aprender sobre os tipos de geradores DC.

Operação de Loop Único

Em um gerador DC de loop único, a rotação do loop em um campo magnético induz uma FEM, e a direção da corrente é determinada pela regra da mão direita de Fleming.

Na figura acima, um único loop de condutor de forma retangular é colocado entre dois polos opostos de um ímã.

Considere o loop retangular do condutor ABCD, que gira dentro do campo magnético em torno de seu eixo ab.

Quando o loop gira de sua posição vertical para sua posição horizontal, ele corta as linhas de fluxo do campo. Durante este movimento, dois lados, ou seja, AB e CD do loop, cortam as linhas de fluxo, haverá uma FEM induzida em ambos os lados (AB e BC) do loop.

Como o loop está fechado, haverá uma corrente circulando através do loop. A direção da corrente pode ser determinada pela regra da mão direita de Flemming.

Esta regra diz que, se você estender o polegar, o indicador e o dedo médio da sua mão direita perpendiculares um ao outro, então o polegar indica a direção do movimento do condutor, o indicador indica a direção do campo magnético, ou seja, do polo N para o polo S, e o dedo médio indica a direção do fluxo de corrente pelo condutor.

Agora, se aplicarmos esta regra da mão direita, veremos que nesta posição horizontal do loop, a corrente fluirá do ponto A para B e, no outro lado do loop, a corrente fluirá do ponto C para D.

Agora, se permitirmos que o loop se mova mais, ele voltará à sua posição vertical, mas agora o lado superior do loop será CD, e o lado inferior será AB (justo o oposto da posição vertical anterior).

Nesta posição, o movimento tangencial dos lados do loop é paralelo às linhas de fluxo do campo. Portanto, não haverá corte de fluxo, e consequentemente, não haverá corrente no loop.

Se o loop girar ainda mais, ele voltará a uma posição horizontal. Mas agora, o lado AB do loop ficará na frente do polo N, e CD ficará na frente do polo S, ou seja, exatamente o oposto da posição horizontal anterior, como mostrado na figura ao lado.

Aqui, o movimento tangencial dos lados do loop é perpendicular às linhas de fluxo; portanto, a taxa de corte de fluxo é máxima aqui, e de acordo com a regra da mão direita de Flemming, nesta posição, a corrente flui de B para A e, no outro lado, de D para C.

Agora, se o loop continuar a girar em torno de seu eixo. Toda vez que o lado AB fica na frente do polo S, a corrente flui de A para B. Novamente, quando fica na frente do polo N, a corrente flui de B para A.

De maneira semelhante, toda vez que o lado CD fica na frente do polo S, a corrente flui de C para D. Quando o lado CD fica na frente do polo N, a corrente flui de D para C.

Se observarmos esse fenômeno de maneira diferente, podemos concluir que, cada vez que um lado do loop fica na frente do polo N, a corrente fluirá por esse lado na mesma direção, ou seja, para baixo em relação ao plano de referência.

Da mesma forma, cada vez que um lado do loop fica na frente do polo S, a corrente por ele flui na mesma direção, ou seja, para cima a partir do plano de referência. A partir disso, chegaremos ao tema do princípio do gerador DC.

Agora, o loop é aberto e conectado a um anel dividido, conforme mostrado na figura abaixo. Anéis divididos, feitos de um cilindro condutor, são cortados em duas metades ou segmentos isolados uns dos outros.

Conectamos os terminais de carga externa com duas escovas de carvão que repousam nesses segmentos de anel dividido.

Comutador e Escovas

Anéis divididos (comutadores) e escovas de carvão garantem que a corrente permaneça unidirecional, invertendo as conexões conforme o loop gira.

Posicionamento das Escovas

As escovas são posicionadas de modo que a FEM seja zero quando a bobina estiver perpendicular ao campo magnético, permitindo um fluxo de corrente suave.

Princípio de Funcionamento do Gerador DC

Podemos ver que na primeira metade da revolução, a corrente sempre flui ao longo de ABLMCD, ou seja, a escova número 1 está em contato com o segmento a. Na próxima metade da revolução, na figura, a direção da corrente induzida na bobina é invertida. Mas ao mesmo tempo, as posições dos segmentos a e b também são invertidas, resultando que a escova número 1 entra em contato com o segmento b.

Portanto, a corrente na resistência de carga novamente flui de L para M. O formato da onda da corrente através do circuito de carga é como mostrado na figura. Esta corrente é unidirecional.

O conteúdo acima é o princípio básico de funcionamento do gerador DC, explicado pelo modelo de gerador de loop único.

As posições das escovas do gerador DC são de tal maneira que a troca dos segmentos a e b de uma escova para outra ocorre quando o plano da bobina rotativa está em ângulo reto com o plano das linhas de força. É para chegar a essa posição, a FEM induzida na bobina é zero.