No capítulo anterior vimos que um campo magnético exerce uma força lateral sobre os elétrons que se movem em um fio. E essa força é transmitida para o fio , já que os elétrons não podem deixá-lo. Desta forma, vamos estudar o comportamento de um fio condutor que está conduzindo uma corrente elétrica e está sob a influência de um campo magnético.

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    Corrente Elétrica

A observação de Ampère sobre as forças magnéticas entre fios condutores percorridos por corrente elétrica, leva-nos a um estudo mais analítico desse fenômeno. Como primeiro passo, vamos encontrar a força exercida por um campo magnético uniforme sobre um fio condutor reto por onde flui uma corrente elétrica I. Para maior clareza, vamos analisar dois casos distintos: primeiro, quando o campo e a corrente possuem mesma direção e sentido; segundo, quando a corrente e o campo são ortogonais entre si.

Na Figura 76-01 vemos a representação das duas situações comentadas acima. Pela regra da mão direita, cada carga da corrente elétrica experimenta uma força de módulo igual a q v B, direcionada para a esquerda. Consequentemente, todo o comprimento do fio no interior do campo magnético experimenta uma força orientada para a esquerda que é simultaneamente perpendicular à direção do campo e à direção da corrente.

Se, na Figura 76-01, invertermos o sentido do campo magnético OU, o sentido da corrente elétrica, a força exercida sobre o fio mudará de sentido e será direcionada para a direita.

Note a diferença entre força elétrica e força magnética: a força elétrica é sempre paralela ao campo elétrico, enquanto a força magnética é sempre ortogonal ao campo magnético.

Se queremos determinar o módulo da força, devemos relacionar a corrente I no fio condutor à carga q que se desloca pelo mesmo. Vamos supor um segmento do fio condutor, de comprimento L, por onde circula uma corrente I, conforme mostra a Figura 76-02. Definimos esta corrente como a razão entre a quantidade de carga q que se desloca neste segmento e o tempo Δt transcorrido durante o trajeto pelo segmento. Obviamente, o tempo transcorrido é dado por Δt = L / v. Usando essa relação e, sabendo que q = I Δt, facilmente concluímos que:

Podemos definir o vetor L^→ que tenha a orientação de v^→, com módulo L. Então vamos obter a seguinte relação: I^→L = q v^→ . Substituindo esta relação na eq. 74-01 encontramos a força, em sua forma vetorial, que um fio condutor experimenta quando está sob a ação de um campo magnético, ou seja:

Podemos escrever a eq. 76-02 na forma escalar, considerando θ como o ângulo entre os vetores L^→ e B^→, obedecendo a regra da mão direita.

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Em suas experiências, Ampére fez um arranjo com dois fios paralelos, a e b, sendo percorridos por correntes elétricas, a qual denominaremos de I_a e I_b, conforme mostra a Figura 76-03. Para nossa análise, consideraremos duas situações: as correntes fluem no mesmo sentido ou, as correntes fluem em sentidos contrários.

Vamos considerar que os fios condutores estão espaçados por uma distância d entre si. Além disso, consideremos um comprimento L dos mesmos. Vamos começar supondo que as duas correntes fluem no mesmo sentido, conforme mostra a Figura 76-03. Observe que a corrente I_a, que flui pelo fio a, produz um campo magnético na posição onde se encontra o fio b, orientado para baixo, conforme a regra da mão direita.

Este campo magnético,B_a^→ gerado por I_a, produz uma força de atração no fio b representada por F_ab^→  na figura acima. Como os dois fios estão em paralelo, certamente o campo magnético gerado pelo fio a será constante ao longo de todo o comprimento do fio b. Com isso, podemos partir da equação que permite calcular o campo magnético gerado por um fio muito longo e, conforme estudamos no capítulo 74, a eq. 74-17 fornece:

Se trabalharmos na forma escalar, podemos usar a eq. 76-03, estudada no item anterior, lembrando que θ = 90° e, portanto sen 90° = 1. Dessa forma, substituindo pelos respectivos valores e considerando o campo produzido pelo fio a, a força de atração será dada por:

Se trabalharmos na forma vetorial, devemos dar as orientações adequadas aos eixos em relação à Figura 76-03.

Na Figura 76-04 vemos como foram orientados os eixos. Note que o eixo x está na direção da força. O eixo y está na direção do comprimento do fio, enquanto o eixo z está na direção do campo magnético. Para a determinação da força F_ab vamos utilizar a eq. 76-02, estudada no item anterior. Note que esta equação exige que se efetue o produto vetorial entre o vetor L e o vetor B_a.

Vamos reescrever a eq. 76-02, adaptando-a para o caso que estamos analisando e compatibilizando a nomenclatura com a Figura 76-04. Assim:

De acordo com a Figura 76-04, é importante observar que as correntes apontam no sentido positivo do eixo y. Por sua vez, o campo magnético aponta no sentido negativo do eixo z. Então, colocando os sinais de forma correta no produto vetorial, obtemos:

Observe que substituímos o vetor B_a como o produto entre seu módulo e o versor k. Como o campo está apontando no sentido negativo do eixo-z, usamos o versor - k. Para o caso do vetor L também usamos o produto entre seu módulo e o versor J. Por outro lado, sabemos que o produto vetorial entre os versores j e k é igual a j x k = i. Baseado neste resultado, podemos escrever o produto que nos interessa, ou j x (- k) = - i. Então, conseguimos determinar a força magnética que o fio a exerce sobre o fio b, em módulo, direção e sentido, ou seja:

Note o sinal negativo na eq. 76-07 indicando que a força está apontando no sentido negativo do eixo-x e é uma força de atração. Cabe ressaltar que se invertermos o sentido de uma das correntes, a força estará apontando no sentido positivo do eixo-x, indicando que há uma força de repulsão entre os fios condutores.

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Já usamos o conceito de força magnética para descrever o comportamento de algum tipo de condutor, condutor este que é percorrido por uma corrente elétrica quando imerso em um campo magnético. Agora, vamos estudar o conceito de torque, também conhecido como conjugado, que é produzido quando uma força é aplicada em corpos que podem girar em torno de algum ponto.

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O torque, cujo nome vem de uma palavra em latin que significa "torcer", pode ser descrito, de uma forma simples, como a ação de girar ou torcer de uma força , F. Quando aplicamos uma força a um objeto, com alguma ferramenta, com o objetivo de fazer o objeto girar, estamos aplicando um torque.

A unidade do torque no SI é o newton . metro. Observe, porém, que no SI o trabalho também tem como unidade o newton . metro, que é equivalente a 1 joule. Mas, o torque jamais pode ser expresso em joule. O torque é representado pela letra grega "tau", τ.

O torque pode ser considerado positivo ou negativo. Será positivo se o corpo girar no sentido anti-horário ao aplicar a força. E será negativo se o corpo girar no sentido horário ao aplicar a força.

Na Figura76-05 vemos três discos fixados em seu centro C, com liberdade para girar em torno do seu eixo. Observe que no desenho da esquerda a força está sendo aplicada exatamente na linha que passa pelo centro do disco. Essa força não ocasionará um movimento de rotação.

No entanto, no desenho do centro vemos que a força é aplicada ao disco de tal forma que sua reta de ação passa à esquerda do eixo de rotação. Isso fará com que o disco tenha uma tendência à girar no sentido horário. Isso é possível por que criamos um torque, ou seja, a ação de fazer o disco girar. Da mesma forma, no desenho da direita da Figura76-05, a força é aplicada ao disco de tal forma que sua reta de ação passa à direita do eixo de rotação. Neste caso, o disco terá uma tendência a girar no sentido anti-horário.

O torque ou conjugado de um objeto é definido como o produto da força aplicada ao objeto vezes a menor distância entre a reta de ação da força e o eixo de rotação do objeto. Na Figura 76-06 mostramos como atua uma força aplicada ao disco deslocada para a direita da linha de ação que passa pelo eixo de rotação. O torque gerado fará com que o disco gire no sentido anti-horário. Note que o ângulo θ é definido como o ângulo entre a reta da linha de ação da força e a reta do prolongamento do raio do disco.

Assim, a distância d do ponto de aplicação da força em relação ao eixo de rotação do disco é dado por d = r sen (180° - θ) = r sen θ, usando as propriedades da trigonometria. Considerando r um vetor que aponta desde o eixo de rotação até o ponto de aplicação da força e F como a força aplicada, então o conjugado (ou torque) pode ser expresso por

Lembremos que o produto vetorial obedece a convenção dextrógira, isto é, a regra da mão direita. Então, em referência à Figura 79-06, o torque anti-horário aponta para cima, saindo da página, enquanto o torque horário aponta para baixo, entrando na página.

Cabe ressaltar que a componente F sen θ na eq. 76-09, representa a componente da força F na direção perpendicular ao vetor posição r. Em outras palavras, o torque também pode ser interpretado como o produto da distância desde o ponto de aplicação até a origem pela componente perpendicular da força. O torque produzido pela força é devido unicamente à componente perpendicular da força.

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Há um caso particular de forças agindo sobre um ponto. É constituído por um par de forças F^→ e - F^→, iguais e opostas, com linhas de ação paralela, como mostra a Figura 76-07. Essas forças são denominadas de binário e não possuem a capacidade de produzir translação, somente rotação. Note que para determinar o torque devemos usar o fato que r = r_PQ sen θ. Com isso, recaímos na eq. 76-08.

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A relação entre o torque e a aceleração é dada pela lei de Newton da rotação que pode ser descrita pela eq. 76-10

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No movimento retilíneo, o trabalho é definido como o produto de uma força aplicada e que se desloca por uma determinada distância. No movimento de rotação, o trabalho é definido como o produto de um conjugado, J, aplicado por um determinado ângulo, θ. Considerando o conjugado constante, o trabalho pode ser descrito por

Caso o conjugado não seja constante com a variação do ângulo, então devemos integrá-lo em relação ao ângulo.

Por outro lado, a potência é a taxa de produção do trabalho, ou o incremento de trabalho por unidade de tempo. Por essa definição, a potência é dada por

Em geral, a unidade de medida da potência é o joule por segundo ou, o que é equivalente, watt. Mas pode também ser usado o HP = 746 watts ou o CV = 735 watts.

Baseado na eq. 76-12, e assumindo um conjugado constante podemos determinar a potência em um sistema com movimento de rotação dada por

Essa equação (eq. 76-13) será a relação correta entre potência, conjugado e velocidade angular se a potência for medida em watts, o conjugado em newtons-metros e a velocidade angular em radianos por segundo.

Cabe ressaltar que a eq. 76-13 é muito importante no estudo de máquinas elétricas, pois ela pode descrever a potência mecânica no eixo de um motor ou gerador.

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Nos itens anteriores estudamos o que se entende por torque, aceleração na rotação, binário, etc ... e agora vamos aplicar esses conceitos para calcular o torque ou conjugado que uma espira sofre quando circula por ela uma corrente elétrica, I, e encontra-se sob a ação de um campo magnético uniforme , B. Apresentamos na Figura 76-08 uma representação esquemática de um sistema que nos ajudará a entender seu funcionamento.

Note que está sendo usado um sistema de ímã permanente para produzir um campo magnético uniforme. Pela espira está circulando uma corrente elétrica I no sentido anti-horário. A espira, com formato retangular, cujo lado maior representamos por a e o lado menor por b, tem como área o produto das dimensões de seus lados, ou seja, A = a . b

Na metade do lado menor, existem dois suportes que sustentam a espira no seu devido lugar. Aplicando a regra da mão direita, percebemos que a força resultante, F, no lado da espira próximo do polo norte do ímã, aponta para cima, como indicado na figura. E para o lado da espira próximo do polo sul do ímã, a força - F, aponta para baixo. Com essas duas forças, temos como resultado um binário de forças sendo aplicado na espira e, como resultado, obtemos um torque ou conjugado que fará a espira girar no sentido horário. Essa é uma análise qualitativa que nos permite entender como se processa os fenômenos eletromagnéticos envolvidos nesse dispositivo. Agora, vamos fazer uma análise quantitativa do sistema.

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Para começar, vamos explicar por que não aparecem forças nos lados menores da espira. Devemos notar que os lados menores da espira, conforme mostra a Figura 76-08, são paralelos às linhas de força do campo magnético. Então, o ângulo entre o vetor L^→ e o vetor B^→ ou fazem 0°, ou 180° e, nestes dois casos, o seno desses ângulos é igual a zero e, nos reportando a eq. 76-02, concluímos que a força resultante é nula. Quando a espira girar de um ângulo θ, aparecerão forças nos lados menores da espira, porém serão de mesmo módulo e sentidos opostos. Como as duas forças agem sobre a mesma reta (o eixo de rotação da espira), elas se anulam e não há nenhuma contribuição para o torque.

Por outro lado, nos lados maiores da espira aparecem duas forças de mesmo módulo e direção, porém agem em sentido contrário. E mais, as duas forças não agem sobre a mesma reta, ocasionando o surgimento do binário (estudado em 4.1.1). Esse binário faz com que sobre a espira atue um torque que fará a espira girar no sentido horário. Sabemos que o módulo da força no lado a da espira é dado por F = I a B. Para calcular o torque, devemos encontrar a distância do lado da espira ao eixo de rotação da mesma. Na posição em que a espira se encontra na Figura 76-08, a distância é simplesmente b / 2. Mas devemos levar em consideração que a espira gira e, portanto, devemos considerar a contribuição desse lado em função do ângulo, θ, ao girar. Logo a contribuição deve ser escrita como (b/2) sen θ. Dessa forma podemos escrever o torque relativo à força F, como

Esse cálculo considerou somente a força F. Porém, devemos acrescentar a contribuição da força - F. Em módulo, os dois valores são iguais. Portanto, somando b/2 + b/2 = b e na equação final vai aparecer o produto dos dois lados da espira (a . b), que é exatamente a área da espira. Logo, podemos escrever o torque total sobre a espira como

Além disso, observe que esse cálculo foi feito considerando que a espira foi construída com uma única volta de fio condutor. Naturalmente que para fins práticos sempre usamos mais que uma espira para formar o que chamamos de bobina. Logo, quando usamos N espiras, basta multiplicarmos o valor da eq. 76-15 pelo número de espiras da bobina, ou simplesmente

O produto N I A é chamado de momento magnético da bobina e ele é sempre perpendicular ao plano formado pela área da bobina. Representamos o momento magnético por μ e sua unidade de medida é o ampére metro quadrado. Então, a eq.76-16 pode ser escrita como

Observe que, mais uma vez, essa equação pode ser escrita na forma de um produto vetorial, conforme podemos ver na eq.76-18.

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Em algumas aplicações práticas é interessante termos a possibilidade de controlar o campo magnético de um ímã. Por exemplo, fazer com que o campo possa variar desde zero até um determinado valor. Usando ímãs permanentes essa é uma árdua tarefa. Porém, baseado no aprendizado com o eletromagnetismo, surge a ideia de se construir o chamado eletroímã. O que é um eletroímã?

Na Figura 76-09 vemos a figura de um eletroímã, que como se pode ver são algumas espiras enroladas em torno de um material ferromagnético. Esse material, como tem uma permeabilidade magnética de 2000 a 6000 vezes a permeabilidade magnética do ar, permite que criemos um campo magnético bastante intenso e com sua magnitude controlada, via o valor da corrente elétrica, I, que atravessa o solenóide. Desta forma, é possível ligar e desligar o campo magnético através de uma chave.

Naturalmente, há a necessidade de uma fonte de energia para alimentar o eletroímã, como mostrado na figura acima. E assim, com esta técnica é possível se construir uma imensa variedade de equipamentos elétricos. Como exemplo, podemos citar os relés, que são muito utilizados em automóveis para controle das mais variadas funções, como por exemplo, ligar e desligar faróis, limpa parabrisas, seta de direção, sinalização, ar condicionado, etc ...

Na Figura 76-10, à esquerda, mostramos o esquema interno de um relé. Observe que os terminais B1 e B2 são os terminais que dão acesso ao enrolamento do solenóide que compõe o relé. O terminal identificado pelo número 3 é o terminal onde está ligado o contato móvel, realçado em vermelho na figura. Repare que não aplicando nenhuma tensão de comando ao relé, via terminais B1 e B2, o contato fixo 1 está conectado ao terminal móvel 3, via armadura fixa. Ao aplicarmos uma tensão de comando aos terminais B1 e B2, o solenóide será energizado e o contato móvel será atraído pelo solenóide. Como resultado, teremos o contato móvel desfazendo a conexão com o contato fixo 1 e sendo conectado ao contato fixo 2. Para voltar a situação anterior, basta retirar a tensão dos terminais B1 e B2 e a força de atração do solenóide cessará. Com isso, a mola de rearme refaz a conexão entre os contatos 1 e 3.

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Geradores de energia elétrica são muito comuns no nosso dia a dia. Usinas hidroelétricas, termoelétricas, nucleares, etc ... possuem geradores de alta potência que tem como finalidade suprir energia para grandes cidades. Normalmente esses geradores são do tipo de corrente alternada. Há geradores de pequena potência muito comum em veículos automotores para suprir energia ao veículo. Naturalmente que veículos automotores utilizam corrente contínua, baseado em uma bateria. Logo, para ser possível usar esse tipo de gerador nos veículos devemos retificar a tensão alternada produzida por eles (normalmente trifásica) e transformá-la em corrente contínua. Como fazer isso foi estudado nos capítulos 62, 63. Na literatura técnica, quando se trata de usar geradores AC em veículos automotores, são denominados de alternadores.

Outro tipo de gerador é o que fornece corrente contínua em sua saída. Esse tipo de gerador foi muito utilizado no passado e recebeu o nome de dínamo. Hoje, foram substituídos de forma vantajosa pelos alternadores devido a facilidade de se retificar correntes alternadas, transformando-as em corrente contínua. Vamos estudá-los separadamente.

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O princípio básico de um gerador de energia está baseado no fato que um fio condutor movendo-se sob a influência de um campo magnético, desenvolve uma tensão induzida em seus extremos como já foi estudado. Na Figura 76-11 apresentamos um esquema básico de um gerador baseado nesse princípio. Aqui o fio toma uma forma geométrica retangular, com lados representados por a e b, sendo sua área dada por A = a . b.

Para o gerador funcionar ele deve girar sob a ação de uma força externa, como por exemplo, uma hélice acoplada ao eixo girando sob a ação do vento, um motor a explosão ou qualquer outro dispositivo. A espira está conectada ao meio externo através de um dispositivo formado por um par de escovas e um comutador. Às escovas estão conectados os fios condutores que conduzirão a energia para a carga, esta não mostrada na figura.

Note que a função do comutador é manter a mesma polaridade da tensão induzida na carga. Na Figura 76-12 vemos a forma de onda na saída do gerador. A tensão na saída é nula quando a espira está na horizontal.

Além disso, quando a espira está na horizontal, as escovas curto-circuitam o comutador, colocando os extremos da espira em curto-circuito e garantindo que a tensão na saída é nula. Assim que a espira girar um pequeno ângulo, o curto se desfaz e a tensão na saída começa a crescer até atingir seu máximo quando a espira estiver na vertical. Após atingir o máximo, com o giro continuado da espira, a tensão começa a decrescer até alcançar seu ponto nulo, ou seja, quando a espira está, novamente, na horizontal. E assim, repete-se o ciclo.

Percebe-se claramente que a forma de onda na saída do gerador obedece a forma trigonométrica, representada pela função seno. Veja a semelhança desta forma de onda com a saída de um retificador de onda completa, estudado no capítulo 63. Portanto, o comutador tem a função de retificar em onda completa a tensão alternada que é gerada pela espira e, produzir na saída um tensão de corrente contínua ou, comumente conhecida como CC. No passado este tipo de gerador era conhecido como dínamo e era muito comum seu uso em aero-geradores especialmente projetados para uso na zona rural, onde não havia fornecimento de energia elétrica pelas companhias eletrificadoras. Os veículos automotores da época também usavam os dínamos como fonte de energia para sua operação.

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Outro tipo de gerador possível de se construir é o tipo que gera corrente alternada em sua saída. Para isso devemos fazer uma pequena alteração no comutador.

Na Figura 76-13 temos um diagrama onde mostramos a modificação necessária para transformar um gerador CC em um gerador AC. Repare na duplicação do comutador. Cada um deles tem a sua própria escova encarregada de levar a energia produzida pelo gerador até a carga. Na verdade, em máquinas AC é comum adotar a denominação de anéis deslizantes, ou anéis coletores em vez de comutador.

No meio técnico, costuma-se chamá-los de coletor. Naturalmente que uma das extremidades da espira está conectada ao coletor 1, enquanto a outra extremidade está conectada ao coletor 2.

Na Figura 76-14 é mostrada a forma de onda na saída do gerador AC. Essa forma de onda é perfeitamente descrita pela função trigonométrica seno. E esta função caracteriza a corrente alternada, pois ela tem um pico positivo na primeira metade do ciclo e um pico negativo na outra metade do ciclo. Dessa forma, conseguimos uma forma de onda que se alterna periodicamente.

Podemos determinar o valor desta tensão induzida na espira considerando que o fluxo magnético a qual a espira está submetida é dado por

Note que usamos o fato de que θ = ω t e lembrando que ω = 2 π f, em que ω é a frequência angular com a qual a espira gira. Aqui vamos levar em consideração que o gerador possui não apenas uma espira, mas N espiras e usando a lei de Faraday, a qual é descrita pela eq. 75-13, podemos escrever que

Então, efetuando o cálculo da derivada da função cos ωt, obtemos

Lembrando que o produto A B é igual ao fluxo magnético, podemos dizer que

Isso também é verdadeiro para as máquinas AC reais. Em geral, a tensão em qualquer máquina real dependerá de três fatores:

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Como afirmamos no final do item 4.2 (Torque em uma Espira Condutora) e repetindo aqui

Pois bem, existem alguns tipos de alternadores onde mantemos o enrolamento fixo e fazemos o campo magnético ser giratório, para que haja variação no fluxo magnético da máquina. Com isso, garantimos uma tensão induzida na bobina. Um desses tipos de alternador são os usados em veículos automotores. Na Figura 76-15 mostramos um modelo simplificado desse tipo de alternador

A primeira coisa importante que podemos notar nesse alternador é ele possuir três enrolamentos separados, mecanicamente, por um ângulo de 120°. No centro, girando, encontra-se um ímã permanente por questões didáticas. Portanto, ao girar o ímã produzimos um fluxo variável nos enrolamentos e, consequentemente, surge uma tensão induzida nessas bobinas. Agora, devemos conectar de forma adequada os enrolamentos para obtermos uma tensão na saída do gerador.

Na Figura 76-16 vemos como são ligados os enrolamentos na parte interna de um alternador para veículos automotores. Substituímos os enrolamentos por fontes de tensão para maior clareza. Note que os enrolamentos estão conectados em uma configuração Y ou estrela. Esta configuração é estudada no capítulo 81.

Para se conseguir esta configuração devemos unir os fios dos enrolamentos representados por u, v e w (Figura 76-15). Esta união dá origem ao terminal neutro, indicado na Figura 76-16 pela letra N. E os fios x, y e w, que são onde temos as tensões induzidas são conectados diretamente aos diodos. Como um veículo automotor necessita de uma bateria como fonte de energia, e esta trabalha com corrente contínua, então há necessidade de se retificar a corrente alternada que sai do alternador. Este é o propósito dos três diodos, conectados um por fase, como mostra a figura acima. Dessa forma, nos terminais de saída do alternador obtemos uma corrente contínua, indicada na Figura 76-16 como V_cc.

Na Figura 76-17, na parte superior, podemos ver a conribuição das três fases para a formação da tensão de saída do alternador. Em verde, o terminal x (veja Figura 76-15) com a fase 0°. Em azul, o terminal y (veja Figura 76-15) com a fase -120° e em vermelho, o terminal z (veja Figura 76-15) com a fase +120°. Essa formação da tensão no gerador é a que aparece antes dos diodos.

Na parte inferior da Figura 76-17, vemos a tensão na saída do gerador após ser retificada pelos três diodos. Observe que, quando uma das tensões está na descendente, a próxima fase está na ascendente. Isso faz com que a tensão na saída do gerador não caia abaixo de um valor mínimo, indicada na figura pela faixa laranja. Dessa forma, obtemos na saída uma tensão com polaridade positiva, onde os diodos eliminaram a parte negativa da tensão das fases do alternador. Assim, essa tensão positiva na saída do alternador é conectada ao polo positivo da bateria do veículo. O polo negativo da bateria é conectado no chassis do veículo, onde também está conectado o cabo do alternador indicado com a letra N. Todo esse conjunto forma o sistema que fornece energia elétrica necessária para o perfeito funcionamento do veículo.

Por outro lado, devemos entender que a bateria de um veículo só fornece energia quando vamos acionar o motor de combustão. Uma vez o motor de combustão operando, quem passa a fornecer energia elétrica ao veículo é o alternador, ficando a bateria em regime de "carga flutuante", ou seja, ela recebe uma pequena corrente (da ordem de 1 ampère) do alternador para que sua carga elétrica seja mantida. Para que isso aconteça, a tensão do alternador possui na saída um valor acima do valor da bateria. Para um sistema de 12 volts, a tensão na saída do alternador deve ser entre 13,8 volts e 14,20 volts, dependendo das especificações do fabricante.

Quando um veículo está em movimento, há uma variação muito grande na velocidade de rotação do motor a combustão, ao qual está interligado mecanicamente, via uma correia, o alternador. Isso gera um problema para o sistema elétrico do veículo, pois baseado na eq. 76-21, verificamos que a tensão de saída do alternador varia linearmente com a velocidade angular, ω. Como não podemos alterar o número de espiras do alternador, nem tampouco a área da espira, pois são características de construção do mesmo, então só temos a opção de alterarmos o valor do campo magnético do sistema. E como fazer isso? Vamos recordar o que foi estudado no capítulo 74, no item 4.2 - Campo magnético produzido por um solenóide, mais especificamente, revendo a eq. 74-23, repetida aqui para maior entendimento.

Observe que esta equação deixa claro a relação linear entre o valor do campo magnético e a corrente que circula pelo solenóide. Portanto, concluímos que para variar o campo magnético é suficiente variar a corrente que circula pelo mesmo. Este é um dos motivos pelo qual não podemos usar um ímã permanente como gerador de campo magnético. Assim, devemos usar um solenóide para atuar como um eletroímã.

A Figura 76-18 mostra como isso é feito em um alternador real. Usa-se um rotor feito de material ferromagnético, com um formato adequado. Note a posição do enrolamento dentro do rotor. Este enrolamento em conjunto com a forma do rotor gera, alternadamente, os polos norte e sul necessários para variar o fluxo magnético nas espiras fixas que formam as fases do alternador e ficam alojadas no estator.

Para fornecermos energia elétrica ao solenóide do rotor é que existem dois coletores, que giram com o rotor e a eles está acoplado um par de escovas às quais estão conectadas aos fios de alimentação. Escovas são dois contatos confeccionados com um tipo de carvão endurecido para maior durabilidade. E os coletores são feitos de uma liga de metais, chamada bronze. Portanto são usados dois materiais condutores: carvão e bronze.

A Figura 76-19 mostra um estator real de um alternador. Note como as bobinas são distribuídas ao longo da circunferência do estator. Muitas bobinas em série formam uma fase que está 120° defasada mecanicamente em relação às outras duas. Há alternadores que possuem só três fios no estator. Quando for esse o caso, há necessidade de se usar seis diodos na retificação do sinal. Dessa forma conseguimos restaurar o fio de neutro do alternador.