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Afinal, o que é eletricidade?
Todos os fenômenos elétricos ocorrem devido à existência de dois tipos de cargas elétricas, as positivas e as negativas. Você já deve ter ouvido falar que cargas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem. Os elétrons são partículas com carga elétrica negativa e os prótons, partículas com carga positiva. Prótons e elétrons, juntamente com os nêutrons, que não têm carga elétrica, compõem os átomos de tudo o que existe na natureza.
Dizemos que um objeto está com uma carga eletrostática quando apresenta um excesso de elétrons ou de prótons, sendo que apenas os elétrons podem ser transferidos de um corpo a outro. A eletrização pode se dar por contato, atrito ou indução. Nos casos de contato e atrito, elétrons passam de um corpo para outro: os que os recebem ficam eletrizados negativamente e os que os perdem, eletrizados positivamente.
E magnetismo?
As forças magnéticas também atuam à distância, como as gravitacionais e as elétricas, sendo também forças de campo. Os corpos magnetizados, como os ímãs, estabelecem ao seu redor um campo magnético, responsável pelas forças que eles exercem. As linhas do campo magnético se distribuem no espaço ao redor dos ímãs e também podem ser mapeadas.
Os ímãs apresentam polos, denominados norte e sul. De modo análogo às cargas elétricas, os polos iguais se repelem e os diferentes se atraem.
Há uma diferença fundamental entre a natureza elétrica e a magnética da matéria: os polos de um ímã não podem ser encontrados isoladamente, como ocorre com as cargas elétricas. Se quebrarmos um ímã ao meio, cada metade apresentará polos norte e sul; se o quebrarmos novamente, os dois novos pedaços continuarão a ter dois polos e assim por diante.
Eletricidade e magnetismo têm relação?
Você sabia que até o começo do século XIX os fenômenos elétricos eram estudados como se fossem independentes dos fenômenos magnéticos? A partir de 1820, as pesquisas nessas áreas levaram cientistas de diferentes países a constatar a relação entre esses dois campos de investigação. Aos poucos foi formulada a teoria eletromagnética, que unificou as duas áreas de conhecimento e propiciou o surgimento de novas tecnologias.
Um dos grandes responsáveis por essa unificação foi James C. Maxwell, que estabeleceu, em 1873, as equações que sintetizam o conhecimento sobre o eletromagnetismo e a ótica. A consolidação desse novo olhar para a natureza preparou o terreno para a revolução científica que surgiria com Albert Einstein e sua teoria da relatividade, em 1905.
Como funciona um motor elétrico?
Seu funcionamento se deve basicamente à interação entre os fenômenos magnéticos e elétricos. O motor é constituído, de forma simplificada, por bobinas (o rotor) dispostas adequadamente sobre imãs fixos (o estator). Quando as bobinas são percorridas por uma corrente elétrica, o campo magnético gerado ao redor delas interage com o campo dos imãs, fazendo com que elas girem. Provocando-se a inversão da corrente com uma determinada frequência, as bobinas não param de girar. Se ligarmos um motor a um eixo que transmite esse movimento para fora da estrutura, temos um motor.
O motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. A exposição irá mostrar os princípios de funcionamento dos motores elétricos de corrente contínua e dos motores elétricos de corrente alternada.
Vários pesquisadores contribuíram para o avanço tecnológico dessas máquinas, coroando as pesquisas básicas em eletromagnetismo. Além de Siemens, com seu motor de corrente contínua, e Tesla, que inventou o motor de indução bifásico, dois outros pesquisadores merecem destaque: Galileu Ferraris e Michael von Dolivo-Dobrowolsky.
Os motores de corrente alternada logo mostraram suas vantagens frente aos de corrente contínua: sua construção era mais simples, eram mais silenciosos e mais seguros na operação, e demandavam menos manutenção. Isso permitiu a Dobrowolski desenvolver, em 1891, a primeira fabricação em série de motores assíncronos.
“Os motores de corrente alternada [...] eram mais silenciosos, mais seguros na operação, e davam menos manutenção.”
Fabricação e Montagem
Com base no projeto de um produto, é necessário definir todas as etapas e recursos para fabricar e montar os componentes de forma que todas as especificações sejam atendidas. Além de garantir a qualidade, é preciso considerar também os custos do processo para que o produto seja competitivo no mercado.
Por mais simples que uma peça seja, raramente apenas um processo de fabricação pode dar conta das formas geométricas, dimensões e características finais desejadas. Para decidir os processos de fabricação envolvidos, fatores como formato da peça, resistência mecânica, precisão, custos, entre outros, devem ser levados em consideração.
Fundição
Processo mecânico utilizado para a obtenção de um produto fundido em metal (alumínio, bronze, ferro ou aço), que, depois de derretido, é despejado em molde de areia (ou aço), – negativo do produto – permanecendo neste até a solidificar.
É a maneira mais econômica para se conseguir peças com geometrias complexas, que contenham fendas ou nervuras internas, e que sejam de difícil fabricação por meio de qualquer outro processo.
Toda peça fundida em molde de areia passa pelo processo de limpeza em jatos de areia ou granalha de aço e por acabamento superficial para remoção de canais de alimentação e rebarbas. As que possuem bases ou encaixes precisos de montagem são submetidas a processos de usinagem.
Usinagem
Usinagem é o grupo de diferentes processos mecânicos aos quais as peças são submetidas para obter as formas, dimensões e acabamentos finais desejados, onde ocorre remoção de material pela ação de ferramentas de corte.
Entre os processos mecânicos, as operações de usinagem permitem obter maior precisão dimensional, chegando ao nível de milésimos de milímetro (mícrons).Também produzem os melhores acabamentos superficiais.
As ferramentas de corte podem ser manuais, como as limas, serras e serrotes, ou montadas em máquinas operatrizes. Tanto as ferramentas como as máquinas têm características específicas para a obtenção de diferentes geometrias de superfícies.
A geometria da superfície que pode ser gerada e os movimentos de corte, de avanço e de profundidade são fundamentais para entender o funcionamento dos diversos tipos de máquinas operatrizes.
“[...] as operações de usinagem permitem obter maior precisão dimensional, chegando ao nível demilésimos de milímetro (mícrons).”
Conformação Plástica
Neste grupo estão os processos mecânicos em que modificações permanentes da forma geométrica das peças são provocadas pela aplicação de tensões externas inferiores ao limite de resistência à ruptura do material, exceto nos processos de corte de chapa, onde a tensão deve ser superior à resistência ao cisalhamento. Não há remoção de material nesses processos e eles podem ser realizados a frio ou a quente.
O equipamento mais comum para gerar as tensões necessárias são as prensas onde se montam dispositivos, gabaritos, fôrmas ou matrizes. Operações de dobra, por exemplo, podem ser feitos manualmente sem a necessidade de qualquer equipamento ou dispositivo especial.
Além de estamparia e trefilação, os processos de forjamento, laminação e extrusão fazem também parte deste grupo.
Estampagem
É o processo realizado a frio em chapas finas de aço, cobre, alumínio, entre outros materiais, em que estas são cortadas, dobradas e/ou embutidas. O esforço é gerado em uma prensa sobre uma ferramenta especialmente construída para determinada peça ou grupo de peças, chamada de estampo.
O alto custo do estampo é compensado somente quando a quantidade de peças a ser produzida for grande. O processo é de alta produtividade, gerando bom acabamento e uniformidade entre as peças.
Muitas peças presentes em nosso dia-a-dia, como chapas de geladeiras e fogões, carrocerias de carros, carcaças de computadores e aparelhos eletrônicos, luminárias, entre muitos outros foram obtidas por processos de estampagem.
Trefilação
É o processo de fabricação destinado a obtenção de fios, arames e barras finas de metal como aço, cobre e alumínio.
Consiste em puxar o material aplicando uma força de tração contra sucessivas matrizes, chamadas de fieiras ou trefilas, cada uma de seção menor que a anterior, acarretando na redução gradual da bitola do material e no aumento do seu comprimento. O produto resultante tem bom acabamento superficial e com baixa variação dimensional.
Pintura
A partir da revolução industrial, com o desenvolvimento de máquinas e equipamentos, a pintura deixou de ter apenas o papel decorativo para também assumir o de proteção contra as agressividades do meio em que o produto atuará, por exemplo, um motor de uma plataforma de petróleo deverá ser resistente às intempéries e à maresia.
No processo produtivo, as tintas são aplicadas normalmente em duas etapas: a pintura de base, que ocorre logo no início em alguns componentes e a pintura de acabamento, quando o aspecto visual é também importante.
O constante desenvolvimento tecnológico na fabricação de tintas não se limita em melhorar as suas propriedades químicas e mecânicas. Preocupa-se também com a obtenção de tintas ecologicamente corretas e seguras, além de vários outros aspectos, como a redução de custos, diminuindo, por exemplo, as exigências na preparação das superfícies ou permitindo a aplicação em condições ambientais agressivas.
Processos especiais e equipamentos para montagem
Os equipamentos utilizados nos processos especiais e nas operações de montagem são específicos para cada projeto de produto. As empresas precisam projetar e fabricar seus próprios equipamentos para esses fins, pois não existem soluções prontas no mercado.
A ferramentaria é o setor responsável para atender essas necessidades. Ela atua também na confecção de estampos, moldes de fundição e injeção, dispositivos de fixação de peças para usinagem e em diversas outras necessidades específicas da empresa.
Automação
A segunda metade do século XX foi marcada por uma intensa integração entre a pesquisa científica e tecnológica e a produção industrial. Pesquisas com semicondutores levaram ao desenvolvimento da microeletrônica, com o surgimento dos diodos, transistores, circuitos impressos e chips, que possibilitou a miniaturização dos equipamentos.
Com seus hardwares e softwares diversificados, o desenvolvimento da informática, acoplado à microeletrônica, completou o cenário propicio à evolução tecnológica dos motores e geradores. O resultado: melhorias inimagináveis no desempenho dos processos em que esses equipamentos são utilizados.
Alguns dos sistemas eletrônicos presentes nas máquinas elétricas merecem destaque: servomotores para sequências de manobras repetitivas de precisão; capacitores com controles eletrônicos para correção de fator de potência dos motores; inversores de frequência para variar a velocidade; sistemas de acionamento eletrônico que permitem partir, parar e proteger os motores; inversores regenerativos que recuperam parte da energia despendida na frenagem de elevadores e veículos híbridos. Com eles, várias manobras que sem a eletrônica eram realizadas manualmente ou nem mesmo eram possíveis, passaram a ser realizadas por meio da automação.
Assim, os sistemas eletrônicos proporcionam maior segurança, maior precisão nas manobras e melhoria da eficiência energética, garantindo aumento de produtividade, maior cumprimento de metas de sustentabilidade e incremento na qualidade dos produtos e serviços.
“Com seus hardwares e softwares diversificados, o desenvolvimento da informática, acoplado à microeletrônica, completou o cenário propicio à evolução tecnológica dos motores e geradores.”
Geradores
O surgimento do eletromagnetismo tornou possível a segunda revolução industrial. A primeira, iniciada na segunda metade do século XVIII, teve na máquina a vapor de James Watt (1736-1819) sua principal sustentação tecnológica.
A segunda, a partir do final do século XIX, teve como condicionantes tecnológicas várias inovações, como o motor a combustão interna, o uso intensivo do petróleo e o crescente uso da eletricidade, com a construção de usinas de geração de energia e a invenção de motores elétricos eficientes para a época.
Em 1879, deu-se o início do uso da eletricidade na Europa, nos Estados Unidos e também no Brasil. No mesmo ano foi inventada a lâmpada elétrica.
Em 1883, Campos de Goytacazes, no estado do Rio de Janeiro, foi a primeira cidade na América do Sul a contar com serviço de iluminação pública, alimentada por uma pequena usina geradora termelétrica.
Nas usinas geradoras de eletricidade, a energia elétrica pode ser obtida de várias fontes, como o movimento de queda das águas, o calor gerado na queima de combustíveis, a energia liberada em reações nucleares. A energia pode se transformar de um tipo em outro, mas não pode ser criada nem destruída.
Uma vez obtida, a energia elétrica é transmitida por cabos de alta tensão e, ao chegar nos centros consumidores, transforma-se em luz, nas lâmpadas; energia sonora, nos rádios e TVs; energia mecânica, para rotação de motores, e muito mais. Nesse processo, parte da energia se perde em calor, mas se pudéssemos medir todas as perdas e somá-las com as quantidades que tiveram uma utilidade prática, obteríamos o mesmo valor inicial gerado na usina. Isto se deve a uma das regularidades mais importantes que a natureza apresenta, estabelecida como o princípio da conservação da energia.
Dois pesquisadores do século XIX merecem destaque por suas contribuições no desenvolvimento dos geradores elétricos: Werner von Siemens e Nikola Tesla.
Transformadores
A função dos transformadores é menos conhecida pelas pessoas, quando comparada com a dos geradores e motores elétricos. Você sabe o que um transformador transforma?
Inventado por Faraday, em 1831, o transformador é um equipamento instalado entre dois circuitos. Ele tem terminais de entrada e de saída. Ao receber uma determinada tensão elétrica nos terminais de entrada estabelece, por indução eletromagnética, outra tensão nos de saída. Com isso as correntes nos dois circuitos também serão diferentes. Portanto, um transformador altera tensão e corrente elétrica.