O que é eletricidade?

Ben Franklin começou a explorar a eletricidade usando uma chave de metal presa a uma pipa durante uma tempestade — o que não é uma atividade segura para os padrões atuais de saúde e segurança.

Sua teoria era que as nuvens de tempestade retêm eletricidade estática e que os raios são descargas de eletricidade estática. O raio atingiria a chave e a eletrificaria, demonstrando que o raio e a eletricidade são o resultado do mesmo fenômeno. Sua ideia estava certa, de que o relâmpago é o resultado de elétrons viajando das nuvens até o solo, mas lhe faltavam os conceitos científicos para expressar plenamente essa ideia.

Seu manto foi assumido, e o século 19 viu um rápido progresso na ciência elétrica, na engenharia elétrica e na tecnologia de geração de energia.

Os pioneiros da eletricidade, como Alexander Graham Bell, Nicolas Tesla, Werner von Siemens e muitos outros ajudaram a transformar a eletricidade de uma curiosidade científica em uma parte essencial da vida. Alguns desses pioneiros criaram impérios industriais no processo. Entre eles estão Thomas Edison e George Westinghouse. Edison e Westinghouse também foram os protagonistas de um dos episódios mais fascinantes da história da engenharia: a guerra das correntes elétricas. Falaremos disso mais à frente.

A eletricidade é uma forma de energia e consiste em um fluxo de elétrons em um material condutor.

Os elétrons são partículas com carga negativa que giram em torno do átomo. O núcleo de um átomo contém partículas com carga positiva chamadas prótons e partículas sem carga chamadas nêutrons. Normalmente, um átomo pode ter a mesma quantidade de elétrons e prótons. Então, quando o fluxo de eletricidade colide com um elétron em outro átomo, isso resulta em um excesso de elétrons para o átomo receptor. Então, outro elétron é transferido para outro átomo. É assim que a eletricidade flui.

Como a eletricidade é produzida?

A eletricidade é gerada por máquinas projetadas para definir o fluxo de elétrons em movimento e para manter esse fluxo. Isso geralmente é feito por geradores elétricos. Existem outras formas de gerar eletricidade. Alguns exemplos são os painéis solares e as baterias.

Um gerador exige um movimento giratório, geralmente fornecido por algum tipo de turbina ou motor. O movimento giratório é transferido para o rotor do gerador. Dentro do gerador, o rotor cria um campo magnético. Quando o rotor gira, o campo magnético também gira. O campo magnético giratório excita os elétrons nos condutores de cobre na parte estática do gerador, e é isso que cria o fluxo de eletricidade. Podemos pensar nisso como o campo magnético empurrando os elétrons no estator até que comecem a se mover. O fluxo de eletricidade é canalizado através dos condutores de cobre para fora do gerador, para os fios elétricos e para fora da usina de energia.

De onde vem a eletricidade?

Vamos responder essa pergunta de trás para frente.

Aperte um interruptor na sua casa para acender a luz. Nós fazemos isso dezenas de vezes todos os dias sem pensar no que acontece exatamente ou sobre que tipo de sistema elétrico torna isso possível.

Vamos retroceder o fluxo de eletricidade por um momento. A eletricidade entra em sua casa pelo quadro elétrico através de uma entrada de serviço. A entrada de serviço se conecta aos cabos de baixa tensão nas linhas elétricas aéreas, que se conectam a um transformador montado em um poste. Os transformadores montados no poste se conectam a linhas aéreas de média tensão e ao que é conhecido como rede de distribuição, que conecta usuários de eletricidade locais dentro de determinada área.

A rede de distribuição se conecta à rede de transporte por meio de uma subestação. A rede de transporte consiste em linhas de alta e altíssima tensão projetadas para transferir grandes quantidades de eletricidade por grandes distâncias. Essas linhas elétricas levam a usinas de energia, onde a eletricidade é produzida.

Pense na corrente elétrica como a água fluindo por um cano. No início do cano, talvez a centenas de quilômetros de distância, a pressão da água é extremamente alta. À medida que se aproxima dos bairros e das residências, a pressão é reduzida a pressões mais fáceis de controlar. É por isso que a cada etapa do caminho existem subestações e transformadores que reduzem a tensão da eletricidade.

O que é eletricidade renovável?

A eletricidade renovável é simplesmente a eletricidade gerada a partir de fontes de energia renováveis. Solar, eólica e hídrica são três das formas mais populares de gerar eletricidade renovável.

A demanda por eletricidade renovável tem aumentado por dois motivos principais. O primeiro são os preços acessíveis. Painéis solares e turbinas eólicas têm ficado melhores e mais baratos ao longo dos anos. O segundo motivo está relacionado a preocupações ambientais. A tolerância para emissões associadas a usinas de energia a combustíveis fósseis está diminuindo rapidamente. Isso impulsiona a tendência de substituir usinas de energia a combustíveis fósseis por fontes de energia renováveis.

O que são eletricidade AC e DC?

A corrente alternada (AC) e a corrente contínua (DC) são duas formas diferentes pelas quais a corrente elétrica pode fluir em um circuito.

A DC flui a uma taxa constante e sempre na mesma direção. A AC flui a uma taxa variável, e a direção de seu fluxo muda com frequência.

Quando dizemos que nosso suprimento de eletricidade na América do Norte é 60 Hz, isso significa que a direção do fluxo da CA muda 60 vezes por segundo. Pense na AC como o virabrequim de um carro esportivo de corrida bem rápido. Ele tem vários cilindros empurrando o virabrequim para mover o carro, mas os cilindros não empurram o virabrequim ao mesmo tempo. Juntos, eles impulsionam o carro, e esse movimento parece um movimento constante.

Agora, pense na DC como uma furadeira portátil. A furadeira aplica movimento constante e potência constante a qualquer tarefa que esteja realizando.

Nos primórdios da eletrificação, DC e AC eram vistas como formas válidas de gerar, transportar, distribuir e consumir eletricidade. Isso nos leva de volta a Edison e Westinghouse.

Edison imaginou um sistema elétrico baseado em eletricidade de DC. Westinghouse estava apoiando o desenvolvimento de um sistema de AC. O problema para eles era que os sistemas de AC e DC são mutuamente exclusivos — então um precisava prevalecer e o outro, perder. Isso resultou em uma rivalidade acirrada que entrou para os anais da história.

Por fim, a AC se tornou o tipo dominante de eletricidade porque era muito mais fácil de transportar e distribuir com eficiência, de usinas de energia a subestações e, depois, a residências e empresas.

Fragmentos do sistema elétrico de DC de Edison permaneceram na cidade de Nova York até o século 20, atendendo, por exemplo, a edifícios antigos que tinham elevadores de DC ou o sistema de metrô, cujos trens também funcionavam em DC. O último cliente do serviço de DC em Manhattan, um prédio na 40th Street, foi desconectado só em 2007.

Curiosamente, as linhas de transmissão de DC estão voltando em algumas aplicações. Elas são, por exemplo, uma escolha comum para os cabos submarinos que transportam a eletricidade gerada por parques eólicos marítimos de volta à terra. O motivo para as linhas de DC poderem se conectar à rede de AC é que agora existe a eletrônica de potência, que pode converter eletricidade entre DC e AC com perdas mínimas — como a eletrônica de potência não havia sido inventada no século 19, Edison e Westinghouse não tiveram essa opção.

AC, DC e eletricidade renovável

Curiosamente, a ascensão da energia renovável de origem solar e eólica está levando a uma retomada no interesse pela eletricidade de DC. Existem alguns motivos para isso.

O primeiro motivo é que a DC tende a ser uma boa opção para os cabos submarinos que transportam a eletricidade gerada por parques eólicos marítimos de volta à terra. Essas conexões de DC às vezes são conhecidas como linhas HVDC, ou linhas de corrente contínua de alta tensão.

Outro motivo é o fato de que os painéis fotovoltaicos só podem produzir eletricidade em DC.

O terceiro motivo é o resultado do aumento do uso de sistemas de armazenamento de energia de bateria em escala de serviço de abastecimento, que muitas vezes são construídos com painéis fotovoltaicos para ajudar a reduzir sua variabilidade e, como os painéis fotovoltaicos, só podem produzir eletricidade de DC. Todos esses elementos de DC são conectados à rede elétrica mais ampla, que tem eletricidade de AC, usando eletrônica de potência que pode converter eletricidade entre DC e AC com perdas mínimas.

A eletrônica de potência não tinha sido inventada no século 19, e infelizmente essa opção não estava disponível para Edison e Westinghouse.