Kascher

Excitação transitória de circuitos elétricos, desmistificando a “visão de baixa frequência” para explicar o fenômeno

(Parte 1)

 

Prof. Ronaldo Kascher, Dr.

11 – 09 – 2019

O professor de física do terceiro ano do segundo grau têm a difícil missão de explicar aos alunos o funcionamento dos circuitos CC simples (bateria e resistor). Com a “Lei de Ohm” no quadro utilizam analogia mecânica para explicar o sentido físico da expressão pois, afinal de contas, estão lidando com fenômenos “invisíveis” e não tão intuitivos como os da mecânica básica (força, atrito, momento, energia, etc.). Assim a corrente elétrica (Coulombs / segundo, ou Ampere) passa a ser na analogia, digamos, litros por segundo em um sistema equivalente hidráulico. A DDP elétrica passa a ser o equivalente da diferença de pressão no circuito hidráulico que “empurraria” o fluido através das tubulações, e assim por diante, cumprindo o professor a parte mais importante da instrução que é o entendimento qualitativo do circuito elétrico. Caso eu ministrasse aula para esta turma faria o mesmo. A analogia é uma poderosa ferramenta para ajudar no entendimento dos fenômenos mais complexos.

 

Com a “Lei da Ohm” bem “entendida” o aluno que se iniciou em um curso de engenharia elétrica ou eletrônica, é “apresentado” aos geradores senoidais (harmônicos) tão logo cursem a disciplina de circuitos elétricos CA. Temos agora, diria o professor, uma “bateria” cuja tensão (e corrente) variam harmonicamente no tempo. Para amenizar a “surpresa” dos alunos com o fato, o professor sabiamente explica à turma que a solução destes circuitos CA seria a mesma que a aplicada aos circuitos CC já aprendidos no segundo grau, com algumas observações extras.

Vem ai o conceito de “fase” (pois os valores de tensão e corrente variam no tempo), “impedância” (que teria a mesma característica básica da resistência nos circuitos CC, mas que agora poderia “defasar” as correntes de tensões) por conseguinte havendo necessidade do uso de álgebra com números complexos (amplitude e fase das grandezas elétricas) para sua perfeita quantificação.

A Fig. 1 mostra, como nos foi ensinado pela eletrotécnica clássica que a corrente do 60 Hz seria máxima em direção à carga Z2 (curto) e zero em direção à carga Z1. “A corrente busca a menor resistência” na visão clássica.

E assim o aluno consolida a impressão de que os princípios aprendidos no entendimento dos circuitos CC são plenamente aplicáveis aos circuitos CA à frequência industriais.

Aí é que começa a dificuldade do aluno para entender os fenômenos transitórios decorrentes dos raios e dos chaveamentos elétricos

 

Fig. 1 - Circuito simples excitado por gerador de 1KV / 60 Hz. Circuito "aberto" em uma extremidade e em "curto" na outra.

 

A Fig. 2 apresenta a mesma linha sendo excitada por uma corrente de descarga (surto elétrico) com valor de pico de 100 kA. Apesar da LT apresentar as mesmas impedâncias de terminação da Fig.1, assim que ocorrer a excitação, a corrente de dividirá em duas de mesma intensidade e com o valor correspondente à metade do valor da descarga (50 kA).

Fig. 2- Circuito simples excitado por uma corrente transitória. Circuito “aberto em uma extremidade e em “curto” na outra.

Com isto a linha será excitada com uma tensão impulsiva de 4MV! Sob forma de um surto que se propagará ao longa da linha. Esta constatação soa estranha para os profissionais da área elétrica habituados com circuitos de baixa frequência. Mas as “Leis do Eletromagnetismo” são as mesmas para as duas situações! O que ocorreu?

(Continua na Parte 2)