Transmissão eléctrica

A criação de redes de transmissão e distribuição de electricidade foi uma das mais importantes criações do Homem no século XX. Neste artigo vou enunciar resumidamente os mecanismos e ideias envolvidos numa rede de transmissão eléctrica.

Antes de poder distribuir electricidade é necessário “criá-la”. O método mais conhecido é através das barragens: quando se abrem as comportas, a água que sai faz mover turbinas, as quais ao rodarem fornecem energia mecânica a um gerador eléctrico (em tudo semelhante a um dínamo, por exemplo daqueles que se usavam antigamente nas bicicletas, que aproveitavam a rotação de uma roda para gerar electricidade, a qual fazia acender uma lâmpada). Um gerador eléctrico usa a indução electromagnética (Lei de Faraday) como princípio gerador de correntes eléctricas (o dínamo é apenas um exemplo de um gerador eléctrico): o movimento de rotação que o dínamo sofre faz rodar ímans no seu interior, que criam correntes eléctricas numa bobina. Um gerador eléctrico é basicamente o complementar de um motor eléctrico, pois usa o mesmo princípio físico, mas apenas ao “contrário”, pois enquanto o motor eléctrico usa electricidade para criar um campo magnético, que por sua vez produz movimento, no caso do gerador usa-se o movimento num campo magnético, para criar uma corrente eléctrica (ver o artigo de como fazer um motor homopolar para mais pormenores sobre a indução electromagnética). Note-se que uma turbina não tem que necessariamente transferir a sua energia para um gerador eléctrico – o movimento pode ser imediatamente usado para fazer mover uma outra coisa, aliás a História da turbina remonta ao império Romano:

Esquema de uma serraria romana movida a água em Hierápolis (Turquia).

Também se pode gerar electricidade usando a força do vento, por exemplo. O problema neste caso é que não há controle sobre o vento, ao contrário da barragem, onde se abrem as comportas como se desejar, não sendo por isso uma fonte energética muito “fiável”, e por isso não é usada como fonte directa de energia para abastecer uma cidade, por exemplo. Ao invés, as eólicas são, por exemplo, usadas para repor água nas barragens, em caso de necessidade. Notar que não é praticável o armazenamento de electricidade em “quantidades industriais” (a electricidade não é um fluído e não pode ser armazenado em “garrafas”, ainda que esta ideia errada tenha dado origem à primeira garrafa de Leiden, que é algo semelhante a um condensador eléctrico; por outro lado, apesar de existirem baterias, estas são sempre de capacidade muito reduzida, em comparação com o que seria necessário neste caso), daí fazer-se o armazenamento, por exemplo, na água das barragens.

Contudo, a maior produção de energia eléctrica vem actualmente das máquinas térmicas (cerca de 80% da energia eléctrica usada no mundo). Tal como o nome indica, tem que haver uma fonte de calor: as mais significativas são a queima de combustíveis fósseis (gás natural, carvão e petróleo) e reacções de fissão nuclear; são ainda usadas fontes renováveis, como a energia térmica do Sol (não me refiro aos painéis solares, os quais transformam directamente a luz em corrente eléctrica através do efeito fotoeléctrico (ver Invariância de Einstein) e que são uma outra opção para a geração de electricidade), ou fontes geotérmicas (como a emissão de gases sob pressão existentes debaixo do solo), entre outros. Este calor produz trabalho, tal como numa locomotiva a vapor (que é de resto uma máquina térmica, claro). No caso da locomotiva, o queimar do carvão produz o aquecimento de um depósito de água líquida, a qual vaporiza e empurra um pistão dentro de um cilindro, o qual faz mover as rodas, como podem ver na figura seguinte. Note-se que o vapor de água ocupa mais espaço que a água líquida (considerando a mesma massa de água), daí que a tampa da panela da sopa comece a “saltar” quando a água no seu interior começa a entrar em ebulição. No caso das máquinas térmicas para gerar electricidade, como deverão estar a imaginar, basta fazer com que o pistão produza um movimento em magnetos, tal como a turbina, ou se substitua o próprio cilindro e pistão por uma turbina (que é o mais usual).

As centrais eléctricas só se tornaram economicamente viáveis com a introdução da corrente alternada para a transmissão eléctrica. A corrente contínua tinha um grande problema, que era o facto de não se conseguir “transformá-la” facilmente para uma dada tensão desejável. Por exemplo, se se precisasse de alimentar uma máquina com 500 volts e outra com 100 volts, ter-se-ia que ter diferentes linhas a alimentar cada uma das máquinas (vindas, é claro, de diferentes geradores eléctricos). Chegou-se a pensar que o negócio da electricidade seria em torno da venda de geradores eléctricos e não da própria corrente eléctrica.

Antes desse problema, houve um outro: o da eficiência das linhas. A dissipação energética num fio de electricidade vem do efeito de Joule (explicado no artigo das Lâmpadas). O efeito de Joule é tanto maior quanto for a corrente eléctrica, no entanto, não varia com a tensão. Já a potência da linha é igual ao produto da corrente com a tensão. Assim, a solução para o problema da transmissão foi o uso de elevada tensão, a qual foi inicialmente usada com corrente contínua. Porém, o problema antes referido mantinha-se. A solução foi proposta por Nikola Tesla, a qual usava transformadores e corrente alternada (correntes cuja direcção do fluir de carga muda periodicamente; no caso da que temos em casa, 50 Hz, significa que realiza 50 ciclos por segundo). Descobriu-se que se se usarem duas bobinas (enrolamentos de fio) paralelas, ao fazer-se passar uma dada corrente alternada por uma bobina, com uma dada tensão, esta produz um campo magnético, o qual gera uma corrente eléctrica na segunda bobina. A tensão nesta pode ser controlada através do número de espiras (uma espira corresponde a um “círculo” do enrolamento em espiral na bobina), isto porque a tensão a dividir pelo número de espiras é igual em ambas as bobinas. Assim, se as bobinas tiverem o mesmo número de espiras, não há qualquer transformação; se a segunda bobina tiver, por exemplo, menos espiras, isso implica que irá também ter uma tensão menor. Como não havia transformadores para corrente contínua, a opção proposta por Tesla tornou-se a única viável em termos económicos. Assim, hoje em dia podem-se usar muito altas tensões para fazer a transmissão a longas distâncias e depois usam-se transformadores para fazer a distribuição local (e, claro, ao nível local, podem-se dar mais “transformações” – muitas das máquinas que usamos não usam a tensão da rede, como sabem).

Nikola Tesla (1856-1943). Foi o vencedor da “Guerra das Correntes” (o representante da corrente contínua foi Thomas Edison) e por isso ganhou muita fama. Porém, por causa das suas previsões aparentemente exageradas sobre o que o futuro poderia trazer, foi considerado um “cientista maluco”.

Neste artigo não detalhei muito os fenómenos em causa, porém, se tiverem dúvidas, poderão expô-las nos comentários.