No contexto da aviação, a eletricidade desempenha um papel essencial no funcionamento de uma vasta gama de sistemas e dispositivos a bordo, desde a ignição e partida dos motores até a navegação e comunicação. Para os profissionais da aviação, especialmente os comissários de voo, o conhecimento sobre o sistema elétrico das aeronaves é fundamental para assegurar a operação segura e eficiente durante o voo.
Este post explora os princípios básicos da eletricidade aplicada à aviação, abordando desde os conceitos fundamentais de átomos e cargas elétricas até as complexas interações entre magnetismo e eletricidade, essenciais para o entendimento dos sistemas elétricos nas aeronaves modernas.
Generalidades – A eletricidade a bordo de aeronaves desempenha um papel vital em diversas operações, incluindo a ignição e partida dos motores, iluminação, comunicação, navegação e acionamento de acessórios. Para compreender plenamente o funcionamento desses sistemas, é essencial começar o estudo pelos fundamentos mais básicos da eletricidade aplicada na aviação.
Átomos – Toda matéria é composta por átomos, que são as unidades fundamentais de qualquer substância. Cada átomo é constituído por um núcleo central, composto por prótons e nêutrons. Circundando este núcleo, existe uma região denominada eletrosfera, onde elétrons orbitam ao redor do núcleo.
O número de prótons em um átomo é igual ao número de elétrons e varia conforme o tipo de substância. Por exemplo, um átomo de carbono possui seis prótons, seis elétrons e um número variável de nêutrons.
Cargas Elétricas – Os prótons possuem uma característica conhecida como carga elétrica positiva, enquanto os elétrons possuem carga elétrica negativa. As cargas de mesma polaridade, sejam elas positivas ou negativas, se repelem mutuamente, enquanto cargas opostas, uma positiva e outra negativa, se atraem.
Este princípio básico de atração e repulsão de cargas elétricas é fundamental para o entendimento da eletricidade. Diferentemente dos prótons e elétrons, os nêutrons não possuem carga elétrica e, portanto, não participam de forças de atração ou repulsão.
Corrente Elétrica – A corrente elétrica é definida como o movimento de cargas elétricas através de um material. Nos condutores metálicos, essa corrente é gerada pelo fluxo de elétrons que se encontram na órbita externa dos átomos, conhecidos como elétrons livres.
Em substâncias líquidas, como a salmoura, tanto cargas positivas quanto negativas se deslocam em direções opostas; contudo, por convenção, considera-se que o sentido da corrente é o das cargas positivas.
Materiais que permitem a passagem dessa corrente são chamados de condutores elétricos, enquanto aqueles que impedem o fluxo de corrente são conhecidos como isolantes elétricos.
Circuitos Elétricos: Para que uma corrente elétrica se estabeleça, é imprescindível que exista um circuito fechado, permitindo que os elétrons se desloquem. Como ilustrado na figura, esse circuito é composto por uma fonte de energia (pilha), uma lâmpada e condutores que interligam esses componentes.
Operação do Circuito: O polo positivo de uma pilha é caracterizado por possuir um potencial elevado, devido à presença abundante de cargas positivas. Em contrapartida, o polo negativo apresenta um potencial reduzido, devido à concentração de elétrons.
No circuito, os elétrons são repelidos pelo polo negativo e se deslocam em direção ao polo positivo, atravessando a lâmpada. É importante destacar que, na figura, o sentido da corrente convencional é representado, ainda que não existam cargas positivas circulando no circuito.
As cargas positivas sempre se movem de uma região de alto potencial para uma de baixo potencial, de maneira similar ao movimento da água de um ponto elevado para um mais baixo. Esse movimento define o sentido da corrente convencional. Por outro lado, as cargas negativas se movem no sentido oposto ao convencional.
De qualquer maneira, uma corrente elétrica só pode ocorrer entre dois pontos com potenciais distintos. No campo da eletricidade, essa “diferença de potencial” é também conhecida como “voltagem” ou “tensão”, sendo medida em volts (V).
Força Eletromotriz (FEM) – Refere-se à diferença de potencial gerada por uma fonte de energia elétrica, como uma pilha, bateria ou gerador. É importante notar que as diferenças de potencial observadas em dispositivos que consomem eletricidade, como lâmpadas ou motores, não são classificadas como Força Eletromotriz.
Medição de Tensão, Voltagem ou Diferença de Potencial – Para que um motor, lâmpada ou qualquer outro dispositivo elétrico funcione, é essencial que uma diferença de potencial seja aplicada a ele. A medição dessa diferença de potencial, também chamada de voltagem, é realizada com o auxílio de um voltímetro.
Para garantir uma medição precisa, o voltímetro deve ser conectado em paralelo com a carga, isto é, nos mesmos pontos onde a carga está conectada.
Medição da Corrente Elétrica – A corrente elétrica, que é quantificada em ampères (A), é medida utilizando-se um amperímetro. Para realizar a medição corretamente, o amperímetro deve ser conectado em série com a carga, como por exemplo, um motor.
Dessa forma, a corrente que circula através do motor também passará pelo amperímetro, permitindo uma leitura precisa do fluxo de corrente.
Resistência Elétrica – Todo material apresenta uma resistência à passagem da corrente elétrica, e essa resistência é medida em ohms (Ω) utilizando-se um ohmímetro. No caso de fios condutores, a resistência é influenciada por três fatores principais:
a) Material do fio: Por exemplo, o cobre apresenta menor resistência elétrica em comparação ao alumínio.
b) Comprimento do fio: Quanto maior o comprimento do fio, maior será a resistência elétrica.
c) Seção transversal do fio (espessura): Fios mais grossos têm menor resistência elétrica.
A Lei de Ohm, um princípio fundamental da eletricidade, estabelece que a corrente elétrica (I) é igual à tensão (V) dividida pela resistência (R). Por exemplo, se uma lâmpada com resistência de 6Ω for conectada a uma bateria de 12 V, a corrente que passará pela lâmpada será de 2 A.
Potência Elétrica – Além da aplicação da Lei de Ohm, que nos auxilia no cálculo da corrente elétrica em um circuito, também podemos determinar a potência consumida por um dispositivo elétrico utilizando a seguinte fórmula:
Potência = Tensão X Corrente
No exemplo apresentado, temos o seguinte cálculo:
Potência = 12V X 2A = 24W (Watts)
Essa fórmula é essencial para compreender o consumo energético de dispositivos em um circuito, sendo fundamental para profissionais da aviação, que devem garantir o funcionamento eficiente e seguro dos sistemas elétricos a bordo.
Baterias
As baterias desempenham um papel importante na aviação, fornecendo a energia necessária para iniciar o motor da aeronave e para alimentar os sistemas elétricos em situações de emergência ou quando o motor está desligado. As baterias mais comuns utilizadas na aviação são as de chumbo e as de níquel-cádmio, cada uma com características e aplicações específicas.
A capacidade de uma bateria é expressa em amperes-hora (A.h), o que indica a quantidade de corrente que ela pode fornecer ao longo do tempo. Por exemplo, uma bateria com 60 A.h pode fornecer uma corrente de 60 amperes durante uma hora.
Baterias de Chumbo
As baterias de chumbo, também conhecidas como baterias chumbo-ácidas, são compostas por placas positivas e negativas feitas de chumbo e imersas em uma solução de água e ácido sulfúrico, chamada eletrólito. Cada célula dessas baterias gera uma tensão de 2 volts.
Portanto, uma bateria de 12 volts é composta por seis células, enquanto uma de 24 volts possui doze células. Essas baterias podem sofrer um processo de deterioração química, conhecido como sulfatação, se permanecerem descarregadas por longos períodos.
Baterias Alcalinas ou de Níquel-Cádmio
As baterias de níquel-cádmio utilizam um eletrólito alcalino, geralmente hidróxido de potássio, em vez de ácido sulfúrico. As placas positivas dessas baterias são feitas de sais de níquel, enquanto as placas negativas são feitas de sais de cádmio. Cada célula dessas baterias gera 1,2 volts. Para alcançar 12 volts, são necessários dez elementos, e para 24 volts, vinte elementos são necessários.
Manutenção das Baterias
Para garantir o bom funcionamento e prolongar a vida útil das baterias, é fundamental que elas sejam mantidas devidamente carregadas, com os eletrólitos no nível correto. Durante o processo de carregamento, é essencial monitorar a voltagem e a corrente, mantendo-as dentro dos limites recomendados para evitar danos à bateria.
Conexão de Fontes Elétricas
Fontes elétricas podem ser interligadas em configurações de série ou paralelo para modificar a tensão ou a capacidade de fornecimento de corrente elétrica. As ilustrações a seguir demonstram a maneira correta de realizar essas conexões em cada situação.
Fontes em Série
Nesta configuração, as tensões das fontes são somadas, enquanto a corrente permanece constante em todo o circuito. A ligação em série é amplamente utilizada quando se deseja obter uma tensão maior do que a oferecida por uma única fonte. É possível conectar em série fontes de diferentes voltagens, tamanhos e tipos.
Fontes em Paralelo
Quando as fontes são conectadas em paralelo, as correntes se somam, mantendo a tensão constante. Esta configuração é empregada para aumentar a capacidade de fornecimento de corrente do conjunto. É fundamental que todas as fontes conectadas em paralelo tenham a mesma voltagem; caso contrário, as fontes com menor voltagem podem acabar consumindo corrente ao invés de fornecê-la.
Conexão de Cargas Elétricas
Assim como as fontes elétricas, as cargas também podem ser conectadas em série ou em paralelo, dependendo da aplicação desejada.
Cargas em Série
Na configuração em série, todas as cargas são percorridas pela mesma corrente elétrica. A tensão da fonte é dividida entre as cargas conectadas. Por exemplo, se uma fonte de 12 volts alimenta 12 cargas conectadas em série, cada carga receberá 1 volt.
Cargas em Paralelo
A ligação em paralelo é a mais comum em circuitos elétricos. Nesta configuração, todas as cargas recebem a mesma tensão, porém as correntes variam de acordo com o consumo individual de cada carga. A corrente total fornecida pela fonte é a soma das correntes de todas as cargas conectadas.
Magnetismo
O magnetismo é um fenômeno físico de grande relevância, amplamente reconhecido pela capacidade dos ímãs de atrair materiais ferromagnéticos, como o ferro. Cada ímã é caracterizado pela presença de dois polos distintos, conhecidos como “Polo Norte” (abreviado como “N”) e “Polo Sul” (abreviado como “S”).
Quando um ímã é dividido em partes, cada segmento resultante se comporta como um novo ímã, mantendo seus próprios polos norte e sul. A interação entre ímãs segue um princípio fundamental: “polos iguais se repelem, enquanto polos opostos se atraem”. Este comportamento básico dos ímãs é essencial para a compreensão do magnetismo em aplicações práticas e teóricas.
Campo Magnético
O campo magnético é definido como a região ao redor de um ímã na qual suas forças magnéticas exercem influência. Esse campo é comumente representado de forma visual através de linhas de indução imaginárias, que ilustram a direção e o sentido das forças magnéticas presentes.
Essas linhas são importantes para entender como o magnetismo se manifesta e se distribui ao redor de um ímã. Na ilustração a seguir, são apresentadas as linhas de indução magnética de um ímã em forma de barra, destacando a configuração do campo magnético.
Uma das configurações mais eficientes do campo magnético ocorre quando os polos norte e sul de um ímã estão posicionados frente a frente. Nessa disposição, as linhas de indução magnética tendem a ser aproximadamente paralelas e uniformemente distribuídas entre os polos. Esse arranjo é particularmente valioso em diversas aplicações, sendo amplamente utilizado em máquinas rotativas, onde a uniformidade do campo é essencial para o funcionamento eficiente.
Nos ímãs em formato de “U”, o campo magnético resultante apresenta características semelhantes, porém com uma distribuição menos uniforme das linhas de indução, o que pode impactar o desempenho dependendo da aplicação específica.
Eletromagnetismo – É o campo da física que explora a interação entre eletricidade e magnetismo. A compreensão dessa interação é fundamental para a criação de eletroímãs, dispositivos que, ao contrário dos ímãs permanentes, podem ser ativados e desativados conforme necessário. A seguir, serão apresentados os detalhes sobre este processo e suas aplicações.
Aplicações do Eletroímã: Relé e Solenoide
Relé – Trata-se de um interruptor que é ativado por um eletroímã, sendo amplamente utilizado para controlar o acionamento e o desligamento de dispositivos elétricos. O funcionamento do relé baseia-se na atração de uma lâmina móvel de ferro pelo campo magnético do eletroímã, o que, por sua vez, ativa os contatos elétricos do circuito.
Solenoide – É um tipo de eletroímã que possui força suficiente para operar mecanismos mecânicos. Na configuração ilustrada abaixo, a bobina do solenoide é responsável por acionar uma válvula hidráulica, ao puxar o núcleo deslizante de ferro, o que permite o controle preciso do fluxo hidráulico.
Indução Eletromagnética e Lei de Faraday
A indução eletromagnética é um fenômeno físico fundamental que possibilita a geração de força eletromotriz (FEM) e corrente elétrica por meio da interação com um campo magnético. Este fenômeno é amplamente utilizado em diversas aplicações tecnológicas, sendo essencial para a conversão de energia mecânica em energia elétrica.
Indução Eletromagnética
Quando um condutor elétrico é movimentado no interior do campo magnético gerado pelos polos de um ímã em formato de “U”, ocorre a indução de uma força eletromotriz (FEM) ao longo do condutor. Este processo, conhecido como indução eletromagnética, é a base para a geração de eletricidade em dispositivos como geradores e alternadores, onde a energia mecânica é convertida em energia elétrica.
Lei de Faraday
A Lei de Faraday descreve quantitativamente o processo de indução eletromagnética. Em um exemplo ilustrativo, considere um anel metálico quadrado posicionado parcialmente dentro de um fluxo magnético.
Este fluxo pode ser parcialmente confinado dentro do anel, enquanto o restante o contorna externamente. De acordo com a Lei de Faraday, qualquer variação no fluxo magnético que passa através do anel – seja ele aumentando, diminuindo ou alterando sua intensidade – induz uma corrente elétrica no anel.
Por exemplo, se o anel for deslocado verticalmente para cima, como mostrado em diagramas típicos, o fluxo magnético dentro do anel aumentará, resultando na geração de uma corrente elétrica. Alternativamente, o simples ato de girar o anel também pode produzir um efeito semelhante.
Este princípio é aplicado na construção de alternadores, dispositivos que convertem energia mecânica em energia elétrica por meio da rotação de um campo magnético em torno de um condutor.
Alternador
O alternador é um dispositivo essencial na geração de eletricidade, responsável por produzir corrente elétrica alternada utilizando o princípio da indução eletromagnética, conforme descrito pela Lei de Faraday.
A corrente alternada, como a fornecida às residências em sistemas de 127 volts, é um exemplo clássico de energia gerada por um alternador. É importante destacar que este valor de tensão não é constante, mas oscila entre valores máximos e mínimos com uma frequência de 60 ciclos por segundo, ou 60 Hertz, característica do sistema elétrico residencial.
Um alternador típico é composto por uma bobina de formato retangular que gira dentro de um campo magnético criado por um ímã. À medida que a bobina gira, ocorre uma variação cíclica no fluxo magnético que atravessa seu interior.
Essa variação induz uma corrente elétrica na bobina, que é então coletada por meio de escovas fixas. Estas escovas mantêm contato contínuo com dois anéis conectados à bobina, permitindo a transferência da corrente gerada para um circuito externo.
Dínamo – O dínamo é um dispositivo gerador de energia elétrica, especificamente projetado para produzir corrente contínua. Seu princípio de operação fundamenta-se na indução eletromagnética, conforme descrito pela lei de Faraday.
A estrutura do dínamo é comparável à do alternador, com a diferença de que os anéis coletores do alternador são substituídos por um comutador ou coletor no dínamo. Este componente é responsável por retificar a corrente alternada gerada pela bobina rotativa, convertendo-a em corrente contínua.
Embora o dínamo teórico produza uma corrente que não é totalmente contínua, mas sim pulsante, em um dínamo real, o rotor é equipado com várias bobinas dispostas em diferentes ângulos. Esta configuração tem o propósito de suavizar as oscilações, resultando em uma corrente praticamente contínua.
Nos dínamos reais, tanto os rotores quanto os polos são fabricados em ferro, um material ferromagnético com a capacidade de concentrar e intensificar o campo magnético gerado. Essa escolha de material é fundamental para maximizar a eficiência do dínamo.
Os polos do dínamo são, na verdade, eletroímãs. Isso significa que eles são equipados com bobinas ou enrolamentos de campo, responsáveis por gerar o campo magnético necessário para a operação do dispositivo. No entanto, esses componentes não estão representados na ilustração fornecida.
O alternador do tipo automotivo, amplamente utilizado em aeronaves leves, é, na realidade, um dínamo. Isso se deve ao fato de possuir diodos retificadores que desempenham a função equivalente a de um comutador, convertendo a corrente alternada em corrente contínua.
Regulador de Voltagem
O regulador de voltagem é um componente essencial que assegura a estabilidade da voltagem gerada pelo gerador em qualquer regime de rotação do motor da aeronave, além de prevenir a geração de corrente excessiva.
A voltagem gerada por alternadores e dínamos varia de acordo com a rotação, conforme estabelecido pela Lei de Faraday, que determina que a Força Eletromotriz (FEM) aumenta com a velocidade de variação do fluxo magnético.
O regulador de voltagem atua diretamente no controle do gerador, prevenindo flutuações indesejadas na voltagem.
Para uma proteção adicional, é empregado um disjuntor de corrente reversa (RCCB – “Reverse Current Circuit Breaker”), que evita o descarregamento da bateria através do gerador quando este não estiver operando.
Sistema Elétrico de Corrente Alternada – O sistema de corrente alternada (CA) em aeronaves geralmente opera com tensões de 115 ou 120 volts e uma frequência de 400 hertz.
Em aeronaves de grande porte, a utilização de corrente alternada apresenta a vantagem de reduzir o peso dos condutores e dos acessórios elétricos. Entretanto, em aeronaves de pequeno porte, essa vantagem é negligenciável, razão pela qual se utiliza exclusivamente o sistema elétrico de corrente contínua (CC).
TRANSFORMADOR – É um dispositivo de conversão de corrente alternada (CA-CA) amplamente utilizado para modificar a tensão elétrica de um determinado nível para outro. Seu princípio de operação baseia-se no fenômeno da indução eletromagnética.
O transformador é composto por duas bobinas, conhecidas como enrolamentos, que são dispostas em um núcleo comum, o que garante que o fluxo magnético gerado seja compartilhado por ambas. Quando o enrolamento primário é alimentado com corrente alternada, ele cria um fluxo magnético variável.
Segundo a Lei de Faraday, esse fluxo magnético variável induz uma corrente alternada no enrolamento secundário.
A tensão induzida no enrolamento secundário é diretamente relacionada ao número de espiras desse enrolamento. Caso o número de espiras no secundário seja igual ao do primário, a tensão resultante será idêntica à tensão aplicada ao primário.
Se o número de espiras for maior no secundário, a tensão também será maior, e, inversamente, se o número de espiras for menor, a tensão será reduzida.
CONVERSORES – Os conversores são dispositivos essenciais para alterar o tipo de corrente elétrica (corrente contínua – CC, ou corrente alternada – CA), a voltagem ou a frequência, conforme necessário. Em aeronaves, os conversores desempenham um papel fundamental, com os seguintes tipos sendo os mais comuns:
a) Conversores CA-CA
Esses conversores são empregados para ajustar a voltagem da corrente alternada, seja aumentando ou diminuindo-a. Um exemplo clássico desse tipo de conversor é o transformador.
b) Conversores CA-CC
Responsáveis por transformar corrente alternada em corrente contínua, esses dispositivos são comumente conhecidos como retificadores.
c) Conversores CC-CC
Utilizados para modificar a voltagem da corrente contínua, esses conversores são compostos por vários componentes, incluindo chaveadores, retificadores e transformadores.
d) Conversores CC-CA
Conhecidos como inversores, esses conversores transformam corrente contínua em corrente alternada. Eles são componentes importantes em sistemas “no-break”, onde geram corrente alternada a partir da corrente contínua armazenada em baterias.
MOTORES ELÉTRICOS – Os motores elétricos operam com base nas forças geradas em condutores que transportam corrente elétrica quando estão imersos em um campo magnético.
Na figura, observa-se o esquema de um motor elétrico de corrente contínua (CC). Este tipo de motor pode ser considerado um dínamo operando em sentido inverso, ou seja, ele converte energia elétrica em energia mecânica.
Em aeronaves, os motores elétricos desempenham diversas funções críticas, como iniciar o motor principal da aeronave, recolher o trem de pouso, acionar os flapes, operar bombas de combustível, e ativar atuadores e servos do sistema de piloto automático, entre outros.
Atuador – O atuador elétrico desempenha um papel vital em diversas operações mecânicas, como o recolhimento do trem de pouso e a variação do passo das hélices, por meio da torção das pás.
Este dispositivo é essencialmente composto por um motor elétrico, acoplado a um sistema de engrenagens de redução, fusos e hastes móveis, permitindo a execução precisa das funções mecânicas necessárias para a operação segura e eficiente da aeronave.
Servo – O servo, ou servomecanismo, é um tipo de atuador especializado que possui a capacidade de se posicionar em qualquer ponto determinado, em resposta aos comandos emitidos por um computador ou outro dispositivo de controle.
Funcionando de maneira integrada, similar à relação entre músculos e cérebro, os servos desempenham um papel vital em sistemas como o piloto automático. O funcionamento e aplicação desses servomecanismos serão abordados com maior detalhamento em capítulos subsequentes.
Motor de Partida (“Starter”) – O motor de partida representa uma aplicação essencial do motor elétrico na aeronave, sendo utilizado para iniciar o funcionamento do motor principal. Este dispositivo é alimentado pela bateria da aeronave ou por uma fonte externa de energia. O acionamento ocorre, de maneira análoga aos automóveis, através de uma chave de ignição.
Em alguns casos, esses motores de partida também desempenham a função de dínamos, sendo então denominados “starter-generators”. Em aeronaves desprovidas de sistema elétrico, a partida do motor deve ser realizada manualmente, por meio da hélice, por uma pessoa devidamente treinada.
Dispositivos de Proteção em Circuitos Elétricos
Os circuitos elétricos são equipados com dispositivos de proteção projetados para evitar danos e riscos de incêndio decorrentes de sobrecargas de corrente. Entre esses dispositivos, os fusíveis são componentes de natureza descartável que contêm um condutor interno.
Este condutor é projetado para se fundir e interromper o circuito em caso de corrente excessiva, prevenindo danos maiores. Por outro lado, os disjuntores, conhecidos como “circuit breakers”, operam por meio de um mecanismo sensível a variações térmicas ou magnéticas.
Quando uma sobrecarga de corrente é detectada, esse mecanismo desarma o circuito. Ao contrário dos fusíveis, os disjuntores podem ser reativados manualmente pelo piloto, permitindo o controle imediato do sistema elétrico conforme necessário.
Distribuição de Energia Elétrica em Aeronaves
Em aeronaves equipadas com diversos acessórios elétricos, a distribuição da corrente elétrica é realizada por meio de terminais de ligação conhecidos como barras ou barramentos (“bus bars”). Esses barramentos permitem a distribuição eficiente da energia, enquanto o retorno da corrente se dá através da massa ou terra.
Em aeronaves de maior porte, múltiplos barramentos são utilizados, cada um com uma função específica, como a barra principal, barra de emergência e barra de aviônicos, entre outras. Essas barras podem ser desconectadas individualmente pelo piloto utilizando disjuntores, proporcionando controle preciso sobre os sistemas elétricos da aeronave.
A massa, que serve como o condutor negativo geral, é formada pela própria estrutura da aeronave, garantindo a conexão elétrica entre todas as partes metálicas, incluindo o motor, trem de pouso, superfícies de controle e hastes de comando.
Supervisão do Sistema Elétrico
O monitoramento abrangente do sistema elétrico pode ser realizado por meio de instrumentos de medição como o voltímetro e o amperímetro.
A compreensão dos sistemas elétricos nas aeronaves vai muito além do simples conhecimento técnico; trata-se de uma questão de segurança e eficiência operacional. Desde os conceitos básicos de corrente e tensão até a aplicação prática em dispositivos como alternadores e motores de partida, cada componente elétrico desempenha um papel vital na operação segura de uma aeronave.
Para os profissionais da aviação, especialmente aqueles envolvidos diretamente no gerenciamento e operação dos sistemas elétricos, é vital não apenas entender esses conceitos, mas também estar preparado para lidar com as exigências práticas do ambiente aéreo. Este conhecimento é um pilar essencial na formação de um comissário de voo altamente qualificado e capaz de contribuir significativamente para a segurança e eficiência das operações aéreas.
