CA ou CC: qual é melhor?

Reza a lenda que a banda de rock AC/DC tirou seu nome de uma etiqueta em uma antiga máquina de costura da casa dos irmãos Young. Isso provavelmente significava que a máquina podia funcionar com corrente alternada ou contínua. Hoje, todos os aparelhos eletrônicos modernos em nossas casas funcionam apenas com energia CC — até mesmo as luminárias, agora que os LEDs substituíram as lâmpadas incandescentes.

Mas espere. A eletricidade que sai da sua tomada é corrente alternada . Isso significa que cada dispositivo precisa converter energia CA em CC, além de reduzir a tensão para níveis muito mais baixos usados em circuitos digitais. Então você pode se perguntar: não faria mais sentido ter tomadas CC em casa?

Essa é uma ótima pergunta, e na verdade gerou um grande debate nos primórdios da eletrificação. Thomas Edison era a favor de circuitos CC, mas Nikola Tesla acreditava que circuitos CA eram a solução. Claramente, Tesla venceu a discussão. Vamos ver por quê!

Eletricidade é um fluxo de elétrons através de um material condutor, como um fio metálico. Podemos imaginar a rede elétrica como um sistema de rios e córregos com corrente fluindo por eles. Em um rio, uma diferença de altitude faz com que a água desça; em uma linha de energia, a força que impulsiona a corrente é a voltagem — uma diferença de energia potencial entre dois pontos em um circuito.

Essa analogia funciona para corrente contínua, de qualquer forma. Mas, na maioria das redes, a energia elétrica é transmitida com tensão alternada. Isso significa que os polos negativo e positivo se alternam, fazendo com que os elétrons se movam indefinidamente para frente e para trás, em vez de viajarem em um fluxo contínuo.

Como você pode imaginar, isso torna a corrente alternada mais complicada de lidar. Então Edison tinha razão: a corrente contínua é muito mais simples. Na verdade, qualquer um pode construir um circuito CC. Tudo o que você precisa é de uma bateria e um fio para conectar os eletrodos positivo e negativo. Você pode até fazer sua própria bateria. Basta pegar dois metais diferentes, como zinco e cobre, e colocá-los em extremidades opostas de uma batata. O ácido no suco da batata reage de forma diferente com os dois metais, criando uma pequena quantidade de voltagem — o suficiente para acender um pequeno LED. CC é fácil.

Por exemplo, suponha que você queira criar uma torradeira CC. Uma torradeira é basicamente uma caixa com um fio dentro que esquenta quando a corrente passa por ela. Digamos que essa torradeira precise de 1.000 watts de potência. Ah, potência? Essa é a taxa de energia ( E ) em função do tempo ( t ). Então, se você aplicar 1 joule de energia em um fio em 1 segundo, isso equivaleria a 1 watt de potência ( P ):

Para a energia elétrica em particular, podemos calcular que como o produto da corrente elétrica ( I ) e da tensão ( V ):

Com isso, podemos desenhar um diagrama simples do circuito da torradeira:

O fio de nicromo dentro da torradeira não é um bom condutor. Ele impede o fluxo de corrente, causando o aquecimento do fio. Portanto, é basicamente um dispositivo para converter energia elétrica em energia térmica. No diagrama acima, R representa a resistência, medida em ohms.

Digamos que nossa fonte de alimentação CC funcione a 10 volts. Podemos usar isso para encontrar o nível de resistência necessário para deixar nossa torrada bem quentinha. Existe uma relação entre a corrente ( I ) e a tensão ( V ) de um resistor chamada Lei de Ohm, que nos dá a seguinte expressão para a potência:

Com 10 volts, precisamos de uma resistência de 0,1 ohm (que é ínfima) para obter uma potência de 1.000 watts. Mas espere — não é apenas o elemento de aquecimento interno que cria resistência no circuito. O cabo de alimentação que você conecta na tomada também tem resistência. O fio de cobre dentro do cabo é um bom condutor, mas o comprimento do próprio cabo aumenta a resistência.

Para facilitar, imagine que o cabo de alimentação também tenha uma resistência de 0,1 ohm, então a resistência total no circuito é de 0,2 ohm. Isso significa que teríamos uma corrente elétrica menor e a potência da torradeira seria de apenas 250 watts. Vai ser uma torrada sem graça.

Para resolver isso, precisamos aumentar a voltagem da fonte de alimentação. Vamos aumentá-la para 100 volts. Nesse caso, nossa torradeira poderia ter 10 ohms, então o cabo de alimentação de 0,1 ohm não fará muita diferença. Bem, isso não é um problema para um cabo de alimentação de 90 cm em sua casa. Mas e as linhas de transmissão da usina até sua cidade? Elas podem ter mais de 100 quilômetros de extensão.

Com fios muito mais longos, você obtém muito mais resistência, o que significa que esses fios esquentarão e desperdiçarão energia. Novamente, a solução é usar uma fonte de tensão mais alta. Lembra de P = IV ? Isso significa que você pode fornecer a mesma potência com uma tensão absurdamente alta e uma corrente absurdamente baixa.

Sim, você resolve um problema e ele só cria outro. Suponha que a tomada seja de 10.000 volts CC. Ah, mas você quer carregar seu celular e ele precisa de 5 volts CC. Como fazer isso? Certo, existe uma maneira de fazer funcionar. Você poderia colocar um resistor grande em série com seu celular e ele converteria energia elétrica em calor. Mas, novamente, isso é desperdiçar energia.

Então, o que acontece se mudarmos para corrente alternada? Lembre-se: os circuitos CA são criados pela inversão dos polos positivo e negativo, de modo que a voltagem alterna entre um valor positivo e um valor negativo (o que significa que a direção do fluxo de elétrons muda). Aqui está um gráfico da voltagem em função do tempo para os dois tipos de corrente.

A fonte CC tem uma tensão constante, então essa é a linha azul plana acima. A fonte CA (vermelha) tem uma tensão que oscila entre +10 e –10 volts, e há momentos em que a tensão é, na verdade, zero. Neste exemplo fictício, você pode ver que a tensão muda oito vezes em meio segundo. A corrente alternada de uma casa real varia, mas nos EUA a média é de cerca de 120 volts (mais e menos) com uma frequência de 60 hertz.

Se pegarmos nossa torradeira e conectá-la a uma tomada CA de 60 Hz, ela funcionará perfeitamente. Como funciona apenas aquecendo um fio, não importa se a corrente é CC ou CA — de qualquer forma, ela esquenta. O mesmo vale para lâmpadas incandescentes. Na verdade, elas não são muito diferentes de torradeiras; só que o fino fio de tungstênio da lâmpada esquenta tanto (até 2.300 graus Celsius) que brilha e produz luz.

Com a corrente alternada, ainda temos o mesmo problema com linhas de energia longas. É preciso ter alta tensão e baixa corrente para não perder muita energia com fios energizados. Mas a corrente alternada tem uma boa vantagem: é fácil transformar essa alta tensão em uma tensão baixa. Isso é possível devido à natureza oscilante da corrente e à lei da indução de Faraday.

A Lei de Faraday diz que, se você alterar a intensidade de um campo magnético dentro de uma espira de fio, produzirá uma corrente elétrica. No clipe abaixo, você pode ver que, quando coloco um ímã forte em uma bobina de fio ou o retiro, o nível de corrente (medido em amperes) aumenta.

Você também pode fazer isso sem um ímã, usando duas bobinas de fio. No vídeo abaixo, estou conectando e desconectando uma pequena bateria tipo moeda a uma bobina primária. (Você não consegue ver as bobinas, mas elas estão dentro da pequena caixa cinza em primeiro plano.)

A bobina secundária não está conectada a nenhuma fonte de energia. Mas a corrente variável na bobina primária cria um campo magnético variável, que induz uma corrente na bobina secundária. Mesmo com esta bateria minúscula, você pode ver que obtenho uma grande corrente induzida. Veja só:

Mas isso não é tudo! Podemos alterar a tensão induzida na segunda bobina alterando a razão entre o número de espiras em cada bobina. Se a bobina induzida tiver 100 espiras e a bobina primária tiver 1.000 espiras, a tensão induzida será 100/1.000, ou 0,1 vez a tensão de entrada. Se invertermos isso, podemos obter uma tensão de saída 10 vezes maior que a tensão de entrada.

Chamamos isso de transformador (porque ele transforma a voltagem). Eles são bem grandes. Veja como é um pequeno transformador por dentro:

Este é um daqueles "fontes de alimentação" que todos os seus gadgets usam para conectar à tomada. As duas bobinas estão lado a lado, e você pode ver que a da direita tem mais "espiras" do que a da esquerda. Portanto, se você tiver uma entrada CA de 120 volts, a saída será menor (neste caso, 12 volts). Há outro componente ali que pega essa CA de baixa tensão e a transforma em uma saída CC; isso é chamado de retificador de tensão.

Só para esclarecer, você não pode usar um transformador CA com um circuito CC. Quer dizer, é tecnicamente possível pegar uma entrada CC, convertê-la em CA e depois transformá-la — mas por que fazer tudo isso se você pode simplesmente fornecer energia CA para as casas? É exatamente isso que fazemos. Quando você vê aquelas linhas de transmissão gigantes de alta tensão, elas são circuitos CA de superalta tensão.

Então é assim que funciona. Você tem uma usina elétrica que funciona com combustíveis fósseis, hidrelétrica ou algo assim. Você precisa transformar isso em uma saída CA e então aumentar a tensão para algo como 100.000 volts. Isso significa que você pode enviá-la por longas linhas de energia com corrente muito baixa, para que não haja muita perda de energia.

Quando uma linha de energia chega a uma cidade, ela entra em uma subestação. Esta é basicamente apenas mais um transformador gigante que reduz a tensão CA para algo mais gerenciável, como 10.000 volts. Finalmente, a corrente passa por mais um transformador para chegar aos 240 volts CA que chegam à sua casa. Eletrodomésticos grandes, como secadoras de roupa, usam todos os 240 V, e as tomadas elétricas reduzem essa tensão pela metade para fornecer 120 V.

Mas nada disso seria possível com energia CC. Simplesmente não seria prático. A CA é demais!