Da planta à tomada.

As usinas de energia geralmente ficam longe das pessoas que usam sua eletricidade. Represas hidrelétricas ficam nas montanhas, parques eólicos ficam em lugares com muito vento e grandes usinas ficam perto da água para o resfriamento. Algo precisa transportar a energia por dezenas ou centenas de quilômetros, e os fios desperdiçam uma pequena parte dela como calor.

As fórmulas principais. A potência elétrica é P = V × I, tensão elétrica vezes corrente. Um fio tem uma pequena resistência R, e uma corrente I passando por ele desperdiça potência na forma de calor:

P_loss = I² × R

Agora vem o truque. Para transmitir uma potência fixa P, você pode usar uma tensão elétrica alta e uma corrente pequena, ou uma tensão elétrica baixa e uma corrente grande. Como a perda varia com I ao quadrado, uma corrente pequena faz muita diferença. Aumente a tensão elétrica em 10 vezes e, para a mesma potência, a corrente cai para um décimo, então a perda cai para um centésimo.

Exemplo resolvido (linha hipotética). Transmita 100 MW por uma linha com resistência total de 10 Ω. Este é um modelo simplificado de circuito único, um valor usado para ensinar; linhas trifásicas reais são mais complicadas.

• A 11 kV: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9.091 A. Perda = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. Isso é mais do que os 100 MW que você queria transmitir: não funciona.
• A 110 kV: I ≈ 909 A. Perda ≈ 909² × 10 ≈ 8,3 MW, cerca de 8 por cento.
• A 400 kV: I = 250 A. Perda = 250² × 10 = 0,625 MW, cerca de 0,6 por cento.

É por isso que as linhas longas funcionam com centenas de quilovolts.

Como você muda a tensão elétrica? Com um transformador: duas bobinas de fio em um núcleo de ferro compartilhado. Uma corrente alternada na primeira bobina cria um fluxo magnético variável, que induz uma FEM na segunda bobina. A razão entre as tensões elétricas é igual à razão entre o número de espiras: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. Um transformador só funciona com fluxo variável, por isso a rede elétrica usa corrente alternada (AC). (Para algumas linhas muito longas ou submarinas, usa-se HVDC com conversores eletrônicos.) O Laboratório de Campo tem uma bancada com transformador se você quiser enrolar suas próprias bobinas.

A sequência usual (as tensões elétricas variam de acordo com o país):

• Gerador: cerca de 11 a 25 kV.
• Eleva-se para a transmissão, com cerca de 110 a 400 kV ou mais.
• Reduz-se para a distribuição, geralmente de 11 a 33 kV.
• Reduz-se novamente para a tomada: 230 V em grande parte do mundo, 120 V na América do Norte.

O que se perde? Ao longo de todo o trajeto, da cerca da usina até a sua tomada, as perdas normalmente correspondem a cerca de 5 a 10 por cento da eletricidade em muitos países, e são maiores em alguns deles. Uma grande parte se perde nos fios locais de menor tensão, não nas linhas de alta tensão.