Dadas todas as ineficiências, é "gratuito" conectar, por exemplo, um smartphone a um carro para carregar enquanto estou dirigindo?
Resposta curta: não (mas é tão difícil medir o impacto que é difícil dizer).
Lembre-se, o alternador precisa alimentar tudo o que estiver conectado ao sistema elétrico. Carregar a bateria é uma grande carga no início, mas cai quando a bateria atinge uma carga completa. Seu aparelho de som maravilhosamente robusto também consome muita energia. As luzes são outra carga surpreendentemente grande: lembra de todas aquelas lâmpadas incandescentes terrivelmente ineficientes que todo mundo está substituindo em suas casas? Nas circunstâncias certas, posso observar meu motor ocioso diminuindo um pouco usando apenas as luzes (se eu passar do escuro para o farol alto).
Pior ainda, o alternador não é particularmente eficiente. Vejamos o artigo da Wikipedia para um resumo do porquê:
A eficiência dos alternadores automotivos é limitada pela perda de resfriamento do ventilador, perda de rolamento, perda de ferro, perda de cobre e queda de tensão nas pontes de diodo. Em carga parcial, a eficiência fica entre 50 e 62%, dependendo do tamanho do alternador e varia com a velocidade do alternador. [6] É semelhante a alternadores de ímã permanente de alto desempenho muito pequenos, como os usados para sistemas de iluminação de bicicletas, que atingem uma eficiência em torno de 60%.
Portanto, mesmo antes de conectar o telefone, o alternador já está lidando com uma variedade de cargas muito maiores, incluindo suas próprias ineficiências internas. Portanto, se você conectar um carregador de 2,1 amperes a um alternador classificado entre 50 e 70 amperes, sim, você está consumindo mais corrente. Você também está colocando mais carga indutiva no alternador, o que, portanto, coloca mais carga em todo o sistema mecânico.
Você será capaz de dizer? Não sem um procedimento experimental cuidadoso.
Se não é gratuito, de onde vem especificamente a energia? O alternador coloca uma carga física mais alta no motor?
Sim (mas não tão alta quanto a carga do carro). Novamente, usando um artigo da wikipedia como ponto de partida:
Os alternadores geram eletricidade usando o mesmo princípio que os geradores de corrente contínua, ou seja, quando o campo magnético ao redor de um condutor muda, uma corrente é induzida no condutor. Normalmente, um ímã rotativo, chamado rotor, gira dentro de um conjunto estacionário de condutores enrolados em bobinas em um núcleo de ferro, chamado estator. O campo atravessa os condutores, gerando uma EMF (força eletromotriz) induzida, pois a entrada mecânica faz com que o rotor gire.
Portanto, em um nível incrivelmente simplificado, você pode pensar em um alternador como algo semelhante a uma bomba de água, exceto que, em vez de criar uma corrente de água, está criando uma corrente elétrica.
Essa corrente alterna a direção muito rapidamente, o que você nunca faria com uma bomba de água, pois causaria cavitação. A analogia se decompõe bem rápido, mas vamos passar por essa parte ....
Qualquer coisa elétrica conectada ao sistema precisa dessa corrente para fluir. Se você adicionar mais carga ao sistema elétrico, isso acabará se traduzindo em mais trabalho mecânico para o alternador criar a corrente original. À medida que o motor gira o alternador, tudo isso resulta no mecanismo fazendo mais trabalho.