1 - Aplicações da eletricidade na Engenharia

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APLICAÇÕES DA ELETRICIDADE NA ENGENHARIA
MÓDULO 1 - Reconhecer os princípios da introdução à eletricidade
O TERMO “ELETRICIDADE” SE REFERE AOS EFEITOS QUE AS CARGAS ELÉTRICAS PROMOVEM NA MATÉRIA. OS ESTUDOS QUE DIZEM RESPEITO À ELETRICIDADE ENVOLVEM, POR SUA VEZ, O CONHECIMENTO DE CONCEITOS FÍSICOS NO ÂMBITO DA ELETROSTÁTICA E ELETRODINÂMICA.
A eletrostática se refere ao estudo das cargas estáticas, isto é, em repouso, e são a base para o entendimento dos fenômenos elétricos. A eletrodinâmica, por sua vez, dirige-se às cargas em movimento. O objetivo principal deste conteúdo é entender o papel da eletrodinâmica, considerando que ela é responsável pelas grandezas conhecidas como corrente elétrica, tensão, potência e resistência. Neste módulo, apresentaremos conceitos e notações importantes para o estudo da eletricidade básica, desde o estudo de cargas estáticas até a avaliação das cargas em movimento.
CARGA ELÉTRICA - Os átomos são partículas que constituem a matéria. A composição deles é dada por meio de elétrons, prótons e nêutrons, que são também conhecidos por cargas. Como é de conhecimento, os elétrons (cargas negativas) orbitam ao redor do núcleo, onde, por sua vez, encontram-se os prótons (cargas positivas) e nêutrons (carga nula), como pode ser observado no exemplo da imagem 1.
O menor valor atribuído a uma carga elétrica, passível de ser encontrado, é conhecido por carga elementar. Esse valor é dado em coulomb (C), sendo:
e=1,602⋅10−19
O valor apresentado equivale, por sua vez, ao módulo da carga do elétron (ou próton), uma vez que ambos possuem o mesmo valor, diferindo apenas em sinal.
O átomo em seu estado de equilíbrio possui certa quantidade de energia. Quando um material é exposto a excitações externas, o elétron adquire energia e, com isso, passa a um estado conhecido por ser instável. O elétron, ao receber energia, torna-se capaz de transitar para camadas mais externas do átomo. Essa ação faz com que a distância entre o elétron e o próton se torne superior à anterior, reduzindo, por sua vez, a força de atração entre essas partículas (Lei de Coulomb, que será apresentada nos tópicos posteriores). Caso a força seja suficientemente reduzida, o elétron pode atingir o estado de elétron livre.
A carga elétrica total de um corpo, definida por Q , é dada pela diferença entre prótons e elétrons, e o seu cálculo pode ser executado pela expressão apresentada pela Equação 1:
Q=± (ne)
Equação 1
Sendo:
Q - a quantidade de carga do corpo; n o número de cargas em excesso, podendo ser prótons ou elétrons, o que justifica, assim, o sinal positivo ou negativo; e sendo o valor da carga, em coulomb.
ATENÇÃO: Um átomo em seu estado natural possui números iguais de elétrons e prótons; essa condição faz com que a carga dele seja neutra. Dessa forma, esse átomo é dito neutro ou em estado de equilíbrio.
DICA: A unidade de medida da carga elétrica é o coulomb (C), em cada C existem 6,24⋅1018 elétrons, e pode ser calculado como:
EXEMPLO: Considere um corpo inicialmente em equilíbrio, isto é, a soma de prótons e elétrons é nula. Este, por sua vez, é submetido a uma excitação, perdendo 4 de seus elétrons, fazendo com que o corpo se torne desbalanceado e a carga total seja diferente de zero. Para esse cenário, vamos calcular a carga final do corpo.
Para solução desse exemplo, algumas considerações podem ser feitas:
Inicialmente, cabe ressaltar que um corpo cuja carga inicial é nula está em equilíbrio. Dessa forma, esse corpo possui a mesma quantidade de prótons e elétrons.
No proposto exemplo, é dito que o corpo é submetido a um processo que resultou na perda de 4 elétrons e, com isso, ele possui agora 4 prótons a mais (diferença entre partículas positivas e negativas).
Dadas as considerações que fizemos e, ainda, considerando a Equação 1, que define o cálculo da carga elétrica, vamos definir para a mesma que o sinal utilizado deve ser positivo, por se tratar de prótons em excesso, e temos n = 4, o que pode ser observado a seguir:
Q=+(4⋅1,602⋅10−19)C
PROCESSO DE ELETRIZAÇÃO - Um corpo é dito eletrizado quando há retirada ou inserção de elétrons nas suas órbitas. Esse processo recebe o nome de ionização e pode ocorrer por meio de atrito, contato e indução.
Quando o número de prótons é superior ao de elétrons, diz-se que o corpo está eletrizado positivamente; da mesma forma, quando o oposto é identificado, o corpo está eletrizado negativamente. Vejamos algumas formas de promover essa ação nos corpos:
· ATRITO
· CONTATO
· INDUÇÃO
ATRITO - Ao atritar dois corpos, produz-se calor. O calor gerado durante a ação, em certos casos, pode ser suficiente para que haja transferência de elétrons entre os materiais. Com isso, ambos passam a estar eletrizados, sendo um positivamente e outro negativamente. A imagem 2 representa uma simples experiência de eletrização por atrito, por meio de materiais facilmente encontrados no nosso cotidiano.
CONTATO - Consideremos dois corpos, sendo um inicialmente eletrizado (negativamente ou positivamente) e o outro neutro. Quando estes são colocados em contato, as cargas livres buscam se deslocar entre os corpos, redistribuindo-se entre eles. Essa ação tem como intuito a obtenção do chamado equilíbrio eletrostático. Com isso, ambos passam a estar eletrizados negativamente. Como exemplo, a imagem 3 ilustra o processo de eletrização por contato entre dois corpos, “A” e “B”.
INDUÇÃO - A eletrização por indução ocorre por aproximação dos corpos, considerando um neutro e outro positivamente eletrizado. Ao aproximá-los, a carga do corpo neutro tende a se orientar, sendo que os elétrons livres se deslocam no sentido do corpo eletrizado. Com isso, o corpo neutro passa a estar polarizado. Uma conexão do corpo polarizado com o “terra” permite que as cargas repelidas escoem, como pode ser observado na imagem 4.
ATENÇÃO: É importante ressaltar que equilíbrio eletrostático é diferente de neutro. O equilíbrio eletrostático nada mais é que a divisão das cargas entre os corpos, ou seja, ambos ficarão com mesmo potencial.
FORÇAS ATUANTES
A ELETROSTÁTICA, ESTUDO DO COMPORTAMENTO DAS CARGAS EM REPOUSO, PARTE DO PRINCÍPIO DA REPULSÃO E ATRAÇÃO EM QUE CARGAS DE SINAIS IGUAIS SE REPELEM, ENQUANTO AS DE SINAIS CONTRÁRIOS APRESENTAM ATRAÇÃO. - As cargas elétricas que compõem o átomo estão sob a ação de uma força (e pelo princípio apresentado essa força pode ser atrativa ou repulsiva), que é definida pelo comportamento e sinal das partículas envolvidas. Essa força, determinada pela Lei de Coulomb, é dada em newton (N), e se trata de uma grandeza vetorial. Considere a imagem 5: nela é possível observar os vetores referentes à força atrativa e repulsiva, sendo que inicialmente é apresentada a repulsão entre cargas de sinais iguais e, em seguida, a força atrativa, que ocorre entre duas cargas de sinais opostos.
CAMPO ELÉTRICO - O campo elétrico é uma grandeza vetorial, sendo este o indicativo (medidor) da força por unidade de carga. O campo elétrico pode ser gerado por uma carga ou mesmo por um conjunto delas. Ele é de natureza vetorial, possuindo direção e sentido.
Como ilustrado na Imagem 6, em cargas elétricas pontuais positivas o campo é radial e divergente (as linhas de força têm sentido de afastamento), enquanto o campo é radial e converge para as cargas pontuais negativas.
TENSÃO ELÉTRICA
O POTENCIAL ELÉTRICO É A MEDIDA DO POTENCIAL DE ENERGIA ADQUIRIDA POR UMA CARGA AO SER COLOCADA NO CAMPO ELÉTRICO. É IMPORTANTE RESSALTAR QUE EM MUITOS MATERIAIS DE ESTUDO ESSA GRANDEZA É REPRESENTADA PELA LETRA U, E SUA UNIDADE É DADA EM VOLTS [V], JÁ EM OUTROS MATERIAIS, É REPRESENTADA POR V. - A tensão elétrica, por sua vez, é dada pela diferença de potencial entre dois pontos, isto é, o esforço ou trabalho necessário para mover uma carga em um campo elétrico, de um ponto “A” até “B”. A diferença de potencial ou ddp é a variação de potenciais medidos. Essa medida, assim como o potencial, é dada em volts [V]. Observamos maiores potenciais nas proximidades da carga, pois a força a ser rompida para mover a carga é maior.Uma carga POSITIVA, ao ser exposta a uma região de diferentes potenciais, tenderá a se mover do maior para o menor potencial, o que é representado na imagem 7. A recíproca é válida para uma carga negativa
É importante destacar os seguintes pontos:
· As fontes de tensão utilizadas nos equipamentos são produtos da separação de cargas (positivas e negativas).
· Considerando o potencial entre dois pontos, A e B, a diferença de potencial é descrita pela Equação 2:
VAB=VA−VB
Equação 2
Considerando ainda a Equação 2, se VA>VB, VAB é positivo. Assim, VA<VB, VAB é negativo.
CORRENTE ELÉTRICA - Uma das características da carga elétrica é o fato de ela se movimentar, e essa movimentação é o que denomina a corrente elétrica e conduz aos conceitos que envolvem, por sua vez, a eletrodinâmica das cargas.
Ao se aplicar uma tensão, que pode ser uma bateria, as cargas livres, ou seja, os elétrons, movimentam-se na direção contrária ao campo elétrico, originando a corrente elétrica. É importante atentar aqui que o termo “corrente” obedece ao que chamamos de convenção de sinais, sendo nesse caso denominado que a corrente é dada pelo deslocamento das cargas positivas. Contudo, é de conhecimento que a corrente real em condutores ocorre devido à movimentação de elétrons, o que pode ser visto na imagem a seguir.
Em resumo, a corrente elétrica é a quantidade de cargas, ou fluxo de cargas, que atravessa a secção transversal do condutor, que por seu turno é quantificada em um período de tempo. Observe a equação.
Equação 3
Onde:
I : intensidade de corrente elétrica, medida em ampère, A. Em que A, pela equação, é: coulomb/segundo
Q : carga total que atravessa o corpo.
ATENÇÃO - As análises de circuitos elétricos são feitas utilizando os conceitos de corrente convencional.
CORRENTE ALTERNADA E CORRENTE CONTÍNUA - O conceito de corrente elétrica já foi apresentado. Há, no entanto, uma diferença básica entre corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA). Vamos conhecer essas duas correntes:
CORRENTE CONTÍNUA - É aquela na qual não é observada variação de carga à medida que o tempo passa. Isto é, a carga que atravessa o condutor é constante. Isso pode ser visto com clareza na imagem 9.
CORRENTE ALTERNADA - Diferente da CC, é aquela em que há variação temporal. Isto é, a quantidade de carga que atravessa o condutor ao longo do tempo é variável, isso pode ser visto com clareza na imagem 10.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. CONSIDERE UM FIO CONDUTOR SENDO ATRAVESSADO POR UMA CORRENTE ELÉTRICA POR UM INTERVALO DE 3 SEGUNDOS. A INTENSIDADE DA CORRENTE QUE O ATRAVESSA É DE 5 A. DESEJA-SE CALCULAR A QUANTIDADE DE ELÉTRONS QUE ATRAVESSAM A SEÇÃO TRANSVERSAL DO FIO, SABENDO-SE QUE A CARGA DO ELÉTRON É DADA POR e=−1,602⋅10−19.
A alternativa "E " está correta.
Passo 1: Utilizando a Equação 3, onde: 
É possível calcular a carga total, Q, que atravessa a seção: 
Assim, temos: 
Passo 2: O enunciado da questão pede a quantidade de elétrons que atravessa a seção, o que faz necessário o uso da Equação 1 apresentada:
 Assim, temos: 
Lembrando que o sinal negativo se refere à carga do elétron.
Onde, temos: 
2. A CORRENTE ELÉTRICA CIRCULA EM DETERMINADO SENTIDO, DEFINIDO POR SENTIDO CONVENCIONAL. A PARTIR DESSA INFORMAÇÃO, ASSINALE A ALTERNATIVA CORRETA:
a) A corrente circula do maior potencial para o menor.
b) A corrente convencional possui o mesmo sentido que a corrente real.
c) A corrente flui do menor para o maior potencial.
d) É oscilante em torno de uma posição de equilíbrio.
e) Possui mesmo sentido que a corrente real, mas de diferente intensidade.
A alternativa "A " está correta.
Por definição, a corrente convencional segue o fluxo oposto à corrente real, que se refere ao trânsito de cargas livres, elétrons. Assim, desprezando o sinal do elétron, em que o fluxo é do menor para o maior potencial, a corrente convencional acontece de forma oposta, do maior para o menor potencial.
MÓDULO 2 - Descrever os conceitos básicos da geração, transmissão e distribuição de energia
CONCEITOS BÁSICOS DA GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO - É sabido que a eletricidade foi descoberta por um filósofo grego chamado Tales de Mileto, cujos experimentos com atrito possibilitaram que ele enxergasse características atrativas entre os objetos estudados. A partir de então, os estudos se desenvolveram até resultar no que temos atualmente.
TALES DE MILETO - Foi um filósofo, matemático, engenheiro, homem de negócios e astrônomo da Grécia Antiga, considerado, por alguns, o primeiro filósofo ocidental.
Diariamente são desempenhadas diversas atividades que requerem o uso de eletricidade. Para chegar aos terminais residenciais pronta para o uso, ela passa por inúmeros processos de transformação, que garantem que sua oferta seja feita de forma segura aos consumidores. A eletricidade é uma fonte secundária de energia, isto é, sua obtenção é proveniente de uma fonte primária (solar, hidráulica, carvão, petróleo e outras). Essa obtenção parte do princípio da primeira Lei da Termodinâmica, ou seja, a Lei da Conservação da Energia, que estabelece que nada se cria ou se perde, tudo se transforma. Assim, até chegar à eletricidade, a energia em seu estado primário é transformada. Existem diversas formas de executar esse processo, porém, cada um deles possui uma desvantagem a ser considerada, seja ela relacionada ao custo ou, ainda, aos impactos ambientais, constantemente discutidos.
CAMINHO PERCORRIDO PELA ELETRICIDADE - Para que a eletricidade chegue até os locais de consumo, ela percorre caminhos que vão desde a geração (local onde ocorre a transformação da energia), transmissão e distribuição, sendo estas últimas etapas que compõem o transporte. Os tópicos a seguir têm o intuito de contextualizar o processo necessário para que a eletricidade se torne apta a ser utilizada, o que pode ser visto na imagem 11.
GERAÇÃO - Uma grande evolução dos estudos relacionados à eletricidade se deu em 1831, com Michael Faraday e suas propostas que envolveram a variação da corrente e indução magnética, conduzindo, assim, ao primeiro experimento e à aplicação na geração de correntes elétricas. Esse conceito se aperfeiçoou ao longo do tempo, e é senso comum que os geradores são as principais fontes de eletricidade.
MICHAEL FARADAY (1791-1867): Foi um físico e químico britânico que atou com fortes contribuições para os estudos do eletromagnetismo e da eletroquímica.
A geração de eletricidade consiste em transformar ou converter um recurso energético em eletricidade e, como dito, o gerador é uma das formas mais comuns de se fazê-lo. No Brasil, a matriz elétrica é composta majoritariamente por recursos hídricos. Contudo, a escassez desses recursos, agregada às preocupações quanto ao uso de recursos menos poluentes, faz com que a busca por fontes renováveis seja um tópico em constante debate.
Agora, vamos estudar os tipos de geração de energia e a utilização da corrente contínua e alternada.
TIPOS DE GERAÇÃO - A matriz elétrica brasileira é majoritariamente hídrica. Contudo, é importante conhecer as principais fontes que contribuem para o fornecimento de eletricidade no país.
Segundo a EPE (Empresa de Pesquisa Energética), a matriz elétrica brasileira é composta em sua maioria de fontes renováveis, como pode ser observado na imagem 12. Ainda é possível que isso ocorra principalmente devido ao fato de as fontes hidráulicas possuírem grande participação. Essa é uma enorme vantagem, pois faz com que a geração de eletricidade no país seja considerada mais limpa, quando comparada com a de outros países. É importante ressaltar que o uso de fontes solares e eólicas vem crescendo anualmente, contribuindo para a manutenção de uma matriz renovável.
UTILIZAÇÃO DA CORRENTE CONTÍNUA E ALTERNADA - Em geral, a corrente contínua pode ser utilizada em circuitos de baixa tensão, como, por exemplo, os eletroeletrônicos, pilhas e baterias. Além disso, é bem comum a aplicação da corrente contínua na geração de energia solar fotovoltaica.
Os geradores de corrente alternada,contudo, são mais eficientes que os geradores CC. Ao nível de transmissão, essa perda é reduzida, se feita em corrente alternada.
TRANSMISSÃO - A energia elétrica que se encontra nas usinas geradoras precisa ser transportada aos centros de distribuição. Essa ação é desempenhada pelo sistema de transmissão, ilustrado na imagem 13. Por meio desse sistema, a energia é transmitida das unidades geradoras até a distribuição. Para isso, utiliza-se, em geral, corrente alternada, a elevados níveis de tensão, sendo estes alcançados com o auxílio de transformadores elevadores.
A elevação da tensão para transmissão de energia se dá em razão da eficiência desejada no processo. Uma vez que a tensão de saída do transformador é elevada, a corrente é reduzida, impactando diretamente nas perdas por efeito Joule ocorridas no processo.
ATENÇÃO: Para a transmissão em corrente contínua, é necessário que a corrente alternada seja retificada, para que então seja transportada. Essa transmissão pode ser feita utilizando apenas um cabo.
Agora, vamos conhecer um pouco sobre transformadores e efeito Joule.
TRANSFORMADORES - São equipamentos utilizados para aumentar ou reduzir os níveis de tensão ou correntes elétricas. A relação entre tensão e corrente no terminal do transformador é inversamente proporcional, isto é, elevada tensão no terminal implica em baixa corrente no terminal. Essa relação pode ser mais bem observada por meio do modelo matemático apresentado pela seguinte equação:
Equação 4 - Existem diversos tipos de transformadores, que variam com a aplicação, potência e modelo.
EFEITO JOULE - Refere-se a um efeito físico em que há conversão de energia em calor. Um exemplo é o que ocorre na transmissão de energia: os cabos são percorridos por correntes elétricas. Nesse processo de transferir a energia, há aquecimento dos cabos, ou seja, a eletricidade é transformada em calor, produzindo perdas. Quanto maior o nível de corrente, maiores são as perdas observadas, fazendo-se essencial a redução delas para que se preserve a maior quantidade de energia elétrica possível.
DISTRIBUIÇÃO - A distribuição é o ramo do setor elétrico responsável por fazer com que a energia chegue efetivamente até os pontos consumidores após passar pelo sistema de transmissão. Historicamente, os registros indicam que esse transporte de eletricidade se dava por meio de condutores de ferro, que evoluíram até que finalmente começaram a fabricar fios de cobre cobertos por isolante.
Com o crescimento industrial, veio a necessidade de desenvolver o sistema de distribuição, que deu início à iluminação pública. A primeira cidade brasileira a receber um sistema de distribuição foi Campos dos Goytacazes, no interior do Rio de Janeiro, em 1883. São observadas mudanças nas redes quando comparadas àquelas iniciais e as atuais vigentes. Os condutores eram de cobre e mais tarde foram substituídos por alumínio. A isolação desses condutores também evoluiu. Quanto à estrutura física, houve mudanças nos materiais dos isoladores e postes. Os transformadores foram reduzidos e passaram a apresentar maior desempenho.
É importante destacar que na literatura diversas referências são feitas ao que é nomeado sistema de subtransmissão. Este nada mais é do que distribuição em alta tensão, não esquecendo que os níveis de tensão foram elevados para serem transmitidos, logo, essa tensão necessita ser reduzida por meio de transformadores para que possa ser utilizada.
Por fim, no sistema de distribuição, em média tensão, há novamente um ajuste de tensão que pode ser média tensão ou baixa tensão (consumidores residenciais). A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) define os seguintes níveis de tensão para o sistema de distribuição:
Alta tensão: superior a 69kV e inferior a 230kV;
Média tensão: superior a 1kV e inferior a 69kV;
Baixa tensão: igual ou inferior a 1kV. 
COMERCIALIZAÇÃO DE ENERGIA - A energia distribuída aos consumidores vem das unidades geradoras. Essas distribuidoras são empresas concessionárias, fiscalizadas e regulamentadas pela ANEEL, que adquirem o direito de operar o sistema por meio de concessão. Assim, a energia é adquirida pela distribuidora por meio do mercado de energia.
O mercado de energia tem por base as duas vertentes a seguir:
Ambiente de Contratação Regulado (ACR).
Ambiente de Contratação Livre (ACL).
No ambiente de contratação livre, o consumidor pode adquirir a energia diretamente dos geradores, contudo, isso não é permitido aos consumidores de pequeno porte (residenciais), cujo ambiente de contratação é regulado e não possibilita a escolha na hora da compra. Ambas as vertentes possuem regras que são regidas e controladas pela CCEE (Câmara de Comercialização de Energia Elétrica). Todas as informações são de acesso público.
FONTES DE ENERGIA - Existem atualmente, para acesso e diversificação da matriz geradora, diversas fontes de energia. Elas, por sua vez, podem ser categorizadas em renováveis e não renováveis. Faz-se importante o conhecimento de algumas delas, bem como as vantagens e desvantagens que seu uso implica. Dessa forma, é possível exercer um bom planejamento do sistema e fazer uso dos recursos com maior eficiência.
A seguir, apresentaremos os aspectos principais característicos das diversas formas de geração disponíveis atualmente.
ENERGIA HÍDRICA - Mais utilizada no Brasil, esse tipo de energia utiliza a movimentação da água para geração de eletricidade.
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA - Produção de energia elétrica utilizando a captação da luz solar, feita por meio de células fotovoltaicas.
ENERGIA EÓLICA - Produção de energia partindo da disponibilidade do vento.
BIOMASSA - A produção de energia ocorre dada a combustão de materiais orgânicos. Dentre eles, podem ser identificados: madeira, bagaço de cana-de-açúcar e outros.
ENERGIA MAREMOTRIZ - Geração de eletricidade por meio das marés.
Dentre as fontes não renováveis, podemos citar:
COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS - Geração de eletricidade proveniente da queima de combustíveis fósseis.
ENERGIA NUCLEAR - Geração de energia elétrica a partir do calor provocado pela fissão nuclear.
TARIFAS - As tarifas de energia são a forma de remuneração pelo uso do sistema elétrico e pela energia utilizada. Durante o ano, é possível observar a variação no custo total pago, que se deve à troca de bandeiras. Essas bandeiras se referem ao uso de diferentes geradores, que podem exigir maiores investimentos que os usuais, elevando ou reduzindo a fatura final.
Aos consumidores de baixa renda, aplica-se a tarifa social de energia elétrica (TSEE). Essa tarifa foi criada pela Lei n° 10.438/2002 e permite que sejam concedidos descontos para os consumidores enquadrados na Subclasse Residencial Baixa Renda, que são beneficiados com a isenção do custeio da Conta de Desenvolvimento Energético ‒ CDE e do custeio do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica ‒ Proinfa.
Dentre as classes e subclasses de consumidores definidas pela ANEEL, tem-se:
APLICAÇÃO DA ELETRICIDADE
Dentre as diversas aplicações da energia elétrica, podemos citar:
Máquinas elétricas: onde é feita a conversão da energia elétrica em mecânica, análogo ao processo que ocorre nos geradores, nos quais a energia mecânica é transformada em elétrica.
Sistemas de controle: estudam a dinâmica e buscam a estabilização frente a distúrbios.
Telecomunicações: setor no qual podemos observar a transmissão de dados feita por meio de ondas eletromagnéticas.
Computação.
 
Automação.
Eletrônica: ramo no qual são estudados circuitos de pequeno porte.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. QUAL É O TIPO DE GERAÇÃO ELÉTRICA RECOMENDADO PARA UMA PEQUENA VILA, LOCALIZADA EM UM VALE ENTRE MONTANHAS DE DIFÍCIL ACESSO, SABENDO-SE QUE O LOCAL CONTÉM UM CURSO D’ÁGUA UTILIZADO PARA CONSUMO DA CIDADE E IRRIGAÇÃO DE PEQUENAS LAVOURAS, POUCO VENTO E UMA ALTA INCIDÊNCIA SOLAR?
a) Termoelétrica, pois é possível utilizar a água do rio no sistema de refrigeração.
b) Eólica, pois a geografia do local é própria para a captação desse tipo de energia.
c) Nuclear,pois o modo de resfriamento de seus sistemas não afetaria a população.
d) Fotovoltaica, pois é possível aproveitar a energia solar que chega à superfície do local.
e) Hidrelétrica, pois o rio que corta o município é suficiente para abastecer a usina construída.
A alternativa "D " está correta.
A forma de obtenção de energia mais indicada, dentre as citadas, é a fotovoltaica, pois, avaliando as considerações do problema, percebemos que a região apresenta alta incidência solar, o que beneficia o uso dessa fonte de energia.
2. QUAL DAS FONTES DE ENERGIA PRIMÁRIA APRESENTADAS ABAIXO NÃO POSSUI SUSTENTABILIDADE AMBIENTAL?
a) Biomassa, massa dos seres vivos habitantes de uma região.
b) Hidrogênio, usado como célula combustível.
c) Biogás, utilização das bactérias na transformação de detritos orgânicos em metano.
d) Carvão mineral, extraído da terra pelo processo de mineração.
e) Energia geotérmica, aproveitamento do calor do interior da Terra.
A alternativa "D " está correta.
Dentre as formas de energia apresentadas, o carvão mineral é um tipo de fonte de energia não renovável. Ele se encontra entre os combustíveis fósseis e é altamente poluente. Todas as demais alternativas são referentes a energias renováveis, conhecidas também como energias alternativas (nem toda energia alternativa é necessariamente renovável).
MÓDULO 3 - Reconhecer as grandezas elétricas aplicadas no cotidiano
APLICAÇÃO DA ELETRICIDADE NO COTIDIANO - Para desenvolver projetos que envolvam o uso da eletricidade, é necessário que o profissional possua formação adequada, o que garantirá que ele tenha conhecimento dos aspectos que envolvam a segurança, tanto para as pessoas quanto à preservação dos equipamentos envolvidos no projeto. A princípio, é necessário entender os componentes básicos encontrados em circuitos elétricos e instalações, bem como a forma com que eles operam. Ainda, é desejável que o projetista utilize símbolos e nomenclaturas padronizados, fazendo com que o projeto se torne acessível para os demais profissionais da área.
Os tópicos a seguir apresentam os conceitos básicos referentes aos circuitos elétricos e suas notações.
CIRCUITO ELÉTRICO - Um circuito elétrico pode ser caracterizado e definido por um caminho pelo qual a carga deve ser transportada. Em uma residência, existem diversos circuitos elétricos que transportam a carga até os terminais onde serão feitas as conexões de equipamentos (tomadas e plugs) e a iluminação.
A composição de um circuito é dada por meio de uma fonte, podendo esta ser o sistema elétrico, como ocorre nas residências, ou até mesmo uma pilha, em circuitos CC de pequeno porte. A diferença de potencial existente devido à fonte é o que permite a circulação de cargas, caracterizando a corrente elétrica. Assim, a corrente percorre o caminho construído por fios de material condutor. É importante destacar os seguintes aspectos que caracterizam alguns materiais encontrados em circuitos e instalações elétricas:
· CONDUTOR
· SEMICONDUTOR
· ISOLANTE
CONDUTOR - Esse tipo de material é caracterizado por apresentar maior liberdade no que diz respeito ao movimento de cargas elétricas. Isso ocorre devido à fraca ligação entre elas e o núcleo, possibilitando fácil desprendimento.
SEMICONDUTOR - São materiais de baixa condutividade, podendo mudar de estado, de isolantes para condutores. Em condições normais, eles não conduzem corrente elétrica, mas recebendo certa quantidade de energia, os elétrons podem transitar para a camada de condução.
ISOLANTE - Esse termo se refere a materiais cujos elétrons não desprendem facilmente, havendo forte ligação entre o núcleo e os elétrons.
RESISTÊNCIA ELÉTRICA - No momento em que a corrente percorre o material condutor, este apresenta uma resistência à passagem da corrente.
A resistência é uma propriedade do material cuja representação é dada pela letra R. Esse valor pode ser calculado como mostra a equação seguinte:
Equação 5
Em que:
ρ: representa a resistividade do material, dada em ohms-metro.
l : representa o comprimento do condutor.
A : representa a área da seção transversal.
A imagem 14 tem o intuito de ilustrar as variáveis apresentadas pela equação.
O quadro a seguir apresenta a resistividade para alguns materiais mais comuns.
Ao observar a Equação 5, vemos que quanto maior a resistividade do material, mais resistente ele é à passagem de corrente elétrica. Dessa forma, podemos ver por meio da Tabela 1 que os materiais de maior resistividade são categorizados como isolantes. Em circuitos elétricos, esse efeito é modelado pelo resistor, representado, simbolicamente, como mostra a imagem 15.
A relação entre tensão e corrente para um resistor é modelada pela primeira Lei de Ohm. Por meio desta, é dito que há uma relação de proporcionalidade entre tensão e corrente, como descreve a equação 6:
V ∝ i
Equação 6
Onde:
V : é a tensão;
I: é a corrente.
Essa proporção entre as grandezas em um resistor é definida pela resistência dele.
Destacamos, contudo, os seguintes pontos:
A resistência, representada pela letra R, refere-se à capacidade de resistir ao fluxo de corrente.
Resistência é uma propriedade do material, diversos são os fatores que podem alterá-la, como temperatura.
A relação entre tensão e corrente em um resistor é descrita matematicamente como se segue, apresentada pela Lei de Ohm.
v=Ri
Equação 7
Onde:
V: é a tensão;
I: é a corrente;
R: é a resistência.
ATENÇÃO: Para aplicar a Lei de Ohm, deve-se atentar ao sinal da corrente e à polaridade da tensão. Isto é, a corrente convencional flui do maior para o menor potencial, resultando em uma tensão positiva. Caso o oposto seja identificado (ou definido), o potencial é negativo.
Quando o valor do resistor é nulo, o circuito é visto como um curto-circuito, pois a baixa resistência faz com que altas correntes circulem pelo resistor.
Considerando o outro extremo, em que a resistência é elevada e o valor do resistor tende ao infinito, a corrente é nula. Isso pode ser visto na Equação 7. Dessa forma, o circuito se comporta como um circuito aberto.
CIRCUITOS SÉRIE E PARALELO - É importante destacar que o circuito elétrico (caminho por onde a corrente circula, composto de equipamentos como fontes, resistores e outros) pode ser configurado de várias formas. São elas:
Circuito série: Aquele cujos elementos estão todos em série. Em uma configuração como essa, a corrente que circula por todos os elementos será a mesma corrente.
Nota: resistores em série podem ser associados por meio da soma, resultando em uma resistência final maior que a resistência individual.
Circuito paralelo: Os circuitos paralelos, como o nome diz, são aqueles cujos elementos estão em paralelo. Nessa configuração, a tensão ou ddp sobre os elementos é a mesma, já a corrente se distingue.
Nota: resistores em paralelo podem ser associados dada a seguinte equação:
Equação 8
POTÊNCIA E ENERGIA - A aplicação dos conceitos e elementos do circuito pode ser facilmente visualizada na prática. Em geral, ao adquirir um equipamento (lâmpada, TV ou outro), a principal informação é a quantidade de potência com que o equipamento trabalha. Essa grandeza influencia tanto no desempenho quanto no gasto final mensal computado pela conta de energia.
EXEMPLO: Uma lâmpada de 12W é mais potente que uma lâmpada de 9W. Em um mesmo cômodo, essa primeira lâmpada irá iluminar mais que a segunda. É importante destacar que a escolha da iluminação envolve diversos outros fatores, como conforto, tamanho do cômodo e iluminação desse espaço, que não são de interesse do nosso estudo.
A potência de um equipamento é dada em watts e está relacionada à quantidade de energia consumida em determinado período. Assim, sendo:
Equação 9
Onde:
P: representa a potência dada em watts (W).
W: representa a energia, dada em joule (J).
Dt: representa o tempo, em segundos (s).
Sabe-se que a corrente é dada pela variação de cargas que atravessa a seção de um condutor. Dessa forma, a equação pode ser rearranjada, tal que:
Equação 10
Assim, tem-se que a potência pode ser representadamatematicamente pele seguinte equação:
p=vi
Equação 11
A Equação 11 descreve a potência instantânea, sendo que:
A potência instantânea varia com o tempo.
Se o sinal resultante da Equação 11 for positivo, o elemento está absorvendo a quantidade de potência calculada, do contrário, ele está fornecendo potência ao sistema. Exemplo: se um elemento absorve -10W de potência, isso implica que ele está fornecendo 10W.
Pela lei da conservação de energia, dentro de um circuito, a soma das potências deve ser nula, uma vez que havendo fornecimento por uma parte, há consumo em outra.
Para calcular a energia, basta integrar a equação da potência no período de tempo avaliado.
Para exemplificar a aplicação desses conceitos, vamos analisar um exemplo:
As concessionárias de energia cobram dos seus clientes partindo do consumo diário de energia, que é mensurado em quilowatts-hora (kWh). Existem vários fatores que influenciam no custo, contudo estes serão desprezados nessa análise inicial. O consumidor paga mensalmente uma tarifa mínima, ainda que não utilize energia em sua residência. Isso é feito porque o sistema necessita se manter operando e existem, portanto, taxas a serem pagas, para que esse sistema esteja pronto a atender o consumidor.
O quadro a seguir apresenta um esboço de consumo mensal de alguns eletrodomésticos:
Considere uma residência, onde o consumo ao final do mês tenha sido de 800kWh. É desejável calcular o consumo mensal (em reais) utilizando os seguintes dados da escala tarifária residencial:
· Tarifa mensal básica a ser paga pela operação do sistema é de R$19,00.
· O custo dos primeiros 100kWh é de R$0,16/kWh.
· O custo dos 200kWh seguintes é de R$ 0,10/kWh.
· O custo dos kWh seguintes é de R$0,05/kWh.
Observa-se que o custo do kWh reduz à medida que o consumo aumenta.
Para o cálculo final da tarifa, devemos:
· Considerar os primeiros kWh, onde: 100x0,16=R$16,00
· Considerar os 200kWh seguintes: 200x0,10=R$20,00
· Considerar os kWh restantes: 500x0,05=R$25,00
Para o cálculo do valor final da conta, devemos observar que a tarifa básica deve ser incluída:
Vf=16+20+25+19=R$80,00
De posse desse resultado, é possível calcular ainda o custo médio do Kwh, onde:
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. CONSIDERE UMA DIFERENÇA DE POTENCIAL DE 9,0V APLICADA EM UM RESISTOR CUJO VALOR É DE 3,0Ω. CALCULE A CORRENTE ELÉTRICA QUE PERCORRE O RESISTOR E A POTÊNCIA DISSIPADA POR ELE. ASSINALE A ALTERNATIVA CORRETA:
a) 1,0A e 9,0W
b) 2,0A e 18,0W
c) 3,0A e 27,0W
d) 4,0A e 36,0W
e) 5,0A e 45,0W
A alternativa "C " está correta.
Para calcular a corrente que circula pelo circuito, aplica-se a Lei de Ohm, sendo:
De posse da corrente calculada, deseja-se saber a potência dissipada nesse resistor. Dessa forma, é necessário manipular as equações como se segue:
			Assim:
Sendo:
2. UMA LÂMPADA POSSUI OS SEGUINTES DADOS NOMINAIS: 6,0V; 20MA. CONSIDERANDO ESSAS INFORMAÇÕES, ASSINALE A ALTERNATIVA CORRETA EM RELAÇÃO À RESISTÊNCIA ELÉTRICA DO SEU FILAMENTO:
a) 150Ω, sempre, com a lâmpada acesa ou apagada.
b) 300Ω, sempre, com a lâmpada acesa ou apagada.
c) 300Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem maior quando apagada.
d) 300Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem menor quando apagada.
e) 600Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem maior quando apagada.
A alternativa "D " está correta.
Para calcular o valor da resistência, aplica-se a Lei de Ohm, sendo:
v=Ri
Assim:
A resistência varia com a temperatura. Assim, quanto maior a temperatura, menor é a resistência, fazendo com que o aquecimento promova a perda de energia, efeito Joule. Quando a lâmpada se encontra apagada, a temperatura é inferior. Desse modo, a resistência é menor.
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS - Neste conteúdo, tratamos de conceitos básicos para o estudo introdutório da eletricidade aplicada.
No Módulo 1, apresentamos os conceitos referentes à eletrostática e eletrodinâmica, permitindo identificar como a corrente elétrica se dá dentro de um condutor. No Módulo 2, destacamos as características do sistema elétrico de potência, desde a geração até o consumo, bem como as novas fontes de energia emergentes, além de suas vantagens e desvantagens. Por fim, no Módulo 3, mostramos uma aplicação dos conceitos elétricos no cotidiano, destacando o entendimento desses conceitos e como eles afetam no valor pago na tarifa de energia.
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