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1 2 Lei de Ohms .............................................................................. 3 Potência Elétrica .................................................................... 13 Formas de energia ................................................................. 16 Usina hidrelétrica ................................................................... 18 Corrente alternada ................................................................. 21 Triângulo de potência ............................................................. 23 Referências Bibliográficas ....................................................... 30 3 Lei de Ohms Aula 02 Olá alunos, sejam bem-vindos à segunda aula de eletricidade básica, nela será ensinado a respeito de uma grandeza sempre presente nos circuitos de distribuição elétrica, a resistência elétrica. Será relacionado também a resistência elétrica com a tensão elétrica, tema visto na aula anterior. A resistência elétrica é largamente utilizada nos circuitos elétricos em todos os níveis, desde as coisas mais simples até as grandes aplicações industriais, na Figura 1 é possível observar vários tipos de resistências disponibilizadas no mercado consumidor, além de modelos específicos para uso industrial, utilizados em eletrônica, por exemplo. Figura 1 – Tipos de resistências Temos, por exemplo, a resistência variável que possui três pontos de conexão. 4 Figura 2 – Resistência variável Há também as resistências para fogões, que são largamente utilizadas em pequenos apartamentos e flats. Há também a resistência para ferro de solda e por fim uma muito conhecida por todos, a resistência usada nos chuveiros elétricos residenciais. A resistência elétrica na verdade é a oposição que um determinado material oferece a passagem da corrente elétrica. Essa oposição é maior ou menor, de acordo com o tipo de material, se ele é bom condutor ou se é mau condutor de eletricidade. Os materiais isolantes, por exemplo, têm uma resistência alta e em função disso oferecem maior dificuldade a passagem de corrente elétrica. Na Figura 3 é possível observar dois condutores e a indicação de uma corrente na entrada em ambos. Vale a pena dizer que quando um material é isolante, a sua resistência a passagem de energia elétrica pode ser traduzida em calor, até mesmo bons condutores apresentam esta característica quando sobrecarregados. Por isso é comum observar casos de incêndios relacionados ao aquecimento de condutores em instalações elétricas. 5 Figura 3 – Condutores e indicação de corrente elétrica Com a análise da Figura 4 é possível compreender melhor porque os cabos aquecem. Na figura é possível observar duas imagens, com indicações de corrente representadas com a mesma capacidade. No primeiro caso a corrente será conduzida por um cabo adequado com capacidade (diâmetro do cabo) suficiente para suportá-la na sua forma normal. Somente assim o cabo não irá aquecer e a corrente irá circular livremente. Figura 4 – Resistência e aquecimento de cabo Primeiro Caso Segundo caso No segundo caso a mesma corrente irá circular por um cabo com capacidade insuficiente, de diâmetro menor. A corrente terá então que forçar a sua passagem, essa força que ela faz para circular é que gera o aquecimento do cabo. 6 Agora vamos conhecer uma propriedade da resistência elétrica, que será detalhada com maior precisão no estudo da lei de Ohm, a capacidade de controlar a circulação de corrente em um circuito. Como exemplo, pode ser observada a Figura 5, nela são demonstrados dois circuitos, ambos com tensão aplicada de 220V. A corrente variou no circuito A e no circuito B, ou seja, foi aplicada uma tensão igual e a corrente não foi a mesma nos dois circuitos, isso aconteceu porque as resistências das duas cargas apresentam valores diferentes; sendo que a primeira é de 100 Ohm e a segunda de 50 Ohm. Figura 5 – Variação da corrente elétrica nos circuitos A e B Observe que quando a resistência aumenta a corrente diminui. Em uma resistência de 50 Ohm a corrente é 4,4 A; em uma resistência de 100 Ohm a corrente diminuiu para 2,2 A. Essa é a propriedade de controlar a corrente elétrica que a resistência apresenta nos circuitos elétricos. Como observado em aulas anteriores, a unidade de medida da corrente elétrica é o Ampère, representado pela letra A; a unidade de medida da tensão é o Volt representado pela letra V. Da mesma forma que a corrente e a tensão, a resistência também pode ser medida com equipamentos e a sua unidade de medida padrão é o Ohm, representado pela letra grega ômega Ω. Como nas outras unidades padrão ela também possui múltiplos e submúltiplos. 7 KiloOHM 1KΩ = 1000Ω Múltiplos MegaOHM 1MΩ = 1 000 000Ω GigaOHM 1GΩ = 1 000 000 000Ω OHM miliOHM 1mΩ = 0,001Ω Submúltiplos microOHM 1µΩ = 0,000001Ω nanoOHM 1ηΩ = 0,000000001Ω Para fazer o registro da resistência elétrica em um circuito é necessário ter um equipamento chamado Ohmímetro. Figura 6 - Ohmímetro Agora você já conhece as principais grandezas elétricas que serão a base do estudo de eletricidade, são elas: Tensão elétrica. Corrente elétrica. Resistência elétrica. 8 Essas grandezas estão relacionadas entre si por uma das leis mais importantes e fundamentais da eletricidade que é conhecida como a lei de Ohm. Figura 7 – Lei de Ohm Na Figura 8 temos um exemplo de como a Lei de Ohm relaciona a corrente elétrica com a tensão e com a resistência de um circuito. Figura 8 – As relações na Lei de Ohm Em outro exemplo, Figura 9, é possível observar que quando a resistência é de 5 Ohm e a tensão é variável, se ela for aumentada a corrente tende a aumentar na mesma proporção. 9 Figura 9 – Circuitos com resistência de 5 Ohm Assim é possível afirmar que a corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão elétrica e que quando ela é aumentada a corrente também será aumentada na mesma proporção, isso é válido quando a resistência é mantida constante. No exemplo da Figura 10, é mantida uma tensão de 30 volts e os valores da resistência elétrica são diferentes; nesse circuito temos uma resistência de 5Ω e uma resistência de 10Ω. Perceba que ao aumentar a resistência a corrente do circuito tende a diminuir na mesma proporção. Figura 10 – Circuitos com resistências de 5 e 10 Ohm, respectivamente Dessa forma, podemos afirmar que a corrente é inversamente proporcional à resistência do circuito, ou seja, se mantivermos a 10 tensão constante e aumentarmos o valor da resistência à corrente tende a diminuir. Diante do que foi ensinado em relação a tensão, corrente e resistência elétrica, nós vamos utilizar a Figura 11 para fazer uma analogia da ação de cada um dos componentes em um circuito elétrico. Nesta figura temos representado o condutor, que é o caminho da corrente elétrica, que por sua vez será impulsionada pela tensão elétrica (Volt), que tem como função gerar o deslocamento da corrente (Amp) pelo condutor. O deslocamento pode ocorrer com maior ou menor facilidade, tudo depende da força da resistência elétrica(Ohm). Em outras palavras, a tensão impulsiona a corrente que terá que enfrentar a força da resistência para conseguir seguir o seu caminho. Figura 11 – Componentes de um circuito elétrico Os valores dessa relação podem ser calculados utilizando a Lei de Ohm, como já foi visto anteriormente essa lei faz a relação entre a corrente elétrica, a tensão elétrica e a resistência elétrica. A fórmula da Lei de Ohm afirma que a corrente elétricaé igual ao valor da tensão elétrica dividida pelo valor da resistência elétrica do circuito, é necessário saber manipulá-la para calcular qualquer uma dessas grandezas, desde que duas dessas grandezas sejam conhecidas. 11 Figura 12 – Usando a lei de Ohm O cálculo de qualquer uma dessas grandezas é bastante simples, basta utilizar o triângulo da Lei de Ohm. Para isso você deve cobrir com a sua mão a unidade que deseja calcular e observar no triângulo se será necessário multiplicar ou dividir valores. Por exemplo, se você deseja calcular a corrente elétrica, basta cobrir a unidade da corrente elétrica(I), e você terá a fórmula que estabelece a divisão da tensão elétrica(V) pela resistência (R) do circuito. Em outro caso, por exemplo, suponha que você queira calcular a resistência (R), basta que cubra esta unidade, então você terá a fórmula que divide a tensão elétrica (V) pela corrente elétrica (I). E por fim, caso o seu desejo seja realizar o cálculo da tensão elétrica(V), você precisa cobrir esta variável no triângulo para perceber que deverá realizar a multiplicação da resistência elétrica (R) pelo valor da corrente elétrica (I). Esta regra básica pode ser usada para a resolução de grande parte dos exercícios desta aula. Verifique a seguir a funcionalidade da Lei de Ohm, no exemplo a seguir foi mantido o valor da tensão e variado o valor da resistência. 12 Você pode perceber que quando é aumentado o valor da resistência, os valores da corrente elétrica diminuem, dessa maneira pode-se concluir que a corrente elétrica é inversamente proporcional à resistência elétrica. Caso seja feito o contrário, for diminuído o valor da resistência, os valores da corrente aumentam e o princípio continua sendo o mesmo. Figura 13 – Calculando a corrente elétrica com o valor da tensão mantido Por fim, segue a relação da corrente elétrica com a tensão elétrica, neste cálculo é possível observar que se for mantida uma resistência com valor constante e for aumentado o valor da tensão elétrica, a corrente irá aumentar de maneira proporcional de acordo com o aumento da tensão. Da mesma maneira, se for diminuído o valor da tensão elétrica, a corrente irá diminuir de forma proporcional. Assim é possível afirmar que a corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão elétrica. 13 Figura 14 – Calculando a corrente elétrica com valores diferentes de tensão Potência Elétrica Com todo os conhecimentos adquiridos até aqui é possível conhecer outro componente importante nos circuitos elétricos, a potência elétrica, que age diretamente com as demais grandezas citadas anteriormente. Na natureza nada se cria tudo se transforma, esta frase de Lavoisier, famoso químico francês do século XVII, pode também ser usada quando o assunto é energia elétrica. Há diversos exemplos práticos da transformação de energia elétrica em outras formas de energia, por exemplo, quando ligamos um ventilador a energia elétrica faz o motor girar, criando energia mecânica, capaz de impulsionar a hélice, que realiza a circulação do ar. Outro exemplo, bastante comum, é o aquecimento do ferro de passar roupa. Nesse tipo de transformação é possível verificar a transformação de energia elétrica em energia térmica. Assim como ao acender uma lâmpada, a energia elétrica está sendo transformada em energia luminosa. Os exemplos citados anteriormente, são apenas alguns dentre os muitos relacionados a capacidade de trabalho que as cargas possuem. 14 Porém, essa transformação de energia não ocorre sem os componentes citados anteriormente nesta aula, já que a potência depende diretamente da tensão elétrica aplicada à corrente e do valor da resistência elétrica. Potência Elétrica Pela Lei de Ohm: V = R · I Vimos que: P = V · I Então podemos escrever: P = (R · I) · I P = R · I2 𝐏 = 𝐕 ∙ (𝐕) 𝐑 𝐏 = 𝐕 𝟐 𝐑 Colocando a equação de potência no triângulo, utilizado anteriormente para o cálculo da lei de Ohm, podem ser usados os mesmos critérios para o cálculo das grandezas solicitadas e da potência, desde que se tenha os valores de tensão elétrica e corrente elétrica. Figura 15 – Cálculo de potência com o uso do triângulo Na fórmula exibida na Figura 15 é possível perceber que o valor da resistência não está presente. Isso ocorre porque há outra forma de 15 determinar a potência, com o valor da resistência. O cálculo consiste na multiplicação da resistência pela correte elétrica elevada ao quadrado. A potência, assim como outras grandezas, possui um equipamento específico para o registro das suas medidas, seu nome é wattímetro. Figura 16 – Wattímetro O wattímetro possui características específicas, ele utiliza a tensão elétrica e a corrente elétrica para o cálculo da potência. Pode- se dizer então que é como se houvesse, ao mesmo tempo, um amperímetro e um voltímetro ligados internamente neste aparelho, realizando essas duas leituras simultaneamente e retornando o valor dessa relação para o visor do aparelho. Isso acontece, porque dentro do wattímetro existem bobinas de corrente ligadas em série com rede e bobinas de tensão ligadas em paralelo com a rede, da mesma maneira que ocorre com um amperímetro e um voltímetro. 16 Formas de energia O foco dessa aula é a energia elétrica, porém é necessário ter conhecimento que há outras formas de energia na natureza e o que é feito para transformar essa energia em produção de trabalho. A seguir, nesta apostila, vamos demonstrar alguns exemplos de energia facilmente encontradas na natureza. Há, por exemplo, a energia solar, captada por células fotovoltaicas e enviada para baterias onde é armazenada e posteriormente transformada em energia elétrica. Figura 17 – Células fotovoltaicas para a captação de energia solar A energia hidráulica também é bastante conhecida. Como pode ser visto na Figura 18, uma represa possui uma imensa energia hidráulica, que por sua vez é utilizada em usinas hidrelétricas para a produção de energia elétrica. 17 Figura 18 – Represa de usina hidrelétrica A energia mecânica está presente em diversos momentos do nosso dia a dia, como por exemplo no funcionamento de motores de ventiladores ou geradores de energia elétrica. Figura 19 – Gerador de energia elétrica Por último, e não menos importante, há também a energia eólica produzida pelo vento; conhecida pelo seu método limpo e sustentável. 18 Figura 20 – Energia eólica A seguir você poderá conhecer melhor um grande exemplo de transformação de energia muito comum no Brasil, a energia hidrelétrica, já citada anteriormente. Usina hidrelétrica Figura 21 – Esquema de usina hidrelétrica 19 Neste tipo de usina, a energia é gerada a partir da água armazenada em represas, esta água é conduzida através de um duto que vai até as turbinas, a força da água é responsável pela rotação das turbinas, que por sua vez aciona os geradores de energia. Como pode ser observado as transformações de energia se sucedem. Primeiro se tem a energia hidráulica, quando há a força da vazão da água para os dutos da usina, depois a energia mecânica necessária para a rotação das turbinas e por último a energia elétrica quando os geradores são acionados. Após a geração da energia elétrica ela é distribuída, isso pode ser observado na Figura 22. Como foi visto anteriormente, o início de tudo é a criação de uma represa, onde a água é armazenada e a força da sua vazão é capaz de movimentar os turbogeradores, que por sua vez produzem energia elétrica. Essa energia possui elevados níveis de tensão que é adequada através do uso de transformadores de transmissão. Após isso, a energia é conduzida pelas linhas de transmissão,disponibilizadas em torres de aço, até o seu destino que são as subestações de transmissão. Nessas subestações, a energia é direcionada para outras subestações que irão alimentar os transformadores responsáveis por levar a energia elétrica para os consumidores comerciais, residenciais e industriais. Toda a energia fornecida e consumida é calculada por medidores específicos, lembrando que o registro dessa energia é realizado em kW hora(quilowatt), sendo que 1 kW: 1000w. 20 Figura 22 – Geração e transmissão de energia através de usinas hidrelétricas (1) O consumo de energia é o tempo que a carga permanece ligada. Por exemplo, uma carga de 6000 W mantida ligada por 30 minutos (0,5h). Lembre-se que a medida é feita em KW/h, então 6.000 W são 6kW, esse valor deve ser multiplicado pelo tempo que a carga ficou ligada, meia hora. Assim é possível obter P= 6 x 0,5 = 3 Kw/h, que foi o consumo de carga. 21 Figura 23 - Geração e transmissão de energia através de usinas hidrelétricas (2) Corrente alternada As aulas anteriores são todas voltadas para a corrente contínua, porém a partir de agora é importante aprender a diferenciar esse tipo de corrente da corrente alternada. A Figura 24 mostra uma corrente contínua versus o tempo. É fácil perceber que ela se mantém constante e não vai ter o seu sentido alterado independente do tempo decorrido. Isso quer dizer que a corrente sempre vai ter uma polaridade fixa, com um polo positivo e outro negativo. Figura 24 – Tensão contínua e corrente contínua A corrente contínua é largamente utilizada e pode ser encontrada em pilhas, baterias e na maioria dos circuitos eletrônicos de equipamentos elétricos. 22 Agora que já foi compreendido o que é corrente contínua é necessário aprender a respeito de corrente alternada. A corrente alternada está sempre presente no nosso dia a dia, após a sua geração ela é transformada e distribuída por todas as partes da cidade. A corrente alternada também é utilizada nas pequenas e grandes indústrias para a alimentação de motores de pequeno e grande porte. Além disso, esse tipo de corrente é responsável pelo funcionamento de grande parte dos eletrodomésticos utilizados em residências. Figura 24 – Corrente alternada Na Figura 26 é possível observar o deslocamento da corrente nos circuitos de corrente alternada na relação e tempo versus a corrente alternada. Veja que a corrente partiu de um ponto com valor igual a 0, foi até o valor máximo positivo, retornou ao valor 0, foi até o valor mínimo negativo e novamente retornou a 0. 23 Figura 26 – Tensão alternada e corrente alternada Essa alternância de polaridade positiva para negativa sempre será constante, o que justifica o uso do termo corrente alternada. Para completar um ciclo a corrente leva determinado tempo, que recebe o nome de período de onda, que pode ser medido em segundos. No Brasil usamos a corrente alternada de 60 ciclos por segundo. De forma bem explicada, isso significa que o período que o ciclo leva para se completar é de 1 segundo dividido por 60, que por sua vez é a frequência dessa corrente alternada. Isso mostra também que cada ciclo leva aproximadamente 16 milésimos de segundo para acontecer. Figura 27 – Variações de uma corrente alternada Triângulo de potência Agora é preciso entender como funciona a potência em corrente alternada. Quando o assunto era direcionado para a corrente contínua, foi possível observar que a potência ativa em circuitos de corrente 24 contínua era igual a tensão multiplicada pela corrente e esse produto oferecia um resultado medido em Watts. Figura 28 – Cálculo da potência de corrente alternada Pode- se dizer que na corrente contínua nós temos apenas um tipo de potência, chamada de potência real, porém nos circuitos de corrente alternada a potência possui diversas particularidades, sendo composta por três tipos diferentes com características específicas cada um. São elas: A potência aparente. A potência ativa. A potência reativa. Elas podem ser relacionadas trigonometricamente no chamado triângulo das potências. Figura 29 – Triângulo das potências 25 A potência aparente é a potência total disponibilizada na rede por uma concessionária. Essa potência pode ser calculada através da multiplicação da tensão versus a corrente, o resultado é oferecido em quilovolt-ampere. Figura 30 – Potência aparente Pap = V · I (S = V · I) Um exemplo prático do uso dessa denominação são os transformadores, equipamentos especificados em KVA, a potência total disponível. Como já observado em aulas anteriores um KVA equivale a 1.000 VA, assim podemos adquirir transformadores de 15 KVA, 30 KVA, 75 KVA, etc. A potência ativa é a potência real utilizada pelas cargas, é a energia que está sendo convertida em trabalho pelo equipamento. Ela pode ser calculada pela fórmula potência igual a resistência vezes a corrente elevada ao quadrado. O resultado deste cálculo é oferecido na unidade de Watts. Para compreender a potência reativa é preciso conhecer antes o fator potência. 26 Este fator é a relação entre os dois tipos de potências citados anteriormente, a potência aparente e a potência ativa. Para o cálculo do fator é necessário dividir o valor da potência ativa pelo valor da potência aparente. Fp = P / Pap O resultado dessa relação é capaz de nos mostrar o quanto de potência total está sendo efetivamente transformada em trabalho. O valor conforme podemos ver aqui pode ser representado de forma decimal variando de 0 - 0,3 - 0,5 e 0,9 ou de forma percentual sendo 10%, 40%, 50%, 90% etc. No triângulo das potências o fator de potência é representado pela letra grega “fi”, ele é o cosseno do ângulo formado entre a potência ativa e a potência aparente. Figura 31 – Fator potência Quando é estudado trigonometria, é ensinado que no plano cartesiano o eixo horizontal é correspondente ao eixo dos cossenos e o eixo vertical corresponde ao eixo dos senos. Então de acordo com posicionamento das potências no triângulo nós podemos afirmar que a potência ativa é igual a potência aparente multiplicada pelo cosseno do ângulo formado entre as duas potências. Mas aqui nós vemos P igual a V vezes o cosseno “fi”. 27 P = V x I x Cosφ Isso porque a potência aparente é igual a V vezes I. Se por acaso a potência for trifásica, deve ser acrescentada a raiz de 3 a essa equação. Como pode ser observado, nesta fórmula é necessário o valor da potência aparente, ou seja, ela pode ser calculada desde que se saiba que a potência ativa é igual a V vezes I vezes a raiz de 3 vezes o cosseno “fi”. P = Pap x √3x Cosφ Ainda de acordo com o triângulo das potências, é possível afirmar que a potência reativa vai ser igual a potência aparente vezes o seno do ângulo “fi”. Pr = Pap x Senφ Pr = V x I x Senφ A potência reativa é dada em var (Volt-Ampère reativo). Novamente temos o triângulo das potências, agora para a análise da relação entre seno, cosseno e as potências. Figura 32 – Seno e cosseno da potência reativa 28 Na Figura 32 é possível perceber como é realizada a relação trigonométrica entre o seno, cosseno e as potências. Observe que é usado o seno e cosseno em potências diferentes, nesse caso há a potência real igual a potência aparente vezes o cosseno do ângulo “fi”; mas por que o cosseno do ângulo “fi”? Porque a potência real está formando o vértice com a potência aparente e esse é o eixo dos cossenos. Assim pode se afirmar que a potência real, que está nos eixos dos cossenos, é igual a potência aparente que forma um vértice com ela, multiplicada pelo cosseno do ângulo que as duas formam. Então a potência real é iguala potência aparente vezes o cosseno do ângulo “fi”. A mesma coisa ocorre com a potência reativa, observe que o seu eixo forma um vértice com a potência ativa e com a potência real, mas o que importa é o que vem até o ângulo. Assim pode-se afirmar que a potência reativa é igual a potência aparente, que formou o vértice com ela, multiplicada pelo seno do ângulo “fi”, porque a potência reativa está no eixo dos senos. Essas são as informações que precisam ser conhecidas e fixadas para o cálculo de potência com qualquer valor. Após essas considerações é possível afirmar que a potência reativa representa a potência da energia utilizada para a produção de campos magnéticos, necessários para o funcionamento de diversos tipos de carga, tais como transformadores, motores e outras cargas não lineares. Para facilitar ainda mais o seu entendimento, a seguir vamos utilizar uma analogia clássica e bastante conhecida. Observe um copo de cerveja, a potência ativa pode ser representada pela porção líquida, que será usada para matar a sede, ou seja é a potência ativa que será usada realmente pelas cargas. A espuma não possui função nenhuma, ela não serve para matar a sede, 29 mas ocupa espaço, nesta analogia ela representa a potência perdida durante o funcionamento de um circuito, em outras palavras é a potência reativa. O copo todo é a soma da cerveja, potência ativa; com a espuma, potência reativa, resultando na potência aparente. Com essa analogia conseguimos claramente entender os três tipos de potência. Lembrando que a potência ativa é o que realmente utilizado, a potência reativa é o que é perdido, e a potência aparente é a soma das duas. Figura 33 – Analogia das potências com um copo de cerveja 30 Referências Bibliográficas ALBUQUERQUE, R. Análise de circuitos em corrente contínua. 15.ed., São Paulo: Érica, 1998. BOYLESTAD, R. Introdução à análise de circuitos. 10.ed.São Paulo: Pearson Prentice-Hall, 2004. CAPUANO, F.; MARINO, M. Laboratório de eletricidade e eletrônica. 15.ed. São Paulo: Érica, 1998. GUSSOW, M. Eletricidade básica. 2.ed., São Paulo: Pearson Makron Books, 1997. LOURENÇO, A.; CRUZ, E.; CHOUERI JR., S. Circuitos em corrente contínua. 4.ed., São Paulo: Érica, 1998. MAHMOOD, N. Teoria e problemas de circuitos elétricos. 4 ed. Porto Alegre: Bookman, 2005. MENDONÇA, R.; SILVA, R. 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