Unidade 01 - Grandezas elétricas básicas

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<p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS</p><p>FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA</p><p>ELETROTÉCNICA GERAL</p><p>Unidade 01</p><p>POR QUE A ELETRICIDADE É UMA FORMA DE</p><p>ENERGIA TÃO IMPORTANTE?</p><p>• porque pode ser gerada em grandes</p><p>quantidades e com custo razoável</p><p>• porque pode ser transformada em outras formas de energia com muita facilidade e alto</p><p>rendimento</p><p>• porque pode ser transmitida a grandes distâncias sem</p><p>necessidade de veículos ou tubulações</p><p>Lâmpada</p><p>Motor elétrico Alto falante</p><p>Aquecedor</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>http://images.americanas.com.br/produtos/item/81/3/81383g.gif</p><p>8,8</p><p>2,2</p><p>12,6</p><p>1,7</p><p>72,9</p><p>Importação Nuclear Térmica PCH até 30 MW Hídrica</p><p>GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL</p><p>Participação das fontes primárias (em %)</p><p>Fonte: MME - Balanço Energético Nacional 2006</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>Fonte: MME - Balanço Energético Nacional 2006</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL</p><p>22%</p><p>14%48%</p><p>16%</p><p>Residencial</p><p>Comercial</p><p>Industrial</p><p>Outros Setores</p><p>Setor Consumo (TWh)</p><p>Residencial 78,6</p><p>Comercial 50,1</p><p>Industrial 172,1</p><p>Outros 59,2</p><p>Participação por setor (em %)</p><p>EVOLUÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA DE</p><p>ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL</p><p>360 780 1.250 1.900</p><p>4.000</p><p>11.460</p><p>31.300</p><p>53.300</p><p>72.250</p><p>0</p><p>10.000</p><p>20.000</p><p>30.000</p><p>40.000</p><p>50.000</p><p>60.000</p><p>70.000</p><p>80.000</p><p>1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000</p><p>C</p><p>ap</p><p>ac</p><p>id</p><p>ad</p><p>e</p><p>in</p><p>st</p><p>al</p><p>ad</p><p>a</p><p>(M</p><p>W</p><p>)</p><p>Ano</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA</p><p>Para o estudo de Eletrotécnica só</p><p>interessam os elétrons da órbita mais</p><p>externa.</p><p>Lacunas podem ser tratadas como se</p><p>fossem cargas positivas</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>As propriedades elétricas dos materiais podem ser</p><p>explicadas a partir de sua estrutura atômica</p><p>Um modelo simples: o átomo de Rutherford</p><p>Ernest Rutherford</p><p>(1871 - 1937)</p><p>CONDUTORES E ISOLANTES</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>ISOLANTES</p><p>Elétrons-livres só podem ser gerados à</p><p>custa de altíssimas quantidades de energia</p><p>A densidade de elétrons-livres é muito</p><p>pequena, qualquer que seja a temperatura</p><p>Exemplos: borracha, madeira, papel</p><p>CONDUTORES</p><p>Pequenas quantidades de energia são</p><p>suficiente para produzir elétrons-livres</p><p>Mesmo à temperatura ambiente, a</p><p>densidade de elétrons-livres é alta</p><p>Exemplos: cobre, alumínio e ouro</p><p>CONDUTOR</p><p>Material que favorece</p><p>a passagem de</p><p>corrente elétrica</p><p>Elemento usado na</p><p>interconexão de</p><p>dispositivos</p><p>CARGA</p><p>ISOLANTE</p><p>Carga elétrica</p><p>Dispositivo que usa</p><p>a energia fornecida</p><p>por uma fonte</p><p>Elemento usado para</p><p>bloquear a corrente em</p><p>circuitos elétricos</p><p>Material que dificulta a</p><p>passagem de corrente</p><p>elétrica</p><p>-</p><p>Motor elétrico</p><p>Fios e cabos</p><p>Isolador</p><p>Elétron</p><p>Cobre</p><p>Tântalo</p><p>Alguns termos podem ter duplo significado:</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>Movimento ordenado de cargas elétricas devido à aplicação de diferença de potencial</p><p>(tensão)</p><p>O QUE É A CORRENTE ELÉTRICA?</p><p>UNIDADE: Ampère (A)</p><p>SÍMBOLO : i</p><p>Submúltiplos usados: miliampère (mA) = 10-3 A</p><p>microampère ( A) = 10-6 A</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>Movimento randômico Movimento ordenado</p><p>MÓDULO</p><p>É dado pela variação da carga q que</p><p>passa pelo condutor em durante o</p><p>intervalo de tempo t</p><p>t</p><p>q</p><p>i</p><p>Um sinal negativo antecedendo o módulo da corrente indica que seu sentido</p><p>é o oposto àquele indicado pela seta</p><p>SENTIDO</p><p>Mostra o deslocamento das cargas</p><p>portadoras da corrente</p><p>É indicado através de uma seta</p><p>colocada próxima ao condutor</p><p>COMO SE ESPECIFICA A CORRENTE?</p><p>A corrente é caracterizada por dois parâmetros:</p><p>- 2A 2A</p><p>Exemplo:</p><p>=</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>QUE TIPO DE CARGA SE MOVIMENTA</p><p>NOS CONDUTORES?</p><p>Uma dúvida pertinente:</p><p>POR QUE O SENTIDO CONVENCIONAL É MAIS USADO?</p><p>• Por tradição histórica</p><p>• Por se adequar ao conceito de “carga básica positiva” usado em Física.</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>MEDIDORES DE CORRENTE: AMPERÍMETROS</p><p>Miliamperímetro analógico</p><p>Amperímetro digital de painel</p><p>Multímetro digital “alicate”</p><p>Multímetro digital</p><p>ALGUNS EFEITOS E APLICAÇÕES DA CORRENTE</p><p>Aquecimento</p><p>• Aquecedores elétricos</p><p>• Chuveiros elétricos</p><p>• Lâmpadas incandescentes</p><p>• Fusíveis e disjuntores</p><p>Geração de campos</p><p>magnéticos</p><p>• Motores elétricos</p><p>• Transformadores</p><p>• Chaves elétricas</p><p>• Instrumentos de medida</p><p>Efeitos fisiológicos</p><p>• Equipamentos de</p><p>segurança</p><p>• Tratamento médico</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>• Perdas nos condutores</p><p>(Efeito Joule)</p><p>• Interferências • Choque elétrico</p><p>ENTENDENDO GRÁFICOS: CC CA</p><p>CORRENTE CONTÍNUA (CC) CORRENTE ALTERNADA (CA)</p><p>NA PRÁTICA</p><p>CC é aquela que mantem o</p><p>sentido e o módulo inalterados</p><p>NA PRÁTICA</p><p>CA é aquela que apresenta forma de</p><p>onda sinusoidal</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>TENSÃO – A ORIGEM DOS FENÔMENOS</p><p>ELÉTRICOS</p><p>A tensão também é chamada diferença de potencial (ddp), voltagem</p><p>ou força eletro-motriz (fem).</p><p>UNIDADE: 1 Volt (V)</p><p>SÍMBOLOS: v, u ou e</p><p>Múltiplos e submúltiplos usados: quilovolt (kV) = 103 V</p><p>milivolt (mV) = 10-3 V</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>A tensão é uma grandeza que expressa</p><p>a quantidade de energia necessária</p><p>para deslocar uma carga q entre dois</p><p>pontos A e B de um condutor.</p><p>Dado pela razão entre a energia</p><p>fornecida e o módulo da carga que</p><p>absorveu esta energia:</p><p>q</p><p>u</p><p>A tensão é caracterizada através de 2 parâmetros:</p><p>MÓDULO POLARIDADE</p><p>Indica o terminal onde há excesso de</p><p>cargas positivas (ou negativas) .</p><p>Indicada por um par de sinais + e -.</p><p>Um sinal negativo antecedendo o módulo da tensão indica que sua polaridade</p><p>é o contrário daquela indicada pelos sinais + e -.</p><p>COMO SE ESPECIFICA A TENSÃO?</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>MEDIDORES DE TENSÃO: VOLTÍMETROS E</p><p>OSCILOSCÓPIOS</p><p>Voltímetro analógico</p><p>Voltímetro digital Osciloscópio</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>Voltímetro analógico de</p><p>quadrante</p><p>Multímetro digital</p><p>COMO A TENSÃO É GERADA?</p><p> Reações químicas  Fenômenos eletromagnéticos</p><p>• pilhas elétricas</p><p>• baterias</p><p>• célula de combustível</p><p> Conversão fotovoltaica</p><p> Efeito Peltier-Seebeck</p><p>• alternadores</p><p>•dínamos</p><p>• painel solar (fotovoltaico)</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p> Efeito Piezoelétrico</p><p>A ENERGIA QUE VEM DA DANÇA</p><p>TENSÃO CC? TENSÃO CA?</p><p>O termo CC virou sinônimo de funções invariáveis com o tempo</p><p>Tensão CC é aquela que mantém inalterados o módulo e a polaridade</p><p>O termo CA virou sinônimo de funções que varia de forma sinusoidal.</p><p>Tensão CA é aquela cuja forma de onda é cíclica e se assemelha a uma senóide</p><p>Alternador</p><p>Bateria automotivaPilhas elétricas</p><p>Gerador a gasolina</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>A GUERRA</p><p>George Westinghouse</p><p>1846 - 1912</p><p>Nicolas Tesla</p><p>1856 - 1943</p><p>Thomas Edison</p><p>1847 - 1931</p><p>J. P. Morgan</p><p>1856 - 1943</p><p>Vista panorâmica da Feira Mundial de</p><p>Chicago e seus pavilhões (1883)</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>RETIFICAÇÃO: transformação CA em CC</p><p>É muito utilizada em equipamentos portáteis e circuitos que necessitam alimentação CC.</p><p>INVERSÃO: transformação CC em CA</p><p>É usada em circuitos que funcionam em CA mas que são alimentados por fontes CC.</p><p>Celular</p><p>MP3 Player Computador</p><p>Motor de CC</p><p>No-break Painel solar</p><p>Gerador eólico</p><p>CONVERSÃO CC CA</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>CC X CA: Prós e Contras</p><p>TIPO DE TENSÃO PRÓS CONTRAS</p><p>CONTÍNUA</p><p>• Portabilidade.</p><p>• Custo baixo para pequenas</p><p>quantidades de energia.</p><p>• Possibilidade de</p><p>armazenamento (baterias).</p><p>• Perdas apenas por efeito</p><p>Joule</p><p>• Custo proibitivo para grandes</p><p>quantidades de energia.</p><p>• Máquinas de CC são mais</p><p>caras e necessitam de mais</p><p>manutenção.</p><p>• Inversão mais complexa e</p><p>onerosa que a retificação.</p><p>ALTERNADA</p><p>• Facilidade/bom custo de</p><p>geração.</p><p>• Máquinas de CA são mais</p><p>baratas (motores de indução).</p><p>• Facilidade de alteração de</p><p>níveis (transformadores).</p><p>• Facilidade na transmissão e</p><p>distribuição.</p><p>• Retificação simples e barata</p><p>• Perdas por indutância e</p><p>capacitância na transmissão e</p><p>distribuição.</p><p>• Choques elétricos mais</p><p>perigosos</p><p>• Impossibilidade de</p><p>armazenamento direto</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>ESTRUTURA DOS SISTEMAS DE ENERGIA</p><p>ELÉTRICA</p><p>Usinas</p><p>Linhas de transmissão</p><p>Linhas de distribuição</p><p>(primária/secundária)</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>• Hidrelétricas</p><p>• Termelétricas</p><p>• Nucleares</p><p>• Eólicas</p><p>GERAÇÃO</p><p>TRANSMISSÃO</p><p>DISTRIBUIÇÃO</p><p>CONSUMO</p><p>TÍPICO SISTEMA DE TRANSMISSÃO/DISTRIBUIÇÃO</p><p>DE ENERGIA ELÉTRICA</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>POTÊNCIA</p><p>A potência (p) expressa a “velocidade” com que a energia em um dispositivo está sendo</p><p>transformada.</p><p>t</p><p>p</p><p>UNIDADE: Watt (W)</p><p>Múltiplos e submúltiplos comuns: megawatt (MW)</p><p>= 106 W</p><p>quilowatt (kW) = 103 W</p><p>miliwatt (mW) = 10-3 W</p><p>Cálculo da potência em equipamentos elétricos</p><p>t</p><p>q</p><p>qt</p><p>p</p><p>A potência instantânea pode ser determinada pelo produto da</p><p>tensão pela corrente a cada instante</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>iup</p><p>MEDIDORES DE POTÊNCIA ELÉTRICA:</p><p>WATTÍMETROS</p><p>Wattímetro analógico</p><p>Alicate wattímetro digital</p><p>Wattímetro digital</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>BALANÇO DE POTÊNCIAS</p><p>Nos circuitos elétricos existem elementos que fornecem energia e</p><p>outros que a absorvem, transformando-a em outras modalidades</p><p>de energia.</p><p>Por convenção:</p><p>potência positiva = potência absorvida</p><p>potência negativa = potência fornecida</p><p>Antoine Laurent de Lavoisier</p><p>(1743-1794)</p><p>O balanço de potências considera a potência total fornecida e a potência total absorvida.</p><p>Em obediência à Lei de Lavoisier, elas devem ser iguais</p><p>absorvidafornecida PP</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>Costuma-se chamar fonte de alimentação aos dispositivos que fornecem potência e de</p><p>carga àqueles que a absorvem.</p><p>A energia não pode ser criada</p><p>nem destruída. Pode apenas</p><p>mudar de forma.</p><p>Duvida pertinente:</p><p>COMO SABER SE A POTÊNCIA DE UM</p><p>ELEMENTO É POSITIVA OU NEGATIVA?</p><p>• a corrente entra pelo pólo + da tensão  potência positiva  elemento absorve potência</p><p>• a corrente entra pelo pólo - da tensão  potência negativa  elemento fornece potência</p><p>Resposta: observando a relação entre o sentido da corrente e a polaridade da</p><p>tensão no elemento</p><p>SE</p><p>EXEMPLOS</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>POTÊNCIA ELÉTRICA POTÊNCIA MECÂNICA</p><p>Energia</p><p>elétrica</p><p>Energia</p><p>mecânica</p><p>Watt</p><p>cavalo-vapor (cv) = 736 W</p><p>horse-power (hp) 747 WPerdas</p><p>RENDIMENTO ( ): indica o quanto de potência (ou energia) é perdido na operação do</p><p>sistema</p><p>Exemplo de um sistema elétrico: o motor elétrico</p><p>e</p><p>s</p><p>P</p><p>P</p><p>ENTRADA SAÍDA</p><p>Ps = potência na saída</p><p>Pe = potência na entrada</p><p>As potências de entrada e saída devem estar expressas nas mesmas unidades</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>ELÉTRICA</p><p>Mecânica</p><p>TérmicaAcústica</p><p>Formação de</p><p>campos</p><p>Luminosa</p><p>ENERGIA</p><p>É um conceito intuitivo, que indica a capacidade de um sistema realizar trabalho. Em</p><p>Eletrotécnica pode ser interpretada como a grandeza capaz de alterar o comportamento</p><p>das cargas elétricas de um circuito.</p><p>UNIDADE: 1 Joule (J)</p><p>Em Eletricidade é comum usar-se o quilowatt-hora (kWh)</p><p>SÍMBOLO:</p><p>Ela também pode ser facilmente convertida em outras formas de energia</p><p>A energia elétrica pode ser obtida a partir de outras formas de energia (mecânica,</p><p>solar, nuclear, etc.)</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>MEDIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA</p><p>Analógico</p><p>Digital</p><p>O que se paga mensalmente às companhias concessionárias é a energia</p><p>elétrica consumida.</p><p>Mecânicos Eletrônicos</p><p>Digital</p><p>RELAÇÃO ENTRE A ENERGIA E O NOSSO</p><p>BOLSO</p><p>O consumo (de energia elétrica) é um dos componentes da estrutura</p><p>tarifária.</p><p>Os consumidores são divididos em</p><p>• grupos – de acordo com os níveis da tensão de alimentação</p><p>• classes – de acordo com a natureza da atividade exercida</p><p>O valor do kWh é diferenciado de acordo com o grupo e a classe do consumidor</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>EXEMPLO</p><p>Lâmpadas de 100 W ligadas</p><p>em horários diferentes</p><p>DEMANDA 100 W</p><p>(0,1 kW)</p><p>200 W</p><p>(0,2 kW)</p><p>300 W</p><p>(0,3 kW)</p><p>Demanda máxima: 300W</p><p>Consumo total: 0,6kWh</p><p>CONSUMO</p><p>19-20h: 0,1 kW x 1 h = 0,1 kWh</p><p>20-21h: 0,2 kW x 1 h = 0,2 kWh</p><p>21-22h: 0,3 kW x 1 h = 0,3 kWh</p><p>0,6 kWh</p><p>TERMINOLOGIA USADA NOS SISTEMAS</p><p>TARIFÁRIOS</p><p>CONSUMO = energia</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>DEMANDA = potência</p><p>CARACTERÍSTICAS NOMINAIS TÍPICAS DE ALGUNS</p><p>APARELHOS ELETRO/ELETRÔNICOS</p><p>Fonte: BRASIL - Ministério de Minas e Energia</p><p>Aparelhos</p><p>Potência média</p><p>(W)</p><p>Dias estimados</p><p>uso/mês</p><p>Média utilização/dia</p><p>Consumo médio mensal</p><p>(kWh)</p><p>Aquecedor de ambiente 1550 15 8 h 186</p><p>Ar-condicionado 7.500 btu 1000 30 8 h 120</p><p>Ar-condicionado 10.000 btu 1350 30 8 h 162</p><p>Ar-condicionado 15.000 btu 2000 30 8 h 240</p><p>Ar-condicionado 18.000 btu 2100 30 8 h 252</p><p>Boiler 100 l 2030 30 6 h 365,4</p><p>Boiler 200 a 500 l 3000 30 6 h 540,0</p><p>Bomba d'água 1/4 cv 335 30 30 min 5,02</p><p>Bomba d'água 1/2 cv 613 30 30 min 9,20</p><p>Bomba d'água 1 cv 1051 30 30 min 15,77</p><p>Chuveiro elétrico (*) 3500 30 40 min 70,0</p><p>Computador/impressora/estabilizador 180 30 3 h 16,2</p><p>Ferro elétrico automático 1000 12 1 h 12,0</p><p>Fogão elétrico 4 chapas 9120 30 4 h 1094,4</p><p>Forno à resistência grande 1500 30 1 h 45,0</p><p>Forno à resistência pequeno 800 20 1 h 16,0</p><p>Forno microondas 1200 30 2O min 12,0</p><p>Freezer (**) 130 30 10 h 39</p><p>* Considerados 5 (cinco) banhos de 8 (oito) minutos cada</p><p>** O tempo médio de utilização de 10h/dia para o freezer se refere ao período em que o compressor está ligado, para manter o interior na</p><p>temperatura desejada. e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>Aparelhos Elétricos</p><p>Potência média</p><p>(W)</p><p>Dias estimados</p><p>uso/mês</p><p>Média utilização/dia</p><p>Consumo médio mensal</p><p>(kWh)</p><p>Geladeira 1 porta (*) 90 30 10 27</p><p>Geladeira 2 portas (*) 130 30 10 39</p><p>Lâmpada fluorescente compacta - 11w 11 30 5 h 1,65</p><p>Lâmpada fluorescente compacta - 15 w 15 30 5 h 2,2</p><p>Lâmpada fluorescente compacta - 23 w 23 30 5 h 3,5</p><p>Lâmpada incandescente - 40 w 40 30 5 h 6,0</p><p>Lâmpada incandescente - 60 w 60 30 5 h 9,0</p><p>Lâmpada incandescente -100 w 100 30 5 h 15,0</p><p>Lavadora de louças 1500 30 40 min 30,0</p><p>Lavadora de roupas 500 12 1 h 6,0</p><p>Máquina de furar 350 1 1 h 0,35</p><p>Secadora de roupa grande 3500 12 1 h 42,0</p><p>Secadora de roupa pequena 1000 8 1 h 8</p><p>Torneira elétrica 3500 30 30 min 52,5</p><p>TV em cores - 14" 60 30 5 h 9,0</p><p>TV em cores - 29" 110 30 5 h 16,5</p><p>TV portátil 40 30 5 h 6,0</p><p>Ventilador de teto 120 30 8 h 28,8</p><p>Ventilador pequeno 65 30 8 h 15,6</p><p>Videocassete 10 8 2 h 0,16</p><p>* O tempo médio de utilização de 10h/dia para a geladeira se refere ao período em que o compressor está ligado, para manter o interior na</p><p>temperatura desejada.</p><p>CARACTERÍSTICAS NOMINAIS TÍPICAS DE ALGUNS</p><p>APARELHOS ELETRO/ELETRÔNICOS (cont.)</p><p>e</p><p>g</p><p>c</p><p>n</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS</p><p>FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA</p><p>ELETROTÉCNICA</p><p>GERAL</p>