ATERRAMENTO DOC10001

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Okime TÉONICAS DE ATERRAMENTO
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TECNICAS
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DE
ATERRA
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OKIME EletrolJ;lagnetismo Aplicado
. I ~ . y .
www.okime.com.br
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OKIME Eletromagnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
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wW'.v.okime.com.br ' Cursos Técnicos e Consultoria site@okÍme.com.br
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAME,NTO
ESTRUTURA DO CURSO·
• INTRODUÇÃO
• BÁSICA.
\
• GENERALIDADES
• SOLO
/"
• INSTALAÇÕES
/
OKIME Eletromagnetismo Aplicadô Autor: Marcos André da Frota Mattos
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
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'TÉCNICAS ~ 1
DE .....•; : : ".: ;.: \ : : 1
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A'fERRAMENTO :~ : : , : 1
Marcos Andréda Frota Mattos, Ph.D : 1 .
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OKIME-Eletromagnetismo Aplicado ~ , 1
www.okime.com.br : : , 1
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ESTRUTURÃ.DO CURSO :..: · 2
i INTRODUÇÃO 10
/'1.1
l.2
~
l.3
.:,
l.4
l.5
1.6
l.7
1.7.1
'COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉ ............. 10
............. 10
...: 11
............. 11
.t
ESTRUTURÀ DO CURSO : .
RAZÕES PARA ATERRAR : .
ATERRAMENTO DE SEG
ATERRAMENTO DE S
\ : " 12
/ : 13
1.7.2 , : 15
\ . .
1.7.3 " ra , ,.· , 16
1.7.4 ade Estática : : ·17
,
/' , '
l.7.5 Sistemas Digitais .1•••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 20
l.7.6 Outras Formas de Onda : 21
2 ELETROMAGNETISMO ~ · , 22
2.1 INTRODUÇÃO : 22
2.2 CAMPO ELETROMi\GNÉTICO ; : 22
/ 2.3 CARACTERÍSTICAS DO MEIO ! : · 23
2.3.1- Condutividade Elétrica - (j : 23. ,
2.3.2 Permi~sívidade Elétrica - E : ~ 23/. \
OKIME Eletromagnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
/ .
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Okime TÉCNICAS, DE ATERRAMENTO
2~3.3' :~Permeabilid~e Magnética - u.. ; :.:~ ~ ::..~, 24
2.3.4 Velocidade de Propagação .., ':: : ; : 24
2.4 TEORIA DAS IMAGENS ~ 25
3 CIRCUITOS ; ~ :.~ ; : , ': : 28
3.1· ,INTRODUÇÃO; , --. ~ ; : ".28
/' . ,
3.2 ELEMENTOS DE CIRCUITOS ~ -: : : 28
3.2.1 Indutor ., : , ;- , .' 28
3.2.2 ' Capacitor ..: ' , : : : 31
3'.2.3 Resistor - : : :: ~.~ ;:.:.- :-:.32
•
4.1
3.2.4
3.2.5
1m ;J~' ' /pe\llanCla : , . .............. 32
. :.,.·33Não Linearidades .
INTRODUÇÃO : :.., :.:
,
.. ::.34
............. 34
4 ANTENAS : .. .
4.2 - DIPOLO ELÉTRICO .>•••••••
(
4.2.1
\ 4.3' M
.... :....•...: : )5
,
............................•. : : '35
4.4
4.4.1
4.4.2
........ ~ :: ~ ; ; : 36 \.
.......... ~ \ : : 36
orrente : : : 37
5.1
5.2
"5.2.1
\5.2.2
5.2.3
'\
5.2.4
. - I _ ' •
íE TRANSMISSAO ,: ; 39 ,
INTRODUÇÃO : '..: 39
. .' ",' -'. -'
PAR DE CONDUTORES : : 39
Campo Elétrico ~ .' 40
Campo Magnético ,; ' .: : .. 40,
Regra da Mão Direita L •.•••••.•. 41
Tensão Elétrica : ....•..................... . , ; , : .-.. 41
5.2.5 Corrente Elétrica :..: : ..: , ; ~ ~ 41
" ,
5.2.6, Parâmetros Geométricos e Físicos : 41
OKIME Eletromagnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
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, ,
, -
•
(
Okime . TÉCNICÁS DE ATERRAMENTO
) .
5:2.7 Parâmetros da Linha - RLCG - Parâmetros Elétricos : 42 '
'\
·5.2.8 . Impedância Característica : : 43
.. ,--- '
5.3 MULTICONDUTORES , : : 43
-, )
5.4 CABO E PLANO PARALELO 44l' .. . I . /
5.5 FITA E PLANO EM PARALELO : , ..45
5.5~1 Impedância ~ ~ ~; , ., 46
5.6 -PROPAGAÇÃO DEüNDAS.: 46
5.6.1
. 5.6.2
5.6.3
5.6.4
5.6.5
~5K6
5.6.7
5.6.8
5.6.9
5.7 .L
5.8 L
~ 5.8~1
6
, I. "
Velocidade dePropagação ~ .;.... , : 4J
'Tempo de Propagação , 47
Equações de Propagação: . ..............~47
. 47
I
Reflexões , : .
Terminal Resistivo ~.. . 48
.............. 50 ~
. ,
. Terminal Indutivo : .
Terminal Capacitivo ..
.., ~ : : : 54
. LM : 54
...................... : : : : :.. 56
..
6.\ ·ODOS , : ~ 56
6.2 CABOS DE ATERRAMENTO :..: , 56
6.2.1 Cabo de Cobre ~ ~ , ~ ~..: ~ 56
. 6.2.2 -Fio de Aço-Cobre ; : , 57
6.2.3 Arame de Aço : ; : 57
6.2.4.
. 6.2.5
Barras de Aço Inoxidável : : .. 57
Cordoalhas , : :.57
6.3 CONEXÕES ~ : : : , : 57
6.3.1 Conectores : ~., : 57
. . \' .
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. (
Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
. ~ .
6.3.2 Soldas ' "!":••••••••••• : ••••••••••••••••••• :. 58 .
7 CAMINHO DE RETORN"O ~.:' , : 59
7.1 ~ IN'IRODyÇÃO : 59
".
7.2 EQUIPOTENCIALIZAÇÃÓ 60
. -,
7.2.1 Potencial'de Passo ~ , 62
-7.2.2 Barra de Equalização doTerra - 62
, . ( .
7.3 -. UMUNICO PON.TO TERRA , , 62. ,..
~ -
, , ~.- . l ~ ---
7.4 VARIOS' PONTOS DE TERRA , 63
,
7.5 ATERRAMENTO HÍBRIDO : :. - 64
8.2.3
8.2.4
INTRODUÇÃO .., .
. 65
...: ~ 65 \ .
\ 8 RESISTÊNCIA X IMPEDÂNCIA DE TERRA .
8.1
. 8.2 IMPEDÂNCIA DE TERRA NO SOLO ...' ~:.66/
8.2.1 Impedância de Corrente Contínu ............. 66
8.2.2 Impedância com Corre
9.1 - IN
............................................. : 69
.......... : 70
............. : ~ ; 70
9
9.1.1·
9.1.2
010, p 7·0
Idade e Penneabilidade : 72. ,
9:1.3
'-9.1.4
stratificação do Solo,. : : .' 72
Lençol Freático : : 73·
9.2 ELETRODOS : ::.: : : 73.
9.2.1 Eletrodo Semi-Esférico , ~ 74
9.3 HASTES VERTICAIS :. : 75·
'.
9.3.1
9.3.2
9.3.,3
Haste Vertical , ' 75
Hastes Verticais em Linha : :..: 76
Hastes' Fonnando um Quadrado 77. .
Hastes em Círculo ;.~ ~ : : .: 77
OKIME Eletromagnetismo Aplicado' Autor: Marcos André da Frota Martos
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I
Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
9.4 FIOS HORIZONTAIS ~ :: : .!•••••••••••••• 78-,
.9.4.1 Linha na Superficie ~ : .. : 78
\. . . .
9.4.2 Linha Enterrada ; : : 78,.
9.4.3 .Linhas em Paralelo.na Superfície ' : :.. 79
9.4.4 Dois Fios'em Paralelo : : 79
9.5 FIOS RADIAIS : : 79
9.5.1 Fios Cruzados ~ 79
\ .
9.5.2·'
9.5.3 .
., .
Eletrodo em L ; '. ::. :...; 79
Eletrodo em y : , 80
9.6.1 Anel na Superfície i ; .
~:6.2. Anel Enterrado : .
c
9.7 MALHA DE TERRA ; ;.
9.8 ( , ESFÉRICOS .
9.8.1
9.8.2
. 80
. ~ 80
.............. 80
.............. 81
.9.6 ANÉIS .
9.9
9.9.1
,r- 9.9.2
9.10
9.11 SI
9.11.1
/
-
9.11.2
9.11.3
9.11.4
:.........•...................................... 82
H~~pv
0" /
...~ ; 82
.........-...~ ; '.: : ; 82
.................. :..........................................•.......................... 83
DADES NO. SUBSOLO : 83
; ARIDADE ...•........................... : :: ~ : :.:., 84
Campo Elétrico Crítico de Ionização dá Solo - E, ~ :. 84
r
Região de Descarga : :: 84 .
/ '.. '
Dimensões Características S oulI do Eletrodo : ~ 85
, (, í
Impedância de Impulso de um Eletrodo : 87_
10 MALHA DE TERRA .., : 90
10.1 . INTRODUÇÃO 90
10.2 TENSÃO DE PASSO , ~ ~ .. : 90. - \
.10) . ~ERFORMANCE EM T-RANS'lTÓRIOS ~ 91
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J
•
/
Okime 'TÉCNICAS DE ATERRAMÊNTO
I
...•. ., '\
10.3.1 Indutânciá Elevada : ' .. 91
(
10.3.2 Área Efetiva : ~ 91
10.4 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS ...........................•....................... ,. 92
10.4'.1 Hastes Verticais no Perímetro da Malha 92
.I'
, -10.4.2 Hastes Alinhadas ; ' , : . 92
1'0.4.3 Brita : ~ 92,
10.4.4 Malha Atratora.. : 92
. I
- )
10.5 MODELO ADOTADO· : :.\. 92
r
10.5.1 Resistência do Elemento '; 93
II
\
MEDIÇÕES : .
.. : 9310.5.2 Indutâncias ..: ;- :: : .. .
10.5.3: Condutância ;-. .
..
.. 95,.
10.5.4 r • ,,- •. - yCapacitância .
./
......', 96
.. 100·
11.1 INTRODUÇÃO .
11.2
11.3
11.3.1
11.3.2
11.3.3
........ , 101
..: : 101
........................................... : 102 ,
, -
..: , ~ : : 102
''- .
\
11.3.4 e de Armazenamento ,:......................................... 102
r 12
12.1
12.2
12.3
12.4
Í2.5
12.6
13
13.1
INST, ÇÕES PREDIAIS .. :.. 103
" I
ATERRAMENTO EM PRÉDIOS ~ :..~ ~ , 103
USO DA ESTRUTURA METÁLICA- " : 103
ATERRAMENTO ESTRELA ..:.... ,1••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 105
, "..... -
, I
ATERRAMENTO EM ILHAS : 105
PLANOS TERRA' ; 106
USO COMBINADO 107
INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS ; : 108
INTR()DUÇÃO ~ ...; , 108
OKIME Eletromagnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
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/
\
/. '
r
'Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO~ '-, ( .
13.2 MANUTENÇÃO -: , ~..: 108
\
13.3 INTERIORES : : :.: : 108
, .
13.3.1
I
r:
'13.3.2
- Í3.3j
'-13.3.4
Inflamáveis e Explosivos .., .. , : : 108
Controlé, Fabricação, Transporte · , -109
. . \ .
Escritórios ~ ,................... 109
..
Técnicas de Aterramento da Eletricidade Estática , 109
13.4, INSTALAÇÕES :.: : . , 110
_ 13.4.f Torre.de Telecomunicações ~ 1101
13.4.2
13.4.3
. .
Subestações ; : : 111
I . .
~ . ~~ "-
Rede de Distribuição :: ; ., .' .
. .
I
'13.4.4 Planta " .. .- .
EQUrl>AN,1:ENTOS~ :: ~ .
...~ .. , 116- ,
............ 112
. 113
............ 115
. 115
14
-14.1 INTRODUÇÃO "' : ~ ~... " /
-,
14.2 GENERALIDADES ';,
14.3
14.3.1
14.3.2
14.3.3,
14.3.4
7 ••••••••••••••••• : ••••••••••• : •••••••••••• ; •••• : •••••••••••••••••••••• 116
).abos Blindados ~ : 118
14.3.5- rr to de 'Equipamentos em Comunicação (Rede de
'. C~mput~/''€s) :.: : :.) ~ , ~ : 119.
14.4 EQUIPAMpNTOS INDUST.RIAIS : :..:..•..................... 119.
14.5 ELETRODOMÉSTICOS : OJ •••••••• '•••••••••••••••••••••••••• 120 '
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. ,
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
1 INTROD~ÇÃO
1.1
)
íDADEELETROMAGNÉTICA
i
\,
, J
1.2
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QKIME :Életto~agnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
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j
Okime TÉCNICAS DEATERRAMENTO
1.3 RAZÕES PARA A"(ERRAR
- ,. , . ,O aterramento jteve o seu início histórico com a proteção' deedificações contra
descargas atmosféricas.-Com a grande utilização da energia elétrica, surgiu a
necessidade de proteger as pessoas contra choques originados nas instalações elétricas.
Este último uso do aterramento ainda é a principal finalidade deste.
I
Com o passar do tempo verificou-se que equipamentos elétricos deveriam ser
aterrados para terem um melhor funcionamento e mesmo para que pudessem operar.
Nos dias atuais, .os todos equipamentos elétricos e eletrônicos têm ligações com um
ponto terra. Equipamentos mecânicos, químicos e até mesmo biológicos são, por vezes, '
aterrados par-ase garantir a segurança e o seu bom funcionamento.
No início, o aterramento consistia simplesmente em ter um caminho para o solo
(planeta, Terra), daí as palavras aterramento, aterrar, terra etc. Sabemos- que muitos
equipamentos elétricos e eletrônicos não estão em contato com o solo do planeta e ainda
assim tem o seu terra. Esses eqúipamentos fazem parte da eletrônica rcada e dos I
- dispositivos portáteis.
..
Do ponto de vista econômico o grande re .i
está na manutenção ininterrupta do serviço. E
substituições de equipamentos são inferiores-
produção, do telemarketing e das comunic -
fax, telex etc.). .
terramento
-reparos e
parada' da
e, internet,
si ~e as elétricos que se
Sistema de' Aterramento é
e stema elétrico, a um tamanho
an~, rocuramos colocar o. Sistema de
. ao invés de ser uma questão defilosofia I
1.4 , , E ,~~ODE SEGURANÇA
ht\~r~~
O aterr~ênto de segurança visa à integridade física das pessoas; Preservar a
integridade dos equipamentos elétricos e eletrônicos também é função do aterramento.
1.5' ATERRAMENTO DE SINAL (CEM)
(
Oaterramento_de sinal visa ao funcionamento de máquinas e equipamentos dentro,
das especificações do fabricante.
O aterramento de sinal éapenas uma das técnicas adotadas para se eliminar ou
reduzir a interferência em equipamentos e sistemas eletfo-eletrônicos. Esses sistemas
podem estar no ar, nomar, na terra ou no espaço. Outros métodos que devem ser
empregados na eliminação ou" redução' de ruídos 'são; blindagem, filtragem,
balanceamento, isolação agrupamento, distanciamento, orientação, controle de
OKIME Eletromagnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
impedância do circuito, projeto e disposição de cablagem, controle de freqüência, Esses
métodos são práticas abordadas pela Compatibilidade Eletromagnética. Esse ramo da
Engenharia tem tido grande. expansão nos anos recentes, .por causa do aumento da
densidade . de equipamentos e dispositivos eletro-eletrônicos e do aumento da
susceptibilidade destes.
1.6 SISTEMA ELÉTRléo
o Sistema Elétrico é complexo envolvendo tensões que variam de poucos volts
nos sistemas digitais- até várias centenas de milhares de ·volts nos sistemas de
transmissão' de potência. . Em todas as etapas do sistema elétrico, encontramos
aterramentos das mais variadas tecnologias, para que possam atender às necessidades
locais. .A Figura 1.1 ilustra o Sistema Elétrico em suas diferentes etapas. A
interligação total dos terras não existe através de condutores metálicos. Eêtainterligação
.,(Cl---~,
ocorre pelo solo. Em especial, a interligação do neutr terrado do sisteIna\ com o terra
do consumidor deve ser feita ou não conforme as no s técnicas-e ~ifiFam, Figura
1.2. ) J
A interligação pelo solo resulta em corr
cidades. Essas correntes' influenciam em dispo
e provocam corrosão. Além disso, p.
1 , /~
superfície, como adutoras, fundações .dé
influenciam os sistemas de aterraméÍit
cada caso.
trato
abaixador
alta tensão
138 ...750kV
13,8kV
Fase
Neutro 121V.
CONSUMIDOR
Figura 1.1: Sistema elétrico
,
\
I
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•
r
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TERRA h NEUTRO
.' ----+---,- .
.:~::.:::.::!!!!~!::~!!!::!!!!!!!!!!!:::/~/./:::::i!i!i!i:i!!::i·i!i!i·iHi':--.i~:i!i!i:i!i!i:i·i:i!i!i:i!i!i!i!i~:"i:i!!!i!!!i!ii
;~~~~~~
Figura 1.2: A ligação dó terra d~ consumidor com o neutro da concessionária
depende da regulamentação estabelecida pelas normas técnicas
/
o
.J.
1.7 fONTES DE CORRENTE PARA O TE
Existem diversas fontesde corrente p~a o,
o Sobretensões de Origem:
/
o , \
o
As tensões inç esejadas têm características que permitem serem agrupadas.
1.7.1 Descargas Atmosféricas' ,
I ,
As sobretensões de origem atmosféricas são descargas atmosféricas que atingem
diretamente a instalação elétrica, a mecatrônica, a química, a telefônica, a de
informática ou -a biológica, podendo causar grande- estrago. Descargas elétricas que
atingem pontos próximos também geram sobretensões nos equipamentos a serrm
aterrados.
, As descargas atmosféricas ou raios podem ocorrer entre nuvens, dentro de uma
nuvem ou entre nuvem e terra. Existem, também, descargas atmosféricas em erupções
vulcânicas e tempestades de areiá.As que nos mais interessam são as que ocorrem
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-'
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,Y I
entre a nuvem e' a terra. Estima-se que elas sejam, aproximadamente 20% do total das
descargas atmosféricas. o. raio pode ter origem na terra ou na nuvem, sendo mais
.. comum à origem na nuvem. Ele pode ser positivo ou negativo sendo o mais comum
negativo. Os raios podem "cair" mais de 'uma vez no 'mesmo local, embora pouco
prováveL" I
o. índice que mede a quantidade de descargas atmosféricas em um local se
chama Nível Ceráunico. Esse índice é o registro do número de dias de trovoadas por ano
em uma região. As descargas atmosféricas, como estão associadas com as ocorrempor
sua vez, com mais freqüência, nas regiões tropicais, À medida que nos aproximamos
dos pólos da Terra, elas diminuem em .quantidade.
Uma descarga atmosférica tem Uma forma de OIídacomplexa que é mostrada na
Figura 1.3. o. primeiro pico de corrente é o mais conhecido e pode ser aproximada por
uma equação com dupla exponencial, Figura 1.4:
10kA-200kA
1OkA-1 OOkA
BOOA
2kA-800A
1.21J5 1ms
Figura 1.3: F
leva 1,2 !J.S para atingir -o valor máximo e 50 !J.S para
o valor médio' do valor de pico, sendo este o padrão adotado paraatingir, na d
.
ondas de tensao e para ondas de correntes. Outras curvas c0f!10esta podem ocorrem ~m
uma mesma descarga atmosférica. A primeira destas curvas é chamada de corrente de
retomo, as demais são chamadas de correntes, de retomo subseqüentes. Entres as
) , ,
correntes de retomo, pode haver correntes menores com longa duração.. '
-' '
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
1.2 50
Figura 1.4:Dupla exponencial, Vp - 'valor de picoda tensão 8U de corrente
"
Descargas atmosféricas emitem campos eletromagnéticos com formas de onda
semelhantes às das correntes elétricas' dessas descargas.' Esses campos, ao atingirem
cabos telefônicos, cabos de energia e equipamentos,' geram 'correntes e tensões
indesejadas. Estas correntes e tensões têm forma de onda semelhante ". o raio. Tais
fenômenos são chamados de descargas atmosféricas .i etas.
1.7.2 Sistemas Elétricos
. ndesejadas.
ténsoes -no sistema de'<
.r.~=-., :\- • .nsaorras e onundas de. p'
Os surtos de tensão' e
-4 rio étrico do sistema, e, para se.
, jmentações de energia magnética e
n utivos do sistema. 'As linhas e os
rçao são basicamente.indutivos, isto é, podem
o s dutores. Os sistemas de distribuição têm vários
r .:pi,lra .' ção da tensão e para a correção do fator de potência.
n~idelar ~. e 50-75% da carga é composta de -motores elétricos, que
dhti§Ós e podem ser representados simplesmente por indutores em
p'" .-
Os sistemas elétricos de énergi~tapt"'
O sistema de proteção se encarretf .
aterramento. As tensões e co
chaveamentos ou -abertur
correntes apareceÍn a-u
, .A"''Wiretomar ao novo e
elétrica entre",
\ ""transformado ...,.
, .
ser represent
bancos de caQac
Ainda pOde11\çs-,
são basicameâ
muitos casos.
./ ,
,
Um circuito RLC, Figura 1.5, .pode nos dar uma idéia razoável da rede elétrica .
. O indutor L representa as linhas' de distribuição, os motores- elétricos e os
transformadores; o capacitor C, os bancos de capacitores para elevação de tensão e'
correçãode fator dê potência; e o resistor R, as perdas nas linhas e máquinas. A fonte
de tensão representa a tensão do. sistema elétrico. A freqüência de oscilação da
sobretensão oriunda de um circuito RLC é
I
f= 1
I 2'11 .fiC' [Hz].
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O~ME Eletromagnetismo Aplicado . Autor: Maréos André da Frota Mattos
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/'
c R,
\
Figura 1. 5: Circuito RLC COll;! fonte senoidal
/
r
No desligamento de uma carga aparece uma configuração como na Figura 1.6,
em que há troca de energia entre o capacitor e o indutor da carga.
/
L C R,
Figura 1. 6: CircuitoRl.C, troca de ener
Os transitórios podem
60 Hz. 'As manobras co
transitório. Os de longa dk
de condutores .. Em .d't~, i' si r
a dois" ciclos de
vocamesse tipo de
êios, cem em faltas e abertura
dobro da tensão nominal.
~ Os ch r,V~pne; (' [na' ede elétrica provocam surtos no sistema. Esses ,surtos são
duplas expon ,if'L.~is,r§j)mo ilustrado na Figura 1.4. As relações entre frente de onda e o .
tempo, para r ;ar á 50% do valor de pico são:
o 50/ u.ooo a 5.0,00) ~s
o 300/ (1.000 a 5.000) ~s
Jf1 (5.000 a 10:000) us .
'.,
.["Switçhing surges-Selection of typical waves for insulation coórdination", IEEE (
TPAS, ~)Utl1976].
Com o terra, os equipamentos são protegidos contra tensões elétricas acima do
desejado, são as chamadas sobretensões.
OKIME Eletromagnétismo Aplicado
)
Autor: Marcos André da Frota Mattos
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Okime .TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
1.7.4 Eletricidade Estática
Os materiais são formados por átomos. Os átomos são compostos de prótons,
elétrons e neutros. Os prótons e neutros formam onúcleo do átomo: Os elétrons giram
..em torno do núcleo. Os prótons têm carga positiva, os elétrons têm carga negativa e o
neutro não tem carga elétrica.
Com a separaçãq dos elétrons do átomo '-apare;e uma càrga elétrica negativa e
outra positiva, que são chamadas de Íons. O deslocamento desses Íons provoca a
corrente elétrica. A força de atração das cargas positivas pelas negativas provoca a
tensão elétrica, \-
1.7.4.1 Descarga eletrostática '
"
\ .
A Descarga Eletrostáticaé causada pela carga estática e tem a forma de onda
como na Figura 1.4. Esta dupla exponencial tem tempo de subida de 1 ns e tempo de
queda até 50% do valor de pico de 5 ns; estes valóres são padrões istem vários
modos de separar a carga estática ou eletricidade es '.,#li . Ao se is materiais .
isolantes, pode causar transferência de carga elétri • m ma o.
.Com a separação de cargas aparece uma tensão entre os dois materiais. Essa
tensão pode provocar a desrupção do ar circundante. O atrito de um isol~nte com um
condutor causa separação de cargas.
I .
r )
..
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. I
Autor: 'Marcos André da Frota Mattos
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
I
Alta
Tensão
~
I
Corpo 1
arco
voltaico
(FAÍSCA)
Corpo 2
Figura 1. 7: Deséarga eletrostática entre corpo humano e botão em painel de controle.
A alta tensão aparece imediatamente antes do faiscamento. -
Se o Corpo 1 ou o Corpo 2 estiver em contato com
sem faiscamento, ver Figura 1. 7.
escarregada
) o grau de transferência de carga de um
material. A tabela a seguir mostra uma list
produzem eletricidade estática.
do tipo de
o atritados
Lista de Materiais - em ordem do m . <
PELE ANIMAL
COURO
SEDA
ALUMÍNIo
PAPEL
,ALG0DÃO
MADEIRA
AÇO
CERA DE VEDAÇÃO
BORRACHA Dl]RA
. OKIME Eletromagnetismo Aplicado
(roupa etc.)
r
(solas de sapato)
(roupas)
(metal)
(embalagens)
(roupa)
(móveis, escadas etc.)
(tachos, tubos etc.)
(solas de sapato)
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T'
,1~,'
I
)
MYLAR
EPOX-VIDRO
NÍQUEL, COBRE '
PRATA
OURO, PLATINA
PQLISTIRENE
ACRÍLICO
, POLIESTER'.
(tipo de plástico)
\
(metal)
(metal)
(metal)
\
,
Vento, brisa,
aço.
,
, .CELULOSE
POLIURETANO
POLITILENO
POLIPROPILENO
PVC'
SILICONE, TEFLON
•.
Os, materiais no início da: lista tende
carregados. Os materiais no fim
negativamente carregados.
sitivamente
tornando-se
/
Exemplo 1.2
Esfregando c,
PVC.
á transferêrtcia de elétrons do cabelo para O'
maço provocam transferência de elétrons do ar para O'#
, (
Andar com sapato de borracha em carpete de náilon e tocar em metal (maçaneta,
equipamentos, placas de circuito impresso etc.)
, " , ",,--
A lista de materiais mostrada não é o único fator que' determina .aseparação de
cargas.: Outros fatores influenciam na separação de .cargas: maciez .da superfície,
limpeza da superfície, área de contato da superfície, pressão ~O' contato. etc. ' , '
Pode haver separação de, carga mesmo quando dois corpos de mesmo material
\ estão em contato. ' ' , .
\ ,
J,
NO' material condutor a carga, rapidamente, se espalha pela superfície do
condutor, diminuindo as chances de descargas elétricas. Em materiais isolantes, a carga'
fica localizada no ponto de contato, facilitando a descarga 'eletrostática. '
, (,'
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
A tensão 'que (aparece entre os materiais quando muito próximos pode ir a
15.000 Vou mais; Esta elevada tensão provoca·o rompimento doar (30.000 V/em).
Quando um corpo isolante (náilon, por exemplo) carregado se aproxima de um corpo
condutor (aço, por exemplo) provoca separação de carga, por indução, neste condutor,
veja Figura 1.8. .
(
MATERIAL ISOLANTE MATERIAL CONDUTOR
NAYLON
separação de cargas por indução
Figura 1. 8: Corpo de 'náilon carregado nas proximidades de u
provoca separação de cargas. . ·Xii ..•
Processo da Descarga Eletrostática
1-
2-
indução
3 -
Exemplo 1.3:
Andar com
equipamento
de náilon e tocar em um metal (maçaneta,
so etc.).
'Elétrons são
A carga nega do sapato induz carga positiva na, parte inferior do corpo (material"
condutor), o que 'produz carga negativa na parte superior do corpo.
A carga negativa da parte superior do corpo flui via mão (ou dedo), atraindo para a
região do maquinário, próxima a mão, carga positiva.
\
Surge uma alta tensão entre a mão e o equipamento, provocando uma faísca no ar entre
os dois.
,
Descargas eletrostáticas de até 3.500 Volts não são perceptíveis pelos humanos mas
podem causar ignição.
1.7.5 Sistemas Digitais
)
Nos sistemas digitais a formà de onda mais utilizadas é a trapezoidal, conforme
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/
I '
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ilustrada na Figura 1. 9.
dw-ação
I. . •.....•
atraso T
T ..
período
Figura 1. 9: Pulsos digitais. 'r é o tempo de subida do pulso e T é o período dospulsos.
devido a
Os campos
.oes de TV,
1.7.6 Outras Formas de Onda
. Formas 'de onda quaisquer são fo
acoplamento de campos eletromagnéticos de
externos são oriundos da própria natu
walkie-talkie, linhas de distribuição e /, .
) \
/",1
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•
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2 ELETROMAGNETISMO
".
, v.,
2.1 ,INTRODUÇÃO
Em um estudo de aterramento devemos ter em mente os princípios básicos do
eletromagnetismo. Isto nos auxiliará no erttendimento de processos e sistemas de=s= correntes, tensões e cargas espúrias, para fora qos ,n98B;'·-e"sistemas' e
equipamentos. '
2.2 CAMPO ELETROMAGNÉTICO
o campo elétrico está associado s r ia afirrnaçã6
tem sido observada e usada no no aç e ondas de' rádio, .
televisão, telefonia celular,/r(!~ar, .' tã aa nesta associação de
~ J, •. '1 d"i.'!>., 4!
campos. O campo magnétit(fi'quan 'à;i vé 'te . gera um campo elétrico. O
campo elétrico qucw:â4" ., 'avés~'Jpo/teuiPo ger~ un(campo magnético. O campo
gerado sempr ." ..~'''\fl r ft<;::;prirheJr&, c.ô#io ilustrado na, Figura 2.. 1. Este
fenômeno f: rntf"i' ~M o outro leve a chamada propagação
eletromagnéti &,\ .a~/Um físico chamado Maxwell colocou em
forma de eq çâô·"ôe campos. Estas equações são as Equações de
Maxwell:
r ( J ( ÔD)rH-dl= s .J+ ôt dS
rE_dI.= -J ôBdSr s ôt
, \
f~B -dS= O
em que:
H
J
B
Campo Magnético
De~sidade de Corrente
Densidade de Fluxo Magnético
[Alm]
[A/m2]
[T]
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/
)
-:
Okime
I ,
TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
í
E
D
Campo Elétrico
Densidade de Fluxo Elétrico
p Densidade de Carga
[Vim]
[C/m2]
[C/m3]
E H
88
2.3
ao seuFigura 2.1: O campo magnético H em movimento' cri
redor, o análogo também é verdadeiro.
I,
Um campo elétrico também pode ser formá
movimento. O campo magnético por sua vez po
movimento (corrente el~trica).
.*'rf?&t;-;.
Esta propagação eletromagnétít'~ ,;:;.A 'i
radares mas também nos sistemas e
adas ou em
: létricas em
\
Devemos lembrar
apontando o sentid
campo magnéti .
,2.3.1
A GO'n: utividade elétrica está associada às perdas Joules do rneio. Isto significa
que o campo eletromagnético (ou onda eletromagnética) atenua na sua passagem por
aquele meio. Alguns meios são ditos sem perdas.' No caso do espaço livre isto é
verdadeiro. Em outros meios em que as perdas são desprezíveis também são chamados
de sem perda, como é o caso do ar.' 'r
(
O solo é um meio com perdas, e dependendo dotipo do solo a condutividade
elétrica varia. Materiais como o cobre, o alumínio e o ferro as perdas são pequenas mas
não o' suficiente para serem desprezadas em todos os casos.
2.3.2 Permissividade Elétrica - E
•
, I'
A perrnissividade elétrica indica as características elétricas de um material. Está
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(
ÍÉCNICAS DE ATERRAMENTO
J
Okime
I \
associada aos efeitos capacitivos do meio e a velocidade de propagação de uma onda
eletromagnética. A Tabela 2.1 lista a penneabilidade relativa a do vácuo
(80 = 8,854.10-12 Fim) de I alguns materiais isolantes. Os diferentes tipos de solo
também têm diferentes valores de permissividade.
" ~
2.3.3 Permeabilidade Magnética - /l
A penneabilidade magnética está associada às características magnéticas do material.
Em geral os diversos tipos de solo tem a mesma penneabilidade magnética do vácuo.
No vácuo a penneabilidade é /lo = 4001t10~7.RIm.
'r>;
2,1
10; 80 (e outros valores)
1,6
Solo
Polietileno '.
Polietileno Celular 1,8 _
Teflon .
Polietileno
Poliestireno
Nylon
. Borracha de Silicone
Polivinilclorido (pVC)
Resina epóxi
5,0
7,0
~:rri;?" .
atrela2.1: Permissividade Relativa
2.3.4 Velocidade de-Propagação
A velocidade de propagação de/uma onda eletromagnética depende do_tipode meio em.
que está se propagando. Uma forma aproximada para obtermos a velocidade de
propagação de uma onda em um meio é?
.OKIME Eletromagnetismo Aplicado
/.
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•
Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
1v= -'-'
,feri [m/s]
.',
.J
Uma equação para velocidade de propagação mais precisa é:
V = j(pr~S)ro~ I [m/s]
em que (j) 21tf ef - freqüência.'
2.4 TEORIA DAS IMAGENS
A teoria das imagens diz que cargas elétricas acima de um condutor perfeito, plano e
, /
infiriito têm o seu campo elétrico refletido de volta. Ist corresponde f • stituirmos o
plano por uma carga igual de sinal contrário a uma cia du or que arda
carga original ao plano. Podemos dizer que o c eti a carga que
usamos para substituir o plano, e a esta cham . Figura 2.2
ilustra esta situação para diferentes configurações ./
(fllh 8Ih
1~~j~~I~~
Figura 2.2: Imagens de cargas acima do nível do plano condutor perfeito
Esta teoria dás imagens é indispensável,' quando da obtenção de diversos
parâmetros elétricosde vários componentes de um Sistema Elétrico ou de um Sistema
de Aterramento. O uso desta teoria facilita o uso e o entendimento dos circuitos de
aterramento.
Como uma corrente elétrica é formada por cargas em.movimento, formará uma
imagem em um plano condutor, como ilustrado na Figura 2.3. A superfície da terra
pode, por aproximação, ser considerada plana e perfeitamente condutora em muitos'
'cálculos de parâmetros elétricos. Paredes de prédios e \casas, bastidores, armários
metálicos entre outras superfícies são refletoras de campos elétricos o que permite que o -
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I
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substituamos por imagens e assim facilitar o nosso cálculo.
i(t) Condutor
G%Qi&J%.jgw , Ê
" ,
Figura 2.3: Imagens de correntes e~ condutores acima do solo
.Um .condutor de descida de um sistema de proteção tra descargas
ens esta ne
mosféricas,
s no espaço
tenham em
siderar um
r
atmosféricas, ver Figura 2.4, tem quatro imagens refl
parede e as outras duas no chão. Para análises
considerarapenas para cálculo de parâmetros um
livre. Em alguns casos análise de descargas atm
seus componentes harmônicos freqüências mais
cálculo de parâmetrosmais completo. .'
. _-~1"it1ii~·,
parede
+--__ li!_iISMil..-__ li!--__ li!--__ li!--._---
condutor
/de descida
concreto
/'
\ -,
Figura 2.4: Imagens do condutor de descida do sistema de pára-raios
.Um condutor passando por uma canaleta na superfície do solo, como mostrado
na Figura 2.5, tem cinco imagens refletidas. Duas destas imagens são nas laterais, uma
inferior e duas nas diagonais. Este conjunto, de imagens mais o condutor real
correspondem a seis condutores imersos no espaço livre, como também mostrado na
Figura 2.5. O cálculo dos parâmetros do condutor real leva em consideração o efeito
das imagens.
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Okirne
canaleta
TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
2d
6---02h o oo
seis condutores no espaço livre
Figura 2.5: Condutor singelo passando por canaleta no solo e seis condutores no
espaço livre .
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/ .
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3 CIRCUITOS
/
3.1 INTRODUÇÃO
Todos os sistemas elétricos são compostos por elementos de circuitos. Esses
)
elementos podem ser capacitores, indutores, transformadores, motores,' transistores,
circuitos integrados, fios, cabos, antenas, chaves etc. Destes elementos <, " são-básicos:
indutor, capacitor e resistor. /. .'
entes e sãoEm sistemas de aterramento, os elementos
de rel evada importância em projetos de aterramer
3.2 ELEMENTOS DE CIRCUrn
\
3.2.1 Indutor
Um fio
das caracterís
comprimento
enrolado, a s
outro materi
,",; s<t· a. O valor da indutância, depende
,!\i'êt:Micasmagnéticas do material. Com isso, o
\;~nciam no valor, da indutância. Se o fio for
a e colocarmos próximo ao' fio ferro ou ferrite (ou'
alquer), o valor da indutância aumenta.'ti '
tv
i es t-J",' - erciais são, em geral, feitos com fios de cobre enrolados em
ferro ou ferri] , orno exemplos temos as antenas de ferrites de rádio e os núcleos de
transformado/és.' Um simples pedaço de fio ou cabo também são indutores. A
representação de.um indutor é mostrada na Figura ~.1.
L
Figura 3.1: Representação de um indutor
. Os indutores têm a característica de atenuar mais intensamente as altas
freqüências. Isto faz do indutor um elemento importante em filtros. Em aplicações de
aterramento esta propriedade pode vir a 'ser útil em alguns casos mas em muitos outros
!
se toma um empecilho ao bom aterramento. '
OKIME Eletromagnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
A relação entre tensão e corrente através de um indutor é dada por
v = Ldi/dt.
Exemplo 3.1
Podemos calcular aproximadamente o di/dt da frente de orida de uma dupla
exponencial. Para isto tomamos uma reta que interliga o início da onda como o seu pico,
Figura 3.2., .Neste. caso, di/dt Ipll,2 IlS; se Ip = 100 kA temos
di/dt = 8,3x1010 Ns. Se este impulso estiver passando por um indutor com indutância
L = 10nH, a queda de tensão no indutor é de Ldi/dt = 1Oxl0-9x8,3xl010 = 830 V!
,
/
Figura 3.2: A frekq~
ligando os po r "
.[l.2/J-s. Ip]
Ip _ I-...,.,r-... aproxima
a frente de onda
.!e
2
Exemplo 3.2
Na onda trap 'lgura 3.3, a variação no tempo da frente de onda é
, ,
di/d t= lOxlO-31l0-9,isto é, di/dt = 1Oxl06Ns.
A queda de tensão em um indutor, L = IIlH, é v = Ldi/dt = lO-6xlO xl06 = lOV!
dI
{figura 3.3: Frente de onda de um trapézio
#
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(
site@o~ime. com br
Okime
Para uma freqüência deterrninada,f, temos:
, V = ./roLi <= j)úi I,
" em que j = ,/-1, oo = 2nj e XL é uma reatância indutiva.
\
Exemplo 3.3
/
TÉCNICAS DE j\TERRAMENTO
"
,
Qual a queda de tensão em um indutor de 1 !-lH, quando da passagem de uma corrente
de 1 A a uma freqüência de 1 :N1Hz? '
Cálculo: '
r
L = 1 ~H = i0.6H .
f=1 :N1Hz = 106,Hz
1= 1 A
v =j X 2 X 1t X 106 X 1O~ X 1~i
;r
V = j6,28V '
#
Com ele'2l: '
elevada. Em ",<e'.'
provocar que
variação gran
indutor a ser
processo é ex
I
a ,,;:rertsão, v, no indutor também será
jP = lO a corrente passa pelo indutor sem
,Impulso quando à frente de onda tem uma
e "queda de tensão também é grande. Isto leva o
para as di/ dt maiores. No domínio- da' fteqüência este
ela 3.1.
/
ela 3.1:.Variação da reatância indutiva com a freqüência.
Freqüência'[Hz]
J . _
14 60 5,27 ~
~....
'14 3.000 263,9 ~
14 20 k 1,76 m
14 1M 88 m
14 100 M - 8,8
Observação: 14 nH é o valor aproximado da indutância de pernas de componentes
paSSIVOS. r
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, ,
Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO'
\ - .
3.2.2 Capacitar
-
Dois' condutores separados por um isolante formam um capacitor e o símbolo é
mostrado na Figura 3.4. Desta forma, os cabos de uma linha de distribuição que estão
separados pelo ar formam um capacitar. Aparece também uma capacitância entre um
destes cabos e a terra, pois está também é um condutor e está separada pelo ar. As
espiras de uma bobina também formam capacitores. Estas espiras estão separadas por
isolantes. As trilhas de circuitos impressos estão separadas por isolantes e por isto
formam capacitares. -Podemos citar vários exemplos-de capacitores além dos
comerciais.
, J
Figura 3.4: Representação de um capacitor
" Uma das características dos capacitores "
com o aumento da fréqüência. A relaçã " a
c (
Para uma fre
em queXc é
'E~emplo3.4 . .
Qual a queda de tensão em um capacitor de 1 nF, quando uma corrente alternada de
1 A e freqüência de 10 MHz esta passando por este?
I
1
X =--
c 2nfC
. . 1 . 1 IV=}X 1= l=:-~I= }--
c «c 2nfC'
Cálculo:
C =1 nF=10-9 F
"
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Okime
<,
TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
~.
/
t = 10 NlHz = 107 Hz
I = 10 A
V
. 1_
=}--------
2 x 1l' X 1O~x 1O~ x 10
V=·1,59V
,/
Com o aumento da freqüência a reatância capacitiva diminui de valor, tendendo a um
curto circuito, como é ilustrado na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Variação da reatânda capacitiva com a freqüência
Capacitor [nF].
/"~ . .,
Freqüência (Hz]
1
1
1
/ 1
1
3.2.3
Um c
condutor à p
energia elétri
Figura 3.5.
são caracterizadas pela resistência do
stas perdas em geral são a transformaçãoda
éséntação simbólica de um resistor é mostrada na
R
Figura 3.5: Representação de um resistor I
A relação entre.a tensão e à corrente em um resistor é v ~ Ri, que é a lei de Ohm.
3.2.4 lmpedãrjcla
Uma impedância é dadà pela relação entre a tensão e 'a corrente elétrica de um'
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#
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componente, ou de forma simplificada pela relação:
vz= --
I [O]
ou
Os elementos de um sistema elétrico, como o sistemadé àterramento, são
.'formados por resistências, indutâncias e capacitâncias, isto é, são formados de
impedâncias. Qualquer 'componente elétrico tem indutância, capacitância e resistência.
Desse modo, é mais apropriado falarmos com freqüência em impedâncias. A relação
entre a tensão e a corrente em uma impedância é
V=ZI[O]
~ no domínio da freqüência.
3.2.5 .Não Linearidades
J
Ares'
Com o cresc
superficie do.
enta de valor devido ao efeito pelicular.
ci de di! dt a corrente tende a se concentrar na
do um aumento da resistência.
/
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(
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\ .
4 ANTENAS
i .
)
4.1 INTRODUÇÃO
As antenas são dispositivos condutores que
em correntes elétricas ou convertem correntes elé
sistemas de aterramento como bons condutor
r a ser umaeletromagnéticas. Deste modo, estes cabos, ele '
fonte importante de interferência e de,
Uma introdução em antenas é rel
moderno.
existem vári
j
9 tipo magnética. Para estes dois tipos
para as diferentes aplicações. A seguir
s basicas e aonde podemos encontrá-Ias em sistemas dediscutiremos
terra.
/
4.2 DIPOLO ELÉTRICO
4.2.1 Básico (Dipolo Hertziano)
O dipolo hertziano é uma antena infinitesimal e por isto é a mais básica de todas
as antenas elétricas. O seu entendimento e as equações que modelam o comportamento .
deste dispositivo imaginário tem emprego na análise de outras antenas mais complexas
e de condutores (fios e cabos). Em várias situações fios e cabos curtos. podem ser
, !' -.
considerados dipolos hertzianos. Esta aproximação facilita consideravelmente e com
bon~ resultados o levantamento de campos radiados por estes fios e cabos. A Figura 4~1
OKIME Eletromagnetismo Aplicado Autor: Marcos André da Frota Mattos
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Okime TÉCNICAS DE ATERRAMENTO
mostra o posicionarnento dos campos elétricos é magnéticos gerados por um dipolo
hertziano.
z Hcp
Ee
r
..
dz]
·· ..· ..· ,.,
Figura 4.1: Dipolo elétrico' - antena linear
. :
4.2.2 Dipolo
Os dipolos elétricos, Figur
parâmetros mais complexos do qug
"
quações e
.ano. Este tipo de
e,
t.
cabo
cnaxlàl
Figura 4.2: Dipolo elétrico conectado a um cabo coaxial
Exemplo 4.1
o. Antenas usadas em medições
~
4.3 MONOPOLO I;LETRICO
Esta antenaé muito comum no nosso dia a dia. As aplicações são variadas e é de
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'\
fácil construção. ~ análise de radiação de diversas estruturas condutoras, como treliças,
linhas de transmissão, descargas atmosféricas, malhas de terra etc., pode ser feita com
facilidade utilizando-se dos princípios e equações deste tipo de antena.
Exemplo 4.2
• Antenas de rádio difusão;
• Antenas de rádios de automóveis;
"
• Antenas de aparelhos receptores de TV e de rádio;
• Linhas de transmissão;
4.4
• , Qualquer fio ou cabo, incluindo os fi
• As hastes de aterramento.
Os dipolos magnétiç
t
analogia com o di
adotado por
para deste di
anéis de corr
ão 'exista, na prática, as equações obtidas
utilidade ~os casos práticos onde encontramos.
.~
. 4.4.1
Como p dipolo elétrico 'hertziano, existe por associação de nomenclatura o
dipolo magnético infinitesiniál. Este dipolo é a base para diversas análises de outros
laços de correntes usados na prática, como antenas e laços de, corrente. A Figura 4.3
mostra o posicionamento dos campos elétricos e magnéticos gerados por um dipolo
magnético ou laço de corrente.
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, )
z
Hr
Ecp
He
y
m -:-I1tb2 [Am2] ,
Figura 4.3: Dipolo magnético
4.4.2 Laços de Corrente
Na avaliação de aterramentos, laços de corre
eletrodos de terra são de extrema importância. O 1
indutância que aumenta o impedimento da pass
conseqüência do laço é o campo elétrico radiad
\
vir a acoplar com outros componentes
i(t}
-+
létrico uma
t J.! h~
f
'---:----'
área = b
fluxo = cP
\
i[t]+-
Figura 4.4:
+-
d
i[t)
-+
rrente formado por fios ou cabos; d é a largura do laço e h é
a altura doI '0' e b(=h.d). <I>é o fluxo magnético gerado pela corrente i(t) ou <I>é o
fluxo magnético que gera a corrente i(t).
I
Exemplo 4.3
o Eventuais laços formados por cabos terra;
o O quadriculado de uma malha de terra forma dipolos magnético;
,o Anéis usados como eletrodos de terra;
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o Antenas de ferrite em receptores AM.
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