Aula bac 06 1

Prévia do material em texto

Eletricidade - BAC 006
Aula 1
UNIFEI CAMPUS ITABIRA
Aula 1
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Clodualdo Venicio de Sousa
Informações 
Critério de Avaliação:
� 70 pontos – duas provas ;
� 30 pontos - laboratório;
� 100 pontos – exame.
Data das Provas
� Prova 1 – 30/04/2014 ;
� Prova 2 – 02/07/2014;
� Exame – 16/07/2014.
• As datas das provas não serão alteradas a pedido dos alunos.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletrônica de Potência
Conteúdo Programático BAC 06 
Conceitos básicos:
• Os átomos e sua estrutura;
• Corrente e tensão;
• Fontes de corrente contínua;
• Condutores, isolantes e semicondutores;
• Amperímetros e voltímetros.• Amperímetros e voltímetros.
Lei de Ohm e potência elétrica:
• Resistência elétrica;
• Tipos de resistores;
• Primeira lei de Ohm;
• Segunda lei de Ohm;
• Ohmímetros;
• Potência.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Conteúdo Programático BAC 06 
Associação de resistores:
• Circuitos em série;
• Circuitos em paralelo;
• Circuitos mistos.
Lei de Kirchhoff:
• Lei de Kirchhoff das tensões;• Lei de Kirchhoff das tensões;
• Divisor de tensão;
• Lei de Kirchhoff para as correntes;
• Divisor de corrente;
Metodo de análise de circuitos:
• Teorema da superposição;
• Teorema de thevenin.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Conteúdo Programático BAC 06 
Capacitores:
• Capacitância e rigidez dielétrica;
• Tipos de capacitores;
• Circuitos capacitivos ;
• Capacitores em série e paralelo.• Capacitores em série e paralelo.
Fundamentos de eletromagnetismo
• Campos magnéticos;
• Circuitos magnéticos;
• Relutância;
• Lei de Ampere;
• Perdas no ferro.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Conteúdo Programático BAC 06 
Indutores:
• Lei de Faraday e Lei de Lenz;
• Indutância;
• Tipos de indutores;
• Tensão induzida;• Tensão induzida;
• Transientes;
• Indutores em série e paralelo.
Analise de circuitos em CA
• Corrente e tensões alternadas;
• Onda senoidal – frequência e período;
• Elementos básicos e fasores;
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Conteúdo Programático BAC 06 
• Impedância;
• Circuitos AC;
• Indutores e capacitores em circuitos AC;
• Resolução de circuitos;
• Potência CA.• Potência CA.
Circuitos trifásicos
• Tensão trifásica;
• Cargas trifásicas equilibradas;
• Potência de cargas trifásicas e medição;
• Correção de fator de potência.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Conteúdo Programático BAC 06 
Noções de transformadores:
• Características de um transformador ideal;
• Circuito equivalente;
• Perdas e eficiência;
• Autotransformador.
Noções de máquinas elétricas:Noções de máquinas elétricas:
• Motor de indução;
• Gerador e motor síncrono;
• Motor de corrente contínua;
Fundamentos de acionamento:
• Diagrama de comando;
• Partida, reversão e frenagem de motores;
• Aplicação de controle de velocidade
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Bibliografia BAC 06 
Livro texto:
• Robert L. Boylestad, Introdução à Analise de Circuitos, 10a
edição, Editora Prentice Hall.
Leitura complementar:
• Joseph Edminister, Coleção Schaum, Circuitos Elétricos, 4a
edição, Editora Bookman.edição, Editora Bookman.
• A. E. Fitzgerald, Maquinas Elétricas, 6a edição, Editora
Artmed.
• James W. Nilsson, Circuitos Elétricos, 6a edição, Editora
LTC.
• Johnson, David E., Fundamentos de Análise de Circuitos
Elétricos, 4a edição, Editora LTC.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Conceitos básicos:
� Os átomos e sua estrutura;
� Corrente;
� Tensão;
SumárioSumário
� Energia potencial;
� Potência;
� Energia consumida;
� Fonte de tensão CC;
� Tipos de materiais;
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
� O elétron em órbita tem carga elétrica negativa, igual em
módulo à carga positiva do próton.
� Em todos os átomos neutros, o número de elétrons é igual ao
número de prótons.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Os átomos de outros elementos possuem vários elétrons
distribuídos em camadas em torno do núcleo;
� A primeira camada, que é a mais próxima do núcleo, pode
conter apenas 2 elétrons;
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
conter apenas 2 elétrons;
� Se um átomo tiver 3 elétrons, o terceiro elétron ocupará a
segunda camada (máximo de 8 elétrons);
� O número máximo de elétrons é determinado pela fórmula
2n2 em que n é o número de camadas;
� Cada camada é então dividida em subcamadas: s, p, d e f .
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Experimentalmente foi determinado que as cargas de sinais
contrários se atraem e de mesmo sinal se repelem;
� A força de atração ou repulsão entre dois corpos carregados
com cargas Q1 e Q2 pode ser determinada pela Lei de
Coulomb:
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Coulomb:
F - força em Newtons (reduz rápido com o aumento de r);
r - distância em metros;
k – constante ( )
1 2
2atraçaoou repulsao
kQQF
r
=
9 29,0 10 /Nm C×
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
� Forte força de atração atua nos elétrons da órbitas mais
próximas do núcleo;
� À medida que cresce a distância entre o núcleo e os elétrons
em órbita, a força de ligação reduz, atingindo seu valor mais
baixo para a subcamada mais externa;
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
baixo para a subcamada mais externa;
� Força de ligação mais fraca, menos energia é necessária para
remover um elétron de uma subcamada mais externa que a
remoção de um elétron de uma subcamada mais interna;
� Essas características dos átomos que permitem a remoção de
elétrons sob certas condições são essenciais para estabelecer
um movimento de cargas.
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
ÁTOMO DE COBRE:
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� O átomo de cobre tem um elétron a mais, além do necessário
para completar as três primeiras camadas;
� A distância do último elétron do núcleo nos sugere que ele
está fracamente ligado com o restante do átomo de cobre;
� Se o elétron fracamente ligado recebe energia do meio externo
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Se o elétron fracamente ligado recebe energia do meio externo
para se libertar, passará a ser chamado de elétron livre;
� Em 1cm3 de cobre, à temperatura ambiente, existe
aproximadamente 1,4x1024 elétrons livres.
� Outros metais que apresentam as mesmas propriedades que o
cobre, embora com diferença quantitativa, são a prata (47), o
ouro (79), e o alumínio (13).
ÁtomoÁtomo e sua estruturae sua estrutura
Calcule a força de atração, em Newtons, entre as cargas Q1 e Q2
mostradas na figura abaixo para r = 1, r = 2 e r = 3.
EXEMPLO:
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
1 2
2atraçaoou repulsao
kQQF
r
=
CorrenteCorrente
� À temperatura ambiente, existe no interior do fio de cobre um
movimento aleatório de elétrons livres criados pela energia
térmica que os elétrons recebem do meio externo.
FIO DE COBRE:
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Quando os átomos perdem elétrons, que passam a ser elétrons
livres, eles adquirem uma carga positiva e são denominados
de íons positivos.
� Os elétrons livres são capazes de se moverem entre esses íons
positivos, enquanto os íons positivos podem apenas oscilar
em torno de posições fixas.
CorrenteCorrente
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
em torno de posições fixas.
Os elétrons livres
são os portadoresde carga em um
condutor.
� Fatores que provocam movimentos aleatórios:
1. as forças de atração dos íons positivos;
2. a força de repulsão existente entre os elétrons;
3. as colisões com íons positivos e outros elétrons.
CorrenteCorrente
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Após um certo tempo, o número de elétrons que se movem
para a direita da seção circular é exatamente igual ao número
de elétrons que se movem para a esquerda;
� Na ausência de forças externas aplicadas o fluxo de carga em
um condutor é nulo em qualquer direção.
CorrenteCorrente
� A bateria, através de reações químicas, acumula cargas
positivas em um terminal e cargas negativas em outro.
FLUXO DE CARGA:
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Circuito elétrico
CorrenteCorrente
� Quando um metal é ligado a uma fonte de energia elétrica,
aparece um campo elétrico que atua sobre os elétrons livres e
sobre os íons;
� Os elétrons livres ao serem acelerados pelo campo elétrico
acabam adquirindo um movimento que se adiciona ao
movimento térmico;
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
movimento térmico;
� O movimento ordenado dos elétrons livres é conhecido como
corrente;
� Se 6,242 x 1018 elétrons atravessam em 1 segundo, com
velocidade uniforme, a seção reta circular do condutor,
dizemos que o fluxo de carga corresponde a 1 ampère.
CorrenteCorrente
� A unidade de carga 1 Coulomb (C) foi definida como a carga
associada a 6,242 x 1018 elétrons;
� A carga associada a um elétron pode então ser definida:
19
18
1 1,6 10
6,242 10e
CQ C−= = ×
×
Q n e= ×
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Onde e é a carga elementar e n o número de elétrons que
atravessam a seção transversal.
� A corrente elétrica I é definida como fluxo de elétrons em um
intervalo de tempo:
186,242 10e ×
QI
t
=
( )
( )
t tempo s
I correnteemamperes A
=
=
CorrenteCorrente
CURIOSIDADES:
� O corpo humano começa a reagir a passagens de correntes em
torno de poucos miliampéres;
� Algumas pessoas suportam correntes em torno de 10mA
durante pequenos intervalos de tempo;
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
durante pequenos intervalos de tempo;
� Correntes de 50mA podem provocar um grave choque elétrico
e acima de 100mA podem ser fatais.
CorrenteCorrente
EXEMPLO:
1. A carga que atravessa, a cada 64ms, a superfície de uma
seção transversal é de 0,16C. Determine a corrente em
ampères. (Resposta: 2,54A)
2. Determine o tempo necessário para que 4x1016 elétrons
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
2. Determine o tempo necessário para que 4x1016 elétrons
atravessam a superfície transversal de um condutor, se
acorrente é de 5mA. (Resposta: 1,282s)
TensãoTensão
� O fluxo de cargas é causado por uma pressão externa ligada à
energia que um corpo qualquer tem em virtude de sua
posição: energia potencial;
� Energia é a capacidade de realizar trabalho:
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
W mgh= 2
( )
( )
( / )
( )
W energia potencial J
m massa kg
g aceleraçao gravidade m s
h altura m
−
−
−
−
TensãoTensão
� Cargas negativas (elétrons) em um dos terminais da bateria e
cargas positivas (íons positivos) no outro terminal resulta
numa diferença de potencial ou diferença de tensão entre os
terminais.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
TensãoTensão
� Se a diferença de potencial for de 1 volt (V) entre dois pontos,
significa que o trabalho (energia) de 1 joule (J) foi necessário
para deslocar uma carga de 1 Coulomb (C) entre esses dois
pontos.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
TensãoTensão
� A tensão é um indicador da quantidade de energia envolvida
na movimentação de uma carga entre dois pontos de um
sistema elétrico;
� A tensão é o trabalho realizado sobre a carga:
W
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
W - trabalho para levar a carga do ponto “b” para o ponto “a”.
ab
WV Q= ab a bV V V= −
TensãoTensão
� Se o deslocamento de uma carga positiva de “b” para “a”, ou
de uma carga negativa de “a” para “b”, necessite de trabalho,
o ponto “a” é positivo em relação ao ponto “b”
clodualdosousa@unifei.edu.br
EXEMPLO:
1. Determine a diferença de potencial ou de tensão entre dois
pontos de um sistema elétrico, se 60J de energia forem gastos
para deslocar uma carga de 20C entre esses dois pontos.
(Resposta: 3V)
TensãoTensão
(Resposta: 3V)
2. Determine a energia necessária para mover uma carga de
50µC através de uma diferença de potencial de 6V.
(Resposta: 300µJ)
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
PotênciaPotência
� A taxa na qual um corpo absorve ou libera energia é
conhecida como potência absorvida ou produzida por este
corpo;
� Enquanto uma fonte de energia produz ou desenvolve energia,
a carga absorve energia;
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
a carga absorve energia;
� Se 1J de trabalho é absorvido ou liberado numa taxa constante
durante 1s, a potência correspondente é de 1W;
� A potência absorvida por um componente elétrico é o produto
da tensão pela corrente.
( ) ( ) ( )P Watts V Volts I Ampere= ×( )( ) ( )
W JouleP Watts
t segundos
=
PotênciaPotência
� P = + = absorve potência.
� P = - = fornece (libera) potência.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
EnergiaEnergia
� A energia elétrica consumida ou produzida é o produto da
potência elétrica de entrada ou saída e o tempo durante o qual
essa entrada ou saída ocorre:
( ) ( ) ( )W joule P watts t segundos= ×
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Outra unidade adotada para energia é o quilowatt-hora (kWh).
O número de kWh consumidos é igual ao produto da potência
absorvida em kW e o tempo em horas durante o qual ocorreu
esse consumo:
( ) ( ) ( )W kwatts hora P kwatts t horas= ×
EnergiaEnergia
� O relógio presente no painel de alimentação registra a soma
de consumo de todos os aparelhos elétricos usados em uma
residência, inclusive as lâmpadas;
� A diferença entre a leitura atual e a anterior é o consumo da
residência na período de leitura.
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
EnergiaEnergia
EXEMPLO:
1. Se um ferro elétrico de 1kW de potência for utilizado 35
minutos por dia, durante 15 dias no mês, teremos que
consumo mensal, em kWh? (Resposta: 8,75kWh)
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
EficiênciaEficiência
� Motores elétricos e outros sistemas possuem uma eficiência
ou rendimento de operação (ƞ) definida por:
saida
entrada
P
P
η =
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� A eficiência total de um sistema em cascata é o produto das
eficiências individuais:
entradaP
1 2total nη η η η= × × ×…
EficiênciaEficiência
EXEMPLO:
1. Determine a potência entregue ao motor de corrente contínua
apresentado na figura abaixo. (Resposta: 0,60kW)
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
EficiênciaEficiência
EXEMPLO:
1. Calcule a eficiência total do sistema mostrado na figura
abaixo, sabendo que: ƞ1 = 90%, ƞ2 = 85% e ƞ3 = 95%.
(Resposta: ƞ = 72,7%).
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
BateriasBaterias
� As baterias possuem uma especificação de capacidade dada
em ampéres-hora (Ah) ou miliampéres-hora (mAh).
� Uma bateria com especificação de 100 ampéres-hora é capaz,
teoricamente, de manter uma corrente de 1A durante 100
horas, 2A durante 50 horas, 10A durante 10 horas e assim por
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
horas, 2A durante 50 horas, 10A durante 10 horas e assim por
diante.
Ah = Ampéres-hora
( )drenada
AhVidautil
I A
=BateriasBaterias
FONTES CC:
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
� Condutores são materiais que permitem a passagem de um
fluxo intenso de elétrons com a aplicação de uma força
(tensão) relativamente pequena;
� Os átomos dos materiais que são bons condutores possuem
apenas um elétron na camada de valência.
MMateriais ateriais -- condutorescondutores
apenas um elétron na camada de valência.
Banda de condução
Banda de valência
Bandas se sobrepõem
Energia
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
MMateriais ateriais -- isolantesisolantes
� Isolantes são materiais que possuem pouquíssimos elétrons
livres, sendo necessária a aplicação de um potencial (uma
tensão) muito elevada para estabelecer uma corrente
mensurável.
Banda de condução
Banda de valência
Elétrons de valência 
ligados a estrutura 
atômica
Eg > 5eV
Energia
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Energia
TiposTipos de materiaisde materiais
� Os semicondutores constituem determinado grupo de
elementos químicos cujas características elétricas são
intermediárias entre as dos condutores e as dos isolantes.
Banda de condução
Banda de valência
Elétrons de valência 
ligados a estrutura 
atômica
Eg
Energia
Elétrons livres para 
estabelecer condução
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Banda de condução
Energia
Banda de condução
Energia
Banda de condução
Energia
TiposTipos de materiaisde materiais
NIVEIS DE ENERGIA:
Banda de condução
Banda de valência
Banda de valência
Eg
Banda de valência
Eg > 5eV
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
Condutor IsolanteSemicondutor
TrabalhosTrabalhos
1. Resolver a lista de exercícios fornecida pelo professor;
2. Resolver exercícios, a escolha do aluno, do capitulo 1 do
livro texto;
3. As listas de exercícios não são avaliativas, mas constitui uma
ATIVIDADE:
clodualdosousa@unifei.edu.br Eletricidade - BAC 006
3. As listas de exercícios não são avaliativas, mas constitui uma
importante etapa do processo de aprendizado.