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ELETRICIDADE APLICADA PROF. EDSON CARDOSO SILVA edson.cardoso@estacio.br LEI DE OHM, POTÊNCIA, ENERGIA E EFICIÊNCIA INDICAÇÃO DE MATERIAL DIDÁTICO CAPÍTULO 2 DO LIVRO TEXTO DA DISCIPLINA PLANO DE ENSINO APRESENTACAO DO PLANO DE ENSINO/CORRENTE, TENSÃO, RESISTÊNCIA POTÊNCIA ELÉTRICA, ENERGIA E EFICIÊNCIA CIRCUITOS EM SÉRIE, LEI DE KIRCCHORFF DAS TENSÕES, DIVISOR DE TENSÃO CIRCUITO EM PARALELO, LEI DE KIRCHHORFF DAS CORRENTES, DIVISOR DE CORRENTE CIRCUITOS EM SÉRIE E PARALELO, CURTO CIRCUITO E CIRCUITO ABERTO CARACTERÍSTICAS DA TENSÃO E DA CORRENTE ALTERNADAS 2.1 LEI DE OHM 2.1 LEI DE OHM George Simon Ohm foi um físico alemão que viveu entre os anos de 1789 e 1854 e verificou experimentalmente que existem resistores nos quais a variação da corrente elétrica é proporcional à variação da diferença de potencial (ddp). Dessa forma, elaborou uma relação matemática que diz que a voltagem aplicada nos terminais de um condutor é proporcional à corrente elétrica que o percorre, matematicamente fica escrita do seguinte modo: Eq. 2.1 2.1 LEI DE OHM Exemplo 2.1 Calcule a corrente através do resistor de 2 kΩ mostrado na Figura 2.1 se a queda de tensão entre seus terminais é de 16 V. Figura 2.1 – Exemplo 2.1 Resolução Utilizando a equação 2.1 e isolando I temos: 2.1 LEI DE OHM Exemplo 2.2 Calcule a tensão que tem que ser aplicada ao ferro de solda mostrado na Figura 2.2, para estabelecer uma corrente de 1,5 A, sendo sua resistência interna de 80 Ω. Figura 2.2 – Exemplo 2.2 Resolução 2.1 LEI DE OHM Figura 2.3 – Circuito 2.2 POTÊNCIA A potência é uma grandeza que mede quanto trabalho (conversão de energia de uma forma em outra) pode ser realizado em determinado período de tempo, ou seja, é a velocidade com que um trabalho é executado. A unidade elétrica de medida de potência é o watt (W), definida por: 1 watt (W) = 1 joule/segundo (J/s) 2.2 POTÊNCIA Na forma de equação a potência é determinada por: Com a energia W medida em joules e o tempo em segundos. A potência consumida por um sistema ou dispositivo elétrico pode ser determinada em função dos valores de corrente e tensão. (watts, W, ou joules/segundo, J/s) Eq. 2.2 Eq. 2.3 Eq. 2.4 Eq. 2.5 2.2 POTÊNCIA Portanto, a potência absorvida por um resistor pode ser calculada diretamente dependendo das informações disponíveis. Exemplo 2.3 Determine a potência entregue ao motor de corrente contínua ilustrado na Figura 2.4. V = 120 V, I = 5 A Figura 2.4 – Motor CC Resolução Utilizando a Equação 2.3: 2.2 POTÊNCIA Exemplo 2.4 Qual a potência dissipada por um resistor de 5 Ω se a corrente nele for de 4 A? Resolução Utilizando a Equação 2.4: 2.2 POTÊNCIA Exemplo 2.5 Determine a corrente através de um resistor de 5 kΩ quando ele dissipa 20 mW. Resolução Utilizando a Equação 2.4: 2.3 EFICIÊNCIA A Figura 2.5 ilustra o fluxo de energia em um sistema no qual a energia muda de forma A quantidade de energia na saída é sempre menor que a que entrou no sistema devido às perdas e, as vezes, devido ao armazenamento de energia no interior do sistema Figura 2.5 – Fluxo de energia em um sistema 2.3 EFICIÊNCIA De acordo com a conservação da energia: Dividindo-se ambos os lados da igualdade por t: Como P = W/t, temos a seguinte expressão: Entrada de energia = saída de energia + energia perdida Eq. 2.6 2.3 EFICIÊNCIA A eficiência (η) de um sistema é então determinada pela seguinte equação: Em termos percentuais: Eq. 2.7 Eq. 2.8 2.3 EFICIÊNCIA Em termos de energia de entrada e saída, a eficiência percentual é dada por: A máxima eficiência possível é 100%, ou seja, nenhuma energia é armazenada ou perdida pelo sistema. Obviamente, quanto maior for a perda do sistema, menor será a eficiência. Eq. 2.9 2.3 EFICIÊNCIA Exemplo 2.6: Um motor de 2 hp (horse power) opera com uma eficiência de 75%. Qual a potência de entrada em watts? Se a tensão aplicada ao motor é de 220 V, qual a corrente na entrada? Resolução: 2.3 EFICIÊNCIA Exemplo 2.7: Qual a potência de saída, em hp, de um motor com uma eficiência de 80% e uma corrente de entrada de 8 A e uma tensão de 220 V? Resolução: 2.3 EFICIÊNCIA – Componentes básicos de um sistema de geração de energia A Figura 2.6 ilustra os componentes básicos de um sistema de geração de energia. Figura 2.6 – Componentes básicos de um sistema de geração Eq. 2.10 2.4 ENERGIA Para que uma potência, que determina a velocidade com que um trabalho é realizado, produza uma conversão de uma forma de energia em outra, tem que ser gasto um intervalo de tempo. Por exemplo, quanto mais tempo um motor for usado para acionar uma carga, maior será a energia utilizada. A energia (W) consumida ou fornecida por um sistema é portanto determinada por: Eq. 2.11 2.4 ENERGIA O kWh A unidade de energia é o watt-segundo ou joule. No entanto a unidade watt-segundo é uma quantidade muito pequena para a maioria dos propósitos práticos, de modo que a unidade watt-hora (Wh) e quilowatt-hora foram definidas da seguinte maneira Para se ter uma ideia da quantidade de energia que essa unidade representa, saiba que 1 kWh é uma quantidade de energia dissipada por uma lâmpada de 100 W durante 10 horas. 2.4 ENERGIA Figura 2.7 – Medidores de quilowatts-hora analógico e digital 2.4 ENERGIA Exemplo 2.9 Calcule a quantidade de energia (em quilowatts-horas) necessária para manter uma lâmpada de filamento de 60 W acessa continuamente durante um ano (365 dias). Resolução: 2.4 ENERGIA Exemplo 2.10 Durante quanto tempo um aparelho de televisão de 205 W deve ficar ligado para consumir 4 kWh? Resolução: 2.4 ENERGIA Exemplo 2.11 Qual é o custo da utilização de um motor de 5 hp durante duas horas se a tarifa é de R$ 0,84 (CELPA 2017) centavos por kWh? Resolução: 2.4 ENERGIA Exercício 2.1 Qual o custo total da utilização dos itens a seguir, considerando uma tarifa de R$ 0,84 (CELPA 2017) por kWh? Uma torradeira de 1200 W durante 30 minutos. Seis lâmpadas de 50 W durante 4 horas Uma máquina de lavar de 400 W durante 45 minutos Uma secadora de roupas elétrica de 4800 W durante 20 minutos. 2.4 ENERGIA Tabela 2.1 – Potência típica para eletrodomésticos ATIVIDADE ESTRUTURADA Nº 2 Faça uma pesquisa sobre a resistividade de um material condutor de eletricidade e a influência da temperatura na variação de sua resistência elétrica. A partir desta pesquisa determine o valor da resistência elétrica de um condutor de alumínio, com comprimento de 2750 m e seção circular com 2,8 mm de diâmetro, na temperatura de 48 ºC. Repita os cálculos para a temperatura de 64 ºC. A pesquisa pode ser feita no livro texto Introdução à Análise de Circuitos Robert L. Boylestad Ed. Prentice Hall ou em outro livro de eletricidade. Bibliografia Boylestad, Robert L. Introdução a Análise de Circuitos. São Paulo, . 10ª Ed. LTC, 2014.
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