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Introdução à Eletricidade, Geradores e Motores Elétricos de Arenoves SEST – Serviço Social do Transporte SENAT – Serviço Nacional de Aprendizagem do Transporte ead.sestsenat.org.br CDU 629.73 163 p. :il. – (EaD) Curso on-line – Introdução a Eletricidade, Geradores e Motores Elétricos de Aeronaves – Brasília: SEST/SENAT, 2016. 1. Aeronave - aspectos elétricos. 2. Engenharia aeronáutica. I. Serviço Social do Transporte. II. Serviço Nacional de Aprendizagem do Transporte. III. Título. 3 Sumário Apresentação 7 Unidade 1 | Teoria dos Elétrons 9 1 O Átomo 10 1.1 Elétrons, Prótons e Nêutrons 12 1.1.1 Camadas de Elétrons e Níveis de Energia 13 1.1.2 Elétrons de Valência 14 1.1.3 Transferência de Elétrons 15 1.1.4 Fluxo de Elétrons 15 1.2 Condutor 16 1.3 Isolante 17 1.3.1 Semicondutor 17 1.4 Eletricidade Estática 18 1.5 Campo Eletrostático 21 Glossário 23 Atividades 24 Referências 25 Unidade 2 | Geração de Eletricidade 26 1 Força Eletromotriz 27 2 Resistência de um Condutor 28 2.1 Fontes de Corrente Contínua 29 2.2 Bateria de Chumbo-Ácido 30 2.3 Bateria de Níquel Cádmio (NiCd) 33 2.4 Resistor 35 2.5 Circuitos de Corrente Contínua em Série e em Paralelo 38 2.5.1 Circuitos em Série 38 4 2.5.2 Circuitos em Paralelo 39 2.5.3 Circuito Misto 41 2.6 Lei de Ohm 43 2.7 Cálculo e Medição de Potência Elétrica 54 2.8 Determinação da Relação Tensão, Corrente e Resistência nos Circuitos Elétricos 58 2.8.1 Reostato 59 2.8.2 Potenciômetro 60 2.9 Terminologia Elétrica 63 2.9.1 Condutores 63 2.9.2 Chave Interna de Dispositivos Elétricos 64 Glossário 66 Atividades 67 Referências 68 Unidade 3 | Teoria da Corrente Alternada 69 1 Conceito de CA 70 2 Indutância e Indutores 73 2.1 Características do Indutor 74 2.2 Reatância Indutiva 77 2.3.1 Comportamento do Capacitor em CC 81 2.3.2 Fatores que Afetam a Capacitância 83 2.3.3 Comportamento do Capacitor em CA 84 2.4 Componentes e Símbolos Básicos 94 Glossário 103 Atividades 104 Referências 105 Unidade 4 | Pesquisa de Pane 106 5 1 Instrumentos de Medição 107 2 Medição da Tensão, da Corrente, da Resistência e da Continuidade 109 2.1 Curto-Circuito na Massa 109 2.2 Curto-circuito entre Fios 110 2.3 Circuito Aberto 111 2.4 Dispositivos de Proteção e Controle de Circuitos 113 2.4.1 Disjuntores 113 Atividades 116 Referências 117 Unidade 5 | Magnetismo 118 1 Tipos de Ímãs 119 2 Eletromagnetismo 119 3 Transformadores 121 3.1 Transformadores de Voltagem 122 3.2 Transformadores de Corrente 124 Glossário 125 Atividades 126 Referências 127 Unidade 6 | Motores e Geradores 128 1 Teoria do Motor Elétrico e do Gerador de Corrente Contínua 129 2. Geradores de CC e de CA 132 2.1 Geradores de CC 132 2.2 Geradores de CA 134 3 Regulagem da Tensão de um Gerador 139 3.1 Generator Control Unit ou Unidade de Controle do Gerador 140 3.2 Funções do GCU 141 6 4 Relé Diferencial 142 5 Sincronismo entre Geradores CA 142 6 Manutenção de um Gerador 145 Glossário 148 Atividades 149 Referências 150 Unidade 7 | Componentes de Circuito 151 1 Inversores 152 2 Diodos 153 3 Transistores 155 Glossário 159 Atividades 160 Referências 161 Gabarito 162 7 Apresentação Prezado(a) aluno(a), Seja bem-vindo(a) ao curso Introdução à Eletricidade, Geradores e Motores Elétricos de Aeronaves! Neste curso, você encontrará conceitos, situações extraídas do cotidiano e, ao final de cada unidade, atividades para a fixação do conteúdo. No decorrer dos seus estudos, você verá ícones que tem a finalidade de orientar seus estudos, estruturar o texto e ajudar na compreensão do conteúdo. O curso possui carga horária total de 30 horas e foi organizado em 7 unidades, conforme a tabela a seguir. Unidades Carga Horária Unidade 1 | Teoria dos Elétrons 4h Unidade 2 | Geração de Eletricidade 5h Unidade 3 | Teoria da Corrente Alternada 5h Unidade 4 | Pesquisa de Pane 4h Unidade 5 | Magnetismo 4h Unidade 6 | Motores e Geradores 4h Unidade 7 | Componentes de Circuito 4h 8 Fique atento! Para concluir o curso, você precisa: a) navegar por todos os conteúdos e realizar todas as atividades previstas nas “Aulas Interativas”; b) responder à “Avaliação final” e obter nota mínima igual ou superior a 60; c) responder à “Avaliação de Reação”; e d) acessar o “Ambiente do Aluno” e emitir o seu certificado. Este curso é autoinstrucional, ou seja, sem acompanhamento de tutor. Em caso de dúvidas, entre em contato por e-mail no endereço eletrônico suporteead@sestsenat. org.br. Bons estudos! 9 UNIDADE 1 | TEORIA DOS ELÉTRONS 10 Unidade 1 | Teoria dos Elétrons O movimento dos elétrons é o principal fator responsável pela geração de eletricidade. Os elétrons têm matéria e uns possuem maior facilidade que outros para transportar eletricidade. Por isso, são classificados como condutores, semicondutores ou isolantes. Para o claro entendimento destes conceitos, é importante conhecer previamente a composição e a estrutura do átomo. 1 O Átomo A palavra átomo foi utilizada pela primeira vez pelo filósofo grego Demócrito, por volta de 400 a.C. Para ele, todo tipo de matéria era formado por pequenas partículas indivisíveis: os átomos. No entanto, Demócrito não conseguiu comprovar esse conceito e seu modelo tornou-se apenas filosófico (VIEIRA, 2013). Atualmente, sabe-se que o átomo pode ser dividido em partículas menores, mas essa descoberta não reduz a importância da contribuição dos estudos de Demócrito para os ramos da física e da química modernas. Em 1808, o cientista inglês John Dalton conseguiu confirmar a existência dos átomos por meio de experimentação. Em seus experimentos, Dalton observou que os átomos permaneciam inalterados durante as reações químicas. Em 1886, o físico alemão Eugen Goldstein descobriu o próton. Posteriormente, o cientista neozelandês Ernest Rutherford aperfeiçoou os estudos e o próton foi definido como uma unidade com carga elétrica positiva que pertence ao átomo. A descoberta do próton abriu caminho para a descoberta do elétron, em 1897, pelo físico britânico Joseph Thomson. Os elétrons, ao contrário dos prótons, são unidades com carga elétrica negativa. Sendo assim, Thomson pensou no átomo como um pudim de passas, no qual há elétrons (carga negativa) dispersos em uma nuvem de carga elétrica positiva, conforme ilustra a Figura 1. Figura 1: Modelo atômico de Thomson 11 No entanto, em 1911, Rutherford refutou o modelo atômico concebido por Thomson. Após experimentos que consistiam em bombardear uma fina lâmina de ouro, com partículas positivas, Rutherford constatou que, embora muitas partículas atravessassem a lâmina, uma pequena parte ou era refletida ou sofria desvios. Essa pequena parcela não atravessava a lâmina porque havia colidido com outras partículas positivas. Com base nisso, desenvolveu seu modelo atômico, no qual havia um núcleo de carga elétrica positiva, rodeado por elétrons (carga elétrica negativa). Esse núcleo era muito pequeno se comparado ao seu tamanho total e nele concentrava-se quase toda a massa do átomo. Contudo, alguns questionamentos foram levantados. Como as partículas do núcleo não se repelem, uma vez que todas têm carga elétrica positiva? Se as partículas do núcleo e as que rodeiam esse núcleo são de cargas opostas, por que, então, não se atraem? (GRUPO VIRTUOUS, 2015). Respondendo a tais questões, em 1932 o físico inglês James Chadwick postulou acerca da existência de partículas eletricamente neutras, os nêutrons, que estavam juntas aos prótons no núcleo, impedindo o desmanche doátomo, conforme a Figura 2. Atualmente, predomina na comunidade científica, o modelo atômico do dinamarquês Niels Bohr. Considerado um aperfeiçoamento da teoria de Rutherford, Bohr postulou que os elétrons estão dispostos em camadas de energia. Embora alvo de críticas, o modelo proposto por Bohr ainda é o que melhor explica a realidade dos átomos e, portanto, será o modelo mais explorado e aprofundado nesta unidade. O átomo é considerado a construção mais básica de toda matéria. A matéria é tudo aquilo que possui massa e volume e, portanto, ocupa lugar no espaço. Basicamente, é tudo aquilo em que se consegue tocar. A matéria pode ser encontrada nos estados sólido, líquido, gasoso e, até mesmo, na forma de plasma. Dessa forma, o átomo se faz presente em todos os elementos da tabela periódica. Figura 2: Modelo atômico de Rutherford, após a descoberta de Chadwick 12 Entende-se por elemento toda substância que não pode ser reduzida para uma simples forma mediante meios químicos como, por exemplo, o ferro, o ouro, a prata e o oxigênio. Além desse ponto de redução, esses elementos deixam de ser o que são, pois perdem suas características mais essenciais (AIRBUS GROUP, 2006). O elemento químico é formado por apenas um tipo de átomo. A combinação de dois ou mais elementos químicos é chamada de componente. Um exemplo de componente é a água (H2O), que possui dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio (O). A menor partícula de um componente que pode ser dividida chama-se molécula, como representada na Figura 3. 1.1 Elétrons, Prótons e Nêutrons O átomo faz parte da composição de toda matéria e é formado por três partículas subatômicas: elétrons, prótons e nêutrons. Essas três partículas determinam as propriedades específicas de cada elemento. O átomo de oxigênio, por exemplo, tem número de prótons, elétrons e nêutrons diferente do átomo de ferro que, por sua vez, é diferente do átomo de hidrogênio. Há mais de 100 elementos na tabela periódica. Segundo a teoria da cinética da matéria, as partículas (elétrons, prótons e nêutrons) presentes nos átomos estão sempre em movimento. Isso porque a matéria se contrai quando é resfriada e se expande quando é aquecida, com exceção da água/gelo (AIRBUS GROUP, 2006). e A água tem maior volume no estado sólido Uma garrafa com líquido, colocada no congelador, pode quebrar após o congelamento. Isso mostra que a água tem maior volume no estado sólido. Figura 3: Molécula de água formada por átomos de oxigênio e hidrogênio 13 Nas Figuras 4 e 5 pode-se observar que os prótons e nêutrons ocupam o centro do átomo, o núcleo. Os prótons possuem carga positiva e os nêutrons não possuem carga. Essas duas partículas têm, aproximadamente, a mesma massa. A partícula de carga negativa, o elétron, orbita o núcleo do átomo e apresenta massa aproximadamente 1.837 vezes menor se comparada aos prótons. Por tal motivo, o peso de um átomo é determinado pelo número de prótons e de nêutrons no núcleo e o peso do elétron é desconsiderado neste cálculo. Como os prótons e nêutrons ocupam o centro do átomo, são os elétrons que orbitam o núcleo e se movem durante uma reação química. No átomo de hidrogênio, ilustrado na Figura 4, observa-se a presença de um próton e um nêutron e, orbitando o núcleo, um elétron. Na Figura 5 tem-se um átomo de oxigênio, que apresenta uma estrutura mais complexa por possuir oito elétrons orbitando o núcleo, com oito prótons e oito nêutrons. O átomo tem carga neutra quando o total de carga positiva de prótons e nêutrons é igual ao total de carga negativa de elétrons em órbita do núcleo. e A transferência de elétrons faz o material perder alguns elétrons e se deteriorar A corrosão é formada pela transferência de elétrons entre materiais diferentes. Como exemplo tem-se a fuselagem do avião, feita de alumínio, e os rebites ou parafusos feitos de aço. Figura 5: Um átomo de oxigênio contendo oito prótons e oito nêutrons Figura 4: Um átomo de hidrogênio, seu elétron e núcleo (composto por um próton) 14 1.1.1 Camadas de Elétrons e Níveis de Energia As camadas de elétrons e os níveis de energia são explicados pelo modelo atômico do dinamarquês Niels Bohr, ainda vigente e utilizado pela comunidade científica. Para os elétrons orbitarem o núcleo, necessitam de um nível de energia. O total de energia de um elétron é o principal fator que determina o raio da órbita dos elétrons. O número máximo de elétrons, que cada camada da órbita pode conter, é o mesmo para todos os átomos. Na Figura 6.A, cada camada possui o número máximo de elétrons que pode conter. A Figura 6.B mostra que o átomo pode possuir sete camadas de elétrons. A camada mais próxima ao núcleo apresenta baixa quantidade de energia, pois pode conter apenas dois elétrons. À medida que as camadas se afastam do centro do átomo, o número de elétrons aumenta e, consequentemente, maior se torna sua energia. A eletricidade ocorre com o movimento dos elétrons da última camada, chamada de camada de valência. 1.1.2 Elétrons de Valência O número de ligações químicas formadas pelo átomo denomina-se valência. As partículas responsáveis por esta função são os elétrons da camada mais externa do átomo, os elétrons de valência. Sendo assim, nesta camada, o número de elétrons é um fator determinante na valência de um átomo. Figura 6.A: Níveis de energia em cada camada do átomo Figura 6.B: Quantidade máxima de elétrons em cada camada do átomo 15 O processo pelo qual um átomo perde ou ganha elétrons é a ionização. Na ionização, formam-se os íons, que são compostos químicos com número de prótons diferente do número de elétrons. Há dois tipos de íons: os cátions e os ânions. Ao perder elétrons, o átomo fica carregado positivamente, pois o número de prótons é superior ao de elétrons. Assim, originam-se os cátions ou íons positivos. Por outro lado, ao ganhar elétrons, o átomo fica carregado negativamente, pois o número de elétrons é maior que o de prótons. Dessa forma, têm-se os ânions ou íons negativos. Destaca-se que o átomo é considerado neutro quando sua carga positiva é igual à carga negativa. 1.1.3 Transferência de Elétrons Os elétrons de valência orbitam a camada mais externa ao centro do átomo. Alguns elétrons são mais fortemente atraídos pelo núcleo e estão em camadas mais próximas a ele. Outros orbitam a camada mais externa e não possuem uma forte ligação com o núcleo. Esta última categoria de elétrons é denominada de elétrons livres, pois eles podem facilmente ser liberados da atração positiva exercida pelos prótons no núcleo do átomo. Os elétrons livres podem transitar de um átomo para outro, dando origem à corrente elétrica. 1.1.4 Fluxo de Elétrons A capacidade de ganhar ou de perder elétrons é determinada pela valência de um átomo. A valência também é responsável por definir a propriedade química e elétrica que o átomo possuirá. Com base nessa propriedade, o material pode ser de três tipos: condutor, isolante e semicondutor. A inclusão de um material em uma dessas categorias depende de sua capacidade de produzir elétrons livres, pois quanto maior a quantidade de elétrons livres, maior a corrente elétrica conduzida por esse material (AIRBUS GROUP, 2006). 16 1.2 Condutor O material condutor é aquele que possui muitos elétrons livres e, portanto, maior é sua facilidade em produzir corrente elétrica. Na aviação, dois condutores são usados mais comumente: o alumínio e o cobre. Embora o alumínio seja mais leve que o cobre, seus elétrons livres encontram maior dificuldade de deslocamento. A essa dificuldade dá-se o nome de resistência natural do material ou resistividade. Entretanto, apesarde mais pesado, o cobre é melhor condutor de eletricidade que o alumínio. Se o sistema elétrico de um avião for feito com fios de cobre, seu diâmetro, ou bitola, será pequeno e não pesará muito, pois o cobre é um condutor com baixa resistividade. Por outro lado, se os fios usados na aeronave são de alumínio, serão mais grossos, uma vez que este material tem maior resistência à passagem de corrente do que o cobre, embora ambos sejam classificados como condutores de eletricidade. Cada material possui um valor de resistividade, o que possibilita uma melhor compreensão de sua fórmula, como demonstrado na tabela 1. Assim, o projeto do fabricante é que determina qual condutor será utilizado. Na fórmula da resistividade (ρ), observa-se que quanto maior o comprimento do fio (L) maior sua resistência (R). Ao mesmo tempo, quanto maior a área (A), menor a resistência do fio (R) de eletricidade. Tabela 1: Cálculo da resistividade de um material 17 Na Figura 7 é possível notar que a resistência está inversamente proporcional à área e o comprimento do fio está diretamente proporcional à resistência. 1.3 Isolante O material isolante é aquele que, em condições normais, pouco conduz ou, simplesmente, não conduz a corrente elétrica, pois não possui elétrons livres. São exemplos de materiais isolantes: o vidro, a cerâmica e o plástico. 1.3.1 Semicondutor O material semicondutor é aquele que, por possuir características de condutor e isolante, não conduz nem isola a corrente elétrica de forma apropriada. O silício e o germânio estão entre os materiais com esta classificação. Quando o material semicondutor está com baixa corrente em temperatura ambiente, funciona como isolante. Entretanto, caso haja uma corrente passando por este material, os elétrons livres aparecem e ele fica com características de condutor. Os elementos semicondutores são, comumente, utilizados nos componentes de eletrônica. Figura 7: Variação da resistência conforme comprimento do condutor 18 1.4 Eletricidade Estática Há dois tipos de eletricidade: a dinâmica, criada pelo movimento dos elétrons livres, e a estática, na qual há ausência deste movimento. A eletricidade estática é formada pelo atrito de materiais não condutores de eletricidade, tais como a mica, o vidro e a borracha. O atrito causa um desbalanceamento de cargas, originando-se, assim, a eletricidade estática em sua superfície. Essa eletricidade não é benéfica para a aeronave, pois sua presença pode causar ruídos ou interferências nas transmissões de rádio, bem como a queima de placas de circuitos eletrônicos nos computadores dos aviões. Durante o abastecimento, a empresa abastecedora de combustível precisa colocar um cabo, ligando a aeronave ao caminhão com o intuito de equalizar as superfícies. Isso evita a formação de centelhas que possam inflamar o combustível, visto que o avião e o caminhão de abastecimento acumulam eletricidade estática, decorrente do atrito com o ar ao se deslocarem. Assim, o cabo de ligação mantém as duas superfícies equalizadas, não ocorrendo fluxo de carga elétrica. No entanto, caso ocorra este fluxo, é descarregado pela massa (lataria) do caminhão, mantendo o processo de abastecimento seguro. h O megômetro é utilizado em testes de resistência de isolamento. Os descarregadores estáticos também protegem as aeronaves contra a incidência de raios. Por tal motivo, são de extrema importância e devem ser testados periodicamente com um aparelho chamado megômetro. A eletricidade estática também está presente quando a aeronave se encontra em voo, sobretudo em função do atrito de sua fuselagem com o deslocamento do ar. Para eliminá-la, descarregadores estáticos são instalados nas pontas das superfícies de controle primárias, uma vez que a corrente se acumula nas extremidades de superfícies irregulares. 19 Na distribuição de cargas elétricas, em superfícies com pontas, observa-se que o acúmulo se concentra nas extremidades. Em superfícies redondas, a distribuição de cargas ocorre de maneira uniforme, como é possível observar nas Figuras 8.A e 8.B. Quando a eletricidade chega às pontas das asas, estabilizadores verticais e horizontais são consumidos pelos descarregadores estáticos, que são pequenas antenas localizadas ao longo da aeronave responsáveis por descarregar a energia estática acumulada na fuselagem em função do atrito com o ar. O aileron, o leme de direção e o profundor são superfícies móveis presas a superfícies fixas. Dessa forma, é necessário prover a estas superfícies um caminho de fácil acesso para suas extremidades, nas quais se encontram os descarregadores estáticos. Assim, uma ligação, com cabo de aço, é feita entre todas as partes móveis do avião e as fixas. O processo pelo qual se realiza esta ligação é chamado metalização elétrica, que “[...] estabelece um caminho eletricamente condutivo entre duas ou mais partes metálicas, de forma a assegurar o mesmo potencial elétrico entre elas” (CARBONE; SILVA; SILVEIRA JÚNIOR, 2008, p. 75). Além disso, para Carbone, Silva e Silveira Júnior (2008. p. 79), na metalização “[...] as partes fixas são ligadas por meio de contato físico e as partes móveis são ‘ligadas’ ao restante da aeronave com cordoalhas metálicas”. Como exemplo, tem-se: portas e fuselagem, aileron e asa, profundor e estabilizador, como mostra a Figura 9. Figura 9: Ligação por parafuso por meio de cabo condutor Figura 8.A: Distribuição de carga em superfície com ponta Figura 8.B: Distribuição de carga em superfícies redondas 20 A Figura 10 ilustra a eletricidade estática proveniente do deslocamento da aeronave durante o voo. Na Figura 11, observa-se a importância dos descarregadores estáticos, sobretudo no caso da perda de alguns deles. Figura 10: Eletricidade estática no deslocamento Figura 11: Instalação e localização dos descarregadores estáticos 21 A eletricidade estática é prejudicial aos equipamentos eletrônicos dos aviões, tendo em vista que a maioria das aeronaves atuais utiliza tecnologia de ponta, como o fly- by-wire (sistema de controle por cabo elétrico). Tais equipamentos possuem proteção extra contra este tipo de problema, mas cabe ao técnico de manutenção de aeronaves observar os cuidados no manuseio e saber identificar a simbologia de equipamento sensível a electrostatic discharge (ESD) ou, em português, descarga eletrostática, gerado pela fricção de um material com o outro. O atrito provocado pelo movimento de uma pessoa, usando roupas de frio feitas de lã, com o vento, chega a criar uma voltagem no corpo humano de 12.000 a 35.000 volts. Ao tocar os conectores elétricos de um circuito integrado, a pessoa pode destruir o equipamento eletrônico. Sendo assim, como proteção, usam-se pulseiras contra ESD, que descarregam a eletricidade estática na estrutura do avião, pois ficam ligadas à fuselagem do avião. Outra medida a ser adotada é transportar o equipamento sensível a ESD em embalagens antiestáticas. As Figuras 12.A, 12.B e 12.C apresentam maiores detalhes sobre o símbolo de identificação de equipamentos ESD, bem como as embalagens apropriadas para seu transporte. 1.5 Campo Eletrostático Ao redor de um corpo eletricamente carregado existe um campo de força. Esse campo é chamado de campo eletrostático ou dielétrico, o qual é representado por linhas de força que se estendem em todas as direções do corpo carregado e terminam onde há Figura 12.A: Equipamento de proteção individual contra a descarga elétrica no solo 12.B: Proteção para equipamentos sensíveis à descarga elétrica 12.C: Exemplos de materiais que dissipam a eletricidade 22 uma carga igual e com sinal oposto, vistoque elétrons com a mesma carga se repelem e com cargas opostas se atraem. Para melhor entendimento da ação do campo eletrostático, linhas são usadas para representar a direção e a intensidade do campo elétrico, conforme mostra as Figuras 13.A e 13.B. O avião é como uma esfera oca, então sua parte interna é neutra. Por isso, os elétrons se concentram na parte externa da esfera, mesmo que milhares de volts estejam ali. Esse fenômeno é utilizado para assegurar a vida dos operadores do gerador de Vana de Graaff. Assim, caso um raio atinja o avião, os passageiros da aeronave não recebem a descarga elétrica, pois a energia é consumida pelos descarregadores estáticos nas extremidades das superfícies (asa, aileron, profundor e leme de direção) da aeronave, conforme explicitado anteriormente. As Figuras 14.A e 14.B ilustram a comparação de uma esfera oca com a parte externa de um avião. Figura 13.A: Corpos carregados eletricamente com sinais iguais Figura 13.B: Corpos carregados eletricamente com sinais opostos Fonte: ESTADOS UNIDOS – FAA (s.d.) Figura 14.A: A carga em uma esfera oca Figura 14.B: A carga na parte externa de uma aeronave 23 Resumindo Esta unidade demonstrou que o átomo é a estrutura básica de toda matéria. Formado por nêutrons, prótons e elétrons, o átomo possui camadas de energia. O movimento dos elétrons de sua última camada é responsável por gerar eletricidade. A capacidade de ganhar ou perder elétrons define se o material é condutor, semicondutor ou isolante. Há dois tipos de eletricidade: a dinâmica e a estática. Esta última, formada pelo atrito de materiais não condutores, é prejudicial aos equipamentos da aeronave. Além disso, há um campo de força, denominado campo eletrostático, ao redor de um corpo eletricamente carregado. Glossário Aileron: parte móvel dos bordos de fuga das asas de aeronaves de asa fixa, que serve para controlar o movimento de rolamento da aeronave. Corrosão: ação que ocorre entre materiais metálicos tais como o alumínio, o ferro e o cobre; tem graus de valência diferentes. Dielétrico: resistência que uma matéria oferece ao deslocamento de elétrons. Estabilizadores verticais e horizontais: os estabilizadores verticais controlam o movimento do avião para a esquerda ou para a direita e são acionados pelo piloto por pedais embaixo do painel de instrumentos. Os estabilizadores horizontais controlam o movimento de subida e de descida do avião e são acionados pelo piloto por meio da manche. Plasma: descrito como o quarto estado da matéria, o plasma possui consistência pastosa, gelatinosa. Profundor: superfície de controle móvel horizontal existente na extremidade traseira da cauda dos aviões; o movimento dos profundores faz com que o nariz da aeronave direcione-se para baixo ou para cima. Superfície de controle primária: aileron, leme de direção e profundor são os responsáveis pelo movimento em cima dos três eixos da aeronave: rolagem, guinada e arfagem. 24 a 1) Julgue verdadeiro ou falso. O átomo é a estrutura básica de toda matéria. Verdadeiro ( ) Falso ( ) 2) Julgue verdadeiro ou falso. A capacidade de ganhar ou de perder elétrons é determinada pela valência de um átomo. Verdadeiro ( ) Falso ( ) Atividades 25 Referências AIRBUS GROUP. Technical training manual maintenance course – T1 (V2500-A5/ ME): electrical power. [S.l.]: Airbus Group, 2006. 308 p. CARBONE, E. C; SILVA, L. F; SILVEIRA JÚNIOR, L. Metalização elétrica em aeronaves. In: ENCONTRO LATINO AMERICANO DE PÓS-GRADUAÇÃO, 8., 2008, São José dos Campos. Anais... São José dos Campos: Universidade do Vale do Paraíba/FEAU, 2008. Disponível em: <http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2008/anais/arquivosINIC/ INIC0274_01_O.pdf>. Acesso em: 3 abr. 2015. EMBRAER GRUPO (Brasil). Aircraft general. [S.l.]: Embraer Grupo, 2014. FAA – FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION. Aviation maintenance: technician handbook airframe. Disponível em: <http://www.faa.gov/regulations_policies/ handbooks_manuals/>. Acesso em: 27 fev. 2015. FERRARO, N. G.; RAMALHO JUNIOR, F.; SOARES, P. A. T. Os fundamentos da física: eletricidade, introdução à física moderna e análise dimensional. 9. ed. São Paulo: Moderna, 2007. GRUPO VIRTUOUS. Modelo de Rutherford. 2015. Disponível em: <http://www.soq. com.br/conteudos/em/modelosatomicos/p3.php>. Acesso em: 14 abr. 2015. INDOLENCES ([S.l.]). Stylised lithium-7 atom. 2007. Disponível em: <https://commons. wikimedia.org/wiki/File:Stylised_Lithium_Atom.svg>. Acesso em: 2 abr. 2015. MARTINS, F. L. Eletricidade básica. [S.l.]: Sotreq, 2011. 308 slides, color. MUSEU DAS COMUNICAÇÕES DE MACAU (China). Laboratório de diodos. Macau, China, 2014. Disponível em: <http://macao.communications.museum/por/exhibition/ secondfloor/moreinfo/2_16_0_DiodeLab.html>. Acesso em: 20 abr. 2015. VIEIRA, F. T. Átomos, moléculas e íons: química tecnológica I. Diamantina, MG: UFVJM, 2013. 19 slides, color. Disponível em: <http://site.ufvjm.edu.br/flavianatavares/ files/2013/04/1-Quim-Tec-I-Átomos-Moléculas-e-Íons-aula-de-10-10-2013.pdf>. Acesso em: 4 abr. 2015. 26 UNIDADE 2 | GERAÇÃO DE ELETRICIDADE 27 Unidade 2 | Geração de Eletricidade A corrente elétrica é formada pelo movimento dos elétrons. No entanto, é a força eletromotriz a responsável por impulsionar a corrente elétrica pelos condutores. O fluxo da corrente, além de encontrar resistência, pode passar pelo circuito elétrico, seguindo um mesmo sentido ou não. Além disso, é o resistor que controla o fluxo da corrente no circuito. Tais conceitos serão aprofundados para melhor compreensão acerca do funcionamento da eletricidade. 1 Força Eletromotriz Diferentemente da corrente elétrica, que pode facilmente ser visualizada como um fluxo, a voltagem é variável e funciona como uma bomba, impulsionando os elétrons por meio dos condutores. Os elétrons em movimento formam a corrente elétrica, mas o que a impulsiona na eletricidade dinâmica é a voltagem. A força (ou pressão) que movimenta os elétrons é chamada de força eletromotriz (FEM). Nas aeronaves, a FEM é formada pelo gerador do motor, gerador da Auxiliary Power and Unit (APU), bateria ou Ground Power Unit (GPU). Como exemplo, aponta-se a bateria, que fornece 12 ou 24 volts, demonstrando ter uma força de um lado, e zero volt no outro lado. A diferença entre os terminais da bateria gera uma movimentação nos elétrons, denominada de corrente. A Figura 15 ilustra uma simulação da voltagem, em dois tanques de água, com diferentes pressões. O tanque A tem 12 psi de pressão e o tanque B tem 2 psi. Logo, há uma diferença de 10 psi entre eles. Ao abrir a torneira, a água do tanque de maior pressão flui para o de menor pressão, até ocorrer a equalização das duas pressões, que faz parar o fluxo de água. Figura 15: Diferença de pressão entre dois tanques 28 Tal conceito também se aplica à FEM, pois ao haver a equalização entre o que é fornecido e o que é consumido, a energia elétrica atinge a equalização e o fluxo de corrente cessa. Portanto, para ter corrente elétrica, é necessário que exista uma FEM entre dois pontos. A FEM também é conhecida como pressão elétrica ou diferença de potencial (DDP) e a unidade de medida da voltagem é o volt, representado pela letra (V) maiúscula. 2 Resistência de um Condutor Foi observado que a FEM fornecida para um circuito elétrico movimenta os elétrons, criando um fluxo de corrente elétrica. No entanto, o fluxo de corrente encontra resistência ao deslocamento, em razão do próprio material do condutor. A soma de componentes elétricos (geradores, fios condutores, componentes elétricos diversos) é chamada de circuito elétrico. A resistência determina o quanto de correnteflui pelo circuito elétrico. Dessa forma, quanto maior a resistência do circuito, menor o fluxo de corrente. E, quanto menor a resistência do circuito, maior o fluxo de corrente. É a relação entre voltagem, corrente e resistência, que define o projeto de qualquer circuito elétrico de uma aeronave. Caso o valor de duas destas unidades seja conhecido, é possível encontrar o valor da terceira unidade por meio dos conceitos da Lei de Ohm. Quatro propriedades determinam a resistência: material, comprimento, área e temperatura. Para demonstrá-la, novamente a fórmula da resistividade do condutor é utilizada. Onde: Sendo: R = resistência (em Ohm) ρ = resistividade do material L = comprimento do condutor A = área do condutor 29 Na fórmula, é possível observar que o comprimento do condutor é diretamente proporcional à resistência. Logo, quanto maior o comprimento do condutor maior a resistência ao fluxo de corrente do circuito elétrico. Além disso, a área é inversamente proporcional à resistência. Portanto, quanto maior a área do condutor menor a resistência ao fluxo de corrente do circuito elétrico, conforme o demonstrado na Figura 16. É válido ressaltar que a unidade de medida da corrente elétrica é o ampère, simbolizado como (A). 2.1 Fontes de Corrente Contínua Entende-se por corrente contínua a corrente elétrica cujo fluxo de elétrons, a passar pelo circuito, segue constantemente em um mesmo sentido e, portanto, é sempre positiva ou negativa. A corrente contínua é encontrada em pilhas e baterias. Existem quatro tipos de fontes de corrente contínua: a mecânica (gerador CC ou dínamo), a química (bateria), a fotoelétrica (luz) e a térmica (calor). Nesta unidade será abordada apenas a fonte química, especificamente as baterias. Os geradores serão explicitados mais adiante. As baterias são usadas na aviação em emergências, caso ocorra alguma falha em todas as fontes de eletricidade. Então, utiliza-se a bateria para funcionamento dos geradores dos motores e dos geradores de emergência, instrumentos essenciais ao voo, e para garantir a comunicação entre a aeronave e a torre de controle. As baterias são identificadas pelo material utilizado em suas placas. Podem ser de chumbo-ácido ou de níquel cádmio NiCd. Figura16: Resistência varia de acordo com o comprimento do condutor 30 2.2 Bateria de Chumbo-Ácido As baterias de chumbo-ácido possuem de seis a 12 células conectadas em série. Em um circuito aberto, quando não está ligada ao sistema elétrico, a bateria de seis células fornece, aproximadamente, 12 volts. A bateria de 12 células fornece, aproximadamente, 24 volts. Cada célula possui placas positivas de peróxido de chumbo PbO2, placas negativas de chumbo (Pb) esponjoso e eletrólito (água destilada – H2O, e ácido sulfúrico – H2SO4). O eletrólito é o meio que transporta os elétrons e torna-se mais viscoso a baixas temperaturas, dificultando a reação química entre as placas positivas e negativas. Caso sua viscosidade seja elevada, os elétrons sofrerão maior resistência ao deslocamento e, consequentemente, haverá perda de carga da bateria. Quando nova, a bateria vem carregada, porém suas células estão secas. Isso significa que não foram adicionados o ácido sulfúrico e a água destilada. Assim, o mecânico de manutenção de aeronaves deve preparar o eletrólito, que é justamente a mistura das duas substâncias, com um peso específico. O peso é medido com um aparelho chamado densímetro, que deve indicar uma carga completa quando marcar entre 1275 e 1300, conforme a Figura 17. Figura 17: Densímetro 31 Tabela 2: Relação entre o peso específico e o estado de carga para a bateria selada chumbo-ácido a 70º A bateria possui células e válvulas de abastecimento de água destilada e de ventilação dos gases internos, formadas pela reação do eletrólito com as placas de chumbo, conforme demonstrado na Figura 18.A. A bateria chumbo-ácido, depois de carregada com o eletrólito, está pronta para o funcionamento e precisa, apenas, a manutenção do nível de água nas células e a adição de água destilada, pois a água evapora na reação, como mostra a Figura 18.B. Peso Específico Ponto de Congelamento Estado de Carga (SOC) Para a bateria selada Chumbo-Ácido a 70 0C 0F SOC 12 volt 24 volt 1.300 -70 -95 100% 12;9 25.8 1.275 -62 -80 75% 12.7 25.4 1.250 -52 -62 50% 12.4 24.8 1.225 -37 -35 25% 12.4 24.0 1.200 -26 -16 1.175 -20 -04 1.150 -15 +05 1.125 -10 +13 1.100 -08 +19 Figura 18.A: Bateria de chumbo-ácido Figura 18.B: Ligação das células da bateria 32 a) Construção da célula da bateria de chumbo-ácido A conexão da bateria ao sistema elétrico é efetuada por meio de uma conexão rápida e sua capacidade de carga é medida em ampère-hora (Ah). Portanto, uma bateria com capacidade de um Ah descarrega em uma hora, se estiver com o consumo máximo, que é de um ampère em uma hora. A mesma bateria descarrega em meia hora se fornecer dois ampères, em 20 minutos se fornecer três ampères e, assim, sucessivamente. Quanto maior o consumo, menor sua capacidade em horas. Ao mesmo tempo, quanto menor o consumo, maior seu tempo de descarregamento em horas. Logo, se apenas meio ampère é utilizado, a bateria descarrega em duas horas. A corrente aquece a bateria na descarga rápida, ocasionando a redução de sua eficiência e o total de ampère-hora de saída. Para as baterias dos aviões, em razão de sua capacidade, é estabelecido como tempo de descarga um período de cinco horas. No entanto, esse tempo é somente uma base e não significa, necessariamente, o tempo total que a bateria fornece corrente. Em condições normais de serviço, a bateria pode estar completamente descarregada em poucos minutos, assim como pode não ser descarregada, se os geradores fornecerem energia suficiente para carregá-la. As Figuras 19.A e 19.B ilustram o assunto. Figura 19.A: Plugue de ventilação à prova de vazamento Figura 19.B: Desconexão rápida da bateria de chumbo-ácido 33 A capacidade de ampère-hora de uma bateria depende da área efetiva das placas. A conexão da bateria em paralelo aumenta a capacidade de ampère-hora. A conexão das baterias em série aumenta o total de voltagem, mas não sua capacidade de ampère- hora. b) Ciclo de vida útil de uma bateria O ciclo de vida útil de uma bateria é definido em função do número de cargas/descargas completas que pode executar, antes de sua capacidade normal de carga ficar abaixo de 80% de sua capacidade inicial. A vida da bateria varia de 500 a 1300 ciclos. Vários fatores podem causar a deterioração de uma bateria e encurtar sua vida útil. O primeiro fator é a descarga excessivamente rápida, que pode causar excesso de depósito de sulfato nas placas. O segundo é o carregamento ou descarregamento rápido da bateria, que pode resultar em superaquecimento das placas e liberação de resíduos de material ativo. O acúmulo de material ao redor das placas causa curto- circuito e resulta em descarga interna das placas. 2.3 Bateria de Níquel Cádmio (NiCd) Na bateria de níquel cádmio, o material ativo na placa positiva (ânodo) é o hidróxido de níquel NiOOH e na placa negativa (cátodo) é o cádmio esponjoso (Cd). A solução do eletrólito é hidróxido de potássio KOH e água destilada. As baterias NiCd são usadas mais frequentemente em aeronaves de grande porte que voam a grandes altitudes. Diferentemente da bateria chumbo-ácido, o eletrólito da bateria NiCd não reage com as placas e não transporta elétrons porque sua função é apenas lubrificar as células. O estado de carga da bateria NiCd não pode ser medido pelo peso específico da solução do eletrólito de hidróxido de potássio, sobretudo em razão do peso específicodo eletrólito não mudar com o estado de carga da bateria. A única maneira de determinar, com exatidão, a carga da bateria NiCd é efetuando um ciclo completo de carga/descarga. Chamado de deep cycle (ciclo profundo), consiste em descarregar as 20 células para um potencial igual a zero e carregá-las lentamente. 34 A combinação entre temperatura alta e carregamento rápido pode ocasionar fogo ou explosão, como mostra a Figura 20.A. Para evitar riscos, a bateria possui um sensor de temperatura entre as placas, conforme pode ser observado na Figura 20.B. O sensor aciona um alarme de superaquecimento, na cabine de comando, para que o comandante possa adotar os procedimentos adequados de ação corretiva, como o desligamento da bateria. Um aspecto negativo da bateria de NiCd refere-se à constante carga e à infrequente descarga, visto que algumas células que a compõem podem descarregar de forma desequilibrada em relação às outras. Por isso, pode-se pensar que a bateria está carregada quando, na verdade, não está. Para que tal equívoco não seja cometido, é necessário provocar uma descarga completa. Importante destacar que a bateria de NiCd é, usualmente, intercambiável com a bateria chumbo-ácido. Quando uma bateria chumbo-ácido é substituída por uma de NiCd, é necessário limpar e secar o compartimento, bem como limpar todos os resíduos ácidos da bateria anterior. Figura 20.A: Célula danificada por alta temperatura Figura 20.B: Sensor de temperatura na bateria NiCd 35 2.4 Resistor O resistor é o componente da eletricidade responsável pelo controle do fluxo de corrente. Assim, quanto maior for a resistência imposta pelo resistor ao fluxo de corrente, menor a corrente. Ao mesmo tempo, quanto menor a resistência, maior a corrente no circuito. A passagem da corrente pelo resistor gera calor. A dissipação do calor é usada na aeronave no sistema de degelo da hélice, por exemplo, o qual dissipa o calor por resistências elétricas, aquece as pás da hélice e quebra o gelo. Outra aplicação do resistor é na proteção contra chuva e gelo. Os para-brisas são aquecidos pela passagem de corrente elétrica acima de resistências que dissipam calor. A letra que representa a resistência é a letra grega ômega (Ω). A simbologia do resistor fixo é demonstrada na Figura 21. O resistor possui um código de cores para que o técnico em manutenção de aeronaves identifique seu valor. O código consiste em faixas coloridas, sendo uma das faixas usada para indicar a tolerância de erro do resistor. Isso se deve à dificuldade de fabricação de um resistor com valor exato. A Figura 22 mostra os códigos e explica como usar as cores dos resistores, lidas do fim para o centro. Figura 21: Simbologia do resistor fixo 36 Quando o sistema de marcas do fim para o centro é usado, o resistor pode ter três ou quatro faixas de cores. A primeira, próxima ao final do resistor, indica o valor do primeiro dígito e nunca é a faixa das cores ouro ou prata. A segunda indica o valor do segundo dígito e, assim como a primeira, nunca pode estar nas cores ouro ou prata. A terceira faixa mostra o número de zeros a ser adicionado aos dois dígitos, encontrados nas duas primeiras faixas, exceto em dois casos: • Se for da cor ouro, os dois primeiros dígitos devem ser multiplicados por 10%; • Se for da cor prata, os dois primeiros dígitos devem ser multiplicados por 1%. Tabela 3.A: Tabela de código de cores de resistores e sua utilização Tabela 3.B: Marca da faixa do final para o centro Figura 22: Representação do código de cores de resistores 37 No caso de uma quarta faixa, será usada para achar a tolerância em porcentagem, como indicado na Tabela 3.A. Se não houver a quarta faixa, a tolerância será de 20%. Na Figura 22 não há a quarta faixa. Portanto, a tolerância é de 20%. Sendo assim, tem- se a faixa vermelha (dígito 2), a verde (dígito 5) e a amarela (sinaliza quatro dígitos zero: 0000), formando o número 250.000. Nesse caso, a tolerância do resistor é de 50.000 Ω (20% de 250.000). Assim: 250.000 Ω + 50.000 Ω = 300.000 Ω (resistência máxima); 250.000 Ω – 50.000 Ω = 200.000 Ω (resistência mínima). Ressalta-se que os resistores variáveis são construídos de modo que sua resistência possa ser alterada facilmente, tanto manual quanto automaticamente. Há dois tipos básicos de ajuste manual: o reostato e o potenciômetro. Na Figura 23 observam-se outros exemplos de resistores e suas faixas de cores. Figura 23: Exemplos de resistores e suas faixas de cores 38 2.5 Circuitos de Corrente Contínua em Série e em Paralelo Os circuitos em série e em paralelo são utilizados em todos os sistemas das aeronaves. Como exemplo tem-se os circuitos elétricos dos geradores que estão em paralelo. As diferenças entre os circuitos estão relacionadas ao comportamento da tensão e da corrente. Conforme abordado anteriormente, a tensão é a diferença de potencial (DDP), pois é a pressão que vai impulsionar os elétrons por meio do condutor. A corrente, por sua vez, refere-se ao movimento dos elétrons livres dentro do condutor. Em um circuito elétrico, o sentido real da corrente é do polo negativo para o positivo. No entanto, para facilitar o aprendizado, será utilizado o sentido convencional: polo positivo para o negativo. É válido ressaltar que a unidade de medida da corrente é o ampère (A), a da tensão é o volt (v) e a da resistência é o Ohm (Ω). 2.5.1 Circuitos em Série Primeiramente, para o entendimento dos circuitos em série, será analisado o circuito com relação ao comportamento da corrente, como o representado na Figura 24. Quanto à nomenclatura: R é resistor (Ω), i é corrente (A), (E) é tensão (V) e A é amperímetro. Figura 24: Exemplo de circuito em série 39 No exemplo da Figura 24, a corrente (I) de saída é de 2A. A corrente sai do polo positivo da fonte de tensão (E), percorre todo o circuito, passa pelos resistores R1, R2, e R3 e chega ao polo negativo. Nota-se que a corrente não se divide, sendo a mesma em todo o circuito. Observa-se que na Figura 25.A, as lâmpadas estão acesas. No entanto, se o condutor quebrar a lâmpada ou a lâmpada queimar, como ocorre na Figura 25.B, a corrente não fluirá no circuito e nenhuma lâmpada acenderá. Este fenômeno é uma das características do circuito em série. Para calcular a resistência total do circuito elétrico em série, todas as resistências elétricas devem ser somadas: Rt = R1 + R2 + R3. 2.5.2 Circuitos em Paralelo A Figura 26 representa um circuito elétrico com relação ao comportamento da corrente. Novamente, (R) é resistor (Ω), (i) é corrente (A), (E) é tensão (V) e (A) é amperímetro. Figura 25.A: Lâmpadas ligadas em um circuito em série Figura 25.B: Retirada de uma lâmpada do circuito em série 40 Na Figura 26, a corrente total que passa pelo circuito, impulsionada pela DDP, é de 6A. No entanto, a corrente divide-se pelo circuito elétrico ao passar pelos resistores R1, R2 e R3, passando a valer 2A. Em seguida, segue para o polo negativo com os mesmos 6A que tinha quando saiu da fonte. Sendo assim, no circuito em paralelo, a corrente se divide pelo circuito. No exemplo da Figura 26, a corrente foi dividida em valores iguais, o que indica que as resistências são de mesmo valor. Na Figura 27.A há duas lâmpadas acesas. Se o condutor quebrar ou a lâmpada queimar como acontece na Figura 27.B, a corrente continua a fluir no circuito e as lâmpadas que a receberam permanecem acesas, ao contrário do que ocorre no circuito em série. Este fenômeno é uma das características do circuito em paralelo. Figura 27.A: Lâmpadas em circuito paralelo Figura 26: Exemplo de circuito elétrico em paralelo 41 Para calcular a resistência total do circuito elétrico emparalelo devem ser utilizadas as seguintes fórmulas: • Para cálculo da resistência total em várias resistências de uma vez 1 = 1 + 1 + 1 +... ; Rt R1 R2 R3 • Para cálculo da resistência total, em somente duas resistências, de uma vez 2.5.3 Circuito Misto No circuito elétrico misto ocorre uma mistura entre o circuito em série e o circuito em paralelo, conforme mostram as Figuras 28 e 29. Na Figura 28, as resistências R1 e R2 estão em série e, portanto, é utilizada a fórmula: R1.2 = R1 + R2 Figura 27.B: Retirada de uma lâmpada no circuito paralelo Rt = R1 x R2 R1 + R2 _______ Figura 28: Circuito elétrico misto 42 Depois de utilizar a fórmula e obter R1.2, o circuito elétrico misto é representado como mostra a Figura 29. Ainda de acordo com a Figura 29, observa-se que as resistências R3 e R4 e as resistências R6 e R7 também estão em série. Sendo assim, para calcular as resistências totais de cada um destes conjuntos utiliza-se a fórmula pela qual se somam seus valores: R3.4 = R3 + R4 e R6.7 = R6 + R7. Após este cálculo, o circuito se mostra segundo apresentado na Figura 30. Agora que as resistências dos circuitos em série foram calculadas, observa-se que neste circuito restaram as resistências em paralelo. Sendo assim, as resistências R3.4 e R6.7 serão calculadas com base na seguinte fórmula: Figura 29: Circuito elétrico misto após soma das resistências R1 e R2 Figura 30: Circuito elétrico misto após soma das resistências R3 + R4 e R6 + R7 43 A Figura 31 mostra como fica o circuito elétrico a partir do último cálculo. Como as resistências restantes estão em série, basta apenas somar seus valores para obter a resistência total ou equivalente. Sendo assim: Rt = R1.2 + R3.4 + R5. O resultado final é demonstrado na Figura 32. 2.6 Lei de Ohm A Lei de Ohm foi desenvolvida pelo físico alemão George Simon Ohm (1787-1854) e define a relação entre corrente, voltagem e resistência em um circuito elétrico. As fórmulas das figuras a seguir mostram a conexão dessas unidades. Figura 31: Circuito elétrico misto após cálculo das resistências R3.4 e R6.7 Figura 32: Resistência total em um circuito elétrico misto 44 A voltagem aplicada em um circuito impulsiona uma corrente, mas a intensidade da corrente, fluindo no circuito, depende da resistência. Sendo assim: quanto maior a corrente no circuito, menor a resistência e, quanto menor a corrente, maior a resistência. Na Lei de Ohm, a tensão e a corrente comportam-se de maneiras diferentes no circuito elétrico em série e no circuito em paralelo. No circuito em série, a corrente percorre todo o circuito elétrico sem divisão, mas ao passar por uma resistência há consumo de energia, o resistor dissipa alguma corrente. A este consumo é dado o nome de queda de tensão ou queda de voltagem. Como cada resistência varia de valor em um circuito elétrico, tem-se uma queda de voltagem diferente em cada resistência do circuito. e As baterias e os geradores No avião, a bateria ou o gerador fornecem a FEM necessária para movimentar os elétrons no circuito (corrente). O consumo da corrente acontece nas bombas elétricas de combustível, nas telas do sistema de aviônicos, nos faróis de pouso e na iluminação da cabine de passageiros. Assim, a corrente é consumida, o que gera uma queda de voltagem em cada unidade de consumo. Se a corrente for consumida da bateria, descarrega-se. Porém, caso seja consumida do gerador, este mantém o fornecimento da voltagem para o consumo em todo o avião, pois no projeto dimensiona-se o consumo elétrico dos diversos sistemas que utilizam a energia para seu funcionamento Figura 33.A: Fórmula da Lei de Ohm isolando-se a variável E Figura 33.B: Fórmula da Lei de Ohm isolando-se a variável I Figura 33.C: Fórmula da Lei de Ohm isolando-se a variável R 45 Para melhor compreensão de como se dá o comportamento da tensão e da corrente, em um circuito elétrico em série, alguns exercícios sobre o funcionamento das resistências, com as respectivas soluções, estão expostos a seguir. Exercício 1 Cálculo da corrente que percorre o circuito elétrico, mostrado na Figura 34, e a queda de voltagem quando passa pelas resistências. Solução do exercício 1 Primeiramente, a resistência total do circuito deve ser encontrada. E, uma vez que R6 e R7 estão em série, aplica-se a fórmula: Rt = R6 + R7 → Rt = 2 + 1 → Rt = 3 Ω Como a corrente elétrica não se divide no circuito em série, portanto, é a mesma ao percorrer todo o circuito, utiliza-se a fórmula da Lei de Ohm: I = E → I = 9 → I = 3 A Rt 3 A corrente que circula no circuito é de 3 A. Essa corrente é consumida pelas resistências, provocando uma queda de tensão. Nas resistências, a soma das quedas de tensão tem que ser igual a da fonte que, no caso, é de 9 v. Como os valores da corrente do circuito e os valores das resistências foram obtidos anteriormente, é possível encontrar a queda de tensão em cada resistência por meio da fórmula da Lei de Ohm: E = I x R6 E6 = 3 x 2 = 6 v Figura 34: Circuito elétrico em série 46 Se a queda de tensão em R6 é de 6 v, então a queda na resistência R7 é de 3 v, visto que o total de voltagem fornecido pela fonte é de 9 v: E7 = I x R7 E7 = 3 x 1 = 3 v Exercício 2 Cálculo do valor de R4, sabendo que a corrente que circula no circuito é de I = 0,2 A, conforme representado na Figura 35. Solução do exercício 2 Se a corrente do circuito é I = 0,2 A, primeiramente deve ser calculado o valor da queda de tensão em cada resistor, lembrando que a soma dos valores da queda deve ser igual à tensão do circuito, que é de 100 v. Queda de tensão em R1: Queda de tensão em R2: Queda de tensão em R3: E1 = I x R1 E2 = I x R2 E3 = I x R3 E1 = 0,2 x 10 = 2 v E2 = 0,2 x 50 = 10 v E3 = 0,2 x 100 = 20 v Se a soma das quedas de tensão é igual ao valor da fonte, tem-se: Et = E1 + E2 + E3 + E4 → 100 = 2 + 10 + 20 + E4 → E4 = 100 – 32 → E4 = 68 v Com estes valores calculados, é possível encontrar o valor de R4: R4 = E4 → R4 = 68 → R4 = 340 Ω I 0,2 Figura 35: Circuito elétrico em série 47 Na leitura do circuito em paralelo, a corrente e a tensão se comportam de forma diferente em relação ao circuito em série. No circuito em paralelo, a corrente se divide e a queda de tensão em cada resistência é igual. Sendo assim, para melhor entendimento do comportamento da tensão e da corrente, em um circuito elétrico em paralelo, o exercício proposto a seguir exemplifica o funcionamento das resistências. Exercício 3 Cálculo da corrente total que percorre o circuito elétrico da Figura 36 e valor da corrente que passa por R1 e R2. Solução do exercício 3 Neste exemplo observa-se que a voltagem fornecida ao circuito de 9 v alimenta os pontos A e B. Logo, a queda de tensão em R1 apresenta o mesmo valor da queda em R2. No circuito em paralelo, a corrente é diferente para cada resistor. No entanto, pode-se inferir que a corrente que vai passar por R1 é menor que a corrente que passa por R2, pois o valor da resistência R1 é maior e, logo, a corrente é menor. O valor da resistência total do circuito é encontrado pela fórmula: Rt = R1 x R2 → Rt = 3 x 2 → Rt = 6 → Rt = 1,2 Ω R1 + R2 3 + 2 5 Figura36: Circuito elétrico em paralelo 48 É importante observar que a resistência total sempre é inferior à menor resistência do circuito. Após encontrar o valor da resistência total, e dado o valor da tensão, é possível calcular a corrente total do circuito (It): It = E → It = 9 → It = 7,5A Rt 1,2 A corrente de 7,5 A divide-se entre R1 e R2. Como no circuito em paralelo, a queda de tensão é a mesma nas resistências, então a queda de voltagem de R1 e R2 é de 9 v. Assim, calcula-se a corrente em R1 e R2 , uma vez que são de valores diferentes: I1 = E → I1 = 9 → I1 = 3 A R1 3 I2 = E → I2 = 9 → I2 = 4,5 A R2 2 Observa-se que R1, maior resistência, passou à corrente de menor valor. Até o momento foram abordados dois tipos de circuitos: em série e em paralelo. No entanto há também o circuito misto, que é uma combinação das duas modalidades anteriores. Para melhor entendimento, apresenta-se a solução de um exercício relacionado ao circuito elétrico misto. Exercício 4 Considerando a associação de três resistores ôhmicos, cujas resistências equivalem a R1 = 6,8 Ω, R2 = 4,0 Ω e R3 = 16 Ω, como mostra a Figura 37. Sabendo que a intensidade da corrente elétrica que passa por R2 vale 2,0 A, determinar: a) a intensidade da corrente que passa por R1; b) a DDP entre os pontos A e C. c) 49 Solução do exercício 4 A Figura 37 exemplifica um circuito misto. Se um multímetro for utilizado, é possível visualizar que a queda de tensão, nas resistências em paralelo, é igual. Entretanto, na R1, a queda é diferente pelo fato de estar em série no circuito. Como a corrente que passa por R2 foi mencionada no exercício, pode-se achar sua queda de tensão. Conhecendo o valor de R2 é possível calcular a queda de tensão de R3, tendo em vista que estão em paralelo e, portanto, a queda de tensão é a mesma. E2 = I x R2 → E2 = 2 x 4 → E2 = 8 v Então: E2 = E3 Assim, pode-se encontrar a resistência total, somente do circuito em paralelo formado pelas resistências R2 e R3, por meio da fórmula: R2.3 = R2 x R3 → R2.3 = 4 x 16 → R2.3 = 64 → R2.3 = 3,2 Ω R2 + R3 4 + 16 20 Figura 37: Circuito elétrico misto 50 Observa-se que o circuito ficou com duas resistências em série, como na Figura 38: Como a queda de tensão em cima de R2.3 é de 8v e a resistência total do trecho R2.3 é igual a 3,2 Ω, pode-se encontrar o valor da corrente usando a seguinte fórmula: I2.3 = E → I2.3 = 8 → I2.3 = 2,5 A R 3,2 Se 2 A passam por R2 então 0,5 A passa por R3. Assim, a corrente total do circuito é 2,5 A. Tendo em vista que R1 está na entrada do circuito, pode-se calcular o valor da queda de tensão em R1: E1 = I x R1 → E1 = 2,5 x 6,8 → E1 = 17 v A tensão total no circuito pode ser encontrada pela soma das quedas de tensão ou pela fórmula das resistências em série. Em seguida, com o valor da corrente total e da resistência total, é possível encontrar a tensão total no circuito: Rt = R1 + R2.3 → Rt = 6,8 + 3,2 → Rt = 10 Ω Et = It x Rt → Et = 2,5 x 10 → Et = 25 v ou Et = E1 + E2.3 → Et = 17 + 8 → Et = 25 v Figura 38: Circuito elétrico misto com duas resistências em série 51 Em um circuito elétrico em paralelo, com todas as resistências iguais, a resistência total é o valor de uma resistência dividido pelo número destas resistências, conforme ilustra as Figuras 39.A e 39.B. A partir da apresentação anterior, acerca do funcionamento dos circuitos elétricos, seus cálculos e suas fórmulas, a explanação sobre a aplicação prática destes conteúdos em um circuito do avião, torna-se mais clara. Na Figura 40.A observa-se a operação da iluminação ambiente da cabine de comando, responsável por deixá-la mais escura ou mais clara. Figura 40.A: Iluminação ambiente da cabine de comando Figura 39.A: Exemplo de circuito elétrico em paralelo com duas resistências iguais Figura 39.B: Exemplo de circuito elétrico em paralelo com três resistências iguais 52 As Figuras 41.A e 41.B mostram a localização das luzes na cabines de comando. Figura 41.A: Localização das luzes na cabine de comando Figura 41.B: Esquemático do percurso da corrente elétrica na cabine de comando 53 Na Figura 41 há um circuito elétrico no qual quatro lâmpadas são percorridas por uma corrente. Assim, observa-se que a resistência do circuito é alta e, portanto, a corrente é baixa. Isto faz com que as lâmpadas acendam com pouco brilho na cabine de comando. Nas Figuras 42.A, 42.B e 42.C é possível observar os sistemas de iluminação externa da aeronave, nos quais o circuito elétrico também se faz presente. Algumas aeronaves de grande porte usadas para transporte de passageiros utilizam uma tela que reproduz os sistemas elétricos, hidráulicos, pneumáticos e do ar condicionado. Isso possibilita à tripulação e à manutenção uma visão geral do que está em operação. A tela verde indica que os sistemas estão operando de forma correta. Entretanto, se algum componente do sistema elétrico está inoperante, a tela fica vermelha com um X demarcando o local da falha, conforme demonstrado na Figura 43. Figura 41: Circuito elétrico do sistema de iluminação da cabine de comando Figura 42.A: Farol de pouso Figura 42.B: Luzes de navegação Figura 42.C: Luz anticolisão 54 2.7 Cálculo e Medição de Potência Elétrica Quando a corrente flui por um circuito resistivo, a energia é dissipada em forma de calor e definida como a habilidade de produzir trabalho, visto que a potência é a razão de energia usada no circuito. O calor dissipado foi estudado por James Watt e, devido ao seu nome, a unidade de medida da potência elétrica é o Watt. A potência é a quantidade de energia que o circuito consome. A potência consumida pelo circuito, formado pelos geradores dos motores das aeronaves, está na unidade de medida Kilo Volt Ampères (KVA). O KVA trata-se de uma potência aparente, logo, uma potência teórica fornecida para aquecimento ou criação de um campo magnético nos geradores. A potência real consumida pelo circuito é medida em watts. Nas aeronaves, emprega-se um esquemático elétrico, com geradores normais e geradores de emergência com suas potências, como na Figura 44. Figura 43: Tela que reproduz o sistema elétrico da aeronave Figura 44: Esquemático elétrico de uma aeronave com geradores normais e de emergência 55 Nas Figuras 45.A e 45.B percebe-se que, ao serem ligados os geradores, as barras AC BUS 01 e AC BUS 02 são energizadas. A alimentação de energia é de 30/40 KVA 115/200v. Isto ocorre porque os geradores são as principais fontes de fornecimento de energia. Na Figura 45.C há a explicação desse sistema de geradores bem como suas indicações no painel. Figura 45.B: Indicação do sistema de geradores no painel Figura 45.A: Sistema de geradores 56 Quando a APU é ligada, como mostra o painel da Figura 45.B, os dois contatos superiores se fecham para permitir à APU alimentar os dois barramentos, portanto, os contatos dos geradores estão desligados. A APU tem capacidade de 40 KVA 115/200 v. A fonte externa (GPU) funciona no circuito de forma igual. A APU e a GPU são dimensionadas para o mesmo KVA de potência dos geradores. A análise do gerador de emergência requer que os geradores dos motores e o gerador da APU estejam inoperantes. O gerador de emergência, conhecido como Ram Air Turbine (RAT), é uma hélice e, na maioria das aeronaves, está localizada em um compartimento nafuselagem. Opera para fornecer a energia essencial aos sistemas que devem funcionar em uma emergência. A capacidade do gerador de emergência é reduzida: 15 KVA 115/200 v. Quando a fuselagem é estendida, o ar de impacto gira a hélice que gera a energia elétrica, conforme as Figuras 46.A e 46.B. Figura 45.C: Esquemático do sistema de geradores Figura 46.A: Localização do gerador de emergência 57 O entendimento sobre como a potência é dimensionada no circuito da aeronave torna possível calculá-la. Entretanto, sua nomenclatura deve ser conhecida. Sendo assim, (P) é potência, (E) é tensão e (i) é corrente elétrica. O cálculo é feito de acordo com a seguinte fórmula: P = E x i Conforme abordado anteriormente, E = i x R. Logo, a fórmula pode ser desenvolvida em função da corrente (i): P = E x i → P = (ix R) x i → P = i2 x R Ou em função da tensão (E): i = E e P = E x i R Assim: P = E ( E ) x i → P = E2. R R Figura 46.B: Gerador de emergência RAT 58 Para facilitar a consulta e a aprendizagem a Figura 47 traz todas as fórmulas e as variações utilizadas nos cálculos de potência, corrente, resistência e tensão. h Fator de potência O fator de potência de um gerador é dado pela razão entre a potência real e a potência aparente, segundo a fórmula: FP = Pot. Verdadeira (watts) x 100 Pot. Aparente (VA) Importante destacar que, em algumas aeronaves turbo-hélices, o motor de partida é elétrico, mas, após certa RPM da hélice, o motor de partida se transforma em um gerador. Assim, uma unidade executa duas funções: partida e geração. 2.8 Determinação da Relação Tensão, Corrente e Resistência nos Circuitos Elétricos Conforme abordado anteriormente, quanto maior a DDP de um circuito elétrico, maior a corrente que flui por ele. No entanto, a resistência do circuito diminui o fluxo da corrente. Assim, quanto maior a resistência no circuito, menor a corrente e vice-versa. Um exemplo é o circuito de controle de intensidade da iluminação dos instrumentos Figura 47: Fórmulas para calcular potência, corrente, resistência e tensão 59 de indicação de controle de voo do cockpit das aeronaves. Para alterar o brilho dos instrumentos da cabine de comando, com o objetivo de não ofuscar a vista dos comandantes entre voos noturnos e diurnos, utiliza-se o recurso do potenciômetro de intensidade variável. Como base para se determinar a relação entre as unidades tensão, corrente e resistência, usam-se os dispositivos de resistências variáveis, chamados de potenciômetro e reostato. Esses resistores variáveis são construídos para que o valor da resistência possa ser mudado facilmente, tanto de modo manual quanto automático. 2.8.1 Reostato A Figura 48.A mostra o símbolo esquemático do reostato, usado para variar a corrente fluindo no circuito. Na Figura 48.B o reostato aparece ligado em série com o circuito. Ao variar o braço móvel do ponto A para B, altera-se o valor da resistência imposta ao circuito. Assim, se o braço estiver próximo ao ponto A, a resistência no circuito é mínima e a corrente aumenta. Contudo, se o braço móvel estiver próximo ao ponto B, a resistência é máxima e a corrente diminui, como mostra a Figura 48.C. Portanto, o reostato controla o fluxo de corrente por meio da alteração da resistência no circuito. Figura 48.A: Símbolo esquemático do reostato 60 2.8.2 Potenciômetro O potenciômetro é usado para variar a tensão no circuito e possui três terminais. Na Figura 49.A, a representação esquemática do potenciômetro mostra que os terminais 1 e 2 são fixos e o terminal 3 é variável. Este componente é muito usado para controlar os volumes nos painéis de áudio de VHF. Na Figura 49.B observa-se que se o braço móvel estiver na posição 1, a voltagem é aplicada à carga. Se o braço ocupar a posição 3, a voltagem aplicada à carga é igual a zero. O potenciômetro, exibido na Figura 49.C permite o controle da voltagem entre zero e a voltagem máxima a ser aplicada à carga. Figura 48.B: Reostato conectado em série Figura 48.C: Reostato conectado em série 61 Figura 49.A: Símbolo esquemático do potenciômetro Figura 49.B: Esquemático do potenciômetro Figura 49.C: Potenciômetro 62 A explicação sobre o potenciômetro favorece a análise dos painéis da cabine de comando, no que diz respeito ao controle de brilho das telas, nas quais são visualizados os instrumentos, conforme é possível notar nas Figuras 50.A e 50.B. A Figura 50.A mostra a representação do painel de instrumento principal. Nele há várias telas, cujo brilho é ajustado manualmente pelo comandante, variando para voos noturnos e diurnos. Cada tela possui diferentes instrumentos: • PFD – display primário de voo no qual há indicação do velocímetro e do altímetro da aeronave, por exemplo; • MFD – display de multifunção no qual se encontra a de indicação do radar meteorológico, entre outras; • EICAS – sistema de alerta à tripulação e de indicação do motor. Nas Figuras 50.A e 50.B, pode se verificar, ainda, os painéis com indicação de potenciômetro. Cada potenciômetro tem o nome do painel conforme varia a tensão. Figura 50.A: Painel de instrumento principal da cabine de comando Figura 50.B: Painel com potenciômetro de intensidade variável 63 2.9 Terminologia Elétrica A linguagem da terminologia elétrica, abordada em conjunto à simbologia elétrica, facilita a aprendizagem, pois os termos adotados na parte técnica de eletricidade básica possuem forte relação com os símbolos adotados em circuitos elétricos. 2.9.1 Condutores As Figuras 51.A e 51.B ilustram os dois métodos usados para demonstrar condutores que se cruzam ou que estão interligados. Na Figura 51.A, o método (A), usado para demonstrar o cruzamento de condutores, é usado também para a interligação de condutores (A), como mostra a Figura 51.B. Da mesma forma, se o método (B) é empregado para retratar o cruzamento de condutores, é usado, igualmente, para interligação (B). A Figura 52.A indica os diversos tipos de fiação encontrados pelo técnico de manutenção de aeronaves. Os tipos mais comuns de fios são: fio simples, fio blindado simples, fio blindado duplo, fio blindado triplo e fio blindado torcido. Os fios blindados, mostrados na Figura 52.B, são conhecidos como shielded. Nota-se o círculo pontilhado ao redor dos fios, representando o campo magnético a ser criado pela passagem da corrente elétrica. Figura 51.A: Cruzamento de condutores Figura 51.B: Interligação de condutores 64 2.9.2 Chave Interna de Dispositivos Elétricos A ligação interna é comum nos dispositivos elétricos por sua função de fechar ou de abrir o circuito, conforme representado nas Figuras 53.A, 53.B e 53.C. Figura 52.A: Tipos comuns de fios Figura 52.B: Blindagem de um fio Figura 53.A: Chave de dispositivos elétricos de polo duplo Figura 53.B: Chave de polo simples de uma posição Figura 53.C: Chave de polo simples de dupla posição 65 Resumindo Esta unidade explicitou que, embora a corrente elétrica seja formada pelo movimento dos elétrons, é a força eletromotriz que os impulsiona através dos condutores. O fluxo, no entanto, encontra resistência ao deslocamento, em função do próprio material do condutor, de seu comprimento, sua área e sua temperatura. O resistor é o componente de eletricidade responsável por controlar o fluxo de corrente e possui um código de cores para sua identificação. A corrente elétrica é denominada contínua quando o fluxo de elétrons segue sempre em uma mesma direção. Como fontes de corrente contínua destacam-se a pilha e a bateria. Esta últimaé identificada pelo material usado em suas placas, podendo ser de chumbo-ácido ou de níquel cádmio. O circuito de corrente contínua pode ocorrer em série ou em paralelo. No primeiro caso, a corrente não se divide ao percorrer o circuito. Quando a corrente flui por meio de um circuito resistivo, a energia é dissipada em forma de calor. A quantidade de energia que o circuito consome é denominada potência. 66 Glossário Altímetro: indica a altitude do avião. Amperímetro: instrumento para medir o fluxo de corrente ligado em série no circuito. Auxiliary Power and Unit (APU): turbina que fornece energia elétrica, pneumática e ar condicionado com o avião em solo. Cockpit: cabine de comando, na qual o piloto e o copiloto operam a aeronave. Ground Power Uni (GPU): motor a diesel ligado a um gerador para fornecer energia elétrica ao avião. Multímetro: aparelho com funções para medir voltagem, corrente e resistência em circuitos elétricos. Psi: libras por polegada quadrada. Turbo-hélice: aeronave cujo motor tem uma hélice acionada por uma turbina. Velocímetro: indica a velocidade do avião. Viscoso: diz-se de fluido que é muito espesso e escorre lentamente. 67 a 1) Julgue a alternativa verdadeira ou falsa: Diferentemente da corrente elétrica, que pode facilmente ser visualizada como um fluxo, a voltagem é variável e funciona como uma bomba, impulsionando os elétrons por meio dos condutores. Verdadeiro ( ) Falso ( ) 2) Julgue a alternativa verdadeira ou falsa: O resistor é o componente da eletricidade responsável pelo controle do fluxo de corrente. Assim, quanto menor for a resistência imposta pelo resistor ao fluxo de corrente, maior a corrente. Ao mesmo tempo, quanto menor a resistência, maior a corrente no circuito. Verdadeiro ( ) Falso ( ) Atividades 68 Referências AIRBUS GROUP. Technical training manual maintenance course – T1 (V2500-A5/ ME): electrical power. [S.l.]: Airbus Group, 2006. 308 p. CARBONE, E. C; SILVA, L. F; SILVEIRA JÚNIOR, L. Metalização elétrica em aeronaves. In: ENCONTRO LATINO AMERICANO DE PÓS-GRADUAÇÃO, 8., 2008, São José dos Campos. Anais... São José dos Campos: Universidade do Vale do Paraíba/FEAU, 2008. Disponível em: <http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2008/anais/arquivosINIC/ INIC0274_01_O.pdf>. Acesso em: 3 abr. 2015. EMBRAER GRUPO (Brasil). Aircraft general. [S.l.]: Embraer Grupo, 2014. FAA – FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION. Aviation maintenance: technician handbook airframe. Disponível em: <http://www.faa.gov/regulations_policies/ handbooks_manuals/>. Acesso em: 27 fev. 2015. FERRARO, N. G.; RAMALHO JUNIOR, F.; SOARES, P. A. T. Os fundamentos da física: eletricidade, introdução à física moderna e análise dimensional. 9. ed. São Paulo: Moderna, 2007. GRUPO VIRTUOUS. Modelo de Rutherford. 2015. Disponível em: <http://www.soq. com.br/conteudos/em/modelosatomicos/p3.php>. Acesso em: 14 abr. 2015. INDOLENCES ([S.l.]). Stylised lithium-7 atom. 2007. Disponível em: <https://commons. wikimedia.org/wiki/File:Stylised_Lithium_Atom.svg>. Acesso em: 2 abr. 2015. MARTINS, F. L. Eletricidade básica. [S.l.]: Sotreq, 2011. 308 slides, color. MUSEU DAS COMUNICAÇÕES DE MACAU (China). Laboratório de diodos. Macau, China, 2014. Disponível em: <http://macao.communications.museum/por/exhibition/ secondfloor/moreinfo/2_16_0_DiodeLab.html>. Acesso em: 20 abr. 2015. VIEIRA, F. T. Átomos, moléculas e íons: química tecnológica I. Diamantina, MG: UFVJM, 2013. 19 slides, color. Disponível em: <http://site.ufvjm.edu.br/flavianatavares/ files/2013/04/1-Quim-Tec-I-Átomos-Moléculas-e-Íons-aula-de-10-10-2013.pdf>. Acesso em: 4 abr. 2015. 69 UNIDADE 3 | TEORIA DA CORRENTE ALTERNADA 70 Unidade 3 | Teoria da Corrente Alternada Nas aeronaves, há dois tipos de correntes elétricas: a contínua (CC) e a alternada (CA). A contínua não varia e vem das baterias. A alternada é variável, sendo ora positiva e ora negativa. Tal oscilação gera uma frequência. Como as aeronaves utilizam a CA de 115 v e 400 Hz, os fios condutores são mais finos, pois a corrente elétrica é baixa. O mesmo não ocorre com a CC, que usa baixa voltagem de 28 v, e cujos fios precisam ser mais grossos em função do maior fluxo de corrente. A CA apresenta, ainda, outras vantagens sobre a CC, exploradas nesta unidade. 1 Conceito de CA Nos aviões, são especificados 115 v CA e 400 Hz, fornecidos pelos geradores dos motores. Nesse sentido, a CA tem substituído largamente a CC por ser transmitida a longas distâncias, de forma mais rápida e econômica. Isso reduz o peso e o tamanho dos geradores, além de ocupar menos espaço, pois seus fios condutores são mais finos. Em razão da presença de frequência, a CA faz o circuito elétrico ter características diferentes em relação à CC. As características da CA geram a reatância capacitiva e a reatância indutiva, abordadas mais adiante. Ao fazer a comparação entre os gráficos a seguir, é possível verificar a diferença entre as ondas da CC e CA. Gráfico 1: Forma de onda CC 71 Para melhor compreensão da CA, valores que aparecem em sua geração devem ser conceituados: o instantâneo, o pico e o efetivo (Root mean square – RMS). O valor instantâneo é aquele medido em qualquer ponto da onda formada pela frequência. Ao observar o Gráfico 3, o valor instantâneo pode ser medido de 0º ao pico de 90º ou de 90º até 180º. Logo, é possível medi-lo em qualquer parte da onda. Gráfico 2: Forma de onda CA Gráfico 3: Valor instantâneo, de pico e efetivo 72 Portanto, o valor de pico é aquele medido no topo máximo positivo ou no topo máximo negativo da onda, sendo o valor instantâneo máximo que, no Gráfico 3, é 90º e 270º. O valor máximo de pico é 1,41 vezes o valor efetivo. O valor efetivo, também conhecido como valor RMS, é o valor real entregue ao circuito, com as perdas que são consideradas na transformação de calor no circuito. Ainda no Gráfico 3, nota-se que o valor efetivo é 0.707 vezes o valor máximo. Sendo assim, define-se: VP = 1,41 x Vrms. Onde: VP = valor de pico; Vrms = valor real de consumo. A voltagem fornecida nas tomadas das residências é 110 v ou 220 v, por exemplo. Contudo, se a mencionada fórmula for aplicada, para que o valor de pico que sai da estação fornecedora, seja encontrado, o valor real é determinado: VP = Vrms x 1,41 → Vrms = 110 x 1,41 → Vrms = 155 v VP = Vrms x 1,41 → Vrms = 220 x 1,41 → Vrms = 310 v É válido ressaltar que a fórmula, para o valor efetivo ou RMS, é: Vrms = 0,707 x VP Assim, utilizando esta fórmula, com o valor de 310 v de pico, tem-se, conforme mostra a Figura 55: Vrms = 0.707 x VP → Vrms = 0.707 x 310 → Vrms = 220 v A corrente e a voltagem estão diretamente ligadas. Logo, a corrente e a voltagem alternadas podem estar com suas frequências iguais ou defasadas. Quando ambas, em conjunto, atingem o pico máximo, considera-se que estão em fase. Porém, quando atingem os picos máximos, em tempos diferentes, encontram-se fora de fase. Esta defasagem ocorre pelo fato de a CA ter frequência. Os gráficos 4 e 5 ilustram a relação entre a corrente e a voltagem. 73 Outra característica da CA é que no circuito há três possibilidades de resistência: a resistiva, criada por meio dos resistores; a indutiva, criada por bobinas (fios de cobre enrolados); e a capacitiva, criada pelos capacitores. 2 Indutância e Indutores Um indutor é um fio condutor enrolado em várias voltas que se transformam em bobinas. O indutor armazena corrente. Gráfico 4: Voltagem e corrente em fase Gráfico 5: Voltagem e corrente fora de fase 74 2.1 Características do Indutor O físico e químico inglês, Michael Faraday (1791-1867), descobriu que o movimento de um ímã em uma bobina de fios gerava
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