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REDE DOCTUM Curso de Graduação de Engenharia Elétrica Rogério Francisco Werly Costa CAPACIDADE DE CORRENTE ELÉTRICA EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DA TEMPERATURA: como o excedente de temperatura prejudica o fluxo da corrente elétrica Caratinga 2017 2 REDE DOCTUM Curso de Graduação de Engenharia Elétrica Rogério Francisco Werly Costa CAPACIDADE DE CORRENTE ELÉTRICA EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DA TEMPERATURA: como o excedente de temperatura prejudica o fluxo da corrente elétrica Trabalho apresentado na disciplina de Disciplina Integradora IV, do curso de Graduação em Engenharia Elétrica das Faculdades Doctum de Caratinga. Professor: Joildo Fernandes Costa Junior. Caratinga 2017 3 1. RESUMO O controle quanto ao sistema elétrico, de qualquer modalidade, é desafio que requer a compreensão da diversidade do próprio sistema, a fim de manter a estrutura física em condições plenas de operação. Para tanto, deve-se atentar para fios e cabos quanto as suas pertinências, onde a temperatura se torna fator dos mais primordiais, ainda que possa não parecer. Condições operacionais dos fios estão sujeitos a intensidade de corrente elétrica de trabalho em diferentes períodos e eventualidades, uma vez que há a possibilidade de sobrecargas e sobrecorrentes por curto circuito, carga média ou pesada, todos relacionados a peculiaridade do material empregado e sua difusidade térmica. A influência da temperatura no sistema acontece de modo tão intrínseco que sendo a corrente fator inversamente proporcional a resistência, que por sua vez é diretamente proporcional a temperatura acarreta que, se a escolha do material a ser usado como resistor considera a temperatura que o mesmo deverá atingir, sendo a resistência específica alta um mau condutor elétrico e de resistência específica baixa bom condutor, equivale que a alta temperatura aumenta a resistência. Pela lei de ohm, sendo a corrente inversamente proporcional a resistência, conclui-se que a alta temperatura diminui o fluxo da corrente. PALAVRAS CHAVE: temperatura x corrente elétrica, materiais isolantes, resistência 2. INTRODUÇÃO Quando associa-se a temperatura à corrente a relação não se faz de forma direta, uma vez que o tempo é fator relevante. A princípio pode se levar em conta que o fluxo da corrente eleva a temperatura, e numa hipótese de más conduções do material condutor, extrapolar a temperatura acima do que pode ser suportado pelo fio ou cabo, por exemplo, o resultado, grosso modo, seria a diminuição da corrente acarretando na sequência fluxo de corrente que aumenta a temperatura que diminui a corrente. A corrente elétrica provoca vários efeitos, 4 sendo o efeito térmico ou joules um deles 1 . O chuveiro elétrico é um exemplo de eletrodoméstico que funciona utilizando o efeito térmico da corrente elétrica. O efeito térmico da corrente resulta dos choques dos eletrões do condutor durante seu percurso da corrente elétrica. Na proporção que os átomos recebem energia, vibram com mais intensidade, o que aumenta a temperatura do condutor. Sendo a temperatura uma grandeza física relacionada com o grau de vibração dos átomos e moléculas que constituem o corpo 2 , com o aumento desta, a corrente elétrica encontra obstáculos neste corpo, o condutor, diminuindo seu fluxo. Uma forma esclarecedora de apresentar a relação da temperatura é através da relação desta com a resistência e, por conseguinte com a corrente. A temperatura, corrente e resistência são fisicamente intrínsecas na atuação do sistema elétrico. “A temperatura do resistor muda bastante quando por ele está passando corrente elétrica, e consequentemente o valor de sua resistência elétrica também se altera: ele aumenta muito. Isso acontece porque o valor da resistência específica depende da temperatura” 3. 2.1. VARIAÇÃO DA TEMPERATURA SOBRE O COMPORTAMENTO DA RESISTIVIDADE ELÉTRICA A resistividade elétrica apresenta comportamento que impõe restrições ao livre deslocamento do campo elétrico. É como a força de ação e reação da terceira lei de Newton 4 , uma vez que a resistividade interage na direção oposta a corrente elétrica. No comportamento da resistividade, influenciados pelos chamados “agentes influentes”, ocorrem três efeitos que intensificam o espalhamento dos elétrons, sendo os provenientes de impurezas de defeitos estruturais, o trabalho mecânico da deformação mecânica e a temperatura de trabalho 1 A passagem da corrente elétrica através de condutores acarreta diferentes efeitos, dependendo da natureza do condutor e da intensidade da corrente. É comum dizer-se que a corrente elétrica tem cinco efeitos principais: fisiológico, térmico (ou Joule), químico, magnético e luminoso. http://slideplayer.com.br/slide/1271811/ pág.02. 2 Temperatura e calor são conceitos distintos. C alor é energia térmica em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura. http://slideplayer.com.br/slide/10222282/ 3 “O controle da corrente elétrica”. http://fep.if.usp.br/~profis/arquivos/GREF/eletro10-2.pdf 4 “Analogamente aos conceitos da terceira lei de Newton, em que para toda ação aparece uma reação, na aceleração dos elétrons livres através do campo aplicado, surge uma força contrária ao sentido do campo, a qual impõe restrições ao livre deslocamento. Essa força aparece na interação de alguns aspectos que impõem efeitos intrínsecos no comportamento da Resistividade elétrica dob o ponto de vista de agentes que incrementam o espalhamento dos elétrons livres”. KAGAN, Nelson; OLIVEIRA, Carlos César Barioni de; ROBBA, Ernesto João. Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia elétrica. página 31. 5 resultado das vibrações térmicas (figura 01). A temperatura gera a vibração dos átomos resultando na dificuldade de movimentação dos elétrons na rede cristalina, o que requer monitoramento, controle ou precaução quanto à mesma, já que interfere na resistividade. Figura 1: Curva da temperatura relacionada a resistividade elétrica Fonte: adaptado de [KAGAN, 2010] A compatibilidade da corrente com a temperatura acontece de modo inversamente proporcional à resistividade, onde o efeito de processo de circulação de corrente elétrica ao longo do perímetro do metal condutor. De modo contínuo, ocorre o aumento da quantidade de cargas elétricas transportadas, elevando a energia de ativação e a influência térmica gradiente, onde o aumento da corrente elétrica acarreta o aumento da temperatura, e daí o espalhamento de elétrons na estrutura cristalina do material e por fim, dificuldade de deslocamento dos próximos elétrons. A resistividade elétrica aumenta, imediatamente o aumento da temperatura, de forma linear, indicando uma parábola durante o processo do aumento da temperatura, anteriormente e posteriormente (figura 02). De acordo com o IEC – Internacional Electrotechnical Commission5, o padrão de temperatura adotado como referência são 20°C. Dentro da relação RxT, o coeficiente β define a variação da resistência em função da temperatura. Na tabela 01 observa-se a resistividade e o coeficiente de variação da resistência para a temperatura de materiais à 20°C. 5 A International Electrotechnical Commission (IEC) é uma organização sem fins lucrativos , quase governamental, fundada em 1906. http://www.iec.ch/about/profile/?ref=menu6 A capacidade de cada material utilizado como condutor resistir à corrente elétrica leva em conta a temperatura que o mesmo deverá atingir. Em razão da peculiaridade de cada material, essa capacidade é chamada de resistência específica e dita se o material é bom condutor ou não, sendo bom condutor um material com resistência específica baixa e vice versa (tabela 2). Figura 2: Função representativa da temperatura em relação a proporcionalidade da resistência. Fonte: adaptado de [KAGAN, 2010] Tabela 1: Resistividade e coeficiente de variação da Resistência para tmperaturas de materiais à 20°C Fonte: adaptado de [KAGAN, 2010] A medida que é elucidado o assunto acerca da resistividade elétrica e da relação com a temperatura, esplana a interação com a corrente, pois é por esta que se pode dimmerizar o aquecimento dos aparelhos resistivos. Meio de controlar o valor da corrente elétrica é definir material para o resistor, resistividade, comprimento e área, ou critério físico que é a própria resistividade e critério dimensional, que são o comprimento e a espessura do material. Adota- se, conforme a equação abaixo, o cálculo da resistência elétrica, sendo R (resistência elétrica 7 Tabela 2: Resistência específica de alguns materiais Fonte: http://fep.if.usp.br/~profis/arquivos/GREF/eletro10-2.pdf (acessado em outubro de 2017) do resistor), ρ a resistência específica do material, 𝑙 o comprimento do resistor e A a área de sua espessura. R= ρ 𝑙 A Sendo a corrente inversamente proporcional a resistência, onde, por exemplo, o filamento de uma lâmpada tem sua resistência elétrica menor para lâmpadas com filamento mais espesso e por consequência maior possibilidade de fluxo de corrente elétrica e por conseguinte a potência. O chuveiro elétrico já possui maior resistência quanto maior o comprimento do filamento (figura 03), que é o módulo verão, com menor resistência e menor fluxo de corrente do que o módulo inverno. Sendo a temperatura influenciadora inversamente proporcional a corrente e proporcional a resistência, e sendo a corrente e resistência elétrica inversamente proporcional, pela lei de Ohm 6 temos: V é a diferença de potencial elétrico (ou tensão, ou d.d.p.) medida em volt (V) I é a intensidade da corrente elétrica medida em ampére (A) e 6 Lei de Ohm: “quando esta lei é respeitada por um determinado condutor mantido à temperatura constante, este denomina-se condutor ôhmico. A resistência de um dispositivo condutor é dada pela equação de Ohm. https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm (acessado outubro de 2017) 8 R é a resistência elétrica medida em ohm (Ω) R= V I 7 Figura 3: Maior o comprimentodo filamento (verão), maior a resistência elétrica. Fonte: adaptado de [KAGAN, 2010] Durante o fluxo da corrente elétrica pelo resistor, há a alteração da temperatura, alterando por consequência o valor da resistência e reforçando o princípio do valor da resistência elétrica em função da temperatura 8 . 3. DESENVOLVIMENTO Quando se trata de resistividade R, resistência específica ρ, comprimento e área A (espessura), o encontro com os materiais condutores e suas peculiaridades, a fim de 7 V = RI. https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm (acessado outubro de 2017) 8 A resistência elétrica pode ser entendida como a dificuldade de se estabelecer uma corrente elétrica num determinado condutor. Por exemplo, um fio de nicromo precisa ser submetido à uma diferença de potencial elétrico de 300V para que seja estabelecida uma de 1A, enquanto um fio de tungstênio precisa ser submetido à apenas 15V para que nele se estabeleça a mesma corrente. Isto significa que a resistência elétrica do nicromo é maior do que a do tungstênio. https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm (acessado outubro de 2017) 9 complementar o assunto, é essencialmente relevante. Para tanto, vai-se de encontro aos fios e cabos, sendo os cabos elétricos uma das mais usuais formas de condução de energia elétrica. 3.1. SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES Quando se trata de resistividade R, resistência específica ρ, comprimento e área A (espessura), o encontro com os materiais condutores e suas peculiaridades, a fim de complementar o assunto, é essencialmente relevante. Para tanto, vai-se de encontro aos fios e cabos, sendo os cabos elétricos uma das mais usuais formas de condução de energia elétrica. Um cabo elétrico é um tipo de condutor, com seção geralmente transversal circular. Para precaver contra problemas elétricos, o cabo é coberto por material isolante. O uso do cobre e do alumínio são as formas mais comuns, cada qual com sua peculiaridade. O cobre é mais caro e mais resistente, o alumínio tem menor custo etc. Chama-se fio quando o condutor é sólido e cabo quando é encordoado. Além do isolamento elétrico, o material isolante tem como precaução primordial o aquecimento provocado pela temperatura, sendo a temperatura final atingida em razão do aquecimento pelo efeito Joule mediante a passagem de corrente elétrica. O uso do material isolante conta com uma ou mais camadas de acordo com as razões que requerem isolamento, além das relacionadas com a temperatura, como por exemplo, contra agentes químicos 9 (figura 04). Sendo a temperatura responsável pela perda das propriedades do isolante que protege o fio ou cabo, a mesma limita a vida útil do material porque cada qual tem um limite específico. De acordo com a norma NBR 5410 no que se refere à escolha da seção de um condutor e proteção isolante do mesmo, a seção mínima, capacidade de condução de corrente (submetidos aos efeitos térmicos produzidos pela circulação da corrente elétrica), queda de tensão e sobrecarga são critérios principais. Para a seção requer conferir a capacidade de condução de corrente e o limite de queda de tensão, adotando-se portanto, por segurança, a maior seção. Num segundo critério, a capacidade dos condutores com relação às sobrecargas e curto-circuitos. 9 “Os cabos podem conter ainda outras camadas como por exemplo capas que normalmente tem função complementar não relacionada a isolamento. Por exemplo, um cabo pode ter uma capa de material resistente a algum agente químico específico, que poderia atacar o isolamento, A capa pode ser feita de material de menos atrito, permitindo que o mesmo deslize mais facilmente e outras aplicações”. http://www.grupoteles.com.br/files/artigo00113.pdf 10 Figura 4: Tipos de cabos elétricos de potência em baixa tensão. Corte de um cabo coaxial. Fonte: http://www.ipce.com.br/old/introducao.html (acessado em outubro de 2017) 3.1.1. SEÇÃO MÍNIMA DOS CABOS CONDUTORES Antes de tratar dos materiais isolantes e suas peculiaridades, vale destacar a espessura da seção dos cabos condutores. Sendo a seção a área A da equação R = ρ ( / A) de fato é relevante sua abordagem, visto na tabela 03 abaixo: Tabela 3: seção mínima dos condutores. Fonte: adaptado [LIMA, CEFET, 2011] 11 3.1.2. MATERIAIS ISOLANTES E MEIOS DE ISOLAMENTO O tipo de isolação determinará a temperatura máxima suportada pelos condutores, nas condições de regime contínuo, em sobrecarga ou em curto-circuito (tabela 04). A isolação de PVC sobre os condutores são mais usualmente empregados em instalações elétricas prediais.Quando apresentado duas condições distintas no modo de instalação, definir pelo dimensionamento de acordo com a condição mais desfavorável de troca térmica com o meio ambiente, sempre precavendo contra a pior possibilidade. Tabela 4: temperaturas características dos condutores Fonte: tabela 35 da NBR 5410/04 Deve-se considerar que um cabo é dito 70° ou 90°, conforme a chamada temperatura de trabalho 10 , onde um maior cabo é capaz de conduzir maior corrente. Os níveis de tensão também são variados, sendo os de 750V, 1000V e 1kV os mais usuais, o que significa a tensão de trabalho do cabo, claro que associados as condições e peculiaridades do material isolante e camadas do material. Além do material isolante em si, ou seja, o que encoberta o fio ou o cabo, há também no modo de instalação meio de precaver a condução de corrente para fora do que é objetivado. Para tanto existem métodos de instalação 11 , nomenclaturas e, por conseguinte, tipos de linhas elétricas. São parâmetros de diâmetros de cabo, distância da parede onde fica instalado o cabo(s), o que é considerada bandeja perfurada ou não perfurada, 10 “A classificação de um cabo pela sua temperatura de trabalho diz respeito a sua capacidade de condução, determinada pela sua temperatura de trabalho. Já a tensão diz respeito ao nível de isolamento do cabo e define a sua tensão de trabalho. http://www.grupoteles.com.br/files/artigo00113.pdf (acessado em 11/10/2017) 11 Os métodos de referência são os métodos de instalação, indicados na IEC 60364-5-52, para os quais a capacidade de condução de corrente foi determinada por ensaio ou por cálculo. LIMA, Gilmário. Condutores Elétricos: Critério da Capacidade de Condução de Corrente. 2011. 12 determinação da capacidade de condução de corrente para adequação ao tipo de linha elétrica, regras para linhas elétricas isoladas etc (vide anexo 01). 3.2. CAPACIDADE DE CORRENTE ELÉTRICA NOMINAL EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DA TEMPERATURA Os conceitos de transferência de calor são fatores intrínsecos a questão do comportamento térmico em condutores de energia pela influência da circulação de corrente, onde o efeito Joule mediante fluxo da corrente elétrica e a contra partida da resistência, ocorrendo perdas de calor e potência elétrica dissipada. A transferência de calor é uma consequência dessa reação, acarretando calor ao meio ambiente externo, assim como calor gerado acumulado em seu interior. A leitura deste processo pode ser feito da seguinte forma: Calor produzido pelo efeito Joule = calor transferido ao ambiente + variação da energia interna, ou seja, no fio. O incremento da energia interna é resultado desta reação, assim como o aumento da temperatura. Algumas condições 12 para o equilíbrio térmico estão definidas essencialmente na temperatura uniforme no perímetro externo do condutor e na área interna. Não menos relevante é a condição da capacidade térmica do condutor que define a temperatura constante a determinada distância do mesmo. Por fim, a resistividade que deve ser considerada constante para pequenas variações de temperatura. A influência da temperatura no fluxo da corrente e por sua vez relacionado a seção transversal de fios e cabos pode ser visto na tabela e figura 05, que trata de condutores de cobre nu para temperatura ambiente de 30°C. É exemplo de como a seção influencia na resistência do condutor precavendo quanto ao aquecimento ocasionado por temperatura acima do máximo seguro. Importante analisar que o acréscimo linear na temperatura é produzido pelo aumento logarítmico na intensidade da corrente. A temperatura de 30°C e circulação de corrente continuamente apresenta a tendência da evolução da corrente na influência da temperatura. A relação logarítmica se dá por meio da equação y = a.xª, refletindo um coeficiente médio de 45% da capacidade nominal de um condutor, para iniciar-se o gradiente da temperatura. 12 “Em [Kagan et al, 2005] está descrito que estas condições implicam no balanço térmico ao longo do perímetro do condutor. BARCELOS, Sérgio Martins. Influência da Temperatura e Corrente de Trabalho, nas características elétricas e mecânicas do cobre eletrolítico. 2010. 13 Tabela 5 (topo) e figura 5 (acima): capacidade de corrente para condutores de cobre nu limitado a índice de variação da temperatura. Fonte: adaptado de [BARCELOS, 2010] 3.3. CONTROLE DA CORRENTE ELÉTRICA Foi elucidado que resistência específica é a capacidade de cada material de “resistir” à corrente elétrica, onde a resistência específica alta significa mau condutor elétrico. Controle da corrente é o meio de graduar o aquecimento gerado pelos aparelhos resistivos. Grosso 14 modo, a escolha correta do resistor com espessura e comprimento adequados acarreta na resistência elétrica determinada e por consequência o valor da corrente elétrica pode ser controlado. A fórmula R = ρ ( / A)13 possibilita obter o valor numérico da resistência do resistor dos aparelhos resistivos, seja do chuveiro, dos fios de ligação, dos cabos ou filamento de lâmpadas. O componente dimensional (comprimento) e A (área da seção transversal) influencia na resistividade R, sendo que um filamento de espessura maior terá sua resistência menor, mas maior sua corrente elétrica e sua potência elétrica. Temperatura x corrente x resistor: a temperatura do resistor muda consideravelmente quando a corrente elétrica transita pelo mesmo, o que altera (aumenta) sua resistência elétrica, já que a resistência específica depende da temperatura. A fórmula que possibilita obter da resistência considerando tensão e corrente é a Lei de Ohm: R=V/I 14 , sendo a corrente elétrica (I) inversamente proporcional a resistência elétrica (R). Portanto, pela fórmula da Lei de Ohm, considerando que a temperatura aumenta proporcionalmente com a resistência, a corrente elétrica, inversamente proporcional a resistência, diminui. 4. CONCLUSÃO O presente trabalho dialoga a relação da temperatura na resistência e na corrente elétrica, mas também diagnostica quanto ao aumento da temperatura como resultado do aumento da corrente elétrica, até que a elevação gradativa da temperatura diminua o fluxo da corrente. O “veículo” por onde flui a corrente elétrica, o condutor, é essencial na elucidação do assunto proposto, assim como a proteção, o material isolante, considerando suas peculiaridades que envolvem e participam do processo temperatura x corrente elétrica x resistência. Existem métodos de instalação (IEC) calcado em premissas coerentes de precaução quanto a eventuais problemas elétricos e ainda uma diversidade de meios de informação que orientam e asseguram sucesso nas instalações elétricas nas suas variadas formas e situações (prediais, residenciais, industriais etc). Complementando as possibilidades, o mercado, diverso e amplo, 13 R, a resistência elétrica, ρ a resistência específica do material, 𝑙 o comprimento do resistor e A a área da seção transversal circular. http://fep.if.usp.br/~profis/arquivos/GERF/eletro10-2.pdf (acessado em 13/10/2017) 14 Lei de Ohm: “quando esta lei é respeitada por um determinado condutor mantido à temperatura constante, este denomina-se condutor ôhmico. A resistência de um dispositivo condutor é dada pela equação de Ohm. https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm (acessado outubro de 2017) 15 oferece produtos uteis para quaisquer necessidades projetuais e práticas no âmbito dos sistemas elétricos. Considera-se o modo como o presente trabalho se apresenta,capaz de auxiliar e informar, concomitante a milhares de outras pesquisas, também dos veículos atuais de informação, abrangente e disponível, como é o caso da internet, e ainda da condição atual de um mercado que oferta produtos do âmbito da eletro eletrônica. Fatores que demonstram que temos, nós cidadãos, os meios, tanto produto quanto informação, para garantir instalações elétricas seguras. Com base nesta condição, se faz necessário o uso de fios e cabos corretos, em termos de espessura, sobretudo, considerando o condutor mais eficiente, materiais isolantes adequados, evitando economia incoerente dos produtos necessários e precavendo incidentes elétricos perigosos. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARCELOS, Sérgio Martins. Influência da Temperatura e Corrente de Trabalho, nas características elétricas e mecânicas do cobre eletrolítico. 2010. 79 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Porto Alegre, RS CEZAR, Alex Boiarski. Monitoramento da transição da fase estrutural CCC-CFC da liga CoxFe100-x eletrodepositada. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Paraná – UFPR, Curitiba, 2006. Disponível em http://livros01.livrosgratis.com.br/cp066609.pdf. acessado em outubro de 2017. KAGAN, Nelson; OLIVEIRA, Carlos César Barioni de; ROBBA, Ernesto João. Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia elétrica. 2° edição 2010, EDITORA Edgard Blucher Ltda, São Paulo, SP. LIMA, Gilmário. Condutores Elétricos: Critério da Capacidade de Condução de Corrente. 2011. 86 f . Centro Federal de Educação Tecnológica de Pernambuco – CEFET- PE, Pernambuco. 16 SILVA, Rodrigo Lacerda da. Oscilações Espontâneas de Corrente Elétrica e rotas para o caos em GaAs Semi-isolante. 2006. 121 f. Dissertação (Tese em Física) – Escola de Física, Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG, Belo Horizonte, MG https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm (acessado em 11/10/2017) http://www.grupoteles.com.br/files/artigo00113.pdf (acessado em 11/10/2017) http://fep.if.usp.br/~profis/arquivos/GREF/eletro10-2.pdf (acessado em 12/10/2017) http://slideplayer.com.br/slide/1271848/ (acessado em 12/10/2017) http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/resistencia-eletrica-temperatura.htm (acessado em 12/10/2017) http://slideplayer.com.br/slide/10222282/ (acessado em 12/10/2017) http://www.ipce.com.br/old/introducao.html (acessado em 13/10/2017) 17 6. ANEXOS Anexo 1: TIPOS DE LINHAS ELÉTRICAS 18 19 20 21 Fonte: adaptado de [LIMA, CEFET, 2011]
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