Grandezas Elétricas Fundamentais

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GRANDEZAS ELÉTRICAS:
CORRENTE, TENSÃO, RESISTÊNCIA, POTÊNCIA E ENERGIA ELÉTRICA, FATOR DE POTÊNCIA E FATOR DE DEMANDA, MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO
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SEP – Sistema Elétrico de Potência
 
O Sistema Elétrico de Potência (SEP) é definido como o conjunto de todas as instalações e equipamentos destinadas à geração, transmissão e distribuição de energia elétrica até a medição inclusive. O SEP é constituído em quatro passos:
Geração: etapa de obtenção e transformação da energia oriunda de fontes primárias.
Transmissão: é o passo da condução da energia de onde foi produzida para os centros de consumo por meio das linhas de transmissão de alta tensão. 
Distribuição: há uma redução de tensão para níveis mais seguros dentro das subestações abaixadoras saindo destas as linhas de distribuição primária. A distribuição secundária ocorre depois dos transformadores, até o consumo.
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Níveis de Tensão de Transmissão e Distribuição e Normas Pertinentes
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Geradores e Transformadores
No Brasil, a maior parte da geração de energia elétrica advém de geradores das usinas hidroelétricas, seguida pelas termoelétricas e o restante por outros processos, biomassa, biocombustíveis nuclear, eólica, solar. Transformadores são usados para adequar o nível de tensão/corrente de acordo com a utilização da geração ao consumo.
Matriz energética
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Tensão Elétrica - V
 
A tensão ou diferença de potencial (d.d.p.) V entre dois pontos é medida pelo trabalho necessário à transferência de uma carga unitária de 1 C de um ponto para outro. É a força elétrica necessária para mover os elétrons através de um caminho elétrico, realizando trabalho.
Quando uma lâmpada é ligada a uma tomada de 110 V (na verdade 127 V), cada 1 C que se desloca de um terminal para outro receberá 110 J de energia do campo elétrico existente na tomada. 
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Tensão Elétrica
 
Tipos de Tensão
 
A tensão elétrica pode ser contínua (CC ou DC) onde a intensidade e o sentido se mantêm constantes no tempo ou alternada (CA ou AC) onde essas grandezas variam no tempo com seu sentido alternando periodicamente entre valores positivos e negativos, conforme figura abaixo.  A tensão CA mais utilizada tem característica senoidal.
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Tensão Elétrica
 
Tipos de Tensão
 
Na prática, encontramos tensão CC em pilhas e baterias e tensão CA na grande maioria dos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, como, por exemplo, em nossas casas, no comércio e na indústria em geral.
 
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Tensão Elétrica
 
Tipos de Tensão
 
Medição da Tensão - Denomina-se Voltímetro o instrumento capaz de medir a tensão elétrica. Possui dois terminais e deve ser ligado sempre em paralelo com a carga a fim de medir a tensão aplicada sobre a mesma, conforme a figura abaixo. Carga é todo equipamento ou dispositivo que consome energia elétrica realizando trabalho, como um chuveiro. Um multímetro e um tester também pode medir a tensão elétrica (abaixo a direita).
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Corrente Elétrica - I
  
Corrente elétrica em um condutor é o movimento ordenado de elétrons livres devido à ação de um campo elétrico estabelecido no interior do condutor pela aplicação de uma diferença de potencial elétrica ou ddp entre dois pontos desse condutor. 
Chama-se condutor o material ou a substância que possui elétrons livres, isto é, cargas elétricas que são facilmente movimentadas quando sujeitas à ação de forças originadas por um campo elétrico que atue sobre estas cargas, como o cobre e o alumínio. Um material isolante, como a borracha e o vidro tem a função contrária ao condutor, ou seja, dificultar o movimento das cargas elétricas através de si ou impedir o deslocamento das mesmas.
 
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Corrente Elétrica
  
Sentido da Corrente - Por convenção, o sentido da corrente é o deslocamento das cargas livres do condutor, ou seja, o mesmo sentido do campo elétrico que a mantém. É chamada corrente convencional a corrente de cargas positivas em um condutor metálico, enquanto que a corrente real é a corrente das cargas livres negativas, isto é, dos elétrons. No Brasil adota-se o sentido convencional da corrente elétrica.
Intensidade da Corrente - É a quantidade de carga elétrica que atravessa a seção transversal de um condutor na unidade de tempo:
I = q/t . No SI, sua unidade é o Ampère (A), em homenagem ao físico francês André Marie Ampère. (1A = 1C/s). Múltiplos do ampère mais comuns: kA, mA
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Corrente Elétrica
  
Tipos de Corrente
 
Uma vez que a corrente elétrica em um condutor é devida ao campo elétrico criado pela aplicação de tensão, o comportamento da corrente tende a acompanhar o comportamento da tensão. 
Assim, da mesma forma que a tensão elétrica, a corrente elétrica pode ser contínua (CC ou DC), quando aplicada uma tensão CC, ou alternada (CA ou AC), quando aplicada uma tensão CA.
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Corrente Elétrica
  
Velocidade angular  = 2f (rd/s)
No. de vezes que a senoide se repete por seg.
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Corrente Elétrica
  
Efeitos da Corrente Elétrica
 
→ Efeito Joule: É o efeito térmico de uma corrente elétrica de condução que, ao passar por um corpo, faz este se aquecer.
→ Efeito Magnético: Um condutor quando percorrido por uma corrente elétrica produz ao seu redor um campo magnético que é a região do espaço onde ocorrem fenômenos de atração ou repulsão magnéticos. Faz funcionar motores, geradores, transformadores, relés, campainhas, etc.
→ Efeito Químico: São diversas reações químicas provocadas pela passagem da corrente elétrica num eletrólito, como a geração de energia, a eletrólise, a cobreação, a niquelação, etc..
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Corrente Elétrica
  
Efeitos da Corrente Elétrica
 
→ Efeito Luminoso: Certos gases, ao serem percorridos por uma corrente elétrica, se ionizam e emitem luz. 
→ Efeito Fisiológico: A corrente elétrica, ao percorrer o corpo de um animal, provoca efeitos chamados efeitos fisiológicos da corrente elétrica, que dependendo da intensidade da corrente provocam contrações musculares e reações químicas nos tecidos.
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Efeitos fisiológicos da corrente elétrica
1mA a 10mA
10mA a 100mA
100mA a 200mA
200mA a 1A
1A a 10A
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Corrente Elétrica
  
Medição da Corrente
Denomina-se Amperímetro o instrumento capaz de medir a corrente elétrica. Possui dois terminais e deve ser ligado sempre em série com a carga a fim de medir a corrente que passa pela mesma. Para medir sem interferir nas características originais do circuito, o amperímetro possui baixa resistência (oposição à circulação de cargas elétricas). Um multímetro também pode medir a corrente elétrica.
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Resistência Elétrica - R
É a dificuldade que um material condutor apresenta à passagem da corrente elétrica. Matematicamente a resistência de um condutor é dada pela constante de proporcionalidade R igual a razão entre a tensão (ddp) mantida entre os terminais deste condutor e a intensidade da corrente por ela ocasionada.
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Resistência Elétrica
A unidade de resistência elétrica é o Ohm cujo símbolo é Ω, sendo 1Ω = 1V/A, de acordo com a Lei de Ohm: V = R.I. O instrumento de medição de resistência é o ohmímetro, que deve ser ligado em paralelo com o elemento o qual devemos medir, mas o instrumento comercial mais utilizado é o multímetro que além de resistência, mede também a corrente a tensão elétrica, contínua ou alternada, além de medir outras grandezas. Quando um elemento apresenta resistência nula dizemos que este representa um curto-circuito. Quando um elemento apresenta resistência infinita dizemos que este representa um circuito aberto.
Múltiplos do ohm: MΩ, kΩ, mΩ
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SÍMBOLO
R
Chama-se resistor o dispositivo que transforma energia elétrica em energia térmica através da sua resistência interna.
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Circuito elétrico
 
Caminho fechado formado por um gerador de energia, condutores e uma carga consumidora dessa energia. É por onde circulam as cargas elétricas (elétronslivres).
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Circuito elétrico
 
Pode ser aberto, fechado ou um curto circuito.
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2ª LEI DE OHM
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L
2ª LEI DE OHM
(característica do material de que é feito o fio)
Cu = 0,0172 .m2/m = 1,7 x 10-8 .m
Al = 0,0283 .m2/m = 2,8 x 10-8 .m
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Potência Elétrica
É a quantidade de trabalho realizado na unidade de tempo ou a rapidez com que a energia elétrica é transformada em outra forma de trabalho. A Potência Elétrica depende da força que impulsiona os elétrons (Tensão), através do circuito e da quantidade de elétrons por segundo, que passa pelos condutores (Corrente Elétrica). A unidade de tensão é o Watt (W) ou kilowatt (kW) e o aparelho que mede a potência é o Wattímetro. 
Na prática, costumamos usar normalmente múltiplo desta unidade de potência que é o kilowatt (kW) = 1.000 watt (o kW é a unidade mais usada). 
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Potência Elétrica
A potência elétrica é diretamente proporcional ao produto da tensão elétrica entregue a carga ou a instalação e a corrente que a alimenta: P = V.I ou P = R.I2 = V2/R. Existem a potência ativa P, medida em kW (quilowatt) que é aquela que efetivamente produz trabalho em CC ou CA, e somente em CA, a potência reativa Q, medida em kvar (quilo-volt-ampere-reativo), que é a necessária para produzir os campos eletromagnéticos responsáveis pelo funcionamento de motores, geradores, transformadores e reatores quando a corrente elétrica passa pelas suas bobinas, e a potência aparente S medida em kVA (kilovolt-ampere), que é a soma vetorial das outras duas: 
S2 = P2 + Q2
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Energia Elétrica
 
É a "força" necessária para alimentar as cargas elétricas. O consumo dessa "força" equivale a quantidade de potência consumida (kiloWatt) em um determinado período de tempo (horas). A unidade de medida é kWh (kiloWatt-horas), ou seja, é o produto da potência em kW pelo tempo (horas) gasto no consumo, ou seja, é o consumo de 1000 watts em 1 hora e o aparelho que mede a energia elétrica é o Medidor de Energia Elétrica ou padrão ou “relógio”. 
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Energia Elétrica
 
Assim, um chuveiro de 6.600W que fica ligado durante meia hora por dia, em um mês consome 6.600 x 0,5x30 = 99.900 Wh ou 99 kWh. Se o valor do kWh for R$0,46, paga-se apenas pelo uso do chuveiro sem impostos incluídos, R$45,54. Se na casa tem 3 pessoas a conta no final do mês será de R$136,60 só pela utilização do chuveiro. A energia elétrica é dada por E = P.t. 
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Fator de Potência - cos
 
É a medida da eficiência do consumo da energia Elétrica. É a relação entre a potência ativa em kW e a potência total ou aparente em kVA. Pode ser medido através de um indicador de fator de potência ou indicador de cos onde cos = P/S.
 Como a potência reativa não é propriamente consumida, mas utilizada e depois devolvida, as concessionárias impõe limitações ao seu uso. Atualmente a exigência é de que o fator de potência tenha o valor mínimo de 0,92, valores abaixo disso incorrem em multas por excedente reativo. Este valor de 0,92 significa, na pratica, um consumo mínimo de 92% de potência ativa no consumo total da instalação.
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Fator de Potência - cos
 
Um baixo fator de potência causa ainda subutilização ou sobrecarga da instalação, perdas por aquecimento ou efeito joule e quedas de tensão devido a sobrecarga nos cabos. 
A forma mais usual de melhoria de fator de potência é a instalação de capacitores. Como capacitores e bobinas se utilizam da potência reativa em tempos inversos eles trocam potência reativa entre si. A potência reativa então trocada entre eles não será mais consumida da concessionária. Desta forma, podem-se acrescentar capacitores até que o nível de fator de potência atinja o valor desejado. Para acompanhar a variação de cargas indutivas em uma instalação, usa-se instalar bancos de capacitores automáticos para correção do fator de potência.
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Fator de Potência - cos
 
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Fator de Potência - cos
 
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Fator de Potência - cos
 
Como corrigir?
Ex: Uma instalação qualquer supre uma potência de 100 kW com fator de potência igual a 0,58. Pretende-se instalar um banco de capacitores para corrigir este fator de potência para 0,92. Qual é a potência do referido banco de capacitores? 
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Fator de Potência - cos
 
Um modo mais prático para encontrar o capacitor para a correção é com a utilização de tabelas:
Ex: Para a mesma instalação anterior temos: potência de 100 kW com cos atual de 0,58 e cos desejado de 0,92. Cruzando os valores encontramos o multiplicador 0,979. kvar = kW x Fc Assim temos: Qc = 97,9 kvar
					 O capacitor necessário 					 pode ser calculado por:
							
														
= 5,36 µF
(microfarad)
(3x1,8 µF ou 4x1,3 µF em paralelo)
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Potência Instalada
 
É a soma das potências em Watts de todos os equipamentos e aparelhos de uma instalação. É o consumo efetivo = trabalho.
 
Demanda
É a média das potências elétricas ativas ou reativas, solicitadas ao sistema pelas cargas instaladas na unidade consumidora. Equivale a potência elétrica efetivamente consumida. Observando o funcionamento de uma instalação elétrica residencial, comercial ou industrial, pode-se constatar que a potência elétrica consumida é variável a cada instante – a da geladeira, por exemplo. A maioria das cargas não é utilizada todo o tempo. É medida em uma indústria a cada 15 minutos por um aparelho integralizador, conhecido como “Medidor de Demanda”. A unidade de medida usual é o kW.
Multimedidor
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Fator de demanda
 É a relação entre a demanda em um intervalo de tempo e a potência total instalada. Cada tipo de instalação ou equipamento tem um fator de demanda próprio tabelado.
Fator de carga
É o indicador que mostra se a energia 
elétrica de um determinado consumidor 
está sendo utilizada de forma racional.
 Tarifa de energia
 É o custo que se paga pelo consumo da energia ativa e reativa em uma instalação. Existem as tarifas:
 monômias - consumidores residenciais tipo B (baixa tensão) - é cobrada apenas a energia ativa que consome (kWh). 
 binômias - consumidor tipo A (alta tensão) - indústria e grandes centros comerciais – é cobrada a energia ativa consumida (kWh) e também a demanda (kW). É segmentada por dia e período do ano (horosazonal). Pode ser Verde ou Azul.
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Magnetismo
 É um fenômeno que causa forças de atração ou repulsão entre corpos, produzido por materiais compostos por ferro, níquel, cobalto, cromo, manganês e suas ligas e cerâmicas magnéticas como Nd-Ce, hexaferrita de bário sinterizada e outras.
Estes materiais, chamados de imãs, produzem uma região em torno de si onde ocorrem estes fenômenos chamada de campo magnético delimitado por linhas de força cujo número é chamado fluxo magnético. A terra também é um grande imã.
As extremidades dos imãs são denominadas polos. Se suspendermos por um fio uma barra imantada, esta oscilará até que uma de suas extremidades aponte para o polo norte e a outra para o polo sul da terra dando nome a estes polos.
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Magnetismo
 Este fenômeno é causado pelo movimento de rotação dos elétrons dos átomos dos metais em torno de si mesmos, movimento este denominado “spin”, atuando como um pequenino imã.
Em alguns tipos de materiais, seus spins rotacionam em maior número em uma mesma direção, enquanto que em metais chamados de paramagnéticos como o alumínio, poucos spins tem o mesmo sentido de rotação e assim apresentam magnetismo muito fraco. As regiões dos materiais que concentram maior número de spins emparelhados, criam campo magnético, ou desemparelhados são chamadas de domínios.
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Eletromagnetismo
 Este fenômeno é causado pela corrente elétrica I passando por um fio condutor. Ao redor e ao longo do condutor forma-se uma região, delimitada por linhas de força ou de campo, chamada campo eletromagnético B que tem a forma circular cujo sentido é determinado pela regra da mão direita, com o polegarno sentido da corrente e os outros dedos envolvendo o condutor.
FECHAR
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Eletromagnetismo
 
 Se o fio for enrolado em forma de bobina ou solenóide os campos eletromagnéticos produzidos em cada volta se somam e o campo resultante tem sentido dado pelo polegar da mão direita, mas com os outros dedos envolvendo a bobina no sentido da circulação da corrente. Maior o número de espiras, maior é a intensidade do campo. Se uma barra de ferro for colocada no interior da bobina o campo também será amplificado e a barra de ferro ficará magnetizada. O número de linhas de campo é chamado de fluxo magnético .
N
S
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Força Eletromagnética
 Quando um condutor de comprimento l percorrido por corrente elétrica I está imerso em um campo magnético B, este sofre a ação de uma força F que tende a desloca-lo no sentido dado pela regra da mão esquerda. Da mesma forma aparece uma força se o condutor percorrido por corrente estiver parado e o campo, linhas de fluxo, se movimentar sobre ele. É o princípio de funcionamento do motor elétrico.
 Indução Eletromagnética
É o fenômeno que origina a produção de uma força eletromotriz e (f.e.m. ou tensão elétrica) em um condutor exposto a um campo magnético variável, ou em um condutor móvel exposto a um campo magnético estático. 
É o princípio de funcionamento do gerador elétrico.
F = B. I. l . sen
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Sistema Trifásico de Fornecimento de Energia
 
A energia elétrica nos sistemas de distribuição de energia fornecidos ao consumidor final, comercial ou residencial são normalmente monofásicos formados por um fio fase e um neutro e bifásico formados por duas fases e um neutro. 
Mas na indústria, por razões econômicas o sistema utilizado é o trifásico que pode ser entendido como formado por três sistema monofásicos independentes, isto é três fases e um neutro comum. 
Indutor móvel – induzido fixo
Indutor fixo– induzido móvel 
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Sistema Trifásico de Fornecimento de Energia
 
O sistema de geração deste sistema trifásico, ns usinas geradoras é constituído por um indutor móvel e por no mínimo três bobinas colocadas fisicamente a 120° uma das outras onde são geradas três tensões alternadas induzidas também deslocadas ou defasadas de 120° elétricos entre si. As bobinas podem ser interligadas formando um ligação chamada  (delta) ou triângulo ou uma ligação chamada Y ou estrela no gerador, transformador ou motor trifásicos. Estas tensões podem ser representadas por vetores  que giram a uma determinada velocidade em um círculo trigonométrico, chamados de fasores, dando origem a funções senoidais.
fasores
Tensões trifásicas
Gerador
Linha de Transmissão
A partir de março de 2018 a modalidade tarifária Convencional será extinta para clientes de média e alta tensão.
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Cada carga elétrica q (elétron) do condutor fica sujeito a uma força eletromagnética F que se move com velocidade v: F = q.v.B.sen
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