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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO À ELETRICIDADE .......................................................................... 4 1.1 HISTÓRIA DA ELETRICIDADE ............................................................................ 4 1.2 SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA .................................................................. 8 1.2.1 Geração de energia elétrica ............................................................................. 8 1.2.2 Transmissão de energia elétrica ..................................................................... 9 1.2.3 Distribuição de energia elétrica .................................................................... 10 2 ELETRICIDADE ESTÁTICA .................................................................................. 11 2.1 O ÁTOMO ........................................................................................................... 11 2.2 LEI DAS CARGAS ELÉTRICAS .......................................................................... 12 2.3 CONDUTORES E ISOLANTES .......................................................................... 12 2.4 ELETRIZAÇÃO DOS CORPOS ........................................................................ 13 2.5 CARGA ELEMENTAR ......................................................................................... 14 2.6 O COULOMB ...................................................................................................... 15 2.7 CAMPO ELETROSTÁTICO ................................................................................ 15 3 ELETRODINÂMICA ............................................................................................... 16 3.1 DIFERENÇA DE POTENCIAL ............................................................................ 16 3.2 CORRENTE ELÉTRICA ...................................................................................... 17 3.2.1 Fluxo da corrente elétrica .............................................................................. 17 3.2.2 Intensidade da corrente ................................................................................. 18 3.2.3 Correntes contínua e alternada ..................................................................... 19 3.3 CIRCUITO ELÉTRICO ........................................................................................ 20 3.4 RESISTÊNCIA ELÉTRICA .................................................................................. 22 3.4.1 Resistor ........................................................................................................... 23 3.4.2 Lei de OHM ...................................................................................................... 24 3.4.3 Código de cores ............................................................................................. 25 3.4.4 Associação de resistores .............................................................................. 25 3.4.4.1 Associação em série ..................................................................................... 26 3.4.4.2 Associação em paralelo ................................................................................ 27 3.5 CAPACITOR ....................................................................................................... 28 3.5.1 Capacitância ................................................................................................... 28 3.5.2 Associação de capacitores ........................................................................... 29 3.5.2.1 Associação de capacitores em série ............................................................. 29 3.5.2.2 Associação de capacitores em paralelo ........................................................ 30 4 LUMINOTÉCNICA ................................................................................................. 31 4.1 LÂMPADAS INCANDESCENTES ....................................................................... 32 4.2 LÂMPADAS DE DESCARGAS ........................................................................... 34 4.2.1 Funcionamento da lâmpada fluorescente .................................................... 36 4.2.2 Sistemas de lâmpadas fluorescentes ........................................................... 37 4.2.3 Tipos e aplicações das lâmpadas fluorescentes ......................................... 38 4.3 ACESSÓRIOS PARA LÂMPADAS ..................................................................... 41 5 NORMA 5410 - INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE BAIXA TENSÃO ..................... 42 5.1 PRINCIPIOS FUNDAMENTAIS E DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS GERAIS ..................................................................................................................... 44 5.1.1 Instalação dos componentes ........................................................................ 44 5.2 DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS GERAIS ...................................... 45 5.3 UTILIZAÇÃO E DEMANDA – POTÊNCIA DE ALIMENTAÇÃO .......................... 45 5.4 PREVISÃO DE CARGA ...................................................................................... 46 5.5 NÚMERO DE PONTOS DE TOMADA ................................................................ 47 5.6 POTENCIAIS ATRIBUÍVEIS AOS PONTOS DE TOMADA ................................. 48 5.7 DIVISÃO DA INSTALAÇÃO ................................................................................ 49 5.8 CONDUTORES ................................................................................................... 50 5.8.1 Isolação ........................................................................................................... 53 5.8.2 Blindagem ....................................................................................................... 53 5.8.3 Seção nominal ................................................................................................ 54 5.8.4 Dimensionamento de condutores ................................................................. 55 5.8.5 Seção dos condutores de fase ...................................................................... 56 5.8.6 Condutor neutro ............................................................................................. 57 5.8.6 Queda de tensão ............................................................................................ 58 5.8.7 Capacidades de condução de corrente ........................................................ 65 5.8.8 Temperatura ambiente ................................................................................... 72 5.8.9 Resistividade térmica do solo ....................................................................... 73 5.8.10 Agrupamento de circuitos ........................................................................... 74 5.8.11 Condutor de proteção .................................................................................. 77 5.8.12 Proteção contra sobrecorrentes ................................................................. 78 5.8.13 Proteção contra correntes de curto-circuito .............................................. 79 5.9 CONEXÕES ........................................................................................................ 79 5.10 ELETRODUTOS ............................................................................................... 81 5.11 DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO À CORRENTE DIFERENCIAL-RESIDUAL (DISPOSITIVOS DR) ................................................................................................ 84 5.12 PREVISÃO DE CARGA .................................................................................... 86 5.12.1 Iluminação .....................................................................................................86 5.12.2 Pontos de tomada ........................................................................................ 87 5.12.3 Potências atribuíveis aos pontos de tomada ............................................. 88 5.12.4 Divisão da instalação ................................................................................... 88 5.12.5 Proteção contra sobrecorrentes ................................................................. 94 6 DISJUNTORES ...................................................................................................... 94 7 ATERRAMENTO ................................................................................................... 96 7.1 ESQUEMA TN ..................................................................................................... 97 7.2 ESQUEMA TT ..................................................................................................... 98 7.3 ESQUEMA IT ...................................................................................................... 99 8 NORMA DINT 01- FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA EM TENSÃO SECUNDÁRIA ......................................................................................................... 100 8.1 TERMINOLOGIA E DEFINIÇÕES ..................................................................... 100 8.2 CONDIÇÕES GERAIS PARA O FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA 101 8.2.1 Regulamentação ........................................................................................... 101 8.3 LIMITAÇÕES DE ATENDIMENTO .................................................................... 103 8.3.1 Ligação bifásica ........................................................................................... 103 8.3.2 Ligações trifásicas ....................................................................................... 104 8.4 RAMAL DE LIGAÇÃO ....................................................................................... 104 8.5 RAMAL DE ENTRADA ...................................................................................... 105 8.6 PROTEÇÃO DA ENTRADA DO SERVIÇO ....................................................... 106 8.7 MEDIÇÃO .......................................................................................................... 106 8.7.1 Medição agrupada ........................................................................................ 107 8.7.2 Pontalete ....................................................................................................... 108 8.8 CÁLCULO DE DEMANDA ................................................................................. 109 ANEXOS E DESENHOS DA NORMA DINT-01 ...................................................... 121 9 SIMBOLOGIA PARA PROJETOS ELÉTRICOS ................................................. 136 REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 144 4 1 INTRODUÇÃO À ELETRICIDADE 1.1 HISTÓRIA DA ELETRICIDADE A eletricidade é de suma importância para o mundo moderno, apresenta inúmeros benefícios e tornou-se parte integral e fundamental das nossas vidas, tão importante que seria praticamente impossível imaginar a vida moderna sem a sua existência, e muitas vezes não damos a importância devida, apenas quando estamos sem energia em casa, no trabalho ou na escola que sentimos sua falta. Historicamente a eletricidade sempre chamou atenção do ser humano, no Antigo Egito, por volta do ano de 2750 a.C., havia textos que se referiam a esse peixe elétrico como o "Trovão do Nilo", descrevendo-o como o protetor de todos os outros peixes. Outro contanto que o ser humano tem com a eletricidade vem dos raios, com a sua grande luminosidade (o relâmpago) e o seu som (o trovão), que ao longo dos anos assustam e fascinam o homem. A eletricidade tornou-se objeto de estudo e observação quando o filósofo grego Tales de Mileto, por volta do século VI a.C., notou que uma resina vegetal fóssil petrificada chamada âmbar, quando esfregada com pele e lã de animais adquire a propriedade de atrair objetos leves como palhas, fragmentos de madeira e penas. Essa observação basicamente simples marca o início da ciência da eletricidade, primordial para o progresso do mundo. Figura 1: Âmbar atraindo uma pena Fonte: Aventura na Ciência, Eletricidade. Editora Globo. Ano 1994. Muitos séculos depois o cientista inglês William Gilbert (1544-1603) retoma a experiência original com o âmbar e escreveu o estudo chamado De Magnete na qual relata essas propriedades. Surgem pela primeira vez as palavras eletricidade e eletrização. 5 O alemão Otto Von Guericke (1602-1686) procurou um modo de obter corpos mais intensamente eletrizados. Foi quando ele construiu uma máquina eletrostática, que era constituída de uma esfera de enxofre atravessada por uma barra na qual adaptou uma manivela, que o operador usava para girar a esfera rapidamente e encostar nela com uma luva espessa, quando ocorria o atrito entre a esfera e a luva a esfera era eletrizada intensamente. Figura 2: Primeira máquina eletrostática Fonte: www.saladefisica.cbj.net Por volta de 1729 o cientista inglês Stephen Gray através de experimentos identificou que, além da eletrização por atrito, também era possível eletrizar corpos por contato (encostando um corpo eletrizado num corpo neutro). Através de tais experimentos, ele chegou ao conceito de existência de materiais que conduzem a eletricidade com maior e menor eficácia e os denominou como condutores e isolantes elétricos. Com isso, Gray viu a possibilidade de canalizar a eletricidade e levá-la de um corpo a outro. O cientista Charles Du Fay considerou a existência de duas eletricidades: a vítrea e a resinosa, através de um experimento em que se aproximando 2 barras de vidro atritadas com seda elas se repeliam e quando se aproximava uma barra de vidro e uma de resina, depois de serem atritadas com seda, era constatada atração. Benjamin Franklin cientista americano formulou uma teoria na qual a eletricidade era um fluido elétrico e que todos os corpos no estado neutro possuíam certas quantidades de fluidos elétricos e que quando atritados com seda poderiam ser eletrizados positivamente e negativamente. 6 O cientista francês Charles August Coulomb realizou os primeiros estudos quantitativos sobre os corpos eletrizados e utilizando uma balança de torção conseguiu estabelecer a Lei de Coulomb. Figura 3: Balança de Torção de Coulomb Fonte: www.eletronicapro.com.br No final do século XVIII, o físico italiano Alessandro Volta construiu sua pilha elétrica, utilizando discos de cobre e zinco, separados por um material que continha uma solução ácida, a partir daí teve inicio uma fase importante da eletricidade: a obtenção da corrente elétrica, as cargas em movimento ordenado. Figura 4: Pilha elétrica criada por Alessandro Volta Fonte: www.portaldofrancisco.com.br Na França, em 1820, o cientista André Maria Ampere demonstrou que condutores percorridos por correntes elétricas desenvolvem forças de atração ou de repulsão. Em 1827 Ampere elaborou a formulação matemática do eletromagnetismo a conhecida “lei de Ampere”. 7 Em 1827 na Alemanha o cientista George Simon Ohm descobre a relação entre corrente, tensão e resistência em um condutor elétrico surgindo uma das mais utilizadas expressões na eletricidade “Lei de Ohm”. Na Inglaterra em 1831 Michael Faraday descobriu que se um condutor se movimentasse dentro do campo magnético de um ímã, uma força eletro motriz era induzida nos terminais do condutor. Já em 1833 Faraday estabeleceu asleis da eletrólise, da capacitância elétrica e inventou o motor elétrico, o dínamo e o transformador. 1830 – Estados Unidos Joseph Henry descobriu a “indução eletromagnética” e a conversão do magnetismo em eletricidade. Em 1880, nos Estados Unidos, Thomas Edison desenvolveu a lâmpada elétrica incandescente. Em 1882, Edison projetou e construiu as primeiras usinas geradoras, uma em Londres e duas nos Estados Unidos. Ambas eram de pequeno porte e forneciam eletricidade em corrente contínua. Figura 5: Lâmpada inventada por Thomas Edson Fonte: www.infoescola.com Nos Estados Unidos, em 1886, George Westhinghouse inaugurou o primeiro sistema de energia elétrica em CA utilizando um transformador eficiente desenvolvido por W. Stanley. Em 1887 já havia algumas usinas em CA que alimentavam cerca de 135 000 lâmpadas. A transmissão era feita em 1000 volts. Em 1890, na Sérvia, Nikola Tesla criou o sistema de geração de energia elétrica trifásico, que passou a ser utilizado em 1896. Esses foram os grandes cientistas e pensadores que contribuíram para que hoje em dia nos pudéssemos utilizar a eletricidade, sendo primordial para nossa sociedade. 8 1.2 SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA Sistema Elétrico de Potência (SEP), em sentido amplo, é o conjunto de todas as instalações e equipamentos destinados à geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Figura 6: Sistema Elétrico de Potência (SEP) Fonte: www.infoescola.com O SEP desenvolve-se por algumas fases fundamentais como a parte de geração de energia (produção) em uma usina (Elétrica), que é a instalação elétrica destinada a gerar energia elétrica em escala industrial, por conversão de outra forma de energia. As linhas de transmissão são um sistema usado para transmitir energia eletromagnética, guiada de uma fonte geradora (usina) para uma carga consumidora (casas). Distribuição de energia elétrica é um segmento do sistema elétrico, composto pelas redes elétricas primárias (redes de distribuição de média tensão) e redes secundárias (redes de distribuição de baixa tensão), cuja construção, manutenção e operação é de responsabilidade das companhias distribuidoras de eletricidade. 1.2.1 Geração de energia elétrica A geração de energia se dá nas usinas (Elétrica) que é uma instalação elétrica destinada a gerar energia elétrica, por conversão de outra forma de energia. 9 Existem vários tipos de usinas para geração de energia, vamos ver alguns tipos mais utilizados: Usina Hidrelétrica – É a usina elétrica na qual a energia elétrica é obtida por conversão da energia gravitacional da água. Podendo ser de dois tipos: Usina (hidrelétrica) a fio d´água – Usina hidrelétrica que utiliza diretamente a vazão do rio, tal como se apresenta no local e usina (hidrelétrica) com acumulação - Usina hidrelétrica que dispõe do seu próprio reservatório de regularização. Usina Termelétrica – Usina elétrica na qual a energia elétrica é obtida por conversão da energia térmica, podendo ser termelétrica a combustão interna. Unidade termelétrica cujo motor primário é um motor de combustão interna; unidade termelétrica a gás; unidade termelétrica cujo motor primário é uma turbina a gás; termelétrica a vapor - unidade termelétrica cujo motor primário é uma turbina a vapor. Usina Nuclear – Usina termelétrica que utiliza a reação nuclear como fonte térmica. As usinas termelétricas movidas a carvão mineral, óleo combustível, gás natural, bagaço de cana ou nucleares são também classificadas como fontes de energia elétrica convencionais, assim como a hidrelétrica. 1.2.2 Transmissão de energia elétrica A Transmissão de energia elétrica é o processo de transportar energia entre dois pontos. O transporte é realizado por linhas (cabos) de alta potência, geralmente usando corrente alternada. As linhas de transmissão são compostas por: Torres: para linhas aéreas é necessário erguer os cabos a uma distância segura do solo, de forma a evitar contato elétrico com pessoas, vegetação e veículos que eventualmente atravessem a região. As torres devem suportar os cabos em condições extremas, determinadas basicamente pelo tipo de cabo, regime de ventos da região, terremotos, entre outros eventos. Isoladores: os cabos devem ser suportados pelas torres através de isoladores, evitando a dissipação da energia através da estrutura. Esses suportes devem garantir a rigidez dielétrica e suportar o peso dos cabos. Em geral são constituídos de cerâmica, vidro ou polímeros. 10 Subestações: as linhas de transmissão são conectadas às subestações que são instalação elétrica de alta potência, contendo equipamentos para transmissão e distribuição de energia elétrica, além de equipamentos de proteção e controle. Funciona como ponto de controle e transferência em um sistema de transmissão de energia elétrica, direcionando e controlando o fluxo energético, transformando os níveis de tensão e funcionando como pontos de entrega para consumidores industriais. 1.2.3 Distribuição de energia elétrica Redes de distribuição são as redes que interligam a transmissão aos pontos de consumo sendo subdividida em distribuição primária (nível de média tensão MT) ou distribuição secundária (nível de uso residencial). A distribuição de energia é feita utilizando três fios (3 fases), as linhas de distribuição percorrem as ruas das cidades na tensão de 13,8 Kv. Essa tensão pode ser utilizada diretamente para os consumidores industriais, mas para os consumidores residenciais a tensão é abaixada para o nível que pode ser utilizada, em circuitos trifásicos (3 Fases +N). No Brasil os níveis de tensões utilizados na distribuição elétrica em baixa tensão é 220 v entre fases e 127 v entre fase e neutro, em algumas regiões no Brasil utiliza 380 v entre fases e 220 v entre fase e neutro. EXERCÍCIOS 1. Qual o nome do cientista que iniciou o estudo da eletricidade? Em que ano? Como se deu esse início? 2. O cientista Charles Du Fay considerou a existência de duas eletricidades: a vítrea e a resinosa. Explique. 3. Quem criou o primeiro motor elétrico e a primeira usina geradora? 4. Em 1890, um grande cientista criou uma nova maneira de gerar energia, quem foi e o que ele fez? 5. O que é um sistema elétrico de potência? 6. Quais são as fases de um S.E.P.? 7. Defina usina (elétrica). 8. O que é usina hidrelétrica e quais os tipos que existem? 11 9. O que é usina termoelétrica e quais os tipos que existem? 10. O que é uma usina nuclear? 11. Defina transmissão de energia elétrica. 12. Quais os equipamentos que compõem uma linha da transmissão? 13. O que é a distribuição? 14. Como é feita a distribuição? 15. Em nosso país como a distribuição é dividida? 2 ELETRICIDADE ESTÁTICA No estudo da eletricidade podemos estudar os fenômenos causados pelas cargas elétricas de duas formas, estejam elas em movimento (eletrodinâmica) ou em repouso (eletrostática). Estudaremos a forma estática, pois fica mais fácil de se entender a eletricidade se analisarmos partindo dos conceitos básicos da estrutura da matéria. Tudo o que existe no universo, desde estrelas e planetas situados nos pontos mais afastados, até a menor partícula de poeira é constituída de matéria, que pode se apresentar das mais variadas formas. 2.1 O ÁTOMO Toda a matéria é constituída por moléculas que, por sua vez, é formada por átomos. Os átomos são formados por um núcleo, onde se encontram os prótons (carga elétrica positiva) e os nêutrons (carga elétrica neutra), e por umaeletrosfera, constituída de órbitas onde giram os elétrons (carga elétrica negativa). Figura 7: Átomo Fonte: www.infoescola.com 12 No átomo, os prótons, presentes no núcleo, tendem a atrair os elétrons em direção ao núcleo, por possuírem cargas elétricas opostas. Porém, como os elétrons giram em órbitas circulares em torno do núcleo, existe também uma força centrífuga, que tende a afastá-lo do núcleo. O que ocorre é um equilíbrio entre a força de atração e a força centrífuga, o que mantém o elétron em sua órbita. 2.2 LEI DAS CARGAS ELÉTRICAS Cargas elétricas iguais se repelem, cargas opostas de atraem. Figura 8: Leis das cargas Elétricas Fonte: www.infoescola.com 2.3 CONDUTORES E ISOLANTES Materiais que apresentam elétrons livres em sua constituição são bons condutores elétricos, destacando-se nessa categoria os materiais metálicos, enquanto que materiais que não possuem elétrons livres são maus condutores de eletricidade, também chamados isolantes, entre os quais podemos citar o plástico, a borracha, o vidro, o ar, entre outros. Os elétrons situados na camada mais externa são chamados de elétrons de valência. É nessa camada que os fenômenos elétricos ocorrem. A condução elétrica nesses materiais se dá pela movimentação desses elétrons livres entre átomos próximos. Existe ainda uma terceira categoria de materiais, chamados materiais semicondutores, cujas características os tornam intermediários entre os condutores e os isolantes, que são utilizados na construção de dispositivos eletrônicos, dentre os quais se destacam o silício e o germânio. 13 2.4 ELETRIZAÇÃO DOS CORPOS Pode-se eletrizar um corpo através da retirada ou da inserção de elétrons em suas órbitas. Os processos básicos de eletrização, ou seja, de se retirar ou adicionar elétrons ao corpo podem ser por atrito, por contato ou por indução. Eletrização por atrito: quando um corpo não está eletrizado, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Ao atritar dois materiais, um deles ficará eletrizado positivamente, pois perdeu elétrons e ficará com falta, já o outro ficará eletrizado negativamente, pois estará com excesso de elétrons. Figura 9: Eletrização por atrito Fonte: http://www.oocities.org Eletrização por contato: na eletrização por contato os corpos adquirem cargas de mesmo sinal, porém o módulo vai depender das dimensões do corpo. Se os corpos possuírem dimensões iguais as cargas se dividirão igualmente. Após certo tempo de contato, os corpos irão adquirir cargas iguais e irão se repelir. Figura 10: Eletrização por contato Fonte: http://www.oocities.org 14 Eletrização por Indução: na eletrização por indução usamos três corpos, sendo um neutro (condutor), um terra e um corpo carregado chamado indutor. Aproximamos o corpo indutor ao condutor, que está ligado ao terra por um fio terra. Pelo fio terra descerá (ou subirá dependendo da situação) elétrons para tentar neutralizar o corpo indutor. Quando se corta o fio terra e afasta o indutor, o condutor ficará carregado. Não encostamos o indutor no condutor porque eles têm cargas de sinais contrários. Figura 11: Eletrização por Indução Fonte: http://www.oocities.org 2.5 CARGA ELEMENTAR Se pudéssemos separar os prótons, nêutrons e elétrons de um átomo e lançá-los em direção a um imã, os prótons seriam desviados para uma direção, os elétrons a uma direção oposta a do desvio dos prótons e os nêutrons não seriam afetados. Um próton e um elétron têm valores absolutos iguais embora tenham sinais opostos. O valor da carga de um próton ou um elétron é chamado carga elétrica elementar e simbolizado por e. A unidade de medida adotada internacionalmente para a medida de cargas elétricas é o coulomb (C). A menor carga elétrica encontrada na natureza é a carga de um elétron ou próton. Essas cargas são iguais em valor absoluto e valem e=1,602146487x . Para calcular a quantidade de carga elétrica de um corpo, basta multiplicar o número de elétrons pela carga elementar. Q = n x e Q=carga elétrica N= número de elétrons E=carga do elétron ou próton, e=1,602146487 x 15 2.6 O COULOMB A quantidade de carga elétrica que um corpo possui é dada pela diferença entre número de prótons e o número de elétrons que o corpo tem. A quantidade de carga elétrica é representada pela letra Q e é expressa na unidade COULOMB (C). A carga de 1 C = 6,25x1018 elétrons. Dizer que um corpo possui de um Coulomb negativo (-Q ) significa que um corpo possui 6,25x1018 mais elétrons que prótons. 2.7 CAMPO ELETROSTÁTICO Toda carga elétrica tem capacidade de exercer força. Isso se faz presente no campo eletrostático que envolve cada corpo carregado. Quando corpos com polaridades opostas são colocados próximos um do outro, o campo eletrostático se concentra na região compreendida entre eles. Se um elétron for abandonado no ponto no interior desse campo, ele será repelido pela carga negativa e atraído pela carga positiva. Quando não há transferência imediata de elétrons do/para um corpo carregado, diz-se que a carga está em repouso. A eletricidade em repouso é chamada de eletricidade estática. EXERCÍCIOS 1) Defina eletricidade. 2) Defina o átomo. 3) O que podemos encontrar num átomo? 4) Qual a composição dos nêutrons, elétrons, prótons? 5) Qual o nome da última camada do átomo? 6) Explique como ocorre a condução elétrica. 7) Defina materiais condutores, isolantes e semicondutores. 8) Dê exemplos de materiais condutores, semicondutores e isolantes. 9) Cite qual é a lei das cargas elétricas. 10) Explique o que é eletrização de um corpo. 11) De que formas podem ocorrer a eletrização de um corpo? 12) Defina o que é um Coulomb, quanto vale 1C? 16 13) Um material dielétrico possui uma carga negativa de 12,5×10 elevado a 18 elétrons. Qual a sua carga em um Coulomb? 14) Qual é a menor carga elétrica encontrada na natureza? Quanto vale? 15) Um corpo apresenta-se eletrizado com carga Q = 32 µC. Qual o número de elétrons retirados do corpo? 3 ELETRODINÂMICA 3.1 DIFERENÇA DE POTENCIAL Em virtude da força do seu campo eletrostático, uma carga é capaz de realizar trabalho ao deslocar outra carga por atração ou repulsão. Essa capacidade é chamada de potencial. Para que haja o movimento de uma carga, seja ela positiva ou negativa, é preciso que haja um potencial maior e um potencial menor, ou seja, uma diferença de potencial ou D.D.P. A soma das diferenças de potencial de todas as cargas do campo eletrostático é conhecida como Força Eletromotriz (F.E.M.). A sua unidade fundamental é o Volt. A diferença de potencial é chamada também de Tensão Elétrica. A tensão elétrica é representada pela letra E ou U. Figura 12: Tensão elétrica Fonte: www.infoescola.com Para entendermos a d.d.p, relembremos o seguinte: todo corpo que está eletrizado, recebeu ou cedeu elétrons. Como a carga de um elétron é representada por (-) o corpo que recebeu elétrons fica carregado negativamente (denominado de íon negativo ou ânion), já o corpo que cedeu elétrons ou perdeu fica carregado positivamente, pois o mesmo tem falta de elétrons, denominado de íon positivo ou cátion. 17 Portanto, esse desequilíbrio de cargas entre dois corpos revela que ambos têm um potencial elétrico diferente, ou seja, existe uma diferença de potencial elétrico. A diferença de potencial (d.d.p) também denominada de tensão elétrica (V) é uma grandeza física que está intimamente ligadaao conceito de corrente elétrica, então vamos à definição de corrente elétrica. 3.2 CORRENTE ELÉTRICA Determinados materiais, quando são submetidos a uma fonte de força eletromotriz, permitem uma movimentação sistemática de elétrons de um átomo a outro, e é esse fenômeno que é denominado de corrente elétrica. Pode-se dizer, então, que cargas elétricas em movimento ordenado formam a corrente elétrica, ou seja, corrente elétrica é o fluxo de elétrons em um meio condutor. A corrente elétrica é representada pela letra Ι e sua unidade fundamental é o Ampère. Figura 13: Elétrons atravessando fio Fonte: www.infoescola.com 3.2.1 Fluxo da corrente elétrica Se ligarmos às duas extremidades de um fio de cobre, uma diferença de potencial, a tensão aplicada faz com que os elétrons se desloquem. Esse deslocamento consiste num movimento de elétrons a partir do ponto de carga negativa Q− numa extremidade do fio, seguindo através deste e chegando à carga positiva Q+ na outra extremidade. 18 O sentido do movimento de elétrons é de – para +. Esse é o fluxo de elétrons. No entanto para estudos convencionou-se dizer que o deslocamento dos elétrons é de + para –. Figura 14: Sentido da corrente real e convencional Fonte: www.infoescola.com Sentido convencional de circulação da corrente, ou seja, convenciona-se dizer que a corrente desloca-se do potencial maior para o potencial menor. 3.2.2 Intensidade da corrente A intensidade desta corrente elétrica, representada por I e medida em Ampère (A) é a medida da quantidade de cargas que se deslocam pelo condutor a cada segundo, ou seja: Figura 15: Fórmula intensidade corrente elétrica Fonte: phpotiguar.blogspot.com.br Onde: I= intensidade da corrente em Ampère: Q= Carga em Coulomb. T= Tempo em segundos. Ampère quer dizer 1 C por segundo. 19 3.2.3 Correntes contínua e alternada Recebem o nome de corrente contínua (C.C. ou D.C. no equivalente em inglês) e corrente alternada (C.A. ou A.C. no equivalente em inglês) dois sistemas diferentes de coordenar o fluxo de elétrons dentro de um circuito elétrico. Uma corrente é considerada contínua quando o fluxo dos elétrons passa pelo fio do circuito sempre em um mesmo sentido; ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa, circulando no sentido do polo positivo para o polo negativo, se considerarmos o sentido convencional da corrente, ou circulando do polo negativo para o polo positivo, se considerarmos o sentido da corrente dos elétrons. A maior parte dos circuitos eletrônicos trabalha com corrente contínua, sendo as pilhas e as baterias os melhores exemplos de onde encontrar esse tipo de corrente. O problema com o sistema de corrente contínua é que nele não há alternância, não sendo aceito pelos transformadores e assim não consegue ganhar maior voltagem. Desse modo, a energia elétrica não pode seguir muito longe. Por essa razão, a corrente contínua é usada em pilhas e baterias ou para percorrer circuitos internos de aparelhos elétricos, como o de um computador. O final do século XIX presenciou um episódio curioso em meio à descoberta da energia elétrica e suas propriedades, que foi a chamada "Guerra das Correntes". Gradualmente, os EUA começavam a utilizar a eletricidade para substituir a energia a vapor nas fábricas e o gás na iluminação das casas. A corrente alternada surgiu quando Nikola Tesla foi contratado por J. Westinghouse para construir uma linha de transmissão entre Niágara e Buffalo. Em Nova York, Thomas Edison fez o possível para desacreditar Tesla, mas o sistema polifásico de Tesla foi adotado. A Corrente Alternada é a forma mais eficaz de se transmitir uma corrente elétrica por longas distâncias. Nela os elétrons invertem o seu sentido várias vezes por segundo. A Corrente Alternada foi adotada para transmissão de energia elétrica a longas distâncias devido à facilidade relativa que ela se apresenta para ter o valor de sua tensão alterada por intermédio de transformadores. Além disso, as perdas em CA são bem menores que em CC. No entanto, as primeiras experiências e transmissões foram feitas com Corrente Contínua (CC). 20 Corrente Alternada é uma corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente contínua cujo sentido permanece constante ao longo do tempo. A forma de onda usual em um circuito de potência CA é senoidal por ser a forma de transmissão de energia mais eficiente. Enquanto a fonte de corrente contínua é constituída pelos polos positivo e negativo, a de corrente alternada é composta por fases (e, muitas vezes, pelo fio neutro). Figura 16: Corrente alternada e contínua Fonte: www.manutencaoesuprimentos.com.br 3.3 CIRCUITO ELÉTRICO Chamam-se circuito elétrico os dispositivos capazes de transformar energia elétrica em outra forma qualquer de energia. Para que isso possa ocorrer, precisa-se que, pelo circuito elétrico, circule uma corrente elétrica (que a corrente elétrica é formada pelo movimento de elétrons). No entanto, para que esse movimento possa ocorrer, são necessários dois potenciais elétricos diferentes, ou seja, uma diferença de potencial ou, como é mais comumente conhecida, uma tensão elétrica. Logo, conclui-se que só haverá corrente elétrica se houver tensão elétrica. Sendo a tensão elétrica a força que provoca o movimento dos elétrons (corrente elétrica), esta é também chamada de força eletromotriz (f.e.m.), ou seja, a “força que move os elétrons”. Além disso, para que exista circulação de corrente elétrica, é necessária também a existência de um meio material que permita a circulação dos elétrons, ou seja, um material condutor elétrico. Esse material condutor, geralmente sob a forma de fios condutores, deve permitir aos elétrons um caminho de ligação entre os dois potenciais da fonte de 21 alimentação, ou seja, um circuito elétrico deve ser um caminho fechado por onde os elétrons circulam. Também deverá haver, no circuito, um elemento conversor de energia, responsável por transformar energia elétrica em outra forma de energia. Esse elemento pode ser, por exemplo, uma lâmpada, um motor elétrico ou uma campainha. Finalmente, é preciso prever uma maneira de controlar o fluxo de corrente pelo circuito, permitindo ligar ou desligar o circuito quando for preciso. Esse controle pode ser feito por meio de um interruptor, por exemplo, ou simplesmente atarraxando e desatarraxando a lâmpada em seu receptáculo. O importante é a percepção de que, interrompendo o caminho de circulação da corrente, esta deixará de fluir pelo circuito. Em resumo, pode-se definir circuito elétrico como um caminho fechado por onde circula uma corrente elétrica. Esse circuito é formado por quatro elementos básicos, conforme já foi visto anteriormente: uma fonte de alimentação; fios condutores; um receptor de energia, também chamado de carga; um elemento de controle. Para que haja um circuito completo, são necessários esses elementos acima. Caso haja a ruptura de um dos fios condutores, a abertura do interruptor ou a queima da lâmpada, por exemplo, haverá um circuito aberto, o que irá interromper a passagem da corrente e, por consequência, o funcionamento do circuito. Se, por outro lado, houver um desvio da corrente de modo que esta não passe pela carga, haverá um defeito conhecido como curto-circuito, e o circuito também deixará de funcionar. Quando ocorre um curto-circuito, a corrente passa a circular de forma descontrolada, o que pode causar sérios danos às instalações do circuito, como a queimados fios condutores e incêndios. Por isso, para serem limitadas as consequências de um curto-circuito, deve-se utilizar dispositivos de proteção. O tipo mais comum e simples de proteção é o fusível. Fusível é um dispositivo construído para romper (fundir) assim que a corrente ultrapasse um determinado limite considerado seguro para o funcionamento do circuito, interrompendo a circulação de corrente antes que danos mais sérios ocorram. 22 É importante notar que um fusível só irá “queimar” se o seu limite de corrente for ultrapassado, ou seja, se houver um problema no circuito. Não se deve substituir um fusível por outro de maior capacidade sem que antes se faça uma análise de capacidade dos condutores do circuito. Também não se deve jamais “improvisar” um fusível com moedas, parafusos ou outros objetos. Na ocorrência de um curto-circuito, tais objetos não estarão dimensionados para proteger o circuito, podendo trazer consequências sérias para a instalação e para seus usuários. 3.4 RESISTÊNCIA ELÉTRICA A resistência elétrica é a característica que os materiais, mesmo os condutores têm de se opor, ou seja, oferecer dificuldade à passagem da corrente elétrica. Essa oposição é provocada pela dificuldade de que os elétrons encontram em se deslocar pela estrutura atômica do material. A resistência elétrica é representada pela letra R e medida em ohms (Ω). Figura 17: Símbolo Resistor Fonte: Própria A resistência elétrica de um material depende da composição desse material e de suas dimensões físicas. Em qualquer material, a dificuldade oferecida à passagem dos elétrons faz com que estes se choquem contra sua estrutura atômica, provocando aquecimento do material. Esse fenômeno é conhecido como efeito Joule e pode ser aproveitado, por exemplo, na construção de aquecedores elétricos. É devido a este efeito joule que a lâmpada de filamento emite luz. Inúmeras são as aplicações práticas desses fenômenos. Exemplos: chuveiro, ferro de engomar, ferro elétrico, fusível etc... O efeito joule é o fenômeno responsável pelo consumo de energia elétrica do circuito, quando essa energia se transforma em calor. 23 Quanto à sua composição, os materiais se diferenciam por suas resistências específicas, característica esta também chamada de resistividade do material. Assim, duas barras de cobre, com exatamente a mesma composição, terão resistividades iguais, podendo, no entanto, terem resistências elétricas diferentes. 3.4.1 Resistor Existem elementos de circuito, cuja função é de transformar energia elétrica em energia térmica (dissipar energia elétrica), ou limitar a intensidade da corrente elétrica em circuitos eletrônicos, esses elementos têm o nome de resistores. Os filamentos de tungstênio das lâmpadas elétricas incandescentes são exemplos de resistores. Outros exemplos: Fios de certas ligas metálicas (como o micromo, liga de níquel com cromo) enrolados em hélice cilíndrica, utilizadas em chuveiros, torneiras elétricas, secadores de cabelos etc. Os resistores utilizados para limitar a intensidade da corrente que passa por determinados componentes eletrônicos não têm a capacidade de dissipar energia elétrica, embora isso aconteça inevitavelmente. Comumente, são constituídos de um filme de grafite depositado de modo contínuo sobre um suporte cerâmico ou enrolado em forma de faixas helicoidais. Os resistores têm como principal propriedade elétrica uma grandeza física denominada resistência elétrica. Em circuitos elétricos, o resistor de fio e o resistor de carvão são amplamente utilizados. O primeiro nada mais é que um pedaço de fio, composto por ligas metálicas. Não sendo possível obter áreas de seção transversais demasiadamente pequenas, para se obterem valores razoáveis de resistência são necessários fios de comprimento muito grande, costuma-se, assim enrolar o fio sobre um suporte isolante. Os resistores de carvão contêm um grande suporte isolante coberto de fina camada de carvão com dois terminais metálicos. É muito usado em circuitos de rádio e televisão. Devido à sua alta resistividade da grafite, podem-se obter resistores de alta resistência e de pequenas dimensões. 24 Figura 18: Resistores Fonte: www.electronicabasica.net 3.4.2 Lei de OHM George Simon Ohm foi um físico alemão que viveu entre os anos de 1789 e 1854 e ele verificou através de experimentos que existem resistores nos quais a variação da corrente elétrica é proporcional à variação da diferença de potencial (ddp). Ohm realizou experimentos com diversos tipos de condutores: eram aplicados sobre os condutores valores de intensidades de voltagens diferentes. Contudo, ele percebeu que, principalmente, nos metais a relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial (tensão) se mantinha sempre constante. Dessa forma, elaborou uma relação matemática que diz que a voltagem aplicada nos terminais de um condutor é proporcional à corrente elétrica que o percorre, matematicamente fica escrita do seguinte modo: V = R.i Onde: V é a diferença de potencial, cuja unidade é o Volts (V); i é a corrente elétrica, cuja unidade é o Ampère (A); R é a resistência elétrica, cuja unidade é o Ohm (Ω). Essa lei não se aplica a todos os resistores, pois depende do material que constitui o resistor. Quando ela é obedecida, o resistor é dito resistor ôhmico ou linear. Porém a expressão matemática descrita por Simon vale para todos os tipos de condutores, tanto para aqueles que obedecem quanto para os que não obedecem à lei de Ohm. 25 3.4.3 Código de cores O filamento de uma lâmpada incandescente, o fio enrolado em hélice de um chuveiro ou de uma torneira elétrica são resistores. Entretanto, existem também resistores feitos de carvão e outros materiais, que compõem vários circuitos elétricos, de rádios, televisores, computadores etc. O valor da resistência elétrica pode vir impresso no corpo do resistor ou indicado por meio de faixas coloridas. Essas faixas obedecendo a um código que permite determinar o valor da resistência do resistor. Esse código de cores obedece à seguinte correspondência numérica. Tabela 1: Código de cores resistores Cor Preto Marrom Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Violeta Cinza Branco Algarismo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Fonte: Autoria própria, 2014. As faixas sempre devem ser lidas da extremidade para o centro, segundo o seguinte critério: A 1ª faixa (mais próxima da extremidade): indica o primeiro algarismo do valor da resistência elétrica. A 2ª faixa: indica o segundo algarismo do valor da resistência elétrica. A 3ª faixa: indica o número de zeros que devem ser acrescentados a direita dos dois algarismos anteriores. Pode haver ainda uma 4ª faixa para indicar a impressão ou tolerância do valor da resistência. Se essa 4ª faixa for prateada, a imprecisão é de 10%; se for dourada a imprecisão é de 5%. A inexistência da 4ª faixa pressupõe uma tolerância de 20% no valor da resistência elétrica, para mais ou para menos. 3.4.4 Associação de resistores Quando montamos um circuito, é comum o operador necessitar de um valor de resistência diferente dos valores fornecidos pelos resistores de que dispõe. 26 Outras vezes a corrente elétrica que vai atravessar o resistor é superior à que ele pode suportar sem ser danificado. Nessas situações a solução seria utilizar uma associação de resistores. Os resistores podem ser associados basicamente de dois modos distintos: em série, ou em paralelo, é possível também associá-los das duas maneiras (sériee paralelo) então teremos uma associação mista. Qualquer que seja a associação, devemos denominar como resistor equivalente aquele que funciona no circuito do mesmo modo que associação, podendo substituir a associação por esse resistor. Então a resistência da associação é igual à resistência do resistor equivalente. 3.4.4.1 Associação em série Na associação em série, os resistores são ligados um em seguida do outro; ou seja, uma série de resistores, de modo a ser percorrido em uma mesma corrente elétrica. Figura 19: resistores em série Fonte: www.osfundamentosdefisica.blogspot.com Levando em consideração o conceito de resistor equivalente, tudo se passa como se houvesse um único resistor de resistência R. Em uma associação de resistores em série, a resistência equivalente é igual à soma das resistências dos resistores associados. Req=R1+R2+R3 Outro fator importante que devemos observar é que em uma associação de resistores em série, a d.d.p ou tensão é igual à soma das ddps nos resistores 27 associados. O valor da tensão vai mudar de acordo com o valor da resistência, já o valor da intensidade da corrente não muda quando passa pelos resistores, o valor da corrente de entrada vai ser o mesmo da de saída. 3.4.4.2 Associação em paralelo Vários resistores estão associados em paralelo quando são ligados pelos terminais, de modo a ficarem submetidos à mesma ddp. O valor da intensidade da corrente elétrica do circuito principal divide-se nos resistores associados em paralelo, ou seja, a intensidade de corrente em uma associação em paralelo é igual à soma das intensidades das correntes dos resistores associados. itot=i1+i2+i3 Figura 20: Associação paralelo Fonte: www.mundoeducacao.com Em uma associação de resistores em paralelo, o inverso da resistência equivalente da associação é igual á soma dos inversos das resistências associadas. 1 = 1 + 1 + 1 Req R1 R2 R3 Para dois resistores em paralelo, temos: 1 = 1 + 1 = 1 = R1+R2 = Req = R1.R2 Req R1 R2 Req R1.R2 R1+R2 28 3.5 CAPACITOR É um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e consequente energia eletrostática ou elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material que é chamado de dielétrico. Dielétrico é uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. A utilização dos dielétricos tem várias vantagens. Uma delas é que com o dielétrico podemos colocar as placas do condutor próximas sem o risco de que eles entrem em contato. Qualquer substância que for submetida a uma intensidade muito alta de campo elétrico pode ser tornar condutor, por esse motivo é que o dielétrico é mais utilizado do que o ar como substância isolante, pois se o ar for submetido a um campo elétrico muito alto ele acaba por se tornar condutor. Os capacitores são utilizados nos mais variados tipos de circuitos elétricos, nas máquinas fotográficas armazenando cargas para o flash, por exemplo. Eles podem ter o formato cilíndrico ou plano, dependendo do circuito ao qual ele está sendo empregado. Figura 21: Capacitores Fonte: www.hardwarebr.com 3.5.1 Capacitância É denominada capacitância C a propriedade que os capacitores têm de armazenar cargas elétricas na forma de campo eletrostático e ela é medida através do quociente entre a quantidade de carga (Q) e a diferença de potencial (V) existente entre as placas do capacitor, matematicamente fica da seguinte forma: 29 3.5.2 Associação de capacitores Os capacitores, da mesma forma que os resistores, podem ser associados em série e em paralelo. Denomina-se capacitor equivalente da associação aquele que, eletrizado com a mesma carga da associação, suporta entre seus terminais a mesma ddp. 3.5.2.1 Associação de capacitores em série Na associação em série, a armadura negativa de um capacitor está ligada a armadura positiva do seguinte. A carga +Q, que é comunicada à associação, é recebida pela armadura positiva do primeiro capacitor. Esta induz –Q na armadura negativa do primeiro capacitor, e a carga +Q escoa para a armadura positiva do segundo capacitor. Esta por sua vez, induz –Q na armadura negativa do segundo capacitor e +Q na armadura do terceiro capacitor e assim sucessivamente. Figura 22: Associação de capacitores em série Fonte: www.efisica.if.usp.br Podemos observar na associação de capacitores em série que todos os capacitores apresentam a mesma carga Q e a ddp aplicada na associação é a soma das ddps dos capacitores associados. Q C = U 30 U=U1+U2+U3 Usando a definição da capacitância, para encontrarmos a capacitância equivalente podemos usar a fórmula: 1 = 1 + 1 + 1 Cequ C1 C2 C3 Numa associação em série de n capacitores iguais, sendo C a capacitância de cada um deles, a capacitância equivalente é: Para o caso particular de dois capacitores associados em série, a capacitância equivalente (Cs) é dada por: 1 = 1 + 1 = 1 = C1+C2 = Ceq = C1.C2 Ceq C1 C2 Ceq C1.C2 C1+C2 3.5.2.2 Associação de capacitores em paralelo Na associação em paralelo, as armaduras positivas estão ligadas entre si, apresentando mesmo potencial VA, e as armaduras negativas também estão ligadas entre si, possuindo o potencial comum Vb. Figura 23: Associação de capacitores em paralelo Fonte: www.obarjcentrodamente.blogspot.com Na associação em paralelo os capacitores apresentam a mesma ddp. A carga Q fornecida na associação divide-se em Q1, Q2, Q3, localizando-se nas C Cs = n 31 armaduras positivas dos capacitores de capacitância C1, C2, C3, respectivamente. Portanto: Q=Q1+Q2+Q3 Nesta fórmula temos a capacitância do capacitor equivalente. Ceq=C1+C2+C3 A associação em paralelo permite aumentar a capacitância eletrostática do sistema. Numa associação em paralelo de n capacitores iguais, sendo C a capacitância de cada um, a capacitância do equivalente é: Cp= nC 4 LUMINOTÉCNICA Ao longo dos anos o ser humano vem utilizando a tecnologia em seu favor para o desenvolvimento e segurança, uma das criações tecnológicas que revolucionou o mundo foi a lâmpada desenvolvida pelo cientista Thomas Alva Edson em 1879 que realizou uma série de experimentos de filamentos na parte de incandescência, optando pelo filamento de carvão, obtendo o registro do seu invento, que foi o primeiro modelo apto para produção industrial. Luminotécnica é o estudo minucioso das técnicas das fontes de iluminação artificial, através da energia elétrica. Luz é uma forma de energia radiante que impressiona nossos olhos e nos permite ver. Por isso quando usamos a iluminação de forma racional, ela nos apresentar uma série de benefícios, entre os quais podemos citar: proteção à vista, influências benéficas sobre o sistema nervoso vegetativo que comanda o metabolismo e as funções do corpo, fazendo com que haja uma elevação do rendimento no trabalho, diminuição de erros e acidentes, contribuindo assim para maior conforto, bem-estar e segurança. 32 No trabalho uma iluminação adequada que não ofusque, mas que seja suave e agradável diminui a fadiga e exerce uma favorávelinfluência sobre os ânimos melhorando o ambiente de trabalho. Foi desenvolvido na última década, um número considerável de novos produtos de iluminação para economia de energia, dentre os quais, as lâmpadas fluorescentes compactas e eletrônicas. Foi assim possível reduzir o consumo de energia, sem diminuir os enormes benefícios de uma boa iluminação. As lâmpadas elétricas são as que apresentam maior eficiência e possibilidade ilimitadas de se obter ambientes acolhedores e confortáveis. As lâmpadas elétricas atuais são agrupadas em 2 grupos principais: Incandescentes. De descarga. 4.1 LÂMPADAS INCANDESCENTES A luz desse tipo de lâmpada é proveniente de um filamento de tungstênio alojado no interior de um bulbo de vidro sob vácuo ou com gases quimicamente inertes em seu interior. Os componentes básicos de uma lâmpada incandescente: Bulbo. Gás. Base. Filamento. Figura 24: lâmpada incandescente e filamento ampliado Fonte: Própria 33 Bulbo Construído em vidro opaco ou transparente e apresenta vários formatos. Gás Contido no interior do bulbo serve para evitar que o filamento entre em combustão e evapore. Ex: Nitrogênio, argônio. Base é o elemento de ligação mecânica e elétrica ao receptáculo, feita de latão ou ferro latonado e possui rosca tipo Edison de diversos diâmetros ou tipo de baioneta. Filamento é o elemento feito de tungstênio, enrolado em forma helicoidal e suportado com uma arte de vidro, onde se encontram os condutores internos. Emite luz quando aquecido a certa temperatura pela passagem de corrente elétrica. A lâmpada de incandescentes tem como princípio de funcionamento produzir luz quando o seu filamento é aquecido pela passagem de corrente elétrica, devido ao efeito joule. Existem alguns tipos de Lâmpadas Incandescentes: Lâmpada para uso geral. Lâmpadas específicas. Lâmpadas decorativas. Lâmpadas refletoras, defletoras ou espelhadas. Lâmpadas halógenas. Lâmpadas infravermelhas. Lâmpada para uso geral: produzidas em acabamento de bulbo claro, branco difuso ou leitoso ou colorido, proporcionam uma boa distribuição de fluxo luminoso eliminando as sobras e ofuscamentos. Lâmpadas específicas: destinadas a locais sujeitos à vibração, como por exemplo tornos e outras máquinas rotativas, bombas de gasolina, navios e locais onde há grande variação de temperatura como refrigeradores e fogões. Lâmpadas decorativas: usadas em ambientes que queira uma iluminação de destaque para proporcionar aspecto para o ambiente de luxo e beleza. Ex: lustres de cristal, abajures. 34 Lâmpadas refletoras defletoras ou espelhadas: fontes de luz de alto rendimento, pequenas dimensões e facho concentrado e corrigido, permitem fluxo luminoso constante e de alta intensidade e distribuição precisa, devido ao formato do bulbo e ao espelho na sua superfície interna. Ex: usado em vitrines, lojas, exposições, museus, palcos de teatro. Lâmpadas halógenas: podem ser encontradas em dois formatos: tipo lapiseira ou palito e com refletor dicroico. Halógena significa formador de gás, exemplo de gases: o cloro, bromo, flúor, iodo. Funciona através do cliclo halógeno com a finalidade de regenerar o filamento. Lâmpada infravermelha: tem como característica fundamental emitir uma radiação que se encontra na faixa de ondas curtas de radiação infravermelha. Caracteriza-se por: alto coeficiente de reflexão, alto rendimento, pequena dimensão de diâmetro e comprimento. Aplicação: indústrias gráficas para secar, indústrias automobilísticas, criação de animais como pinto, porco, bezerro aquecendo o ambiente. 4.2 LÂMPADAS DE DESCARGAS A luz é produzida pela passagem de corrente elétrica em um gás ou vapor ionizado, que ao se chocar com a pintura fluorescente, no interior de seu tubo emite luz invisível. Apresentam eficiência maior que as incandescentes e oferecem muito mais luz sem potência extra. Os tipos de lâmpadas de descarga dependem de suas aplicações e podem ser: Fluorescentes. Luz mista. Vapor de Mercúrio. Lâmpada de Neon. Vapor metálico. Multivapor metálico. Vapor de sódio. Lâmpada de indução. São classificas de acordo com a pressão interna e podem ser de baixa e alta pressão. Lâmpadas fluorescentes são fabricadas em diversos formatos: 35 Lineares. Circulares. Compactas. Coloridas. Luz Negra. Basicamente a lâmpada fluorescente é constituída: Bulbo. Base. Cátodo. Estemes. Vapor de Mercúrio. Gás de Enchimento. Camada de pó Fluorescente. Bulbo: compartimento à prova de ar e sob baixa pressão, onde são inseridos o mercúrio, o gás de enchimento, os cátodos e as camadas fluorescentes. Base: fixada em cada extremidade do cubo, unindo a lâmpada ao circuito de iluminação através de dois contatos. Podem ser do tipo bipino médio e duplo contato embutido (DCE). Cátodo: são os filamentos ou eletrodos, servem de terminais para o estabelecimento do arco elétrico, sendo uma fonte de elétrons para a corrente da lâmpada. São geralmente feitos de espirais de tungstênio. Estemes: corresponde às extremidades de tubo, fechando-o e suportam cada um dos cátodos, fazem parte dos estemes o tubo de flange e o tubo de esgotação. Vapor de Mercúrio: no interior do tubo fluorescente são colocadas gotas de mercúrio líquido, durante a montagem da lâmpada. Estando a lâmpada em operação, o mercúrio vaporiza-se numa pressão muito baixa. Gás de Enchimento: além das gotas de mercúrio, é injetada no interior do tubo uma pequena quantidade de gás raro e alta pureza. Ex: Argônio. O gás de enchimento ioniza rapidamente quando uma tensão é aplicada através da lâmpada. 36 Camada de pó Fluorescente: transforma a radiação ultravioleta em luz visível, as partículas são muito pequenas e é designado tecnicamente por luminóforo. Figura 25: Partes da lâmpada fluorescentes Fonte: alessandroazuos.blogspot.com.br 4.2.1 Funcionamento da lâmpada fluorescente Fluorescência é definida como sendo “a propriedade que tem um material de se autoiluminar quando sob a ação de uma energia radiante, como o ultravioleta, ou o raio-X. Esta definição contém em si dois elementos essenciais para uma lâmpada fluorescente, uma fonte de energia radiante (arco elétrico); um material a ser fluorescido (pó fluorescente e aditivos chamados ativadores). Basicamente, podemos resumir o funcionamento da lâmpada fluorescente da seguinte forma: o circuito é energizado, os elétrons abandonam os cátodos (vagarosamente nos circuitos convencionais, rapidamente nos circuitos de partida rápida a tensão entre os cátodos atrai os elétrons), em seguida os elétrons em excesso ionizam o gás de enchimento, reduzindo a resistência do tubo, o arco salta, o fluxo dos elétrons no arco excita nos átomos de mercúrio, eles mudam de órbita, 37 dando lugar à radiação, a radiação da colisão de elétrons é absorvida pelo pó fluorescente, causando a luminescência. Figura 26: Detalhe do funcionamento da lâmpada fluorescente Fonte: www.geocities.ws 4.2.2 Sistemas de lâmpadas fluorescentes Nos circuitos convencionais os componentes são: reatores, “starter” receptáculo para “starter”, lâmpada e receptáculo ou soquete de lâmpada. Figura 27: detalhe da lâmpada fluorescente Fonte: www.geocities.ws Circuitos Partida Rápida: Chamado assim porque o reator possui enrolamentos separados para aquecerem continuamente os filamentos de lâmpada. Ao ligar o circuitoocorre um rápido aquecimento dos filamentos por meio desses enrolamentos, provocando ionização dos gases de enchimento na lâmpada. O circuito de partida rápido elimina o piscar que está associado ao sistema de partida com o starter (pré-aquecimento). 38 Figura 28: Detalhe do esquema de ligação lâmpada fluorescente Fonte: www.geocities.ws 4.2.3 Tipos e aplicações das lâmpadas fluorescentes As lâmpadas fluorescentes são fabricadas conforme as tonalidade ou cores e formatos, com o objetivo de atender as mais diversas aplicações. Lâmpadas fluorescentes lineares a maior parte de suas aplicações: bibliotecas, indústrias, hospitais, lojas, escolas, oficina, supermercados etc. Lâmpadas fluorescentes compactas têm como aplicação: sala de estar, segurança externa, hotéis, escritórios, lojas, shopping etc. Lâmpadas fluorescentes coloridas se aplicam nas feiras, exposição, Showroom, vitrines, áreas de laser etc. Lâmpadas fluorescentes para aquários: uso exclusivo para aquários. Lâmpadas fluorescentes de neon: aplicação em Letreiros, desenhos para anúncio e decoração. Figura 29: Detalhe do esquema de ligação lâmpada fluorescente Fonte: www.geocities.ws As lâmpadas fluorescentes servem para várias aplicações, algumas são de difícil acesso em locais muitas vezes impróprios para o ser humano estar. Devem 39 ser manuseadas com o máximo de cuidado por seu revestimento interno conter substâncias químicas, fragilidade do qual o bulbo é feito. Os ferimentos com estilhaços são de difícil cicatrização. Lâmpada vapor de sódio de baixa pressão são lâmpadas que possuem um tubo de descarga, contendo sódio sob baixa pressão, que evapora a 98 Graus Celsius e uma mistura de gases inertes (neônio e argônio). É caracterizada por sua radiação monocromática, alta eficiência luminosa, e longa vida. Utilizada em locais onde a reprodução de cor não é importante, por exemplo: autoestradas, portos, pátios de manobras. Figura 30: Detalhe lâmpada vapor de sódio Fonte: www.geocities.ws Lâmpada Mista: combinam a eficiência das lâmpadas de vapor de mercúrio com as propriedades de cor das fontes de luz com tungstênio, com a vantagem de ser ligada diretamente na rede, dispensam o uso de reatores e Starter. Constituição: Base: fixação da Lâmpada com receptáculo (Soquete) e Conexão com a rede elétrica. Base E-27, E-40. Resistor de partida: finalidade de Limitar, na partida a corrente de arco inicial, criar um caminho de alta impedância para o arco principal. Suporte: suspender e manter fixo o tubo de arco e o filamento de tungstênio com relação ao eixo da lâmpada. Filamento: está ligado em série com o tubo de descarga e atua como fonte de luz de cor quente e como limitador de corrente, substituindo o reator. Tubo de Descarga de Arco: onde se produzirá a radiação visível e a radiação ultravioleta. Camada de pó fluorescente: revestimento interno no bulbo com uma camada de fosfato de ítrio Vanadato. 40 Bulbo externo: vidro duplo formato de vóide, é injetada uma mistura gasosa de argônio e nitrogênio que mantém a temperatura constante. Sua aplicação se dá em vias públicas, praças, jardins, estacionamentos, comércio em geral. Figura 31: Detalhe do funcionamento da lâmpada mista Fonte: www.geocities.ws Lâmpada de Vapor de Mercúrio é semelhante à lâmpada de luz mista, porém necessita de reator, que vai atuar como limitador de corrente das lâmpadas. Constitui-se de: Eletrodos principais: feito de tungstênio. É aplicada uma tensão, produzindo a emissão de elétrons que se chocam com os átomos de mercúrio produzindo liberação de energia que é convertida em luz pelo pó do revestimento interno do bulbo. Figura 32: Esquema da lâmpada vapor de mercúrio Fonte: www.geocities.ws Eletrodo Auxiliar: feito de tungstênio destinado a dar partida do arco do tubo. Mola Sustentação: impedir vibrações do tubo de arco e tem sua aplicação em iluminação de vias públicas, praças, jardins, fábricas, parques, estacionamento. 41 Figura 33: Esquema da lâmpada de alta pressão Fonte: www.geocities.ws 4.3 ACESSÓRIOS PARA LÂMPADAS Vamos ver agora alguns acessórios que as lâmpadas necessitam para funcionar e serem instaladas. Receptáculos ou Soquetes são dispositivos que servem para fixação das lâmpadas por sua base permitindo a sua alimentação e facilitando sua substituição. Plafoiners são dispositivos destinados a suportar os receptáculos ou soquetes para lâmpadas incandescentes ou fluorescentes e dar condição de fixação do conjunto na parede ou teto. Luminárias são aparelhos destinados a distribuir, filtrar e controlar a luz gerada por uma ou mais lâmpadas que contenham todos os equipamentos e acessórios necessários para fixar, proteger e alimentar as lâmpadas. Reatores são equipamentos auxiliares e necessários ao funcionamento das lâmpadas de descarga (exceto mista) com a finalidade de proporcionar as condições de partida (ignição) e de maneira a controlar ou estabilizar a corrente do circuito. Reatores eletromagnéticos podem ser para lâmpadas de baixa pressão, fluorescentes (circuitos convencionais e circuitos de partida rápida). Os componentes para circuitos convencionais são: starter, o receptáculo para starter, lâmpada e receptáculo ou soquete para lâmpada. Os reatores para circuitos de partida rápida são reatores para circuitos que possuem enrolamentos separados para aquecerem os eletrodos da lâmpada continuamente. 42 Reatores Eletrônicos são mais leves e econômicos, usam controladores de iluminação. Ignitores são dispositivos destinados especialmente à partida de lâmpadas a vapores metálicos se sódio de alta pressão. Starter interruptor automático de descarga que consiste em uma ampola de vidro contendo gás (neon, ou argônio), um par bimetálico, que se deforma sob a ação do calor e um capacitor para impedir a radiointerferência. O conjunto é encerrado num invólucro de alumínio ou plástico e apresenta dois terminais na parte inferior para as conexões em receptáculo ou soquete próprio. É usado apenas para circuitos convencionais, ou seja, um conjunto de reatores convencionais. Deve-se usar o modelo adequado para cada tipo de potência de lâmpada. 5 NORMA 5410 - INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE BAIXA TENSÃO Vamos ver agora alguns aspectos da norma 5410 - instalações elétricas de baixa tensão que estabelece as condições a que devem satisfazer as instalações elétricas de baixa tensão, a fim de garantir a segurança de pessoas e animais, o funcionamento adequado da instalação e a conservação dos bens. Essa Norma aplica-se principalmente às instalações elétricas de edificações, qualquer que seja seu uso (residencial, comercial, público, industrial, de serviços, agropecuário, hortigranjeiro etc.), incluindo as pré-fabricadas. Essa Norma aplica-se também às instalações elétricas: a) em áreas descobertas das propriedades, externas às edificações; b) de reboques de acampamento (trailers), locais de acampamento (campings), marinas e instalações análogas; c) de canteiros de obra, feiras, exposições e outras instalações temporárias. Essa Norma não se aplica a: a) instalações de tração elétrica; b) instalações elétricas de veículos automotores; c) instalações elétricas de embarcações e aeronaves; d) equipamentos para supressão de perturbações radioelétricas, na medida em que não comprometam a segurança das instalações; e) instalações de iluminação pública; f) redes públicas de distribuição de energia elétrica; 43 g) instalações de proteçãocontra quedas diretas de raios. No entanto, essa Norma considera as consequências dos fenômenos atmosféricos sobre as instalações (por exemplo, seleção dos dispositivos de proteção contra sobretensões); h) instalações em minas; i) instalações de cercas eletrificadas (ver IEC 60335-2-76). Vamos ver algumas definições que a norma nos apresenta: Componente (de uma instalação elétrica): termo empregado para designar itens da instalação que, dependendo do contexto, podem ser materiais, acessórios, dispositivos, instrumentos, equipamentos (de geração, conversão, transformação, transmissão, armazenamento, distribuição ou utilização de eletricidade), máquinas, conjuntos ou mesmo segmentos ou partes da instalação (por exemplo, linhas elétricas). Quadro de distribuição principal: primeiro quadro de distribuição após a entrada da linha elétrica na edificação. Naturalmente, o termo se aplica a todo quadro de distribuição que seja o único de uma edificação. Ponto de entrega: ponto de conexão do sistema elétrico da empresa distribuidora de eletricidade com a instalação elétrica da(s) unidade(s) consumidora(s) e que delimita as responsabilidades da distribuidora, definidas pela autoridade reguladora. Ponto de entrada (numa edificação): ponto em que uma linha externa penetra na edificação. Em particular, no caso das linhas elétricas de energia, não se deve confundir “ponto de entrada” com “ponto de entrega”. A referência fundamental do “ponto de entrada” é a edificação, ou seja, o corpo principal ou cada um dos blocos de uma propriedade. No caso de edificações com pavimento em pilotis (geralmente o térreo) e nas quais a entrada da linha elétrica externa se dá no nível do pavimento em pilotis, o “ponto de entrada” pode ser considerado como o ponto em que a linha penetra no compartimento de acesso à edificação (hall de entrada). Ponto de utilização: ponto de uma linha elétrica destinado à conexão de equipamento de utilização. NOTAS: um ponto de utilização pode ser classificado, entre outros critérios, de acordo com a tensão da linha elétrica, a natureza da carga prevista (ponto de luz, ponto para aquecedor, ponto para aparelho de ar-condicionado etc.) e o tipo de conexão previsto (ponto de tomada, ponto de ligação direta). 44 Uma linha elétrica pode ter um ou mais pontos de utilização. Um mesmo ponto de utilização pode alimentar um ou mais equipamentos de utilização. Ponto de tomada: ponto de utilização em que a conexão do equipamento ou equipamentos a serem alimentados é feita através de tomada de corrente. NOTAS: um ponto de tomada pode conter uma ou mais tomadas de corrente. Um ponto de tomada pode ser classificado, entre outros critérios, de acordo com a tensão do circuito que o alimenta, o número de tomadas de corrente nele previsto, o tipo de equipamento a ser alimentado (quando houver algum que tenha sido especialmente previsto para utilização do ponto) e a corrente nominal da ou das tomadas de corrente nele utilizadas. Alimentação ou fonte normal: Alimentação ou fonte responsável pelo fornecimento regular de energia elétrica. NOTA: uma determinada alimentação pode ser a “normal” durante certo período de tempo e não ser em outro. Por exemplo, em uma instalação cujo consumo de energia elétrica é suprido pela rede de distribuição pública durante certos períodos do dia, mas por geração própria em outros, a “fonte normal” pode ser a rede pública ou a geração local, dependendo do período considerado. 5.1 PRINCIPIOS FUNDAMENTAIS E DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS GERAIS 5.1.1 Instalação dos componentes Toda instalação elétrica requer uma cuidadosa execução por pessoas qualificadas, de forma a assegurar, entre outros objetivos, que: as características dos componentes da instalação não sejam comprometidas durante sua montagem; os componentes da instalação, e os condutores em particular, fiquem adequadamente identificados; nas conexões, o contato seja seguro e confiável; os componentes sejam instalados preservando-se as condições de resfriamento previstas; 45 os componentes da instalação suscetíveis de produzir temperaturas elevadas ou arcos elétricos fiquem dispostos ou abrigados de modo a eliminar o risco de ignição de materiais inflamáveis; e as partes externas de componentes sujeitas a atingir temperaturas capazes de lesionar pessoas fiquem dispostas ou abrigadas de modo a garantir que as pessoas não corram risco de contatos acidentais com essas partes. 5.2 DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS GERAIS Na concepção de uma instalação elétrica devem ser determinadas as seguintes características: a) utilização prevista e demanda (ver na norma item 4.2.1); b) esquema de distribuição (ver na norma item 4.2.2); c) alimentações disponíveis (ver na norma item 4.2.3); d) necessidade de serviços de segurança e de fontes apropriadas (ver na norma item 4.2.4); e) exigências quanto à divisão da instalação (ver na norma item 4.2.5); f) influências externas a que a instalação seja submetida (ver na norma item 4.2.6); g) riscos de incompatibilidade e de interferências (ver na norma item 4.2.7); h) requisitos de manutenção (ver na norma 5410 item 4.2.8). 5.3 UTILIZAÇÃO E DEMANDA – POTÊNCIA DE ALIMENTAÇÃO A determinação da potência de alimentação é essencial para a concepção econômica e segura de uma instalação, dentro de limites adequados de elevação de temperatura e de queda de tensão. Na determinação da potência de alimentação de uma instalação ou de parte de uma instalação devem ser computados os equipamentos de utilização a serem alimentados, com suas respectivas potências nominais e, em seguida, consideradas as possibilidades de não simultaneidade de funcionamento desses equipamentos, bem como capacidade de reserva para futuras ampliações. 46 5.4 PREVISÃO DE CARGA A previsão de carga de uma instalação deve ser feita obedecendo-se às prescrições da norma dos itens de 4.2.1.2.1 a 4.2.1.2.3 da norma NBR5410. a) a carga a considerar para um equipamento de utilização é a potência nominal por ele absorvida, dada pelo fabricante ou calculada a partir da tensão nominal, da corrente nominal e do fator de potência; b) nos casos em que for dada a potência nominal fornecida pelo equipamento (potência de saída), e não a absorvida, devem ser considerados o rendimento e o fator de potência. Iluminação: a) as cargas de iluminação devem ser determinadas como resultado da aplicação da ABNT NBR 5413; b) para os aparelhos fixos de iluminação a descarga, a potência nominal a ser considerada deve incluir a potência das lâmpadas, as perdas e o fator de potência dos equipamentos auxiliares. c) No item da norma (NBR5410) 9.5.2.1 são fixados critérios mínimos para pontos de iluminação em locais de habitação. Com relação aos pontos de tomada temos: a) em locais de habitação, os pontos de tomada devem ser determinados e dimensionados de acordo com o item da norma (NBR5410) 9.5.2.2; b) em halls de serviço, salas de manutenção e salas de equipamentos, tais como casas de máquinas, salas de bombas, barriletes e locais análogos, deve ser previsto, no mínimo, um ponto de tomada de uso geral. Aos circuitos terminais respectivos deve ser atribuída uma potência de no mínimo 1000 VA; c) quando um ponto de tomada for previsto para uso específico, deve ser a ele atribuída uma potência igual à potência nominal do equipamento a ser alimentado ou à soma das potências nominais dos equipamentos a serem alimentados.
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