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1 ELETRICISTA DE INSTALAÇÕES DE PRÉDIOS SENAI/PB 2 FIEP - FEDERAÇÃO DAS INDÚSTRIAS DO ESTADO DA PARAÍBA Presidente: Francisco de Assis Benevides Gadelha SENAI - DEPARTAMENTO REGIONAL DA PARAÍBA Diretora Regional: Maria Gricélia Pinheiro de Melo Diretor Administrativo Financeiro: José Aragão da Silva Diretora de Operações: Maria Berenice de Figueiredo Lopes Diretora de Planejamento e Marketing: Patrícia Gonçalves de Oliveira 3 Federação das Indústrias do Estado da Paraíba Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional da Paraíba ELETRICISTA DE INSTALAÇÕES DE PRÉDIOS Campina Grande 2008 FIEP SESI SENAI IEL SENAI/PB 4 É autorizada a reprodução total ou parcial deste material, por qualquer meio ou sistema, desde que a fonte seja citada. Este material foi atualizado, adequado e revisado pela equipe do SENAI - Departamento Regional da Paraíba, tendo como referencial o Banco de Recursos Didáticos do SENAI, bem como outras fontes bibliográficas citadas nas referências. Informamos que não será permitida qualquer alteração neste material, sem que haja autorização da UNIEP. S491e SENAI. PB. Eletricista de instalações de prédios/SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial – Departamento Regional da Paraíba – Campina Grande: SENAI/PB, 2008. 187p: il 1. Instalações elétricas 2. Qualificação profissional. CDD 621.31924 21 ed. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional da Paraíba Avenida: Manoel Guimarães – 195 – José Pinheiro CEP: 58407-363 – Campina Grande – PB Fone: (83) 2101.5300 Fax: (83)2101.5394 E-mail: senaipb@fiepb.org.br Home page: http://www.fiepb.org.br UA1208 5 SUMÁRIO 1 Eletricidade 9 2 Teoria eletrônica 10 2.1 – Eletrostática 10 2.2 – Carga elétrica 11 2.3 – Eletrização por atrito 11 2.4 – Eletrização por contato 12 2.5 – Eletrização por indução 12 2.6 – Eletrização por pressão 13 2.7 – Eletrização por calor 13 2.8 – Eletrização por luz 14 2.9 – Descarga de cargas elétricas 15 3 Energia e suas formas 16 3.1 – Conversão de energia 16 3.2 – Formas de energia 17 4 Geração de energia elétrica 18 5 Transmissão de energia elétrica 21 6 Distribuição de energia elétrica 21 7 Padrão de fornecimento de energia monofásica e trifásica pela concessionária no estado da Paraíba 23 8 Grandezas elétricas 26 8.1 – Corrente elétrica 26 8.2 – Retificação da corrente alternada 28 8.3 – Tensão elétrica 28 8.4 – Resistência elétrica 29 9 Condutores, isolantes e semicondutores 31 10 Potência elétrica 32 11 Circuito elétrico 37 12 Associação de resistores 42 12.1 – Associação em série de resistores 42 12.2 – Associação em paralelo de resistores 43 12.3 – Associação mista de resistores 44 13 1ª Lei de Kirchhoff (Lei dos Nós ou Lei das Correntes) 47 14 2ª Lei de Kirchhoff 50 15 Magnetismo 56 16 Indução magnética – Imantação 57 17 Permeabilidade magnética 58 18 Eletromagnetismo 60 19 Eletroímã 63 20 Diagramas elétricos 68 21 Aterramento 78 SENAI/PB 6 22 Dimensionamento de condutores 87 23 Dispositivos de proteção contra correntes de subcarga e contra correntes de curto-circuito 90 24 Dispositivos de proteção contra choque elétrico letal 95 25 Emendas ou conexões em instalações elétricas 98 26 Eletrodutos 104 27 Planejamento de uma instalação elétrica 109 28 Divisão da instalação de circuitos 112 29 Setores de uma instalação elétrica 115 30 Dimensionamento de condutores e dispositivos de proteção 116 31 Uso racional de energia elétrica 121 1ª TAREFA – Instalação de lâmpada por interruptor simples 129 2ª TAREFA – Instalação de tomada 2P + T 133 3ª TAREFA – Lâmpada comandada por interruptor simples conjugada com tomada 134 4ª TAREFA – Instalação de lâmpada comandada por interruptor de duas e três seções 135 5ª TAREFA – Instalação de lâmpada comandada por interruptores paralelos 137 6ª TAREFA – Instalação de luminária fluorescente 139 7ª TAREFA – Campainha comandada por botão pulsador 144 8ª TAREFA – Instalação de quadro medidor monofásico 145 9ª TAREFA – Instalação de quadro de distribuição monofásica para 3 disjuntores 146 10ª TAREFA – Instalação de lâmpada comandada por interruptores paralelos e intermediários 147 11ª TAREFA – Instalação de tomada 3P + N + T 149 12ª TAREFA – Instalação de lâmpada incandescente comandada por dimmer 150 13ª TAREFA – Instalação de lâmpada comandada por interruptor de minuteria 152 14ª TAREFA – Instalação de lâmpada comandada por relé fotoelétrico 155 15ª TAREFA – Instalação de lâmpada comandada por sensor de presença 156 16ª TAREFA – Instalação de interfone 158 17ª TAREFA – Quadro de medição trifásico 159 18ª TAREFA – Quadro de distribuição trifásico 160 19ª TAREFA – Instalação de motores monofásicos e trifásicos com chave de partida direta e chave reversora 161 20ª TAREFA – Instalação de motores monofásicos e trifásicos com chave magnética para partida direta 166 21ª TAREFA – Instalação de motor bomba monofásica e trifásica com chave magnética e chave bóia 175 Anexos 180 Referência Bibliográfica 7 APRESENTAÇÃO Caro aluno, Neste momento, você está iniciando seus estudos na área de Eletroeletrônica, no curso de Eletricista de Instalações de Prédios do SENAI – Departamento Regional da Paraíba. Este módulo contém informações necessárias sobre o curso de Eletricista de Instalações de Prédios e tem como objetivo levá-lo a conhecer os princípios e normas técnicas, assim como, os componentes, os instrumentos, as ferramentas e as máquinas utilizadas no dia-a-dia do profissional desta área. O presente módulo é composto de tarefas, nas quais são apresentados conteúdos técnicos necessários para a compreensão de conceitos básicos, a fim de operacionalizar a realização da parte prática. Trata-se de um material de referência, preparado com todo o cuidado para ajudá-lo em sua caminhada profissional. Por isso, desejamos que ele seja, não apenas a porta de entrada no mundo do trabalho, mas, que também indique os vários caminhos que este mundo pode oferecer, quando se tem curiosidade, criatividade e vontade de aprender. SENAI/PB 8 9 1 ELETRICIDADE Um breve histórico Você já imaginou o mundo sem eletricidade? Não existiria nenhum dos equipamentos os quais você utiliza nem o rádio, nem a televisão; tampouco existiriam as máquinas comandadaspor computador e os robôs. A eletricidade está presente no nosso cotidiano, porém não conseguimos vê-la, somente sentir os seus efeitos. Os fenômenos elétricos e magnéticos são conhecidos há séculos. O poder de atração que certas substâncias exerciam sobre outras era manipulado por magos e sacerdotes e sempre exerceu um indiscutível fascínio entre filósofos e cientistas de todas as épocas. Há mais ou menos 2500 anos atrás, o filósofo grego Tales observou que, quando se atritava um pedaço de âmbar em um pedaço de couro macio, o âmbar era capaz de atrair objetos leves, como penas ou pedaços de palha. Porém, ao ser atritado, o âmbar adquiriu outra característica, além do brilho; adquiriu eletricidade. O nome eletricidade vem dessa época, pois elétron era exatamente o nome do âmbar no idioma grego. No século XVI, William Gilbert, médico da rainha Izabel da Inglaterra, descobriu que muitos outros corpos, quando atritados, adquirem a propriedade de atrair corpos leves, isto é, se comportam como o âmbar. Para indicar que esses corpos estavam se comportando como o âmbar, Gilbert dizia que estavam eletrizados. E com a palavra eletrizada ele queria dizer "do mesmo modo que o electron". Esse médico, que não conhecia a causa dessa propriedade que aparece quando os corpos são atritados, chamou-a de eletricidade. Até hoje, mantemos essas expressões: chamamos corpo eletrizado àquele que está com a propriedade de atrair outros corpos, isto é, que manifesta eletricidade. E chamamos corpo neutro àquele que não está eletrizado. Afinal, o que é ELETRICIDADE? A grande maioria dos autores define eletricidade como sendo a manifestação de uma forma de energia associada a cargas elétricas paradas ou em movimento. A linha de raciocínio que seguiremos em nosso estudo defende que a eletricidade está dividida em três partes: a) Eletrostática; b) Eletrodinâmica; c) Eletromagnetismo. Figura 2 - Âmbar Figura 1 - Tales SENAI/PB 10 2 TEORIA ELETRÔNICA 2.1 ELETROSTÁTICA Estuda os fenômenos que ocorrem quando as cargas elétricas estiverem em repouso. Todos os efeitos da eletricidade são conseqüências da existência de uma partícula minúscula chamada “elétron”. Como ninguém pode realmente ver um elétron, somente os efeitos que ele produz, denominamos esse estudo de “teoria eletrônica”. Esta teoria afirma que todos os fenômenos elétricos ocorrem devido ao movimento de elétrons de um lugar para outro, ou resultantes do excesso ou da falta deles em um determinado lugar. Para que possamos compreender melhor os fenômenos elétricos, precisamos saber um pouco sobre a constituição da matéria. Vamos começar definindo matéria, como sendo tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço, sendo formada por pequenas partículas chamadas de moléculas. As moléculas são constituídas por partículas ainda menores chamadas de átomo, que, por sua vez, era tida como a menor partícula do universo e que não poderia mais se subdividir. Por isso, o nome átomo, que em grego significa “não divisível”. Todas as variedades de matéria são constituídas por átomos de muitos tamanhos diferentes. O modelo de átomo mais aceito cientificamente é o proposto pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885 – 1962). Os átomos são constituídos por partículas elementares, sendo as principais: os prótons, os nêutrons e os elétrons. Os prótons são as cargas positivas (+), já os nêutrons (que não tem carga) e os elétrons são as cargas negativas (-). Os prótons e os nêutrons se encontram em aglomerados na parte central do átomo, chamado de núcleo. Ao redor do núcleo, movimentam-se os elétrons. Figura 3 - Átomo Núcleo (prótons e nêutrons) Eletrosfera (elétrons) 11 2.2 CARGA ELÉTRICA Os cientistas mostraram que as cargas positivas e negativas exercem forças umas sobre as outras. A partir de experiências científicas pode-se afirmar que: Cargas elétricas de mesmo sinal repelem-se. E cargas elétricas de sinais contrários atraem-se. Dizemos que um corpo está eletricamente neutro quando tem o número de prótons igual ao de elétrons, ou seja, possuem o mesmo número de cargas positivas (+) e negativas (-). Considere um corpo com maior número de prótons em relação ao numero de elétrons; ele é denominado corpo carregado positivamente. Caso o numero de elétrons seja maior, relacionado ao número de prótons, dizemos que o corpo está carregado negativamente. Na natureza, todos os átomos são eletricamente neutros. Para se originar uma carga positiva ou negativa, o elétron terá que se movimentar, enquanto que as cargas positivas do núcleo permanecem imóveis. Vejamos adiante, métodos utilizados para causar o movimento dos elétrons nos materiais. Esses métodos são chamados de eletrização. 2.3 ELETRIZAÇÃO POR ATRITO A fricção é a principal fonte conhecida como eletricidade estática. Quando dois corpos são atritados entre si, há o movimento de elétrons. O material que cede Figura 5 a, b e c – Cargas elétricas dos átomos (a) Átomo eletricamente neutro (ou em equilíbrio) (b) Átomo carregado positivamente (c) Átomo carregado negativamente Figura 4 – Atração e repulsão das cargas SENAI/PB 12 elétrons fica carregado positivamente, enquanto que o que recebe elétrons fica carregado negativamente. Exemplo: Atritando-se um bastão de vidro contra uma flanela de algodão, o bastão de vidro perderá elétrons, que serão recebidos pela flanela de algodão. Então, o bastão de vidro ficará com carga positiva (eletrizado positivamente). 2.4 ELETRIZAÇÃO POR CONTATO Se um objeto possuir uma carga elétrica estática, ele influenciará todos os outros objetos próximos. Essa influência poderá ser exercida por contato ou por indução. A carga positiva significa falta de elétrons e sempre atraí elétrons de outros materiais, enquanto que a carga negativa significa excesso de elétrons e sempre repele elétrons de outros materiais. Aproximando-se um corpo neutro (B) em um corpo carregado negativamente (A), as cargas de sinais iguais, na área de contato entre os corpos, se afastarão e as cargas de sinais diferentes serão atraídas. Algumas das cargas negativas passaram de um corpo para o outro, que continuará carregado negativamente, porém, com menos excesso de elétrons. 2.5 ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO Um corpo que está carregado eletricamente, ao ser aproximado a um corpo neutro, sem tocá-lo, separa as cargas deste último. As cargas de sinais diferentes se atraem para o ponto mais próximo entre os corpos, havendo assim a separação das cargas positivas e negativas do corpo neutro. Figura 6 – Eletrização por atrito Após o atrito. Figura 7 – Eletrização por contato A (negativo) e B (neutro) estão isolados. Colocando-os em contato, as cargas de A (-) passam para B. Após o contato, os dois corpos estarão eletrizados negativamente. 13 2.6 ELETRIZAÇÃO POR PRESSÃO Cristais de certos materiais, quando submetidos a pressão, produzem movimento das cargas elétricas. O exemplo mais comum é o quartzo. Se um cristal de quartzo for colocado entre duas placas metálicas de natureza diferentes e, sobre as mesmas, for aplicada uma pressão, será detectada a presença de movimento das cargas elétricas dos materiais envolvidos. Esse movimento será proporcional à pressão aplicada sobre as placas metálicas. Apesar do uso da pressão não ser viável para a produção em grande escala de energia elétrica,ela é o princípio de funcionamento de pequenos aparelhos, como: microfones, fonocaptores, sonares, etc. 2.7 ELETRIZAÇÃO POR CALOR O calor também é conhecido por ser capaz de gerar movimento das cargas elétricas entre metais de natureza diferentes. Ao emendarmos dois fios, um de cobre e outro de alumínio, e aquecermos a emenda com uma fonte qualquer de calor, será detectado, nas extremidades da emenda, um pequeno movimento entre as cargas elétricas dos materiais. Figura 8 – Eletrização por indução (1) (2) (3) (4) Figura 9 – Eletrização por pressão Pressão exercida sobre as placas Chapas metálicas Superfície Cristal de Quartzo + _ Terminais SENAI/PB 14 Na prática, esse procedimento não é utilizado para a produção de energia elétrica, mas sim em dispositivos indicadores de calor, utilizados para controlar a temperatura de fornos, estufas, painéis, aquecedores, etc. 2.8 ELETRIZAÇÃO POR LUZ Certas substâncias, ao serem atingidas pela luz, são capazes de produzir os movimentos dos elétrons livres. Esse processo de produção de energia elétrica através da luz é chamado de energia foto-voltaica ou, simplismente, fotocélula. A fotocélula é um sanduíche metálico composto por três camadas de materiais em forma circular. As camadas externas são formadas por ferro e por uma película translúcida (capaz de permitir a passagem da luz). A camada central é feita de uma liga de selênio. As camadas externas atuam como eletrodos. Quando a luz inside sobre a liga de selênio, através do material translúcido, gera-se um movimento de carga elétrica entre as camada externas. Na prática, já podemos obter energia elétrica através da luz para a produção em grande escala, assim como para equipamentos de pequeno porte, como calculadoras, veículos, etc. Figura 10 – Eletrização por calor Fonte de calor Chapas metálicas soldadas + _ Terminais Figura 11 – Eletrização por luz Ferro Liga de selênio Material translúcido Entrada de luz Terminais + _ 15 2.9 DESCARGA DE CARGAS ELÉTRICAS Por contato: Acontece quando existe o contato entre o corpo eletrizado e o solo, através de um condutor. Exemplo desse tipo de descarga é o aterramento elétrico. Por arco: Quando dois corpos com cargas elétricas elevadas e diferentes são aproximados, os elétrons do corpo carregado negativamente tendem a migrar para o corpo carregado positivamente, podendo saltar de um corpo para o outro, mesmo antes de haver o contato entre eles. Neste caso, haverá uma descarga em forma de centelha ou arco elétrico. O raio é um exemplo desse tipo de descarga. EXERCÍCIO 1º Assinale a alternativa correta. Podemos dizer que são exemplo de matéria: a) borracha, vidro e calor b) luz, cobre e vapor c) madeira, mica e amianto d) eletricidade, luz e calor 2º É a parte da ciência que estuda a eletricidade estática, produzida por cargas elétricas de um corpo em repouso. A afirmação anterior refere-se a: a) eletrostática b) eletrodinâmica c) eletromagnetismo d) eletropneumática Figura 13 – Descarga elétrica por arco Elétrons migram p/ o outro corpo sem haver contato entre eles. Figura 12 – Descarga elétrica por contato SENAI/PB 16 3º É exemplo de geração de energia por ação química a) fotocélula b) cristais de quartzo c) pirômetro d) pilha voltaica 4º Complete: Dizemos que um material com falta de elétrons está carregado ___________________. Já um material com excesso de elétrons está carregado ___________________. 5º Defina um corpo neutro. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 6º Diga quais as formas que podemos utilizar para eletrizar um corpo. Em seguida, comente sobre uma delas. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 7º O que leva um corpo neutro a adquirir cargas elétricas? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3 ENERGIA E SUAS FORMAS ENERGIA A energia pode ser definida como sendo a capacidade de realizar trabalho ou como o resultado da realização de um trabalho. Na prática, a energia é melhor “sentida” do que definida. 3.1 CONVERSÃO DE ENERGIA A Lei de Conservação da Energia, em síntese, mostra que “num sistema isolado a energia interna permanece constante”, ou ainda que “a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma para outra”. 17 3.2 FORMAS DE ENERGIA Existem várias formas ou modalidades de energia, citaremos algumas: a) Energia mecânica Energia cinética: É associada ao movimento dos corpos. Ex: a energia das correntes de água, do vento, etc. Energia potencial: É associada a posição em que se encontra o corpo. Ex: energia da água represada, dos elásticos, molas, etc. b) Energia elétrica: É a forma mais prática de energia, pois pode ser transportada a grandes distâncias pelos condutores (fios e cabos). Essa energia pode ser transformada em outras modalidades de energia, sem muitas dificuldades e com custos relativamente baixos. c) Luz e calor: A energia luminosa e a energia térmica são fáceis de serem “sentidas”. Ex: o sol, a luz de uma lâmpada incandescente e o calor. d) Energia química: É associada às reações químicas nos materiais para a produção de energia elétrica. Quando dois materiais de naturezas diferentes são colocados em uma solução ácida, produzem energia elétrica. Ex: pilhas e baterias. e) Energia nuclear: Consiste no uso controlado das reações nucleares para a obtenção de energia a fim de realizar movimento, calor e geração de eletricidade. Existem duas formas de aproveitar a energia nuclear para convertê-la em calor: a Figura 14 – Conservação da energia SENAI/PB 18 fissão nuclear, cujo núcleo atômico se subdivide em duas ou mais partículas, e a fusão nuclear, na qual, ao menos, dois núcleos atômicos se unem para produzir um novo núcleo. A principal vantagem da energia nuclear é o não lançamento de gases tóxicos na atmosfera, eximindo-se pela responsabilidade pelo aumento do efeito estufa. 4 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA FONTES GERADORAS DE ENERGIA ELÉTRICA As formas de produção diferenciam-se de acordo com a fonte geradora, o impacto no meio ambiente e a viabilidade econômica. As fontes podem ser não- renováveis ou renováveis. As não-renováveis correspondem aos recursos naturais finitos no meio ambiente, como o urânio, o manganês e os combustíveis fósseis (petróleo, carvão mineral e gás natural); já as renováveis, uma vez exploradas pelo homem, se reconstituem espontaneamente ou por meio de práticas de conservação. Entre elas, estão o sol, o ar e a água. Devido ao grande potencial hidráulico do Brasil, a maior parte da energia elétrica gerada, provém de hidroelétricas, estimando-se mais de 150 milhões de KW (Quilo Watts), que corresponde a aproximadamente 90% de toda energia produzida. Usinas hidroelétricas Converte em eletricidade a energia de movimento de correntes de água. O dispositivo de conversão é formado por uma turbinaacoplada a um gerador. A turbina para geração de energia elétrica é constituída de um eixo, dotado de pás. Estas podem ser acionadas por água corrente e, então, o seu eixo entra em rotação e move a parte interna do gerador, fazendo aparecer, por um fenômeno denominado indução eletromagnética. Como exemplos de grandes usinas hidroelétricas brasileiras, podemos citar as usinas de Paulo Afonso, Ilha Solteira, Jupiá, Furnas e Itaipú. Figura 15 – Esboço de uma hidroelétrica Turbina Gerador 19 Figura 17 – Usina eólica Usina termoelétrica e usina nuclear Nas usinas termoelétricas, o gerador é acionado pelo vapor d’água que sai de uma caldeira aquecida, para aquecer essa caldeira, através do calor desenvolvido na queima de combustíveis fósseis. Assim, temos a transformação da energia térmica em energia elétrica. As usinas nucleares funcionam como as usinas termoelétricas. A única diferença é que, nas usinas nucleares, o calor utilizado para produzir o vapor que aciona o gerador é obtido por meio de reações químicas nucleares, que se desenvolvem em um reator atômico. Portanto, nestas usinas, temos a transformação de energia nuclear (química) em energia elétrica. Usina eólica A energia dos ventos é uma abundante fonte de energia renovável, limpa e disponível em todos os lugares. A energia eólica é a energia obtida pelo movimento do ar, pela força dos ventos. Atualmente, no Brasil, é um processo de produção de energia que vem sendo largamente estudado. Figura 16 – Usina nuclear SENAI/PB 20 Usina de energia maremotriz É um sistema de geração de energia elétrica, no qual se utiliza o movimento de fluxo das marés para movimentar uma comporta, que está diretamente ligada a um sistema de conversão, proporcionando assim a geração de eletricidade. As marés servem para gerar eletricidade que é obtida a partir do movimento regular, a cada 12 horas de elevação (fluxo) e abaixamento (refluxo) do nível do mar. Usina solar A usina solar é uma forma de obtenção de energia ecológica, pois capta a luz do sol e a transforma em energia, sem causar danos ao meio ambiente. Exigi-se que o local de sua instalação seja aplainado e liberado de obstáculos. Geralmente suas instalações se situam em regiões ensolaradas, de pouca nebulosidade. Por vezes, se situam em clima seco, onde não existe volume de água suficiente para manter em funcionamento uma hidrelétrica convencional. Porém, esta usina não funciona a noite e, ao nascer do sol e no poente, sua eficiência cai drasticamente. Sua utilização ainda é apenas relegada a um segundo plano, apenas fornecendo energia elétrica suplementar às redes de distribuição. Figura 18 – Usina maremotriz Figura 19 – Célula solar Conversor Controlador de cargas Placa fotovoltaica Banco de baterias 21 5 TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA O transporte de energia elétrica do ponto de geração aos centros consumidores é chamado de transmissão de energia elétrica. Normalmente, essa energia é produzida na fonte geradora com uma tensão de 13,8 KV, nos geradores trifásicos de corrente alternada. Mas, por uma série de fatores, principalmente, econômicos, deve ser elevada a valores padronizados em função da potência a ser transmitida e das grandes distâncias até os centros consumidores. Dessa forma, junto à fonte geradora, existe uma subestação elevadora que elevará a tensão de 13,8 KV em corrente alternada para valores específicos de transmissão. As tensões mais utilizadas nas linhas de transmissão são: 69KV, 78KV, 230KV, 400KV, 500KV. A partir de 500KV, normalmente, é feito um estudo de viabilidade econômica para determinar se vai ser utilizada a tensão alternada ou contínua. Temos, como exemplo, a usina de Itaipu que possui uma subestação retificadora numa tensão de 600 KV. 6 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA É a parte do sistema elétrico já dentro dos centros de utilização (cidades, bairros, indústrias). A distribuição começa na subestação abaixadora, onde a tensão de linha de transmissão é baixada para valores padronizados nas redes de distribuição primária (11KV, 13.8KV, 15KV, 34.5KV). A parte final de um sistema elétrico é a subestação abaixadora ou transformador abaixador para baixa tensão que recebendo a tensão primária e transforma-a para tensão de utilização (380/220V, 220/127V), de acordo com a região. Figura 20 – Transmissão de energia elétrica Figura 20.a – Subestação Figura 20.b – Linha de transmissão SENAI/PB 22 GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Veja na figura 22, o percurso que a energia elétrica faz, desde a geração, até a chegada em sua casa. Figura 21 – Distribuição de energia elétrica Figura 21.a – Rede primária (3 condutores) Rede secundária (4 condutores) Figura 21.b – Transformador Usina Hidro- Elétrica Subestação elevadora Linhas de transmissão Subestação abaixadora Transformador secundário Centros consumidores Figura 22 – Geração, transmissão e distribuição de energia elétrica 23 7 PADRÃO DE FORNECIMENTO DE ENERGIA MONOFÁSICA E TRIFÁSICA PELA CONCESSIONÁRIA NO ESTADO DA PARAÍBA As concessionárias de energia fornecem energia elétrica para os consumidores, de acordo com a carga (KW) instalada e em conformidade com a legislação em vigor – Resolução nº. 456 “Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica” de 29/11/00, da ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Tensões de fornecimento O fornecimento de energia a partir de redes de distribuição será feito segundo as normas da concessionária local (ENEGISA), nas seguintes tensões: Quadro nº 1 – Tensões de fornecimento Categoria Quantidade de condutores Tensão entre os condutores Potência instalada Monofásico 2 condutores (fase + neutro) 220V 0 à 15KW Trifásico 4 condutores (3 fases + neutro) 220V / 380V 15 à 75KW Obs.: Os consumidores serão atendidos com o padrão monofásico 2 fios (fase + neutro) de 220V, com carga instalada até 15KW, caso não conste: ���� Motor monofásico com potência superior a 2 CV (ou HP); ���� Máquina de solda a transformador com potência superior a 2 KVA. Figura 23 - Padrão de altura da rede, Imagem extraída da (NDU 001 – Concessionária ENERGISA) SENAI/PB 24 Figura 24 - Padrão monofásico de distribuição de energia elétrica (Imagem extraída da NDU 001 – Concessionária ENERGISA) 25 EXERCÍCIO 1º O que são fontes geradoras de energia elétrica? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 2º Cite algumas formas de energia que podemos transformar em energia elétrica e onde elas são transformadas. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 3º Cite alguns exemplos de hidroelétricas brasileiras. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________4º Comente sobre os meios ecologicamente mais corretos de geração de energia elétrica. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 5º Descreva, na seqüência correta, o percurso que a energia elétrica faz até chegar às residências. 1-_____________________________ 2-_____________________________ 3-_____________________________ 4-_____________________________ 5-_____________________________ 6-_____________________________ SENAI/PB 26 8 GRANDEZAS ELÉTRICAS 8.1 CORRENTE ELÉTRICA (I) Entende-se por corrente elétrica, o movimento ou fluxo orientado das cargas elétricas dentro de um condutor, provocado pelo desequilíbrio elétrico entre as extremidades do material. A unidade de medida utilizada para determinar a quantidade de corrente elétrica que passa por um condutor ou por uma carga é o Ampére, que tem por símbolo a letra A. Exemplo: Intensidade da corrente elétrica = 10 Ampéres I = 10A O instrumento utilizado para medição da intensidade da corrente elétrica é o amperímetro. Tipos de amperímetros: Esquema de medição: O amperímetro é conectado em série com a carga. A Figura 25 a, b – Elétrons no condutor (a) Elétrons desordenados (b) Elétrons ordenados Figura 26 – Amperímetros Figura 27 – Ligação do amperímetro ao circuito 27 Corrente contínua É o fluxo ordenado de elétrons sempre numa mesma direção. Esse tipo de corrente é gerado por baterias, pilhas, dínamos, células solares e fontes de alimentação, pois retificam a corrente alternada transformando-a em contínua. Normalmente são utilizadas para alimentar aparelhos eletrônicos, rede telefônica e circuitos digitais. Simbologia usual: CC – Corrente Contínua (em inglês: DCA - Direct Current Alternate)) Dizemos que o circuito CC é polarizado, pois possui um pólo negativo ( - ) e outro positivo ( + ). A intensidade da corrente cresce no início até um ponto máximo, mantendo-se contínua, ou seja, sem alterar a polaridade. Quando desligada, diminui até zero e extingue-se. Representações gráficas: Corrente alternada Na corrente alternada, o fluxo de elétrons inverte o seu sentido várias vezes por segundo. A essa inversão de polaridade, damos o nome de freqüência da CA, que é medida em Hertz (Hz). Na corrente que dispomos em nossas residências, essa troca de polaridade ocorre à uma freqüência de 60 vezes/segundo, ou seja, 60 Hz. Simbologia usual: CA – Corrente Alternada (em inglês: AC – Alternate Current) Uma das formas de obtermos CA é diretamente da rede elétrica das concessionárias. A rede elétrica residencial é normalmente formada por uma fase e por um neutro, conhecida como rede elétrica monofásica; já a rede elétrica de uso Figura 28 – Formas de onda da CC SENAI/PB 28 Nota: Diodos são dispositivos semicondutores feitos de silício ou germânio, formando uma estrutura chamada de junção PN. industrial é composta por três fases e um neutro, uma vez que muitos dos motores industriais são trifásicos. Esta rede é conhecida como rede elétrica trifásica. Tipos de ondas CA: 8.2 RETIFICAÇÃO DA CORRENTE ALTERNADA Como vimos, a princípio, a distribuição de energia elétrica pelas concessionárias se dá sob a forma de CA por uma série de facilidades operacionais. No entanto, muitos aparelhos, sobretudo os eletrônicos, necessitam de CC para funcionarem. Nestes casos, utilizamos dispositivos adaptadores conhecidos no mercado como eliminadores de pilhas. Estes dispositivos utilizam alimentação em CA, da rede elétrica, e convertem esta energia em CC com nível de tensão adequado para o equipamento a que se destina. Dispositivos semelhantes também são utilizados para a recarga de baterias. 8.3 TENSÃO ELÉTRICA (E ou U) Quando, entre dois pontos de um condutor, existe uma diferença entre as concentrações de elétrons, isto é, de carga elétrica, diz-se que existe uma diferença Diodo Entrada em CA Saída em CC Figura 30 – Ponte retificadora Figura 29 – Formas de onda da CA Senóide Retangular Quadrada 29 de potencial elétrico ou uma tensão elétrica entre esses dois pontos. Em outras palavras, a tensão elétrica é a "força" responsável pela movimentação de elétrons. Para facilitar o entendimento do que seja a tensão elétrica, pode-se fazer um paralelo desta com a pressão hidráulica. Quanto maior a diferença de pressão hidráulica entre dois pontos, maior será o fluxo, caso haja comunicação entre estes dois pontos. O fluxo (que em eletrodinâmica seria a corrente elétrica) será assim uma função da pressão hidráulica (tensão elétrica). A tensão é medida em volts V, através de um instrumento chamado voltímetro. Esquema de medição: O voltímetro é conectado em paralelo com o circuito. 8.4 RESISTÊNCIA ELÉTRICA É a capacidade que um corpo qualquer tem de se opor à passagem de corrente elétrica por si, quando existe uma diferença de potencial aplicada. Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. V Como registro fechado existe uma diferença de potencial hidráulico entre A e B Ao abrir o registro, existirá uma força em busca do equilíbrio hidráulico. A B Figura 31 – Analogia da tensão elétrica com a água Voltímetro Voltímetro Figura 32 – Conexão do voltímetro ao circuito SENAI/PB 30 A unidade de medida utilizada para a resistência elétrica é o Ohm, simbolicamente representado pela letra grega Ω (ômega). Usualmente, o instrumento que determina a resistência elétrica de um material é o Ohmímetro, porém, para medirmos resistências altíssimas, usamos o megohmetro (considerado um teste de isolador elétrico). Esquema de ligação: Ambos são conectados em paralelo com a carga, quando a mesma estiver desenergizada e desconectada do circuito. Fatores que influenciam na resistência elétrica dos materiais a) Natureza do material – Cada material apresenta uma resistência específica, conforme sua composição química. Para levar em conta esse fator, associa-se a cada tipo de material um parâmetro denominado resistividade. Resistividade: É a resistência de um material qualquer, com um comprimento de 1m e a secção de 1mm2, a uma temperatura de 20ºC. TABELA 1 - Resistividade dos principais condutores Ω M Ω Ohmímetro Megohmetro Figura 33 – Conexão do ohmímetro à resistência. 31 b) Comprimento do material – Quanto maior o comprimento do material, maior será a resistência elétrica oferecida pelo mesmo. c) Área da secção – Quanto maior a área da secção do material, menor a resistência elétrica oferecida pelo mesmo. d) Temperatura do material – Quanto maior a temperatura aplicada ao material, maior será a resistência elétrica oferecida pelo mesmo. Em alguns materiais o aumento da temperatura não causa modificações na intensidade da resistência oferecida. Sendo assim, a fórmula querepresenta as relações entre a resistência elétrica e os fatores citados acima é: R - Resistência elétrica em Ω ρ - Resistividade em Ω. m L - Comprimento em m S - Secção transversal em mm2 Exemplo: Calcule a resistência elétrica de um condutor de cobre com 100m de comprimento e 1,5mm2 de secção transversal. Dados: R =? ρ = 0,017 Ω L= 100 m S = 1,5 mm2 9 CONDUTORES, ISOLANTES e SEMICONDUTORES Os condutores de eletricidade são meios materiais que permitem facilmente a passagem de cargas elétricas. Eles se caracterizam pela camada de valência dos átomos que constituem o material. Essa camada de valência é a última camada de distribuição dos átomos. Nos condutores a grande distância entre essa última camada e o núcleo, faz com que os elétrons tenham facilidade de se deslocar para um átomo vizinho, em virtude das forças que ocorrem no interior dos átomos. Esses elétrons que abandonam o átomo são chamados de “elétrons livres”. Os metais em geral são bons condutores de eletricidade, pois eles possuem muitos elétrons livres. O carvão e a água são algumas das substâncias não-metálicas que também podem ser usadas como condutores. R = ρ L S Figura 34 – Material condutor R = ρ L S 0,017 x 100 1,5 = = 1,13 Ω SENAI/PB 32 Os materiais isolantes fazem o papel contrário dos condutores, pois são materiais nos quais não há facilidade de movimentação de cargas elétricas, ou seja, é preciso uma força muito grande para retirar algum elétron de sua órbita. Alguns exemplos de materiais não condutores ou isolantes são: couro, vidro, borracha, plástico, papel, baquelita, mica, madeira, algodão, porcelana, etc. Os materiais semicondutores são sólidos cristalinos que apresentam condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica. Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos, tais como diodos, transistores, nanocircuitos, etc. Portanto, atualmente, o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes. O exemplo mais comum é o silício. 10 POTÊNCIA ELÉTRICA Potência é definida como sendo a capacidade de realizar trabalho em um determinado tempo. Potência elétrica (P) é o trabalho realizado pela corrente elétrica em uma unidade de tempo, sendo também conhecido como trabalho elétrico. Em outras palavras, potência elétrica é uma grandeza que mede a rapidez com que a energia elétrica é transformada em outra forma de energia. Uma lâmpada, ao ser percorrida pela corrente elétrica, ela acende e aquece. A luz e o calor produzidos nada mais são do que o resultado da potência elétrica, que foi transformada em potência luminosa (luz) e potência térmica (calor). Unidades de medida da potência elétrica • Potência ativa – W (Watt) • Potência aparente – VA (Volt-Ampére) • Potência reativa – VAR (Volt-Ampére resistivo) • Potência mecânica – CV (Cavalo vapor) • Potência mecânica – HP (Horse power) Diodo Transistor Microchip Figura 35 – Material semicondutor 33 Transformação de Potência Mecânica em Potência Ativa Cálculo da Potência Elétrica MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS TABELA 2 - Múltiplos e submúltiplos das unidades de medidas elétricas Grandeza Nome Símbolo Relação Corrente Microampére µA 0,000001A Submúltiplos Miliampére mA 0,001A Ampére A 1A Quiloampére KA 1000A Múltiplos Mega-Ampére MA 1000000A Tensão Microvolt µV 0,000001V Submúltiplos Milivolt mV 0,001V Volt V 1V Quilovolt KV 1000V Múltiplos Megavolt MV 1000000V Resistência Micro Ohm µΩ 0,000001Ω Submúltiplos Mili Ohm mΩ 0,001Ω Ohm Ω 1Ω Quilo Ohm KΩ 1000Ω Múltiplos Mega Ohm MΩ 1000000Ω Potência Microwatt µW 0,000001W Submúltiplos Miliwatt mW 0,001W Watt W 1W Quilowatt KW 1000W Múltiplos Megawatt MW 1000000W 1 CV ≈ 736 W 1 P = E x I SENAI/PB 34 EXERCÍCIO 1º Corrente elétrica é: a) ( ) o movimento de átomos nos condutores; b) ( ) o movimento de nêutrons nos condutores; c) ( ) o movimento de elétrons nos condutores; d) ( ) N.D.R. 2º Unidade de medida da corrente elétrica é: a) ( ) miliampére b) ( ) quiloampére c) ( ) volt d) ( ) Ampére 3º A corrente elétrica é representada pela letra: a) ( ) A b) ( ) E c) ( ) I d) ( ) R 4º O instrumento de medida da corrente elétrica é o: a) ( ) amperímetro b) ( ) voltímetro c) ( ) ohmímetro d) ( ) correntímetro 5º Faça as conversões dos valores para a unidade mais adequada: a) 5000 A _________________ b) 0,0010 A _________________ c) 5780 mA _________________ d) 0,000000008 KA _________________ e) 50000000 A _________________ 6º A tensão elétrica é: a) ( ) a força que movimenta os elétrons no condutor; b) ( ) a força que movimenta os prótons no condutor; c) ( ) a força que movimenta os condutores; d) ( ) o movimento dos elétrons no condutor; e) ( ) N.D.R. 7º A unidade de medida da tensão elétrica é: a) ( ) Coulomb b) ( ) watt c) ( ) volt d) ( ) Ohm 8º O instrumento de medição da tensão elétrica é o: a) ( ) wattímetro b) ( ) amperímetro c) ( ) régua de medir tensão d) ( ) voltímetro 35 9º A tensão elétrica é representada pela letra: a) ( ) A b) ( ) W c) ( ) V d) ( ) E 10º Faça as conversões: a) 0,250 KV _____________ b) 851000 KV _____________ c) 69000 KV _____________ d) 0,100 V _____________ e) 0,000048 V _____________ 11º Resistência elétrica é: a) ( ) a movimentação de corrente nos condutores; b) ( ) a diferença de potencial entre dois pontos do circuito; c) ( ) a dificuldade encontrada pela corrente ao atravessar um material; d) ( ) a facilidade encontrada pela corrente ao atravessar um material. 12º A unidade de medida da resistência elétrica é: a) ( ) MHO b) ( ) HOM c) ( ) SIEMENS d) ( ) OHM 13º O instrumento utilizado para medir a resistência elétrica é o: a) ( ) voltímetro b) ( ) amperímetro c) ( ) resistômetro d) ( ) ohmímetro 14º A resistência elétrica é representada pela letra: a) ( ) S b) ( ) Ω c) ( ) V d) ( ) R 15º Quando precisamos medir a resistência elétrica de um elemento, o mesmo deverá estar: a) ( ) desenergizado b) ( ) energizado c) ( ) conectado a outro elemento d) ( ) desconectado do circuito e desenergizado 16º Quais os fatores que alteram os valores de resistência elétrica? a) ( ) Natureza do material, comprimento, secção, temperatura; b) ( ) Comprimento, natureza do material, secção, umidade; c) ( ) Secção, temperatura, voltagem, sujeira; d) ( ) Nada altera a resistência elétrica de um material. SENAI/PB 36 17º Quais os elementos que melhor conduzem energia elétrica? a) ( ) Ouro e cobre b) ( ) Prata e alumínio c) ( ) Alumínio e cobre d) ( ) Ouro e prata 18º Defina: a) Material condutor ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________. b) Material isolante ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________. c) Semicondutor ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________. 19º O enunciado da Lei de Ohm afirma que: a) ( ) acorrente é igual à tensão e menor que a resistência; b) ( ) a corrente é diretamente proporcional a resistência e inversamente proporcional à tensão; c) ( ) a corrente é diretamente proporcional a tensão e inversamente proporcional à resistência; d) ( ) é proibido fazer instalação com o circuito energizado. 20º Qual a fórmula fundamental da Lei – de – Ohm? a) ( ) I = E / R b) ( ) I = E x R c) ( ) P = E x I d) ( ) R = E x I 21º Em um circuito em série, o que acontece com a tensão e com a corrente? a) ( ) Ambos se dividem pelos consumidores; b) ( ) A tensão se divide e a corrente é a mesma para os consumidores; c) ( ) A tensão é a mesma e a corrente se divide para todos os consumidores; d) ( ) N.D.R. 22º Em um circuito paralelo, o que acontece com a tensão e com a corrente? a) ( ) A tensão não circula e a corrente passa pelos consumidores; b) ( ) A tensão é mais rápida que a corrente e se dividem; c) ( ) A tensão é a mesma e a corrente se divide para os consumidores; d) ( ) Ocorre o mesmo que no circuito em série. 37 23º Calcule e registre os valores de resistência dos materiais: Material Comp.(m) Secção (mm2) Resistividade(Ω) Resistência(Ω) Cobre 180 3 0,017 � Tungstênio 75 0,8 0,050 � Alumínio 530 30 0,03 � Cálculos: 11 CIRCUITO ELÉTRICO Circuito é todo percurso que representa um caminho fechado. Circuito elétrico é o caminho fechado por onde pode circular a corrente elétrica. Para que um circuito elétrico possa existir precisamos ter: a) fonte geradora b) consumidor elétrico c) condutor elétrico d) dispositivo de manobra a) Fonte Geradora: É aquela que gera ou produz energia elétrica a partir de outro tipo de energia. Ex: pilhas, baterias, gerador. b) Consumidor elétrico: É o elemento do circuito que transforma energia elétrica em outro tipo de energia. Ex: lâmpadas, motores, eletrodomésticos. Figuras 36 – Componentes de um circuito elétrico (a) (b) (c) (c) (d) (c) SENAI/PB 38 c) Condutor elétrico: É aquele que faz a ligação entre o consumidor e a fonte, permitindo a circulação da corrente. Ex: fios, cabos, barramentos. d) Dispositivo de manobra: É aquele que opera ou manobra o circuito, Interrompendo, ou permitindo, a passagem da corrente elétrica. Ex: interruptor, botão, etc. CIRCUITO FECHADO (figura 37a) É o circuito que tem continuidade, e que dá passagem à corrente elétrica. CIRCUITO ABERTO (figura 37b) É o circuito que não tem continuidade, que está interrompido. TIPOS DE CIRCUITO Tem-se uma associação de consumidores quando há dois ou mais destes, conectados à mesma fonte e/ou dispositivo de proteção. Os tipos de associações ou circuitos são: • Circuito Série; • Circuito Paralelo; • Circuito Misto. CIRCUITO SÉRIE Consideram-se consumidores ligados em série, quando estão ligados com a fonte, seguidos do outro. Figura 38 – Lâmpadas ligadas em série I I I Figura 37a - Circuito fechado, corrente circula. I Figura 37b - Circuito aberto, corrente não circula. 39 Observa-se que o terminal de saída do primeiro consumidor é conectado ao terminal de entrada do segundo, e o terminal de saída do segundo, ao terminal de entrada do terceiro e assim sucessivamente. Assim, é possível deduzir que o circuito série apresenta apenas um caminho para a passagem da corrente elétrica; logo, se esse caminho for interrompido, ou seja, se um dos consumidores queimar ou for desconectado, a corrente deixará de circular e, conseqüentemente, todos os outros consumidores deixarão de funcionar. CIRCUITO PARALELO Diz-se que um circuito é paralelo quando todos os terminais de entrada dos consumidores encontram-se conectados em um ponto em comum, e todos os terminais de saída encontram-se conectados a outro ponto em comum. Geralmente estes pontos em comum são os terminais da fonte de alimentação. Como podemos observar, ao contrário da ligação em série, o circuito paralelo oferece vários caminhos para a passagem da corrente elétrica, o que significa que, se um dos consumidores queimar ou for desconectado, os outros continuarão funcionando normalmente. CIRCUITO MISTO São consideradas associações mistas àquelas em que encontramos consumidores conectados, tanto em série quanto em paralelo. Nesse tipo de circuito, I = 0 Figura 39 – Lâmpada desconectada (circuito aberto) Figura 40 – Circuito paralelo (mais de um caminho para a corrente elétrica) I I SENAI/PB 40 Nota: Quando os valores de um circuito estiverem expressos em múltiplos ou submúltiplos das unidades, devem ser convertidos para as unidades fundamentais (Volt, Ampère e Ohm), antes de serem usados nas equações. “A intensidade da corrente elétrica que percorre um condutor é diretamente proporcional à diferença de potencial e inversamente proporcional a resistência elétrica do circuito.” George Simon Ohm observamos que a corrente total, ora tem um único caminho para percorrer, ora tem mais de um. LEI DE OHM A Lei de Ohm estabelece uma relação entre as grandezas Tensão (E), Corrente (I) e Resistência (R) em um circuito. Ela é a lei básica da eletricidade e da eletrônica. Enunciado: Sempre que se conhecem dois valores em um circuito, o terceiro valor pode ser determinado pela Lei de Ohm. Representação matemática da Lei de Ohm: Figura 41 – Circuito misto ( b ) I I ( a ) I I Corrente = Tensão Resistência E R I I = E R E = R x I R = E I 41 Exemplo: Uma lâmpada utiliza uma alimentação de 6V e tem 3,6KΩ de resistência. Qual a corrente que circula pela lâmpada quando ela é ligada? Solução: Como os valores de V e R já estão nas unidades fundamentais (Volt e Ohm), aplicam-se os valores na equação: Transformando-se: R = 36KΩ = 3600Ω I = E / R I = 6 / 3600 I = 0,001666 A ou I = 1,66 mA EXERCÍCIO 1º Uma lâmpada utiliza uma alimentação de 6V e tem 36Ω de resistência. Qual a corrente que circula pela lâmpada quando ela é ligada? 2º O motor de um carrinho de autorama atinge rotação máxima, quando recebe 9V da fonte de alimentação. Nesta situação, a corrente do motor é de 230mA. Qual é a resistência do motor? 3º Um resistor de 22kΩ foi conectado a uma fonte cuja tensão de saída é desconhecida. Um miliamperímetro, colocado em série no circuito, indicou uma corrente de 0,75mA. Qual a tensão na saída da fonte? Cálculos: SENAI/PB 42 12 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES Resistor é um elemento presente no circuito, constituído de material de baixa condutibilidade elétrica, cuja função é oferecer resistência elétrica, transformando energia elétrica em calor. Uma associação de resistores é como se fosse um grupo de trabalho em que houvesse um representante. Esse representante é a resistência total, que é representada por: RT. Resistência Total ou Equivalente (RT) é a aquela que substitui todas as outras resistências dos resistores da associação sem alterar a corrente elétrica que atravessa a associação. Os resistores presentes em qualquer uma das associações serão representados por: R1, R2, R3,..., Rn. Usaremos o resistor como um consumidor genérico para as seguintes associações. � Associação emSérie; � Associação em Paralelo; � Associação Mista. 12.1 ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE DE RESISTORES Muitas vezes, nos circuitos elétricos, aparecem resistências ligadas uma, seguida de outra. Desse modo dizemos que as resistências estão associadas em série. As lâmpadas usadas na decoração das árvores de Natal, por exemplo, geralmente são associadas desta maneira. A resistência total de uma associação em série é igual ao somatório das resistências dos resistores na associação. RTOTAL = R1 + R2 + R3 + ... + Rn Figura 42 - Resistor 43 Exemplo: Observe o circuito abaixo: Fazendo a substituição dos valores, temos: RT = R1 + R2 + R3 = 10 + 15 + 5 = 30 Ω Observamos que a resistência equivalente da associação em série é sempre maior que qualquer uma das resistências da associação. Podemos pensar em substituir os três consumidores por um único consumidor que realize a mesma função dos três juntos, ou seja, um consumidor equivalente, o que corresponde a um resistor de 30 Ω. 12.2 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE RESISTORES Devemos verificar numa associação de resistores em paralelo, o número de resistores presentes na associação, pois existe mais de uma fórmula para o cálculo da resistência total nesse tipo de associação. = REQ 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 1 = REQ R1 x R2 R1 + R2 = REQ R n Associação em paralelo de vários resistores com valores de resistência iguais, onde R é o valor da resistência e n, o numero de resistores. Associação em paralelo de dois resistores com valores de resistência diferentes. Associação em paralelo de vários resistores com valores de resistência diferentes. R1 = 10Ω R2 = 15Ω RT = R1 + R2 + R3 Resistência equivalente ou total Figura 43 – Exemplo de circuito R3 = 5 Ω SENAI/PB 44 Nota: Perceba que, numa associação de resistores em paralelo, a resistência total é sempre menor que a resistência elétrica de qualquer resistor do circuito. Exemplo 1: Exemplo 2: Exemplo 3: 12.3 ASSOCIAÇÃO MISTA DE RESISTORES Devemos perceber, logo à primeira vista, o(s) trecho(s) em série e/ou em paralelo da associação. Esse será o ponto de partida para o cálculo da resistência total da associação. R1= 20Ω R2= 20Ω R3= 20Ω = RT R n 6,66 Ω = 20 3 = R1= 25Ω R2= 5Ω = RT R1 x R2 R1 + R2 = 4,16 Ω 25 x 5 25 + 5 = 125 30 = R1= 15Ω R2= 25Ω R3= 30Ω R4= 10Ω = = RT 1 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 1 R4 + 1 = 1 15 + 1 25 + 1 30 1 10 + 0,06 1 = + + + 0,04 0,03 0,1 = 1 0,23 = 4,34 Ω = = 45 Atribuindo valores aos resistores da associação da figura 40, temos: Para facilitar nossos cálculos, começaremos calculando as resistências equivalentes dos trechos A e B, respectivamente, denominaremos de RA e RB. Aplicando a fórmula para o cálculo da resistência total de uma associação em série. RA = R1 + R2 = 12 + 3 = 15 Ω RB = R3 + R5 = 3 + 3 = 6 Ω E substituindo os resistores R1 e R2 por RA, e R3 e R5 por RB, temos: Como você já deve ter percebido, após substituirmos os dos resistores equivalentes nos trechos A e B, temos uma associação totalmente em paralelo, formada por três resistores. Para chegar à resistência total dessa associação, usaremos a fórmula: Resistores em série Trecho A Trecho B Figura 44a - Associação mista de resistores R1= 12 Ω R2= 3 Ω R4= 10 Ω R3= 3 Ω R5= 3 Ω Figura 44b - Associação mista de resistores RA= 15 Ω R4= 10 Ω RB= 6 Ω Relacionando RA, RB e R4 em paralelo temos a RT do circuito. Figura 44c - Associação mista de resistores SENAI/PB 46 EXERCÍCIO 1º Identifique as associações em série, paralela e mista. Em seguida, encontre as resistências equivalentes: a) b) c) d) e) f) Respostas: RT = 3,12 Ω 1 0,32 = = = RT 1 1 RA + 1 R4 + 1 RB 0,06 1 = + + 0,1 0,16 = = 1 1 15 + 1 10 + 1 6 10Ω 30Ω 30Ω 25Ω 15Ω 25Ω 90Ω 72Ω 10mΩ 90µΩ 75Ω 5Ω 25Ω 150k Ω 20kΩ 21kΩ 4000Ω 150k Ω 120MΩ 20MΩ 20Ω 0,86KΩ 300mΩ 47 “A soma algébrica das correntes que chegam a um nó é igual à soma algébrica das correntes que saem desse nó.” Gustav Kirchhoff Nota: No circuito totalmente paralelo, a intensidade da tensão é a mesma para todos os consumidores. Por essa razão, a tensão em um circuito totalmente paralelo é designada, simplesmente, pela notação “E”. LEIS DE KIRCHHOFF Ao ligar um aparelho, a corrente flui por muitos caminhos e a tensão, fornecida pela fonte de energia, se distribui pelos diversos componentes. Esta distribuição de corrente e tensão obedece fundamentalmente as duas Leis de Kirchhoff. 13 1ª LEI DE KIRCHHOFF (LEI DOS NÓS OU LEI DAS CORRENTES) Através dos conhecimentos obtidos com os estudos da primeira Lei de Kirchhoff e da, já estudada, Lei de Ohm, podemos determinar a corrente em cada um dos componentes associados em paralelo. Características do Circuito Paralelo Os circuitos paralelos apresentam algumas características particulares. Verifica-se que, tanto a lâmpada L1 como a lâmpada L2, têm os terminais de entrada e de saída, respectivamente, ligados aos pólos da fonte de alimentação. Dessa forma, cada uma das lâmpadas (L1 e L2) está diretamente conectada à fonte de alimentação, recebendo a mesma tensão nos seus terminais. L1 L2 Figura 45 – Tensões dos consumidores n ETOTAL = E1 = E2 = E3 = En SENAI/PB 48 A função da fonte de alimentação nos circuitos é fornecer a tensão e a corrente elétrica necessárias para o funcionamento dos consumidores. Quando um circuito possui apenas uma fonte de alimentação, a corrente fornecida por esta fonte é denominada de corrente total, representada pela notação IT, nos esquemas. Para a fonte de alimentação, não é importante se os consumidores são lâmpadas, resistores ou aquecedores. A corrente que a fonte fornece (IT) depende apenas, segundo a Lei de Ohm, da sua tensão (E) e da resistência total (RT) que os consumidores apresentam, ou seja: A partir do nó, a corrente total (IT) fornecida pela fonte divide-se para percorrer todos os caminhos do circuito. Neste caso específico, ela se dividirá em duas, pois só há dois caminhos. Essas correntes são chamadas de correntes parciais e podem ser denominadas de I1 (para a lâmpada L1) e I2 (para a lâmpada L2). A forma como a IT se divide, a partir do nó, depende unicamente das resistências das lâmpadas. A lâmpada de menor resistência permitirá a passagem de uma maior parcela da corrente. Exemplo: Por se tratar de um circuito totalmente paralelo, sabemos que a intensidade da tensão da fonte será a mesma para todos os consumidores. Assim: E = 100V IT IT Figura 46 – Corrente total IT = E RT IT IT Figura 47 – Correntes parciais L1 L2 I1 I2 E = 100V R1 = 100Ω R2 = 200Ω IT =? I1 =? I2 =? Figura 47a– Correntesparciais 49 O valor da corrente que circula em cada ramal pode ser calculada através da Lei de Ohm, uma vez que, se conhece a tensão aplicada e a resistência de cada lâmpada. Observando-se os valores das correntes no nó, verificamos que as correntes que saem somadas originam um valor igual ao da corrente que entra. Essa afirmativa é válida para qualquer nó de um circuito elétrico, sendo conhecida como a primeira Lei de Kirchhoff. IT = I1 + I2 = 1 + 0,5 = 1,5 A R1 100 I1 = E I1 = 100 I1 = 1 A I2 = E R2 I2 = 100 200 I2 = 0,5 A Nota: Perceba que, como a resistência de L2 é maior que a de L1, a intensidade da corrente que passa pela L2 será menor que a de L1. I2 < I1 E = 100V R1 = 100Ω R2 = 200Ω IT =? I1 = 1A I2 = 0,5 A E = 100V 100Ω 200Ω 1,5 A 1A 0,5 A IT = 1,5 A ITOTAL = I1 + I2 + I3 +...+ In Figura 47b – Correntes parciais Figura 47c – Correntes parciais SENAI/PB 50 Nota: A intensidade da corrente é a mesma ao longo de todo o circuito série. Por essa razão, a corrente que circula em um circuito série é designada simplesmente pela notação “I”. 14 2ª LEI DE KIRCHHOFF A segunda Lei de Kirchhoff se refere à forma como a tensão se distribui nos circuitos série. Características do Circuito Série • O circuito série se caracteriza por possibilitar um caminho único para a circulação da corrente elétrica. Como existe um único caminho, a mesma corrente que sai da fonte passa através da lâmpada L1, da lâmpada L2 e retorna à fonte. Isto significa que um amperímetro, ao ser colocado em qualquer ponto do circuito, o valor indicado pelo instrumento será o mesmo. • A forma de ligação das cargas, uma após a outra, dá ao circuito outra característica importante. Caso uma das lâmpadas (ou qualquer outro tipo de Figura 48 – Tensão elétrica no circuito série ET E1 E2 Figura 49 – Corrente elétrica no circuito série I I I ITOTAL = I1 = I2 = I3 =...= In “A soma das quedas de tensão nos componentes de uma associação série é igual à tensão aplicada nos seus terminais extremos.” Gustav Kirchhoff 51 Resumindo: O circuito série apresenta três características importantes: (1) fornece apenas um caminho para a circulação da corrente elétrica; (2) a corrente tem o mesmo valor em qualquer ponto do circuito e (3) o funcionamento de cada consumidor depende do restante. carga) seja retirada do circuito ou tenha o seu filamento rompido, o circuito elétrico ficará aberto e a corrente cessará, ou seja, no circuito série, o funcionamento de cada um dos componentes depende do restante. A corrente que circula em um circuito série pode ser determinada com o auxílio da Lei de Ohm. Para determinar a corrente no circuito série através da Lei de Ohm, deve-se usar a tensão nos terminais da associação e a sua resistência total. Exemplo: Temos assim: RT = R1 + R2 = 25 + 75 = 100 Ω Seguindo a Lei de Ohm, temos: Pelo fato de não estarem com os dois terminais ligados diretamente à fonte, a tensão nos componentes de um circuito série é diferente da tensão da fonte de alimentação. O valor da tensão em cada um dos componentes é sempre menor do que a tensão de alimentação. Esta parcela da tensão, que fica sobre cada componente do circuito, é denominada de queda de tensão no componente. A queda de tensão é representada pela notação E1, E2... A queda de tensão em cada componente de uma associação série pode ser determinada pela Lei de Ohm, quando se dispõe da corrente no circuito e dos seus valores de resistência. Temos: E1 = I x R1 = 1 x 25 = 25 V E2 = I x R2 = 1 x 75 = 75 V I = ET RT I = 100 100 I = 1A ET = 100 V L1 L2 R 1 = 25 Ω R 2 = 75 Ω ET = 100 V L1 L2 R 2 = 75 Ω E1 = 25 V E2 = 75 V R 1 = 25 Ω SENAI/PB 52 Pode-se dizer que, em um circuito série, a queda de tensão é proporcional ao valor do resistor, ou seja: • O consumidor de maior resistência fica com a parcela maior de tensão. • O consumidor de menor resistência fica com a menor parcela de tensão. APLICAÇÃO DAS LEIS DE KIRCHHOFF E OHM EM CIRCUITOS MISTOS As Leis de Kirchhoff, juntamente com a Lei de Ohm, permitem que se determinem as tensões ou correntes em cada um dos componentes de um circuito misto. Os valores elétricos de cada componente do circuito podem ser determinados a partir da execução da seqüência de procedimentos, a seguir: • Determinação da resistência equivalente. • Determinação da corrente total. • Determinação das tensões ou correntes nos elementos do circuito. Exemplo: � Determinação da resistência equivalente ou total: R1 = 10 Ω R3 = 10 Ω R2 = 20 Ω R4 = 40 Ω ET = 20V Figura 50 – Circuito misto 53 Encontraremos as resistências equivalentes dos consumidores ligados em série: RA = R1 + R2 = 10 + 20 = 30 Ω RB = R3 + R4 = 10 + 40 = 50 Ω Substituindo os consumidores R1 e R2 por RA, e R3 e R4 por RB, temos um circuito paralelo. Usando a fórmula da resistência equivalente de consumidores em paralelo, temos: � Determinação da corrente cotal do circuito: Determinação das tensões do circuito: Considerando que RA equivale as resistências R1 e R2, e que RB equivale as resistências R3 e R4, conectadas em série, podemos afirmar que a corrente IA equivale a I1 e I2 e a corrente IB equivale a I3 e I4. IA = I1 = I2 = 0,666 A IB = I3 = I4 = 0,4 A ET = RA = RB = RT = RA x RB RA + RB RT = 30 x 50 30 + 50 RT = 1500 80 RT = 18,75 Ω RT = 18,75Ω ET = 20 IT = ET RT IT = 20 18,75 IT = 1,066 A IA = 0,666 A IA = EA RA IA = 20 30 IB= EB RB IB = 0,4 A IB = 20 50 ET RA RB IA IB IT IT SENAI/PB 54 Sabendo-se a corrente e a resistência de cada uma, pode-se encontrar as tensões através da Lei de Ohm. E1 = I1 x R1 = 0,666 x 10 = 6,66V E3 = I3 x R3 = 0,4 x 10 = 4V E2 = I2 x R2 = 0,666 x 20 = 13,32V E4 = I4 x R4 = 0,4 x 40 = 16V Obs.: E1 + E2 ≈ 20V E3 + E4 = 20V EXERCÍCIO 1º Quais as principais características de um circuito série? 2º Complete: a) O resistor de maior resistência fica com uma parcela _____________ de tensão. O resistor de menor resistência fica com uma ____________ parcela de tensão. b) A soma das ____________ nos componentes de uma associação série é igual à ______________aplicada nos seus terminais extremos. c) A tensão em uma associação em paralelo ________________ , já a corrente elétrica __________________ para todos os consumidores. d) A ___________________ em uma associação série de resistores é a mesma para todos os consumidores. 3º Determine o valor das correntes e tensões que circulam em cada resistor e a corrente total dos circuitos abaixo. a) ET = 20V R2 IT R4 R1 R3 ET I1 I2 I3 I4 IT E1 E2 E3 E4 15Ω 15Ω 15Ω 10Ω 12V 55 b) c) d)Respostas: 150Ω 100Ω 80Ω 25Ω 80Ω 80Ω 80Ω 100V 200V 10Ω 10Ω 20Ω 30Ω 30Ω SENAI/PB 56 Pólos Norte e Sul Linhas de força magnéticas Zona neutra 15 MAGNETISMO O magnetismo tem importância fundamental na maior parte dos equipamentos eletroeletrônicos, como geradores de energia, motores elétricos, transformadores, disjuntores, cartões magnéticos, eletroeletrônicos em geral e muitos outros equipamentos que usam efeitos magnéticos para desempenhar uma série de funções importantes. (Texto extraído e adaptado de: Tipler, P. A. Física, vol. 2, 2ª ed. Ed. Guanabara Dois, 1982). Tudo começou quando em tempos remotos, foi descoberta pelos gregos, nas proximidades da cidade de Magnésia, uma rocha que tinha o poder de atrair para si pequenos materiais que continham ferro em sua composição química. Essa rocha foi chamada de Magnetita, e pela sua capacidade de atrair esses materiais recebeu o nome de Magnetismo. As rochas que apresentam essas propriedades magnéticas são denominadas imãs naturais. Se um imã natural se movimentar ordenadamente por um pedaço de ferro, este último se magnetizará e formará um imã artificial. Define-se magnetismo como sendo o estudo dos materiais magnéticos (imãs naturais). Trata-se de uma força invisível que se pode apreciar pelos efeitos que produz. O campo magnético ao redor de um imã pode ser explicado sob a forma de linhas de força invisíveis, que deixam o imã em um ponto e entram em outro ponto. Estes pontos são chamados de pólos. A região central, entre os pólos norte e sul do imã, não é dotada de propriedades magnéticas, Sendo conhecida como zona neutra. As linhas de forças magnéticas são invisíveis, podendo ser vistos apenas os seus efeitos. Os espectros de um imã podem ser observados, cobrindo-o com uma folha de papel, ou plástico (de espessura fina) e, em seguida, espalhando limalha de ferro sobre o papel. Observe que as limalhas se distribuem, segundo um padrão definido, e formam um conjunto de linhas em torno dos pólos do imã, indicando assim a distribuição das linhas de força que constituem o campo magnético. Figura 51 - Magnetita Figura 52 – Imã natural Figura 53 – Espectro das linhas de força magnéticas 57 O campo magnético de um imã pode ser explicado através de linhas de força, que apresentam as seguintes propriedades: • Saem do pólo norte do imã; • Entram no pólo sul do imã; • Não se cruzam; • Formam um circuito fechado; • São invisíveis. TEORIA DE WEBER Em 1260, o francês Petrus Peregrinus observou que os pólos de um imã não existem separadamente. Cortando-se um imã em duas partes iguais, observa-se que cada uma delas constitui um novo imã que, embora menor, tem sempre dois pólos. É possível continuar esse processo de divisão, até que se chegue a um ponto em que se encontre o átomo ou molécula do material de que o imã é feito. A teoria de Weber defende que toda substância magnética é composta de ímãs muito pequenos, chamados de Ímãs Elementares. Um material magnetizado terá a maioria de seus ímãs elementares organizados em fileiras, com o pólo norte de cada átomo ou molécula, apontando em uma direção, e a face do pólo sul em direção oposta. Um material com átomos ou moléculas, assim alinhados, terá pólos magnéticos efetivos. 16 INDUÇÃO MAGNÉTICA - IMANTAÇÃO É o fenômeno provocado pela proximidade de um material neutro a um campo magnético. Como podemos ver na figura 55, o ímã induz magneticamente (imanta) as esferas de ferro e estas, sucessivamente, imantam umas as outras e atraem-se. Figura 54 – Inseparabilidade dos pólos do imã Figura 55 – Imantação das esferas SENAI/PB 58 Quando uma barra de ferro encontra-se próximo de um imã, o campo magnético faz com que a barra se transforme temporariamente em um imã. Isto acontece porque, na presença de um campo magnético (ou campo indutor), os domínios magnéticos do ferro, que normalmente estão orientados em todas as direções ao longo da barra, ficam orientados em uma direção predominante, como em um imã. Esta situação está demonstrada na figura 56 a e b. Se aproximarmos dois pólos de naturezas iguais, sentiremos uma força de repulsão entre eles. Já, ao aproximarmos pólos de natureza diferentes, será produzida uma força de atração entre eles. Esse fenômeno de atração e repulsão entre os pólos advém do ao campo magnético que envolve o imã. 17 PERMEABILIDADE MAGNÉTICA A permeabilidade magnética de um material é uma medição da facilidade com que as linhas de campo podem atravessar um dado material. Podemos entender a permeabilidade magnética como sendo um conceito similar ao conceito da condutividade elétrica dos materiais. Se um material não magnético, como vidro ou cobre, for colocado na região das linhas de campo de um ímã, haverá uma imperceptível alteração na distribuição das linhas de campo. Entretanto, se um material magnético, como o ferro, for colocado na região das linhas de campo de um ímã, estas passarão através do ferro, ao invés de se distribuírem no ar, ao seu redor. Isso ocorre porque elas se concentram com maior facilidade nos materiais magnéticos. Como podemos observar na figura 58 a. Este princípio é usado na blindagem magnética de elementos e instrumentos elétricos sensíveis que podem ser afetados pelo campo magnético (Fig. 58b). Assim, um material na proximidade de um ímã pode alterar a distribuição das linhas de Figura 57 - Atração e repulsão de imãs Figura 57a - Pólos diferentes se atraem Figura 57b - Pólos iguais se repelem Figura 56a – Barra imantada Figura 56b – Barra não imantada 59 campo magnético. Esta alteração se deve a uma grandeza associada aos materiais chamada de Permeabilidade Magnética,µ . Não existem isolantes para as linhas de força magnética. Elas passam através de qualquer substância, até mesmo no vácuo. Todavia, elas se estabelecem com mais facilidade em substâncias, como o ferro. Este fato possibilita a concentração de linhas de força onde se desejar utilizá-las. O seu desvio de uma área ou instrumento é bastante utilizada em caixas de som e auto-falantes de TV. CLASSIFICAÇÃO DAS SUBSTÂNCIAS QUANTO AO COMPORTAMENTO MAGNÉTICO As substâncias são classificadas em quatro grupos, quanto ao seu comportamento magnético: • Ferromagnéticas • Paramagnéticas • Diamagnéticas SUBSTÂNCIAS FERROMAGNÉTICAS Seus imãs elementares sofrem grande influência do campo magnético indutor de modo que, ficam majoritariamente orientados no mesmo sentido do campo magnético aplicado e são fortemente atraídos por um ímã. Exemplos: ferro, aços especiais, cobalto, níquel e algumas ligas. SUBSTÂNCIAS PARAMAGNÉTICAS Seus imãs elementares ficam fracamente orientados no mesmo sentido do campo magnético indutor. Surge, então, uma força de atração fraca entre o imã e a Linhas de campo Ferro doce Instrumento Sensível Ferro doce Vidro Figura 58a – Alteração na distribuição das linhas de força magnética Figura 58b – Blindagem magnética Linhas de campo SENAI/PB 60 substância paramagnética. Exemplos: alumínio, manganês, estanho, cromo, platina, paládio, oxigênio líquido, etc. SUBSTÂNCIAS DIAMAGNÉTICAS Substâncias diamagnéticas são aquelas que, quando colocadas próximas a um campo magnético indutor proveniente de um imã, os seus imãs elementares sofrem uma pequena influência, de modo que, eles ficam fracamente orientados em sentido contrário ao campo externo aplicado. Surge,
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