fundamentos da engenharia elétrica

Prévia do material em texto

O objetivo deste capítulo é fazer uma introdução à engenharia elétrica. O capítulo dá uma visão das diferentes especialidades que constituem a en-genharia elétrica e coloca em perspectiva seu propósito e sua organização. Provavelmente o primeiro questionamento que vem à mente do estudante 
ao abordar o assunto é: por que a engenharia elétrica? Uma vez que este livro é di-
recionado a um público que já tem conhecimentos variados na área de engenharia 
(incluindo engenharia elétrica), a questão é bem justificada e merece alguma dis-
cussão. O capítulo começa com a definição dos vários ramos da engenharia elé-
trica, mostrando algumas interações entre eles, ilustrando por meio de exemplos 
práticos, como a engenharia elétrica está intimamente conectada às várias outras 
disciplinas das engenharias. Na Seção 1.2, as quantidades físicas fundamentais e 
o sistema de unidades são definidos como uma preparação para os capítulos que 
seguem. Finalmente, na Seção 1.3, a organização do livro é apresentada para dar 
ao estudante e ao professor um senso de continuidade no desenvolvimento dos 
diversos assuntos abordados nos Capítulos 2 a 14.
C A P Í T U L O
1
INTRODUÇÃO À
ENGENHARIA ELÉTRICA
Rizzoni_01.indd 1Rizzoni_01.indd 1 09/11/12 09:4609/11/12 09:46
2 Fundamentos de Engenharia Elétrica
1.1 Engenharia elétrica
O currículo típico de um aluno de graduação em engenharia elétrica inclui 
os assuntos listados na Tabela 1.1. Embora a distinção entre alguns desses 
temas não seja sempre tão clara, a tabela é suficientemente representativa 
para nossos propósitos. A Figura 1.1 ilustra a possível interconexão entre 
as disciplinas da Tabela 1.1. O objetivo deste livro é apresentar para os 
estudantes que não são da engenharia elétrica os aspectos dessa engenharia 
que possivelmente serão relevantes em sua carreira profissional. Pratica-
mente todos os tópicos da Tabela 1.1 serão tratados neste livro, com ênfases 
variadas. O Exemplo 1.1 ilustra a presença significativa dos equipamentos 
elétricos, eletrônicos e eletromecânicos em uma aplicação extremamente 
comum: o automóvel. À medida que você ler os exemplos, será instrutivo 
recorrer à Figura 1.1 e à Tabela 1.1.
Sistemas
de potência
Aplicações
de engenharia
Base
matemática
Máquinas
elétricas
Eletrônica
analógica
Eletrônica
digital
Sistemas
de computação
Teoria de
circuitos e
redes elétricas
Lógica
Teoria dos
sistemas
Física
Eletro-
magnetismo
Física de
estado sólido
Óptica
Sistemas
de controle
Sistemas
de comunicação
Sistemas de
instrumentação
FIGURA 1.1 Disciplinas da engenharia elétrica.
Exemplo 1.1 Sistema elétrico em um automóvel de passageiros
Um exemplo conhecido ilustra como as aparentemente dissociadas especiali-
dades da engenharia elétrica de fato interagem para permitir a operação de um 
sistema muito conhecido: o automóvel. A Figura 1.2 apresenta uma visão dos 
sistemas de engenharia elétrica aplicáveis a um automóvel moderno. Mesmo 
nos veículos mais antigos, o sistema elétrico – na verdade, um circuito elé-
Tabela 1.1 
Disciplinas da 
engenharia elétrica
Análise de circuitos
Eletromagnetismo
Eletrônica de estado 
sólido
Máquinas elétricas
Sistemas elétricos de 
potência
Circuitos digitais
Sistemas de 
computação
Sistemas de 
comunicações
Eletro-óptica
Sistemas de 
instrumentação
Sistemas de controle
Rizzoni_01.indd 2Rizzoni_01.indd 2 09/11/12 09:4609/11/12 09:46
Capítulo 1 Introdução à Engenharia Elétrica 3
trico – desempenha um papel muito importante em seu funcionamento como 
um todo (os Capítulos 2 e 3 descrevem a operação básica dos circuitos elétri-
cos). Uma bobina indutora gera uma tensão suficientemente alta para permitir 
que uma centelha se forme no espaço do centelhador e detone a mistura ar-
-combustível. A bobina é alimentada por uma fonte CC (corrente contínua) 
fornecida por uma bateria chumbo-ácida (sistemas de ignição são estudados 
com alguns detalhes no Capítulo 5). Além de energia para circuitos de ignição, 
a bateria fornece força para vários outros componentes elétricos, sendo mais 
óbvios os que contêm lâmpadas, os limpadores de para-brisas e o rádio. A 
energia elétrica (Capítulo 7) é levada da bateria para todos esses componentes 
por um chicote elétrico que constitui um circuito elétrico bastante elaborado 
(observe a Figura 2.12 para uma visão mais detalhada). Nos últimos anos, 
o circuito elétrico de ignição convencional tem sido substituído pela injeção 
eletrônica, isto é, dispositivos eletrônicos de estado sólido, chamados transis-
tores, têm substituído os tradicionais platinados. A vantagem dos sistemas de 
ignição transistorizados sobre os sistemas mecânicos convencionais é sua ele-
vada confiabilidade, facilidade de controle e tempo de vida (platinados mecâ-
nicos são sujeitos a desgaste). Você estudará transistores e outros dispositivos 
eletrônicos nos Capítulos 8, 9 e 10.
Outras disciplinas da engenharia elétrica são bastante óbvias no automó-
vel. O rádio instalado no carro recebe ondas eletromagnéticas por uma ante-
na e decodifica os sinais de comunicação para reproduzir sons e diálogos de 
origem remota. Outros sistemas de comunicação comuns que se utilizam do 
eletromagnetismo são os rádios cidadão ou rádio PX e os ainda mais comuns 
telefones celulares. Mas isso não é tudo! A bateria é, com efeito, um sistema 
de energia elétrica autônomo de 12 VCC que fornece energia para todas as 
funções anteriormente mencionadas. Visando a que a bateria tenha uma vida 
útil prolongada, um sistema de carga composto de um alternador e dispositivos 
eletrônicos de potência está presente em cada automóvel. Sistemas elétricos de 
potência são abordados no Capítulo 7 e dispositivos eletrônicos de potência, 
no Capítulo 10. O alternador é uma máquina elétrica, assim como os motores 
que movem os vidros elétricos, janelas elétricas, bancos reclináveis e outros 
acessórios encontrados em carros de luxo. Apesar de não parecer, os alto-fa-
lantes são também máquinas elétricas! Todos esses dispositivos são descritos 
nos Capítulos 13 e 14.
Segurança
Air bags e
cadeira para crianças
sensor anticolisão
Sistemas de segurança
Conforto
Controle de temperatura
Ergonomia (bancos, direção,
rodas, espelhos)
Navegação
Áudio/vídeo/internet/
comunicações sem fio
Propulsão
Motor/transmissão
Alternador/partida integrados
Tração elétrica
Sistemas de 42V
Gerenciamento de bateria
Controle de tração
Dirigibilidade
Suspensão ativa/semiativa
Freios antitravamento
Direção elétrica
Sistema de controle da pressão dos pneus
Controle da estabilidade
Tração nas quatro rodas
FIGURA 1.2 Sistemas associados à engenharia elétrica em um automóvel.
Rizzoni_01.indd 3Rizzoni_01.indd 3 09/11/12 09:4609/11/12 09:46
4 Fundamentos de Engenharia Elétrica
Entretanto, a lista não termina aqui. De fato, algumas das aplicações mais 
interessantes da engenharia elétrica do automóvel ainda não foram discutidas. 
Considere os sistemas de computação. Circuitos digitais são tratados no Capí-
tulo 12. Você deve estar ciente de que nas duas últimas décadas, preocupações 
ambientais relacionadas com as descargas automotivas levaram à introdução de 
sofisticados sistemas de controle de emissão do motor. O coração de tal sistema 
de controle é um tipo de computador chamado microprocessador. O micropro-
cessador recebe sinal de dispositivos (chamados de sensores) que medem as 
variáveis relevantes – como a velocidade do motor, a concentração de oxigênio 
nos gases da exaustão, a posição da válvula do acelerador (isto é, a demanda do 
motorista por mais potência do motor) e a quantidade de ar aspirado pelo mo-
tor – e consequentemente calcula a quantidade ótima de combustível e o tempo 
correto da centelha para resultar na combustão mais limpa possível, sob tais 
circunstâncias. À medida que a presença de computadores de bordo vai ficando 
cada vez mais comum – em áreas como sistemas antibloqueio, suspensões ele-
tronicamente controladas, sistemas com tração nas quatro rodas e sistemas denavegação eletrônica – comunicações entre os vários computadores de bordo 
deverão acontecer de maneira mais veloz. Algum dia, num futuro não muito 
distante, tais comunicações podem ocorrer sobre uma rede de fibras ópticas, e a 
eletro-óptica irá substituir o sistema de cabeamento convencional. Observe que 
a eletro-óptica já está presente em alguns dos mais avançados mostradores que 
são parte de um sistema de instrumentação automotivo.
Concluindo, os veículos atuais também se beneficiam dos significativos 
avanços realizados nos sistemas de comunicação. Sistemas de navegação vei-
cular podem incluir Sistemas de Posicionamento Global, ou tecnologia GPS (do 
inglês, Global Positioning System), assim como uma variedade de tecnologias 
de comunicação e conexão em rede, incluindo as interfaces de comunicação sem 
fio (por exemplo, baseadas no padrão Bluetooth) e comunicação via satélite, e 
sistemas de apoio ao motorista, como o sistema OnStar da GM.
1.2 Sistema de unidades
Este livro emprega o Sistema Internacional de Unidades (também chamado de 
SI, do francês Système Internacional des Unités). As unidades SI são aceitas 
praticamente por todas as sociedades profissionais de engenharia. Esta seção re-
sume as unidades do SI e servirá como uma referência útil ao longo deste livro.
As unidades do SI são baseadas em seis grandezas fundamentais, listadas na 
Tabela 1.2. Todas as demais são derivadas das grandezas fundamentais da Tabela 
1.2. Desde que, em prática, necessita-se da descrição de grandezas que ocorrem 
em múltiplos ou pequenas frações de uma unidade, prefixos padronizados são 
usados para indicar potências de 10 das unidades do SI (e suas unidades deriva-
das). Estes prefixos estão listados na Tabela 1.3. Note que, em geral, unidades da 
engenharia são expressas em potências de 10, sendo estas múltiplos de 3.
Por exemplo, 10−4 s seria referenciado como 100 ×10−6 s, ou 100 μs (ou, 
menos frequentemente, 0,1 ms).
Rizzoni_01.indd 4Rizzoni_01.indd 4 09/11/12 09:4609/11/12 09:46
Capítulo 1 Introdução à Engenharia Elétrica 5
Tabela 1.2 Unidades do SI
Grandeza Unidade Símbolo
Comprimento Metro m
Massa Quilograma kg
Tempo Segundo s
Corrente elétrica Ampère A
Temperatura Kelvin K
Intensidade luminosa Candela cd
Tabela 1.3 Prefixos padronizados
Prefixo Símbolo Potência
atto a 10−18
femto f 10−15
pico p 10−12
nano n 10−9
micro μ 10−6
mili m 10−3
centi c 10−2
deci d 10−1
deca da 10
quilo k 103
mega M 106
giga G 109
tera T 1012
1.3 Características especiais deste livro
Este livro inclui características especiais para facilitar o aprendizado e permitir 
que o estudante explore o conteúdo do livro em grande profundidade se dese-
jar, por meio do uso de ferramentas computacionais e da Internet. As princi-
pais características deste livro são descritas nas próximas páginas.
 Objetivos de aprendizagem
 1. Os principais objetivos de aprendizagem estão claramente identificados no iní-
cio de cada capítulo.
 2. O símbolo é utilizado para identificar definições e desdobramentos críticos 
para se alcançar um objetivo de aprendizagem específico.
 3. Cada exemplo é marcado de maneira similar.
Rizzoni_01.indd 5Rizzoni_01.indd 5 09/11/12 09:4609/11/12 09:46
6 Fundamentos de Engenharia Elétrica
Exemplos
Os exemplos do livro também têm sido colocados à parte do texto principal de forma 
que possam ser facilmente identificados. Todos os exemplos são resolvidos utilizando a 
mesma metodologia básica: uma proposição simples e clara é dada, seguida pela solu-
ção. A solução consiste em várias partes: todas as grandezas conhecidas são relaciona-
das, e a proposição do problema é convertida em um objetivo específico (por exemplo, 
“Encontre a resistência equivalente R”).
Em seguida, os dados e as considerações são listados e finalmente a análise é apre-
sentada. O método de análise é baseado no seguinte princípio: todos os problemas são 
resolvidos simbolicamente primeiro para obter soluções mais gerais, que devem guiar o 
estudante na solução dos problemas extraclasse. A solução numérica é fornecida apenas 
no final de cada análise. Cada problema termina com comentários resumindo os resul-
tados e ligando o exemplo a outras seções do livro.
A metodologia de solução usada neste livro pode ser usada como um guia geral de 
técnicas de solução de problemas, que vai bem além do material ensinado nos cursos 
introdutórios de engenharia elétrica. Os exemplos deste livro têm a intenção de ajudá-lo 
a desenvolver hábitos saudáveis na solução de problemas para serem usados ao longo 
da sua carreira de engenheiro.
Verifique seus conhecimentos
Cada exemplo é acompanhado de pelo menos um exercício de fixação.
Resposta: A resposta é fornecida logo abaixo do exercício.
Foco na metodologia
Cada capítulo, principalmente os primeiros, inclui quadros com o título Foco na 
Metodologia (que estão separados do texto principal). Seu conteúdo resume méto-
dos e procedimentos importantes para a solução de problemas comuns. Geralmente 
contém instruções passo a passo e são projetadas para ajudá-lo a resolver problemas 
de forma organizada.
Procure na web!
O uso da Internet como um recurso para informação e conhecimento está se 
tornando cada vez mais comum. Reconhecendo esse fato, referências a sites 
foram incluídas neste livro para dar a você um ponto de partida na exploração 
do mundo da engenharia elétrica. Referências típicas da web lhe darão infor-
mações sobre empresas de engenharia elétrica, produtos e métodos. Alguns 
desses sites contêm tutoriais que podem completar o conteúdo do livro.
PROCURE
NA WEB
FAÇA A
CONEXÃO
Este complemento tem o 
objetivo de ajudar o estu-
dante a fazer a conexão 
entre a engenharia elétrica 
e disciplinas de outras en-
genharias. Analogias com 
outras áreas da engenharia 
serão encontradas em qua-
se todos os capítulos.
Rizzoni_01.indd 6Rizzoni_01.indd 6 09/11/12 09:4609/11/12 09:46
Capítulo 1 Introdução à Engenharia Elétrica 7
Problemas extraclasse
 1.1 Liste cinco aplicações de moto-
res elétricos em uma residência 
comum.
 1.2 Fazendo uma analogia à discussão 
sobre os sistemas elétricos no auto-
móvel, liste exemplos de aplicações 
das disciplinas de engenharia elétri-
ca da Tabela 1.1 para cada um dos 
seguintes sistemas de engenharia:
a. Um navio.
b. Uma aeronave de passageiros 
comercial.
c. Sua casa.
d. Uma planta de um processo 
químico.
 1.3 Sistemas elétricos de potência 
fornecem energia numa variedade 
de aplicações industriais e comer-
ciais. Faça uma lista de sistemas e 
dispositivos que recebem energia 
elétrica em:
a. Um grande edifício de escri-
tórios.
b. Um ambiente de fábrica.
c. Um local de construção.
Rizzoni_01.indd 7Rizzoni_01.indd 7 09/11/12 09:4609/11/12 09:46