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.. Analise de Circuitos e•n Corrente Alternada ~· . Dados de Catalogat;:ao na Publicat;:ao (CIP) lnternacional (Camara Brasileira do Livro, SP, Brasil) A313a 88- 2396 Albuquerque, Romulo Ol iveira, 1954- Analise de cir cuitos em cor rentes alternada I Ro- mulo Oliveira Albuquerque. -- Sao Paul o : Erica, 1989. 1. Circui t os elet ricos - Analise 2 . Correntes eletricas a l ternadas I. Titulo. CDD- 62 1. 3192 -621.31913 Indices para catalago sistematico: 1. Analise de c i rcui t os Engenharia eletrica 621.3 192 2. Correntes al t ernadas 62 1.31913 Engenharia eletrica Eng.0 Romulo Oliveira Albuquerque Analise de Circtaitos ean Corrente Alternada Ano: 1993 92 91 90 89 Edi~ao: I 0 9 8 7 6 5 4 3 2 I LIVROS ERICA EDITORA L TDA. TODOS OS DIRETTOS RESERVAOOS. Proibida a reprodu~ao total ou parcial, por qualqucr meio ou processo, especial mente por sistemas graficos, microfflmicos, fotograficos, rcprograficos, fonograficos, vidcograficos. Vedada a memorizac;ao c/ou a recu- perac;ao total ou parcial em qualquer sistema de proccssamento de dados e a inclusao de qualqucr parte da obra em qualquer pro- grama juscibernetico. Essas proibi~6es aplicam-se tambem as ca- racterfsticas graficas da obra e a sua editora<;ao. A violac;ao dos direitos autorais c punfvel como crime (art. 184 c pan1grafos, do C6digo Penal, cf. Lei n.0 6.895, de 17.12.80) com pena de prisao e multa, conjuntamcnte com busca e apreensao c indeniza~6cs divcrsas (artigos 122, 123, 124, 126, da Lei n." 5.988. de 14.12.73, Lei dos Direitos Autorais). LIVROS ERICA EDITORA L 1 DA Rua Jar1nu. 594 - Tatuape - Sao Paulo Fone 294-8686 - C G C 50 268 838 / 0001 -39 Ca1xa Postal 15 617 DEDICAT6RIA Dedico esta obra aos meus pais Jose e Maria e aos meus Cleveland, Vinicius, Arecia e Heraclito (em memoria). irmaos PREFACIO Este livro surg~u ap6s muita reflexao a respeito de como tratar o assunto Analise de Circuito em Corrente Alternada. que pode ser feita graficamente, atraves da representa~ao dos fasQ res de tensao e corrente ou considerando- se a representa~ao de· tensao, corrente e impedancia por numeros complexos. A maioria dos livros sobre o assunto considera apenas uma das forma s de abordagem, nao considerando a o utra. Consideramos importantes as duas , sendo que a representa~ao fasorial permite-nos enxergar melhor a rela~ao das fases de tensao e Corrente, porem e limit£ da na resolu~ao de ci rcu itos mais complicados. A analise, usa~ do numeros complexes, permite resolver com mais facilidade os circuitos com varias malhas, porem, a analise de urn circuito PQ de se tornar apenas urn exercicio da matematica, se perdermos a rela~ao existen te entr e urn numero complexo e o fasor represent£ tivo de corrente ou tensao. Alguns dos exercicios resolvidos por analise fasorial sao resolvidos pelo outro metodo, dando condi~oes ao leitor de av£ lia-los. 0 Autor SUMARIO 1 . Gra ndeza s Senoida i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1 1.2 1.3 Introdu<_;:ao .. ... . . ..................... . ... . Diagrama Fasorial . ... . ... .. ... . ....... . ... . Valor Eficaz ... ... . ... . ... . ....... .. .. .. .. . 11 12 14 2. Eletromagnetis mo . . .... .. ... ... . ... , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 2 2 2. 1 2 . 2 2 . 2 . 1 2. 2. 2 2.2.3 2 . 3 2.4 Magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Campo Magnetico de u ma Corrente El etrica ... 23 Campo de u rn Condutor Retilineo ..... .. .... . .. 23 Campo de uma Espi r a Ci rcular . . .. ... ... .. . .. 24 Campo Mag netico de urn Solenoide ....... . .... 24 For<_;:a Ele t romotriz Induzida ........... . . . .. 25 Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 . Circuito em C.A. -Analise Fasorial ..................... 32 3 . 1 3 . 2 3 . 3 3 . 4 3 . 5 3 . 6 3 . 7 3 . 8 3 . 9 3 . 10 3.10 .1 3.11 3 . 12 3.13 Indu tor e Indut~ncia ...................... . Circuito em C . A. com Indut~ncia Pura ...... . Circui to RL Ser ie ..................... ... . . Fa tor de Potenc ia ......................... . Cir cuito RL Paralelo .... . ... . ......... . ... . Capaci t o r - Capacitanc i a ..... . .......... . . . Cir cuito C . A. com Capac it~ncia Pura ....... . Ci rcuito RC Serie ................... . ..... . Ci rcuito RC Paralelo . .... .. . .. ............ . Circui to RLC Serie . . . . ... . ... . ............ . Largura de Faixa- Fator de Qual i dade ..... . Circui to RLC Pa r a l elo .... . ..... . ... . . .. ... . Corre<_;:ao do Fator de Potencia . .. .......... . Circuitos Mistos .. . ......... . ... . .... . . . .. . 32 33 36 40 45 49 52 55 60 63 65 69 73 79 4 . Circuitos em C.A . - Ana lis e com NUmero s Co mplexes . .... . . 90 4 . 1 4.2 4 . 2. 1 4. 2 . 2 4.3 4 . 3.1 4. 3. 2 4. 3 . 3 Numeros Complexes .......... . .............. . Opera<_;:oes com Numeros Complexes ........... . Soma e Subtra<_;:ao ........ .. ................ . Multiplica<;ao e Divisao ........... . ...... . . Impedan cia Complexa ........ . . . ............ . Circui tos RL . . .. .... ..... . . . ............ . . . Circui tos RC . . .. . .. . . . . .. . . . .............. . Circui tos Mistos .................... . ..... . 90 92 92 92 93 93 95 99 5. Circui t os Trif a s i c o s ...• . ............................... 104 5 . 1 5 . 2 5 . 2.1 5 . 2 . 2 5 . 3 I ntrodu<;ao .. . ... ..... . .... . .. ... . . .... ... . . Sistema Trifasico ......................... . L iga<_;:ao Est r ela ........................ . .. . Liga<_;:ao em Tri~ngulo ...... . ............... . Potencia em Sistemas Trifasicos .......... . . 104 104 107 11 1 11 5 AP~NDICE A - Decibel 121 AP~NDICE B - Filtros 124 AP~NDICE C- Diferenciador e Integrador .................... 129 AP~NDICE D- Instrumentos de Medida de Ponteiro ............ 131 A.1 A.2 A.3 A.4 A.S A.S.1 A.5.2 A.6 A.7 A.8 A. 9 Introduc:;ao ................................. 13 1 Instrumentos de Bobina Movel ............... 132 Instrumento de Ferro Movel ...... .. ......... 133 Instrumento Eletrodinamometricos ........... 133 Termicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4 Fio Aquecido ...................... . ........ 134 Termopar ................................... 134 Amperimetro ................................ 135 Alicate Amperometrico ...................... 136 Voltimetro ................................. 137 Wattimetro ................................. 138 CAP. 1 GRANDEZAS SENOIDAIS 1.1 Introduc;a o Uma corrente continua tern sempre o mesmo sentido e inten sidade, uma corrente alternada muda tanto de valor como de senti do . Dependendo de como se da essa varia~ao no tempo, teremos os diversos tipos de cdrrente alternada : senoidal, quadrada, trian gular, etc . (a) ;( mAl 10 -10 (b) I I I I I -- _l __ l. (c) onda quadrada Onda Triangular Onda Senoi dal Figura 1.1 De todas as correntes alternadas existentes, a mais i~ portante e a senoidal e por isso mesmo faremos uma revisao dos principais conceitos relativos a grandezas senoidais . Consideremos uma circunferencia de r aio Vm e urn vetor OA, que gira com rota~ao constante no sen tido contrario ao dos ponteiros do relogio . A ponta do vetor descreve uma circunferen cia, e 0 angulo formado entre 0 eixo horizontal e a dire~ao do vetor ,a, varia com o tempo . Fi g ura 1. 2 0 angulo por unidade de tempo representa a velocidade angular ou freguencia angular, que r~ presentaremos pela letra grega w (omega) . w = -'L t ou a = w. t ( 1) Sendo a expresso em rd (radi~ nos), t em s(segundos), w em rd/s (radiano por segundo) . Uma volta compl e ta e 2 n rd ou 360° . 0 tempo que o vetor OA leva para c ompl e tar uma volta e chamado de per{odo (T), logo para a= 2n rd, t = T s ubstituindo na equa~ao (1) : w (2) T 0 nume ro d e voltas (ciclos) completados por s egundo e chamado de fr eguencia (f), sendo f expresso em ciclos/s ou Hertz (Hz). 1 c i c lo/s = 1Hz 11 Para sabermos qual a rela~ao em frequencia e periodo , pQ demos montar uma regra de t r es : de ciclos portanto f . T 1 f 1 ou f = .!. T substituindo em (2) resulta : w = 2n f ( 4) e tempo (s) T 1 T .!. f - ( 3) seja b a proje~ao do vetor OA no eixo vertical . Da trigon ome tria obtemos : b = Vm . sena = Vm . senwt = Vm . sen 2n . f . t (5) Podemos verificar que a proje~ao d e OA n o eixo verti ca l , b, segue uma lei senoidal . (l 0 ... b Vm . sen0° = 0 (l goo ... b Vm . sen90° = Vm a = 180°-> b Vm . sen180° 0 (l = 270°-> b Vm.sen270° - Vm (l = 360°. b Vm . s e n360° 0 Graficamente : b Vm -Vm 1 . 2 Diagrama Fasorial Chamamos de fasor a urn vetor girante . Na figura 1.2, OA e urn fasor pois g1ra com velocidade ansula r W· Urn fasor pode ser usado para representar uma grandeza senoidal . Na figura 1 . 3, quan do o angulo a varia, a proje~ao do vetor OA no eixo vertical, mo2 trara uma sucessao de valores instantaneos da grandeza senoida1 . 0 lado esquerdo da figura 1 . 3 , e chamado de diagrama faso r ial e 0 lado direito e a onda senoidal cor r esponden t e . 270° Figura 1.3 1 2 0 diagrama fasorial e importante, pois nos permite somar grandezas senoidais sem usar a equa~ao ou a fo r ma de onda . Se o vetor no instante t = 0 forma urn angulo 0 com o ei xo horizontal, 0 valor instantaneo da grandeza sera dada por : b = Vm sen ( wt + 0) (6) 0 angulo 0 (letra cial. 0 diagrama fasorial estao indicados na figura Figura 1. 4 grega fi) e chamado angulo de fase ini correspondente e a sua forma de onda 1. 4 . Suponha dois vetores de amplitudes Vm1 e Vm 2 e tendo a mesma fase. 0 diagrama fasorial e as formas de onda estao indi cados na figura 1 . 5 . Figura 1.5 A equa~ao das duas grandezas senoida i s e : b = Vm 1 sen wt b 2 = Vm 2 • sen wt Na figura 1 . 5, os dois vetores estao em fase . Se os dois vetores estiverem defasados de urn angulo 0, as suas formas de on da tambem estarao defasadas do mesmo angulo 0 . Na figura 1 . 6, as duas formas de onda estao defasadas de 90° (estao em quadratura), sendo que b 1 esta adiantada em rel~ ~ao a b 2 . b b2 ~;---:.!- ---- --------- : .......... .... o<= wt Figura 1.6 1 3 As equa~oes das duas grandezas sao: b 1 = Vm 1 . senwt b 2 = Vm 2 sen (wt- ~) 2 0 angulo de fase inicial deb 2 e - .1!. (observe que pod~ ria ser tambem 1!!...) . 2 ' 2 . . Os calculos em C1rCU1tOS c . a as vezes 0 evoluem somas e subtra~oes de grandezas senoidais (tensoes, correntes). Consideremos duas grandezas senoidais cujas equa~oes sao: b 1 = Vm 1 . sen ( wt + (ll ) b 2 = Vm 2 • sen ( wt + (ll?) A sua soma sera: b = b1 + b 2 = VmJ·Sen (wt + (llJ) + Vm 2 .sen ( wt + ¢! 2 ) Para obter a soma poderiamos usar certas propriedades da trigonometria, ao inves disso fa~amos uso do diagrama fasorial. y o<.=w! (a) (b) Figura 1. 7 Usando as regras para adi~ao de vetores (regra do paral~ lograma), obtemos o vetor resultante, que tera amplitude Vm e f£ se (ll. Da figura 1.7a tiramos: X = X! + X2 tg(ll _.L_ X 1. 3 Valor Eficaz ou VmJ Vm2 sen 0 1 sen 0 2 Y! + Y 2 ~ + y2 Consideremos que no circuito da figura 1.8, a tensao £ plicada e senoidal. 14 v = Vm.senwt Pela 10 Lei de OHM o valor neo da COrrente sera: instant~ Figura 1. 8 i = v R onde Im Vm.sen wt R Vm -R- = Im.senwt A potencia instantanea entregue a carga sera dada por: p = v . i A figura 1.9 mostra os graficos de v, i e p . Podemos notar q u e a potencia e uma grandeza pulsa n te . V,l,p p wt Figura 1.9 Define-se valor eficaz de uma tensao alternada ao valor de uma tensao continua que produz mesma dissipa~ao de potencia, que a tensao alternada em questao, num mesmo resistor. (a} v = Vm.senwt i Im. se nwt Figura 1.10 (b) Na figura 1 . 10, a dissipa~ao de potencia e a mesma nos dois casas , logo dizemos que o valor da tensao continua, na figg ra l.lOb, e igual ao valor eficaz da tensao alternada na figura l.lOa. No caso de uma tensao alternada , senoidal , pode-se prQ var (atraves da matematica superior} que : 1 5 ou VEF = 0 , 707 . Vm ( 7) obs. : Por vezes encontramos o valor eficaz denotado por VRMS (RMS =Root- Means- Square= valor quadratico medio) . E claro que o mesmo vale para a corrente : IEF = Im = VEF 'J2' R No caso de urn circuito puramente resistive, a potencia dissipada pode ser calculada pelas mesmas equa~oes ja vistas em circuitos C. C . , somente lembrando que os valores de tensao e cor r ente sao eficazes . P = VEF . IEF , 2 p = VEF R e 2 p = R . IEF (8) Em uma grandeza senoidal, a quantidade Vm e chamada de valor de pico e portanto 2Vm e chamado de pico-a-pico (Vpp) . v Da figura 1 . 9 obse r vamos que a tensao e a corrente estao em fase, logo 0 diagrama fasorial corr esponden t e sera : Os comprimentos dos vetores representam os valores efi cazes da tensao e corrente ou valores de pico . Exercicios Resolvidos l - 0 valor de pico de uma tensao senoidal e 5V e a sua frequencia e 1KHz, pede-se : a) sua expressao matematica b) valor eficaz e periodo c) desenhar o grafico de v(t) Solu~ao : a) Vm = Vp = SV f = 1KHz = 10 3 Hz A expressao matematica generica de uma tensao senoidal e : v = Vm . senwt = Vm . sen 2rr . f . t 16 logo: b) c) v = 5sen . 2n . l0 3 . t VEF v(V) 5 - 5 Vm 5 \[2' = \[2' = (v) 3 , 53 v T t (msl l. f _ 1_ 10 3 lms 2 - Supondo que a tensao do exerc1cio 1 e aplicada a urn resistor de 10 n . Qual a potencia dissipada? Soluc;ao: 2 p VEF = (3,53)2 = 1 24 W R 10 ' 3 - Dado o grafico de uma corrente em func;ao do tempo, pede-se: a) frequencia e per1odo b) valor de pico-a-pico (Ipp) e valor eficaz (IEF) c) potencia dissipada ao passar em urn resistor de lK fl. d) expressao matematica i(mA) 10 - 10 Soluc;ao: a) Do grafico tiramos T 200~s ~ 200 x lo- 6s b) c) P d) i(t) f = l. 1 5000Hz T 200xl0- 6 Im = lOrnA Ipp 2xlm = 2xl0 lEF = Im = lO = 7 07mA V2' \[2' ' R . l~F = 10 3 X (7,07xl0- 3 ) 2 50 x 10- 3 w = 50mW Im . sen.2n . f . t = 10sen n . l0 4 . t (rnA) 20mA 5KHz 4- As expressoes matematicas de duas tensoes sao : v 1 lO . senwt (v) v2 = lO . sen(wt + .1!) (v) Pede-se : 2 a) representar as duas tensoes no diagrama fasorial· b) desenhar as suas formas de onda c) obtenha a soma v1 + V2 1 7 Soluc;ao: b) a) v(VJ ----------- ------ -~ v2 'Tr "\ w 2 w.t. -10 c) Usando regra de soma de vetores =V(lo)2 + (lo) 2 ' = \f200 = 10 V2 v considerando as amplitudes A fase de v sera: do vetor igual ao valor de pico. (wt - 5 - Dadas 11 2), obter: a) v 1 + v 2 b) v 1 - v 2 Soluc;ao : tg(l) v = v 1 10 V2=1o 11 45° = - 4 = 1 l0.\[2.sen( wt + ~) 4 as tensoes: v 1 = lS.sen(wt + ~) 2 e v 2 a) representemos as duas tensoes no diagrama fasorial v, (15V) V2 (IOVJ Como neste caso, os vetores tern mesma direc;ao mas dos opostos, 0 vetor resultante da soma e igual ao modulo maior, menos o modulo do menor, no sentido do maior. 18 lO.sen senti do v = v 1 + v 2 1l 5. sen ( wt + 2) b) Para obtermos v 1 - v 2 devemos efetuar a operac;;:ao v 1 + ( -v 2) v1 v1+t-v2 l -vz ~ 2 v = v +(-v ) = 25.sen(wt + ~) I 2 2 Esses dois exemplos servem para nos mostrar que a soma de tensoes com fases diferentes deve ser feita, considerando-se 0 modulo do vetor e a fase. 6- Dadas as tensoes : v 1 20.sen(wt + ~) (v) e v 2 40. sen(wt + ~) (v), obter: Soluc;;:ao: a) a) v 3 = v1 + v2 b) desenhar as formas de onda de VJ,V 2 e v3 V l X I X 2 Y2 X y y 20v V2 40v (Yalores de pico) VI cos .1!. 3 VI sen 2:. 3 V2 . COS _!!_ 6 20 X 0,5 = lOv 20 X 0,866 17,3v 40 x 0,866 = 34,6v v 2 . sen A 40 x 0,5 20v 6 x 1 + x 2 10+ 34,6 44,6v Y1 + Y2 17,3 + 20 37,3v 58,1v 1 9 tg¢ X = ~ = o 836 X 44,6 ' 39,9 - 4 0° V3 58,1 . sen(wt + 40) (v) b) 58, 1V Exer cicios Propostos 1 - Uma tensao senoidal tern frequencia 60Hz e VEF=llOv, pede-se: a) periodo e frequencia angular b) expressao matematica c) valor da potencia dissipada em uma resistencia de lOOn. 2 - Dado o grafico de uma corrente em fun~ao do tempo, pede-se: a) periodo e frequencia b) valor de pico-a-pico e valor eficaz c) expressao de i(t) i( mAl 50 --- 3 - Urn chuveiro tern as caracteristicas 2400W/220v cazes), pede-se: (Efi a) tensao de pico e corrente eficaz no chuveiro b) corrente de pico no chuveiro 4 - Dada a forma de onda, dar a sua expressao em fun~ao do tempo . a) 20 v(V) 5 0(= w.t b) v(V) 5 -5---- ----------- 5 - Dadas as expressoes de duas tensoes v 1 lO.sen(wt + ::.) (v) e v 2 lO.sen(wt + 11) (v) pede-se: 4 a) Vj + V2 b) Vj - V2 6 - Uma tensao alternada senoidal e aplicada a uma resi~ tencia de lOO n , dissipando 0,25w, calcular: a) valor eficaz da tensao e valor de pico b) valor eficaz da corrente e seu valor de pico-a-pico . Solu~ao dos Exercicios Propostos 1) a) T = 16,66ms w = 377 rd/s b) v(t) = 155.sen 377. t (v) c) p 121w 2) a) T 4ms f = 250 Hz b) Ipp = 100mA IEF = 35,46mA c) i(t) = SO.sen 1570.t(mA) 3) a) IEF = 10,9A Vp = 310,2V b) Ip = 15,34A 4) a) v(t) 5. cos (w t + 120°) (v) b) v(t) = 5 .cos (w t + 90°) (v) 5) a) vl + v2 7,65 sen(wt + 112, 5) (v) b) vl - vz 18,47 sen(wt + 22,5°) (v) 6) a) VEF Sv Vp 7v b) IEF SOmA Ip 70mA 21 CAP. 2 ELETROMAGNETISMO 2 . 1 Hagne tismo Campo magnetico : E toda regi~o do espa~o na qual uma agQ lha imant ada fica sob a a~ao de uma for~a magnetica . Urn ima e uma substancia, encontrada na natureza, que cria ao seu redor urn campo magnetico. Todo i ma tern d uas regioes, onde o campo magnetico e mais i n tense , chamadas de polos : polo norte e polo sul . Poles de mesmo nome se repelem e poles de -nomes dife r en tes se atraem. Os poles de urn ima, voce obtera dois (a) Figura 2 . 1 ima sao ~nseparaveis . Se outros imas . <E--- ------';> IN sl Is <E--- ------7 js N ) IN -----7 -E-- jN s I IN (b) voce parti r urn N s s Assim como o campo g r avitacional e caracterizado em C£ da ponte pelo vetor ace lera~ao da gravidade (g), o campo magn~ tico e caracterizado em cada ponte pelo vetor indu~ao magnetic a (B). A fim de que possamos visualizar o campo magnetico, dg vemos conceituar o que e linha de campo ou l i nha d e indu~ao. As linhas de campo, alem de permitir ver a forma do caN po , tambem nos da uma ideia da sua intensidade . Quante maier o numero de linhas por unidade de volume, mais intense e 0 campo . Para que voce represente urn campo magnetico atraves d e suas linhas de campo , voce deve se lembrar de algumas regra s : a) As linha s de campo sao orien t adas: saem pelo polo DO£ te e entram pelo polo sul . b) Em cada ponte, p vetor indu~ao magnetica e tang e nt e a l inha de campo que passa pelo ponte . c) Duas linhas de ca mpo nao podem se c r uzar . d) As linhas de campo sao perpendiculares a superficie do J.ma . Na figura 2 . 2, voce tern alguns e xemplos de i ma e a forma do seu campo magnetico . 22 (a) Figura 2.2 ICl L~ ---- -~ (b) (c) As linhas de campo podem ser visuali zadas na pratica se colocarmos limalha de ferro ao redor do ima . As limalhas de fe£ ro tenderao a se orientar ao longo das linhas de campo. 2.2 Campo Magne t ico de uma Cor rente Ele trica Colocando-se uma bussola nas proximidades de urn fio que conduz uma corrente eletrica a agulha sofrera urn desvio, indican do a existencia de urn campo magnetico criado pela corrente . Verificamos que, quanto mais intensa for a corrente, maior sera 0 desvio da agulha (a intensidade do campo depende da intensidade da corrente) . Se o sentido da corre n te for invertido, o desvio sof r ido pela agulha tambem se inve r te (a orienta~ao do campo magnetico depende do sentido da cor r e n te) . 2 . 2 .1 Campo de um Condut o z Re t i l i ne o As linhas de campo sao circ~nferencias concentricas com o fio. Figura 2.3 Para determinar o sentido das linhas de campo, usamos a 2 3 regra da mao direita . "Segurando o fio com a mao direita , com o polegar no sentido da corrente, os outros dedos indicarao o sentido d a s li nhas de campo" . 2.2.2 Campo de uma Espira Circular Obs . : Para representar uma corrente saindo do plano do papel , us£ remos ~ e para representar a corrente entrando no plano do papel, usaremos ~ . No caso de uma espira circular, as linhas de campo tern a forma indicada na figura 2 . 4 (a) Figura 2 . 4 1/if\ ~-~ (b) Na figura 2 .4a, o observador, olhando para a espira , "ve" as linhas de campo entrando no plano da espira pelo lado em que se encontra, logo olha para o polo sul da espira . Na figura 2 . 4b, podemos compreender melhor o que foi dito . Com a corrente no sentido indicado, as linhas de campo entram no plano do P£ pel, logo o observador "ve" urn pol o s u l na parte de cima da fQ lha eo polo norte do outro lado da folha. 0 que aconteceria na figura 2 . 4, se o sentido da corre~ te fosse i nvertido? 2.2.3 Campo Magnetico de urn Solenoide Urn solenoide ou bobina consiste de urn fio enrolado em forma de helice, formando espiras iguais, uma ao lado da outra e igualmente espa~adas . N (a) ~b) (c) Figura 2.5 24 Observe na figura 2.5b, que as linhas de campo se aju~ tam de forma tal, que nenhuma das regras e contrariada . Veja ta~ bern que o campo e mais intense no eixo do solenoide. A intensi dade do campo depe nde das dimensoes da bobina (numero de espiras e comprimento), do material de que e feito 0 nucleo (ar, ferro) e da intensidade da corrente . Se o nucleo for de ferro, o campo sera mais intense (a concentra~ao de linhas no interior da bobina e maior) do que se 0 nucleo for de ar. Eletroima Urn eletroima e uma bobina enrolada num nucleo de doce (isto aumenta a intensidade do campo) . Quando fazemos sar uma corrente , o ferro se imanta. Cessada a corrente, a imanta~ao. ferro pa~ cessa Uma aplica~ao de urn eletroima e na constru~ao de urn guirr daste eletromagnetico. I - Figura 2.6 2 .3 For~a Eletromotriz Induzida Toda vez que o fluxo de indu~ao magnetica atraves de uma espirar variar, uma te nsao sera induzida na espira. Chamamos de f.e.m induzida, a toda tensao gerada pela V£ ria~ao do fluxo magnetico em urn circuito. 0 fluxo de indu~ao magnetica (¢), atraves de uma supe~ ficie de area s, e definido como sendo: ~q) ¢ = B.S . cosa --- 25 B s a intensidade do vetor indu~ao magnetica area da superficie angulo formado entre a perpendicula~ a superficie e 0 vetor indu~ao magnetica. Observe que o fluxo e maximo quando que e nulo quando a= 90° . a B . S e -----1~--B I~--T.J-_"-!n~ormol I c<= oo ---- H- --- 0max normal \ 0 = 0 Da equa~ao que da o fluxo, podemos verificar que o fluxo tambem pode variar se a intensidade de B variar . Na pratica, podemos ter os seguintes casos de varia~ao do fluxo magnetico, induzindo uma tensao. a) Aproximando ou afastando um ima ou um eletroima de uma espira ligada a um amperimetro, este dara uma indica~ao num sentido quando aproximamos e no outro sentido quando afastamos . Com o ima parado nao havera indu~ao de Corrente (nao ha vari~ ~ao de fluxo de indu~ao) . b) Ao inves de movimentarmos o ima ou o eletroima, se a ~spira se movimentar (aproximando, afastando ou girando), tambem s~ ra induzida uma tensao . Este e o principia de funcionamento de urn gerador de tensao. c) Se variarmos a corrente em urn solenoide, a intensidade do 26 campo ao seu redor tambem variara . Se colocarmos uma espira nas proximidades do solenoide, o fluxo de indu~ao, atraves do espira variara induzindo uma tensao . Este e o principia de funcionamento de urn transformador. R -+Aumentando .... I -+ diminuindo Lei de Lenz : "0 sentido da COrrente induzida e tal, que· el': gina urn campo magnetico que se opora a varia~ao fluxo magnetico que a produziu" . ori do Consideremos urn ima se aproximando de uma espira, o polo norte o mais prox i mo da espira . sendo Se o 1ma esta se aproximando, e o polo mais prox i mo da espira e 0 polo norte, na face da espira voltada para 0 ima deve ser induzido urn polo norte, de forma a se opor ao movimento (aprQ xima~ao), portanto o sentido (de acordo com a regra da mao direi ta) da Corrente e como esta indicado . Se o ima se afastar, o polo induzido na face superior d~ vera ser urn polo sul, desta forma se opondo ao movimento . A CO£ rente tera sentido oposto. s ---- 2 . 4 Tr a nsforma dor I ::::---...... E urn disposiLivo que permite modificar uma tensao alte£ nada, aumenta ndo-a ou diminuindo-a. Consiste , essencia lmente , de duas bobinas isoladas, el~ tricamente, montadas em urn mesmo nucleo de ferro (concentra as linhas de campo) . 27 us (a) (b) Figura 2. 7 A bobina que recebe a tensao a ser transformada (Up), r~ cebe o nome de primario e a outra que fornece a tensao tran~ formada (Us) e chamada de secundario. A corrente alternada, passando no primario, origina urn fluxo magnetico alternado (o B e que varia) no nucleo de ferro . Este fluxo variavel atravessa o secundario, induzindo uma tensao alternada no secundario. 0 nucleo e de ferro laminado para diminuir as perdas cag sadas pelas correntes de Foucault, e para aumentar o acoplamento entre as duas bobinas . Em urn transformador ideal, vale a rela~ao: Ps = Pp potencia do secundario potencia do primario Em urn transformador real Ps < Pp (10) A dissipa~ao de potencia ocorre por efeito Joule nos con dutores dos enrolamentos e no nucleo do transformador. Consideremos o transformador ideal, logo vale: Up Ip = us Is sendo Np numero de espiras do prima rio Ns numero de espiras do secunda rio valem as seguintes rela~oes: ~ ~ ou Us = Ns Up ( 11) us Ns Np Is ~ Ip ( 12) Ns 28 Urn transformador so pode ser usado com corrente alterna da, uma vez que nenhuma tensao sera induzida no secundario, se nao houver varia~ao do fluxo de indu~ao magnetica. Se uma tensao continua e aplicada ao primario, uma ten sao sera induzida no secundario, somente no instante do fechamen to ou abertura do circuito primario, pois e somente nestes ins tantes que a intensidade do campo magnetico (portanto o fluxo) varia . Uma das principais vantagens de urn transformador, alem de transformar uma tensao, e acoplar dois circuitos, sem i nterli ga-los eletricamente. Exercicios Resolvidos 1 - Esbo~ar as linhas de campo no caso de dois imas em forma de barra, colocados urn de frente para o outro. si Solu~ao: Os dois imas se repelirao, o mesmo ocorrendo com as suas linhas de campo observe_que a configura~ao do campo e tal que, duas linhas de campo nao se cruzam. 2 - Urn transformador ideal tern 200 espiras no primario e 800 espiras no secundario. Aplicando-se uma tensao de lOV (efi caz) no primario, pede-se calcular: Solu~ao: a) a) tensao induzida no secundario . b) corrente no primario e no secundario se urn resistor de loon for ligado ao secundario. Up= IOV Us 800 200 10 40V 29 b) Is = RUs = 40V lOOn 0,4A Up.Ip = Us.Is Ip = Us.Is Up 40.0,4 10 1,6A Exerc1cios Propostos 1 - Qual o sentido da corrente induzida na espira? 2 - Urn {rna entra em uma bobina como indicado na figura . Qual a polaridade da tensao induzida? 3 - Urn transformador tern 500 espiras no primario e llOV de tensao primaria, se a tensao no secundario deve ser 12V, qual 0 numero de espiras do secundario? 4 - Por que e usado nucleo de ferro laminado em urn tran~ formador? 5 - Por que o transformador nao funciona em C.C.? 6 - Qual deve ser a rela~ao de espiras de urn transform~ dor abaixador de llOV para 24? Qual a corrente no primario se o secundario fornece lA? 30 Resolu~ao dos Exercicios Propostos 1) Observador olhando de cima : I sentido horario 2) Ponto B com potencial maior que ponto A 3) N5 = 54,5 esp1ras 4) Para diminuir as perdas 5) 0 fluxo de indu~ao magnetica e constante. 6) ~ = 4 6 Ns ' Ip = 0,22A 31 CAP. 3 CIRCUITO EM C.A. FASORIAL 3.1 Indutor e Indutancia ANALISE Genericamente, c hamamos de indutor ou bobina a urn fio enrolado em forma de helice sobre urn nucleo, o qual pode ser de ar, ou nao. A figura 3.1 mostra a simbologia adotada para indg tores. ~II Nucleo de ar Nucleo de ferro (a) (b) Figura 3.1 ~ II " II ' II Nucleo de ferrite (b) Quando a chave no circuito da figura 3 . 2 e fechada, uma corrente eletrica come~a a circular no circuito (I) . Esta co~ rente origina urn campo magnetico cujas linhas de campo cortam as espiras subsequentes, induzindo nelas uma f.e.m. Esta tensao in duzida chamamos de f.e.m. auto-induzida. De acordo com a lei de Lenz, esta tensao induzida devera se opor a causa que a origi nou (varia~ao de I) . Como resultado desta oposi~ao, temos que a corrente no circuito levara urn certo tempo para ati ngir o seu valor de regime (imposto pelas resistencias ohmicas do circuito) . !(A ) ' '0 2 -------- ~ ;:> t (ms) (a) (b) e f.e.m induzida Figura 3 0 2 Se apos a Corrente ter atingido o seu valor maximo (2A), abrirmos a chave , a corrente I tendera a diminuir. A varia~ao do campo magnetico novamente induzira uma f.e . m. de auto-indu~ao com polaridade tal, que originara uma co~ rente I' que tendera a se opor a diminui~ao de I . Desta forma, sea chave foi aberta no instante t = t', ainda havera corrente por urn certo tempo. 32 !(A) 2 (a) t Figura 3 . 3 2 t '= lms t(ms) (b) e f.e.m induzida Concluimos que urn indutor se opoe a uma varia~ao de co~ rente. Observe a polaridade da f.e.m induzida na figura 3.3b. A tensao induzida se soma com a tensao da fonte, de forma que en tre OS terminais da chave aberta,a tensao sera E +e. Sea f.e.m induzida for suficientemente alta, pode aparecer urn arco entre OS contatos da chave, 0 que sera perigoso para 0 operador. Se na figura 3.2b, colocarmos urn nucleo de ferro na bobi na (observe que na figura 3.2b 0 simbolo e de indutor com nucleo de ar) e repetirmos a experiencia, verificaremos que a oposi~ao oferecida pelo indutor a varia~ao de COrrente sera maior. 0 tem po que levara para que a corrente atinja o seu valor de regime sera maior. I( A) 2 --------~-;-~----- 2 3 t(ms) (a) (b) Figura 3.4 Quando colocamos urn nucleo de ferro na bobina, nos alt~ ramos a sua indutancia (L), no caso, aumentamos . Toda bobina ou indutor possui uma indutancia. A iQdutan cia s6 depende das dimensoes da bobina (numero de espiras, com primentos, diametro do nUcleo) e do material de que e feito o n~ cleo. A indutancia de uma bobina e uma medida do quanto de energia pode ser armazenada em urn campo magnetico. A unidade de indutancia e chamada de Henry (H). 3.2 Circuito em C.A com Indutancia Pura Como foi visto anteriormente, como na figura 3.2b, do aplicamos uma tensao a uma bobina, a corrente levara urn tempo ate atingir o seu valor de regime. Existe pois, uma sagem entre a tensao aplicada e a corrente que percorre o tor. quan certo def9_ ind1! 33 No caso da tensao aplicada ser senoidal, a corrente (tam bern senoidal) estara 90° atr a s a da em rela~ao a tensao. Como ja vimos, urn indutor oferece uma oposi~ao a uma V£ ria~ao de Corrente. A medida desta oposi~ao e dada pela reatan cia indutiva (XL) do circuito. A reatancia indutiva depende da indutancia do indutor e da frequencia da corrente, sendo dada pela formula: onde L f XL (a) XL = w • L = 2 11 . f . L indutancia da bobina em Henry frequencia da c.a em Hz reatancia da bobina em n l (b ) Figura 3.5 wt ( 12) VG= valor eficaz de vg. I = valor eficaz de i (c) caso, tiva. A primeira Lei de OHM evalida em urn circuito C. A. Neste a resistencia eletrica e substituida pela reatancia ind~ (13) Em urn circuito puramente indutivo (sem resistencias), nao ha dissipa~ao de energia. Na figura 3 . 6, esta representado o grafico da potencia instantanea em fun~ao do tempo. Vg.i.p p(t) v(t) . i(t) p(t) • potenc ia instantanea Figura 3.6 Durante o prime iro quarto d e ciclo, o circuito energia, a qual e usada para aumentar a energia do campo 34 absorve magn~ tico (a potencia e positiva, e a energia e representada pela area entre a curva p eo eixo t). No segundo quarto de ciclo, a corrente diminui. A f . e.m de auto-indu~ao tendera a se opor a essa diminui~ao. A bobina comporta-se como urn gerador, devolvendo a ene£ gia (que estava armazenada no campo magnetico) ao circuito (agQ ra a potencia e negativa). A sequencia se repete no segundo meio ciclo . Desta fo£ rna, a potencia e continuamente trocada entre o campo magnetico e 0 circuito, nao havendo perdas. A mesma conclusao pode ser obtida a partir da formula: P = VEF . IEF . cos~ VEF tensao eficaz do circuito IEF corrente eficaz do circuito P potencia real ou potencia ativa ~ angulo de defasagem entre tensao e Corrente No caso ~ = goo + p VEF·IEF . 0 = 0 Exercicios Resolvidos ( 14) 1 - Uma bobina tern 0,1H de indutancia, sendo ligada a uma tensao de 110V, 60Hz. Determinar: a) reatancia da bobina b) valor eficaz da corrente no circuito c) desenhar os graficos de v e i Solu~ao: a) XL = 2rr.f.L = 2 x 3,14 X 60 X 0,1 b) IEF = VEF XL llOV 37,7 11 = 2,9A c) Vm = VEF x\(2 = 155, 5V Vg . i ""' 1\ i P\ .......... ~ l/ 1\ ~ kl \ 1/ ~ / Vg v ""' I l/ v [7 / 37' 7 11 IEF . "'f2' = 4, 1A r\ 4.1A wt 2 - Em que frequencia, uma bobina de indutancia 20mH t~ ra reatanc ia de 100 11? Solu~ao: 20mH 10011 20 X 10- 3 H 35 2 TT. f.L ou f ~ 2 TT.L 100 ;!! 796Hz 6,28x20xl0 - 3 3 - Em urn circuito alimentado com 110V/60Hz, quer-se que a corrente se ja limitada a lOOmA. Qual deve ser o valo r da ind~ tancia a que deve se colocar neste circuito? Solu~ao: In = lOOmA IEF logo 1, 55 L IIOV 60Hz Im _ lOOmA =-\ff'-~ 6,28 60 1 55 6,28 X 60 3.3 Circuito RL Serie L 70,7 rnA XL VEF llOV IEF 70,7mA 1, 55 n L 0,0041H 4, lmH Circuitos na prat ica possuem ambos resistencia e indutan cia, isto significa que a corrente ao percorrer tal circui t o en contrara dois tipos de oposi~ao: a oferecida pela resistencia e a oposi~ao da f . e.m de auto - indu~ao (reatancia indutiva). Ainda mais, em urn circuito contendo resistencia e indg tancia, a COrrente COntinua atrasada em rela~ao a tensao, SO que de urn angulo menor que 90° (nao se esque~a que a resistencia ten de a colocar VG e I em fase, enquanto a indutancia tende a def~ sa-las de 90°). No circuito da figura 3 . 7, a r esistencia R representa todas as resistencias ao longo do caminho da cor rente (inclusive a resistencia ohmica do fio da bobina) . (a) (b) Figura 3. 7 Na f~gura 3.7b, diagrama fasorial, observe o atraso de 90° da corrente no indutor (que e a mesma na resistencia) em rela~ao a tensao (VL)· Como a corrente na resistencia esta emf~ se com a tensao VR, as duas sao representadas no mesmo eixo . Observe na figura 3 .7b, que a obten~ao da tensao do ger~ dor e por soma vetorial . 36 Do triangulo retangulo VG 2 = VR 2 + VL 2 tiramos: ( 15) ou VG =\} VR 2 + VL 2 Figura 3.8 Na rela~ao (15), dividindo ambos os membros por I 2 VG2 VR2 + VL2 ou (~Gr = (~Rr + GLr 12 !2 !2 onde: VR R = resistencia ohmic a do circuito I VL XL = reatancia indutiva da bob ina I VG z = impedancia do circuito 1 A impedancia e o efeito combinado de uma resistencia com uma indutancia. Desta forma, podemos escrever : z2 = R 2 + XL 2 ( 16) ou z =VR 2 + XL 2 0 mesmo resultado seria obtido se tivessemos dividido C£ da lado do triangulo porI. ~~} ~ K} =! A} -I VR VR R -1- (a) (b) (c) Figura 3 . 9 0 angulo de defasagem entre V e I, ~. pode ser calc!! lado por: tg 4> = VL XL ( 17) VR R ou cos<!> (18) Exercicios Resolvidos 1 - Determine a tensao que deve ser ap1icada a uma bob~ na, a fim de produzir uma corrente de SA, se a resistencia da bobina e 6 n e a sua reatancia indutiva e an. Qual 0 valor da in dutancia se a frequencia e 60Hz? Qual a impedancia do circuito? 37 ! =5 A So luc;:ao: -- L VR = R.I = 6 . 5 = 30V VL = XL . I = 8 . 5 = 40V v ~ + ~ = "V3o 2 + 40 2 1 ="V9oO+ l 6oo' =""\.[i500=5ov XL = 2 1T .f.L 8 = 6,28 . 60 . L + L = ~ = 0,021H ou L = 2lmH Z ~+ XL 2 = -v6 2 + 8 2 1 = -v36 + 64 1 = "'{100 = 10 Q I= 5A ---- '""''DZ·IOfi 2 - Uma bobina quando ligada a uma fonte c . c de 12V con some 3A, e consome 4A quando ligada a uma fonte de 20V/60Hz . Ca~ cular: a) resistencia da bobina b) reatancia indutiva e indutancia c) impedancia do circuito d) angulo de defasagem entre V e I e) potencia dissipa da no circuito f) desenhe o diagr ama fasorial Soluc;:ao : a) Quando a bobina e ligada a uma fonte c.c so existe 0 de resistenc ia (a reatancia e nula ) . R 4 Q e f eito b) Quando a bobina e ligada a uma fonte C . A alem da resisten 38 c ia, soma-se o efeito da reatancia, isto e , a fonte C . A "ve" uma impedancia . 20V 60Hz z __:y_ I ___1_Qy_ = s n 4A por outro lado sabemos que z = \} R 2 + XL 2 I ou L ~ 3 2TT. f 376,8 - c) ja calculado z = sn d) Da figura 3 . 9c ~XL R LJ 20V z 60Hz 8mH cos <I> __!i_ _4 _ 0,8 z 5 <I> = arc cos 0,8 - 37° e) A potencia dissipada no circuito e a potencia dissipada na resistencia, sendo chamada de potencia r eal . P = VEF IEF . COS<j> = 20.4.cos37° = 20.4 . 0,8 = 64W Evidentemente, nao precisamos decorar a fo r mula acima calcular a potencia dissipada em R, bastaria usar uma formulas . p R.I 2 ; p 'f_ R ou p = v I on de v e I sao a ten sao e corrente na resistencia . logo p R . I 2 4(4) 2 64W VR R. I 4 4 16V p v I 16 4 = 64W f) 0 diagrama fasorial e 0 diagrama da figura 3.8 16V 20V XL . I = 3 . 4 = 12V 37° ----------I ") W I I I I I <j>= 37° I I I ' 4A VR' 16V para das 39 As expressoes matematicas da tensao e corrente no cui to sao : v 20 -~ · sen (wt + 37 0) ( V) i 4 .\[2'. sen (wt) ( A) observe que poderiam ser tam bern v 20 ."\(2' . sen (wt) ( v) i 4 .\[2' . sen (wt - )70) (A) 3 .4 Fator d e Poten c i a Se na figura 3 . 8, mu l t i plicarmos os lados do triangulo por I, obteremos urn triangulo c u jos lados r epresentam potencia . Figura 3.10 A base do triangulo e a pote nc ia real , P, ou pote n c ia ~ tiva. P = VR . I = V . I . cos~ sendo P dado em watts (W) A hipotenusa do tr i angulo e chamada de potencia aparen te, PAp PAp = v I (19) sendo PAp dado em volt-ampere (V.A) A altura do triangulo e a poten c ia reativa , Pr. No caso, potencia reativa indutiva, Pri· Pri = VL I = v I sen~ (20) Pr e dado em volt-ampere, porem no simbolo colocamos urn indice, indicando que a potencia e r eat i va (V.Ar) . Do triangulo de potencia tiramos a rela~ao entre as tres potencias PAp> = p> + Pr> ( 21) ou PAp =~+ Pr 2 A rela~ao entre a potencia real (P) e a potencia te (P~p) e c~am~da de f~tor de p o tencia iF - ~) . No caso geral, a potenc1a real e menor que a potenc1a aparente, forma, 0 fator de potencia e menos que a unidade . 40 aparen rna is desta
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