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ELETRICIDADE BÁSICA APOSTILA DO ELETRICISTA Formação de Eletricistas Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 3Agosto 2013 Eletricidade Básica Introdução à eletricidade Princípios da Eletrostática: A eletrostática estuda os fenômenos relacionados às cargas elétricas em repouso. Matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço. A matéria é constituída de moléculas que, por sua vez, são formadas de átomos. O átomo é constituído de um núcleo, onde se encontram os prótons e os neutrons, e da eletrosfera, onde se encontram os elétrons. Portanto, o átomo é formado por: Elétron: É a menor partícula encontrada no átomo, com carga negativa. Os elétrons estão sempre em movimento em suas órbitas ao redor do núcleo. Próton: É a menor partícula encontrada no átomo, com carga positiva. Situa-se no núcleo do átomo. Nêutron: São partículas eletricamente neutras, também situadas no núcleo do átomo, juntamente com os prótons. 4 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Princípios da Eletrodinâmica: A eletrodinâmica estuda os fenômenos relacionados às cargas elétricas em movimento. Tomando os princípios da eletricidade o que ocorre se um pedaço de fio condutor de cobre for colocado sobre a ação de uma carga positiva em uma extremidade e de uma carga negativa noutra extremidade? O resultado integrado é uma movimentação (fluxo) de elétrons através do pedaço de fio (condutor) entre o pólo negativo (-) e o pólo positivo (+) - (Repulsão e Atração). O princípio fundamental da eletrostática é conhecido pelo princípio da ATRAÇÃO e REPULSÃO. Átomos têm elétrons em órbita ao redor de um núcleo com prótons e nêutrons. Cada átomo contém igual número de elétrons e prótons. Os elétrons ocupam camadas, ou anéis, que orbitam em volta do núcleo. Assim sendo: Átomos carregados negativamente = maior número de elétrons; Átomos carregados positivamente = menor número de elétrons; As figuras abaixo exemplificam as afirmações acima: Figura 1 - Cargas de mesmo sinal se repelem. Quando um bastão de borracha é friccionado em um pedaço de lã, elétrons são removidos da lã e distribuídos pelo bastão. A lã agora está carregada positivamente e o bastão negativamente. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 5Agosto 2013 Aproximando-se o bastão de uma bola suspensa e eletricamente isolada, ela recebe uma parte de carga negativa do bastão. Se retirarmos este bastão e tentarmos ligá- lo novamente à bola, ela se afastará, ou seja, haverá repulsão. Isto porque cargas com o mesmo sinal se repelem. Se ambas as cargas fossem positivas, portanto, ocorreria o mesmo fenômeno. Figura 2 - Atração de diferentes cargas. O que ocorreria, porém, se um bastão carregado negativamente fosse aproximado de uma bola carregada positivamente? Pela figura 2, nota-se que a bola se moveria na direção do bastão, sendo atraída por ele; da mesma forma, um bastão carregado positivamente atrairia uma bola carregada negativamente. Em outras palavras, cargas de sinal contrário se atraem. Resumindo: • Elétrons podem ser levados a abandonar seus átomos em muitos materiais; • Uma energia advinda, por exemplo, de fricção é necessária para causar a fuga dos elétrons de seus respectivos átomos; • Cargas com o mesmo sinal se repelem e cargas com sinais contrários se atraem. - Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) 6 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Princípios da Eletrodinâmica: A eletrodinâmica estuda os fenômenos relacionados às cargas elétricas em movimento. Natureza da eletricidade Eletricidade é o fluxo de elétrons de átomo para átomo em um condutor. Figura 3 - Toda matéria é constituída de átomos. Para entender eletricidade, deve-se pensar na menor parte da matéria, o átomo (figura 1). Todos os átomos têm partículas chamadas elétrons, que descrevem uma órbita ao redor de um núcleo com prótons e nêutrons. O elemento mais simples é o hidrogênio. Como se pode ver na figura 3, seu átomo tem um único elétron em órbita ao redor do núcleo com um próton. Um dos mais complexos elementos é o urânio, que tem 92 elétrons em órbita ao redor de um núcleo com 92 prótons. Tomando os princípios da eletrostática o que ocorre se um pedaço de fio condutor de cobre for colocado sob a ação de uma carga positiva em uma extremidade e de uma carga negativa noutra extremidade? O resultado integrado é uma movimentação (fluxo) de elétrons através do pedaço de fio (condutor) entre o pólo negativo (-) e o pólo positivo (+) - (Repulsão e Atração). Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 7Agosto 2013 Cada elemento tem sua própria estrutura atômica, porém cada átomo de um mesmo elemento tem igual número de prótons e elétrons. Figura 4 - Estrutura de um átomo de cobre. O elemento cobre é muito empregado em sistemas elétricos porque é um bom condutor de eletricidade. Essa conclusão pode ser facilmente verificada observando-se a figura 4. O átomo de cobre contém 29 prótons e 29 elétrons. Os elétrons estão distribuídos em quatro camadas ou anéis. Deve-se notar, porém, que existe apenas um elétron na última camada (anel exterior). Este é o segredo de um bom condutor de eletricidade. Elementos cujos átomos têm menos de quatro elétrons em seus respectivos anéis exteriores são geralmente denominados “bons condutores”. Elementos cujos átomos têm mais de quatro elétrons em seus respectivos anéis exteriores são maus condutores. Poucos elétrons no anel exterior de condutores são mais facilmente desalojados de suas órbitas, para criar um fluxo de elétrons de átomo para átomo. 8 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 1º Tensão Elétrica Definição: É a força, ou pressão elétrica, capaz de movimentar elétrons ordenadamente num condutor. Mas para esse movimento acontecer é necessário que alguma força, ou pressão, apareça nos terminais deste condutor. De um lado, o terminal do condutor se liga ao potencial positivo e, do outro lado, ao potencial negativo. Dessa forma, como existe uma diferença de potencial aplicada aos terminais do fio, um fluxo de elétrons se movimentará por ele. Esta “pressão elétrica” se chama diferença de potencial ou tensão elétrica. Veja uma analogia com um sistema hidráulico, em que a água fluirá através do cano, quando o registro se abre, até que as “pressões” dos dois reservatórios se igualem. Na figura abaixo mostra-se dois reservatórios de água. O reservatório A está cheio e o reservatório B vazio. Eles estão ligados por um cano e por um registro. Há uma pressão hidráulica em que A “empurra” a água para B. Abrindo-se o registro a água movimenta-se para B até as pressões se igualarem (PA=PB). A água para de circular A B Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 9Agosto 2013 Da mesma forma acontece com corpos eletrizados. Sejam dois corpos A e B que possuem cargas elétricas diferentes. O corpo A tem maior número de elétrons do que o corpo B; então diz-se que o corpo A tem maior “potencial elétrico” que o corpo B Há uma diferença de potencial elétrico (d.d.p.). Ligando-se os corpos A e B através de um condutor, o “potencial elétrico” de A “empurra” os elétrons para B, até que se igualem os potenciais. 10 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Os elétrons são “empurrados” do potencial negativo para o potencial positivo: Nota: A tensão também é chamada de diferença de potencial (d.d.p.) ou voltagem. Uma carga elétrica se movimenta do ponto de potencial maior para outro de potencial menor. Quando os potenciais se igualam, no entanto, se encerra o movimento de elétrons pelo fio condutor. Para manter a corrente de elétrons, deve-se manter a diferença de potencial nos terminais do condutor. Chama-se estes terminais de polos; o de maior potencial é o positivo e o de menor potencial é o negativo. TENSÃO ELÉTRICA: é a força,ou pressão elétrica, capaz de movimentar elétrons ordenadamente num condutor. Atribuímos à terra o potencial elétrico zero, tornando-a referência para a medição. Assim, quando dizemos que determinado potencial elétrico é positivo ou negativo, diz-se que se ele é maior ou menor do que o da terra. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 11Agosto 2013 Unidade de medida da tensão elétrica A unidade de medida da tensão é o volt, representada pela letra maiúscula “V”, em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta. Ex.: 127 volts =127 V Para tensões mais elevadas utiliza-se os múltiplos e tensões muito baixas os submúltiplos 12 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 13,8 kV = 13.800 V 34,5 kV = 34.500 V 220 V = 0,22 kV 127 V = 0,127 kV Múltiplos e submúltiplos Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 13Agosto 2013 Instrumento de Medição O aparelho utilizado para fazer medições de tensão elétrica é o voltímetro. Ele deve ser ligado em paralelo com o circuito. O voltimetro é composto por uma bobina de Fio Fino com muitas espiras. Cuidados na utilização do voltímetro. Atenção: • A graduação máxima da escala deverá sempre ser maior que a tensão máxima que se deseja medir. • Evitar qualquer tipo de choque mecânico. • Caso o voltímetro tenha polaridade, seu lado positivo deve ser ligado ao polo positivo da fonte, e seu lado negativo ao polo negativo da fonte. 14 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 2º Corrente elétrica Num átomo existem várias órbitas: Os elétrons mais próximos do núcleo têm maior dificuldade de se desprenderem de suas órbitas devido à atração exercida pelo núcleo; são os chamados elétrons presos. Os elétrons mais distantes do núcleo têm maior facilidade de se desprenderem de suas órbitas porque a atração exercida pelo núcleo é pequena; são os chamados elétrons livres. Os elétrons livres se deslocam de um átomo para outro desordenadamente nos materiais condutores. Considerando-se que, nos terminais de um condutor qualquer representado abaixo, tem-se de um lado um polo positivo e de outro um polo negativo, o movimento dos elétrons toma o mesmo sentido: Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 15Agosto 2013 Os elétrons (-) são atraídos pelo pólo positivo e repelidos pelo negativo. Assim, os elétrons livres passam a ter um movimento ordenado (todos para a mesma direção). CORRENTE ELÉTRICA: Movimento ordenado de elétrons no interior de um material condutor - André Marie Ampère (1775-1836) Esse fluxo ou corrente de elétrons continuará enquanto as cargas positivas e negativas forem mantidas nos extremos do fio (cargas de sinal contrário atraindo-se). Isso é o fenômeno da eletricidade atuando. Eletricidade é o fluxo de elétrons de átomo para átomo em um condutor. Este movimento ordenado de elétrons acontece dentro do condutor. Unidade de medida da corrente elétrica Para expressar a intensidade de corrente elétrica em um condutor utiliza-se o ampère, representado pelo “A”. Exemplo: I = 3 ampères I = 3 A 16 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 A rede elétrica fornece às industrias e residências a tensão alternada e a corrente alternada. Neste caso, a tensão muda de polaridade em espaços de tempo bem definidos. A corrente circula ora num sentido, ora no outro sentido. Exemplo: Para corrente menores, utilizamos o miliampère (mA). Para correntes maiores, utilizamos o kiloampère (kA). I=2 mA = 0,002 A I=6 kA = 6000 A O aparelho utilizado para medir a intensidade de corrente elétrica é o amperímetro. O amperímetro deve ser ligado em série com o circuito. O amperímetro é composto por uma bobina de Fio Grosso e com poucas espiras. Múltiplos e submúltiplos: 0 0 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 17Agosto 2013 Intensidade da corrente elétrica Entende-se por intensidade de corrente elétrica a quantidade de elétrons que fluem através de um condutor durante certo intervalo de tempo. A unidade de medida padrão da intensidade da corrente elétrica é o ampère, representado pela letra maiúscula “A”, e o aparelho para medi-la é o amperímetro”. Fontes de Alimentação São dispositivos que fornecem tensão a um circuito - também são conhecidos por fonte de tensão. Exemplos: Baterias, pilhas e fontes eletrônicas (fixa e/ou variável) • Pilhas e Baterias: fornecem corrente contínua ao circuito Gráficos da Corrente Elétrica A corrente elétrica fornecida a um circuito consumidor pode ser contínua (C.C.) ou alternada (C.A.), sendo que neste último caso ela ainda poderá ser monofásica (1 fase), bifásica (2 fases) ou trifásica (3 fases). Pode-se observar que a corrente contínua se mantém constante em relação ao tempo, enquanto que a corrente alternada é variável tanto na polaridade (+ e -) quanto na intensidade (valores medidos). 18 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Curto-circuito É uma instabilidade elétrica e seus efeitos são mais nocivos que os efeitos causados pelas sobrecorrentes. Tipos de curto-circuitos a. Trifásico b. Bifásico c. Bifásico à terra d. Fase à terra e. Trifasico à terra Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 19Agosto 2013 Diferença entre sobrecorrente e curto-circuito No caso das sobrecorrentes, ocorre uma elevação gradual na intensidade da corrente elétrica; nos curtos-circuitos a corrente elétrica assume valores altíssimos instantaneamente. 3º Resistência elétrica Resistência elétrica é a oposição que um material oferece à passagem da corrente elétrica - George Simon Ohm (1789-1854) Os materiais variam seu “comportamento elétrico” de acordo com a estrutura atômica. Como sabemos, uns apresentam-se como condutores e outros como isolantes. Os materiais isolantes têm maior resistência elétrica, ou seja, eles se opõem mais à passagem da corrente elétrica do que os condutores. Mas os materiais condutores também oferecem alguma resistência, embora em escala bem menor. A unidade de medida da resistência elétrica é ohm, representado pela letra grega ômega “Ω”e o aparelho para medi-la é o ohmímetro. Unidade de medida de resistência elétrica Exemplo: 320 ohms = 320 Ω 0,25 kΩ = 250 Ω 20 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Resistividade de um condutor a uma corrente elétrica A resistividade de um condutor vaI depender, basicamente, das seguintes condições: Quanto mais comprido, maior a resistividade do condutor. • Comprimento do Condutor. • Secção ou Bitola do Condutor • Do material que é feito o condutor • Da temperatura Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 21Agosto 2013 Quanto mais fino for o fio, a corrente elétrica tem mais dificuldade para passar. Dependendo do material de que é feito o fio, ele possui maior ou menor resistividade. 22 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Múltiplos e submúltiplos Depende, também, da temperatura em que o condutor se encontra. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 23Agosto 2013 Como se mede a resistência elétrica? Quando se deseja medir resistência elétrica de um material deve-se ligar os terminais do ohmímetro aos terminais do material. Instrumento de Medição O aparelho utilizado para fazer medições da resistência é o ohmímetro. 24 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Cuidados na utilização do ohmímetro • A graduação máxima da escala deverá ser sempre maior que a resistência máxima que se deseja medir. • Evitar choque mecânico do aparelho. • Usar o aparelho sempre na posição correta, para minimizar erros de medição. Lei de Ohm Comparando as correntes ao aplicarmos a mesma tensão em duas lâmpadas diferentes Mantendo-se a tensão em 100V e colocarmos 2 lâmpadas diferentes, observe o amperímetro. S= interruptor = abertoS Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 25Agosto 2013 S= interruptor = fechado S= interruptor = fechado L1 L2S S 26 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Se variarmos a tensão e mantivermos a resistência fixa, verificamos que a corrente varia no mesmo sentido da variação da tensão. QUANTO MAIOR A TENSÃO, MAIOR SERÁ A CORRENTE, QUANTO MENOR A TENSÃO, MENOR SERÁ A CORRENTE PARA UMA MESMA RESISTÊNCIA. Exemplo da Primeira Lei de OHM Calcule o valor da corrente elétrica num circuito em que a tensão é de 10 volts e a resistência é de 20 ohms. V R I Primeira Lei de ohm V V A A Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 27Agosto 2013 “Quanto maior a resistência menor a corrente; quanto menor a resistência maior a corrente para uma mesma tensão”. Portanto: A intensidade da corrente varia de forma diretamente proporcional à tensão (V) ou inversamente proporcional à resistência (R). Segunda Lei de ohm Todos os materiais possuem uma resistividade que depende da temperatura. A segunda lei de OHM estabelece a relação entre a resistência de um material com a sua natureza e suas dimensões. Daí então a fórmula: Exemplo da Segunda Lei de OHM Que valor deve ter uma resistência fabricada em fio de prata onde: ρ = 1,6 x 10-8 (Ω.m) L = 2(m) S = 2 x 10-8(m2) Se mantivermos a tensão fixa e variarmos a resistência verificamos que a corrente varia em sentido oposto à variação da resistência. L L L A A V V 28 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Representação simbólica de um circuito elétrico Um circuito elétrico normalmente é representado através de símbolos. Associação de resistências As figuras ilustram dois modos diferentes de associações de resistências: em série e em paralelo. Uma lâmpada incandescente é, basicamente, uma resistência. Assim, as ligações entre lâmpadas são feitas da mesma forma que as ligações entre resistências. Associação em série de resistências Numa associação em série de resistências, a corrente elétrica que percorre uma delas é a mesma que percorre as demais. Conforme a figura, a corrente elétrica sai da bateria, passa pelas resistências e retorna à fonte. A soma das tensões em cada resistência (V=RxI) é igual ao valor da tensão da fonte. Na associação em série, se houver queima de uma das resistências, o circuito todo ficará interrompido (aberto) e não haverá circulação de corrente elétrica através das demais resistências. FONTEFONTE S S Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 29Agosto 2013 Resistência equivalente Resistência equivalente de um circuito é uma resistência que equivale a todas as resistências associadas. A resistência equivalente quando colocada no lugar das outras resistências, e submetida à mesma tensão, permitirá a passagem do mesmo valor de corrente elétrica no circuito. Associação de resistências Classificação dos circuitos a. Circuito em série b. Circuito em paralelo c. Circuito misto A - Circuito em Série 30 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Cálculo da resistência equivalente no circuito em série. Na associação em série o cálculo é bastante simples: somam-se os valores da resistência. Apesar de haver 3 resistores associados, a fonte enxerga como carga um único resistor de 16 ohms; que é a resistência equivalente desta associação. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 31Agosto 2013 Para que haja corrente nas resistências é necessário ligar os terminais restantes a uma fonte de tensão. Comportamento da tensão e corrente Circuito em série é aquele em que a corrente possui um único caminho a seguir e a tensão da fonte se distribui pelas resistências que o compõem. No circuito em série as resistências são interdependentes, se uma delas queimar, a corrente não circulará mais. B) Associação em paralelo de resistência Na associação em paralelo, mesmo que ocorra a queima de uma das resistências, as demais não sofrerão interrupção na sua alimentação. No exemplo abaixo, a corrente elétrica sai da bateria, subdivide-se nas resistências que compõem a associação e, finalmente, retorna à fonte. 32 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Comportamento da tensão e corrente Na associação em paralelo, a tensão aplicada é sempre a mesma nos diversos terminais das resistências. Por outro lado, a corrente se dividirá em número idêntico à quantidade de resistências associadas e será de intensidade proporcional ao valor de cada uma delas. FONTE FONTE It I1 It Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 33Agosto 2013 Associação em paralelo Como primeira regra, a resistência equivalente é igual ao resultado do produto pela soma dos respectivos resistores. Caso Particular Como segunda regra, a resistência equivalente é igual à soma inversa dos respectivos resistores. A primeira regra é a mais simples, mas a segunda permite que se calcula, de uma única vez, a resistência equivalente de uma associação com mais de dois resistores em paralelo. Em ambos os casos, a fonte enxerga um único resistor, de 20 ohms, à sua frente, ou seja: a resistência equivalente da associação (Re) . Re Cálculo: 1 1 1 Req R1 R2 1 1 1 4 2 6 1 Req 30 60 120 120 20 Req = 20 Ω 34 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Circuito Paralelo Medindo as correntes nas resistências, verifica-se que a corrente é dividida entre as resistências, sendo que a soma das correntes em cada ramo é igual à corrente total do circuito. Medindo as tensões nas resistências, verifica-se que a tensão é a mesma em todas as resistências. Nota: A resistência equivalente (Re) de um circuito paralelo é sempre menor que a menor resistência do circuito. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 35Agosto 2013 C - Circuito misto É aquele em que existem resistências tanto em série como em paralelo. Exemplo: Resolução do circuito acima: 1. R1 e R2 estão em série, então: Re 1.2 = R1 + R2 36 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 2. R3 e R4 estão em série, então: Re3.4 = R3 + R4 3. R6 e R7 estão em série, então Re6.7 = R6 + R7 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 37Agosto 2013 4. Re 3.4 e Re6.7 estão em paralelo, então Re3.4.6.7 = Re x Re 5. Re1.2, Re3.4.6.7 e Re5 estão em série, então: Re=Re1.2+Re3.4.6.7+Re5 Re= 29 Ohms (Este é um circuito simples, ou seja, uma resistência que ligada na fonte que desenvolverá a corrente total das sete (7) resistências anteriores.) Re + Re 38 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 4º Potência elétrica Quando se liga um aparelho elétrico a uma fonte de eletricidade, produz-se certa quantidade de “trabalho”, em virtude da energia elétrica que se transforma. Por exemplo: O motor de um ventilador transforma a energia elétrica em energia mecânica, provocando um giro na hélice e consequente circulação forçada do ar. O aquecimento do ferro de passar roupa se processa em sua resistência, onde há uma transformação de energia elétrica em energia térmica (calor). Ainda como exemplo, temos a lâmpada que, através de um filamento interno, transforma a energia elétrica em energia luminosa. O conceito de potência elétrica está associado à quantidade de energia elétrica desenvolvida num intervalo de tempo por um dispositivo elétrico. A potência elétrica é a capacidade que uma carga possui em produzir trabalho. A potência de uma carga depende de outras grandezas: resistência R e tensão aplicadaV. Uma vez aplicada uma tensão à resistência, teremos a corrente I. Assim, afirma-se que a potência também depende da corrente. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 39Agosto 2013 Temos: Vejamos a segunda equação: P=V x I V -> volt I -> ampère Unidade de medida da potência elétrica A unidade de medida da potência é o watt, representado pela letra maiúscula “W”. James Watt (1736-1819) P V I 40 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Múltiplos e submúltiplos Normalmente usamos os múltiplos do watt: 1 kW = 1.000 W e 1 MW = 1.000.000 W O aparelho de medida da potência elétrica é o wattímetro. Como vemos, o produto da tensão pela corrente V x I é igual à potência indicada pelo wattímetro. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 41Agosto 2013 LIGADA EM PARALELO Constituição do wattímetro O wattímetro é constituído basicamente por uma bobina de tensão, ligada em paralelo como no voltímetro, e uma bobina de corrente, ligada em série como no amperímetro. O wattímetro, então, pode ser considerado como um voltímetro e um amperímetro agindo simultaneamente. 42 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 P V I Efeito Joule Lei de Joule A lei de joule estuda a transformação de energia elétrica em calor: Sempre que uma corrente elétrica passa por um condutor haverá produção de calor, pois os condutores se aquecem sempre. Se a corrente é bastante intensa, e o condutor oferece resistência à sua passagem, os efeitos são consideráveis. O inventor da unidade joule foi o físico inglês Giácomo Presscotti Joule (1818 - 1889). A potência elétrica absorvida por um motor transforma-se, em grande parte, em potência mecânica, e em pequena parte, em calor. Por esta razão, todas as máquinas elétricas se aquecem quando funcionam. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 43Agosto 2013 Energia Elétrica É a energia “consumida”. Pode-se ainda dizer que ela representa o trabalho realizado por um aparelho elétrico durante um determinado tempo. Na verdade, a energia está presente na natureza de várias formas e o que se faz é transformá-la para a produção de trabalho. “Na natureza nada se perde, nada se cria; tudo se transforma.” Veja exemplos de formas de energia que se encontram na natureza: • Solar; • Luminosa; • Hidráulica; • Mecânica; • Eólica; • Etc. Exemplo de transformação de energia Uma quantidade de água armazenada numa represa possui energia hidráulica em potencial, que pode ser transformada em energia cinética no condutor, que por sua vez será transformada em energia mecânica na turbina. A turbina, girando e acoplada num eixo de um gerador estará transformando energia mecânica em elétrica. Energia Elétrica 44 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 A energia elétrica, por sua vez, é levada ao consumidor, para novamente ser transformada nas várias formas de energia: térmica, mecânica, luminosa, etc. A energia elétrica é medida em watt-hora (Wh), ou em quilowatt-hora (kWh), ou em megawatt-hora (mWh). O aparelho que mede energia elétrica é o medidor de energia elétrica (medidor de consumo). • 1 kWh = 1.000 Wh • 1 MWh = 1.000.000 Wh Constituição do medidor: • Bobina de tensão • Bobina de corrente • Disco • Ímã • Registrador • Terminais de ligação Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 45Agosto 2013 A energia elétrica depende da potência elétrica da carga P e do tempo t que permaneceu ligada. Um medidor pode ser comparado a um wattímetro e um relógio agindo simultaneamente. GRANDEZA SÍMBOLO UNIDADE APRELHO MEDIDA COMO SE LIGA? TENSÃO ELÉTRICA V Volt (V) Voltímetro Paralelo CORRENTE ELÉTRICA I Ampère (A) Amperímetro Série RESITÊNCIA ELÉTRICA R OHM (Ω) Ohmímetro Terminais da resistência POTÊNCIA ELÉTRICA P Watt (W) Wattímetro Bobina tensão = Paralelo Bobina corrente = série ENERGIA ELÉTRICA (CONSUMO) E Watt hora (Wh) Medidor de consumo Bobina tensão = Paralelo Bobina corrente = série 46 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Magnetismo Introdução Antes de se mostrar como obter eletricidade através do magnetismo, veja uma ideia do que vem a ser isto: Conta a lenda que, na antiguidade, os gregos descobriram que um certo tipo de rocha, encontrada perto da cidade de Magnésia, na Ásia Menor, tinha o poder de atrair e segurar pedaços de ferro. A rocha encontrada era, na realidade, um tipo de minério de ferro chamado “magnetita”. Definição • Magnetismo é a propriedade que certos corpos possuem de atrair materiais ferrosos. • Estes corpos são chamados de ímãs, também conhecidos por magnetos. Ímãs naturais e artificiais • A magnetita é o ímã que se encontra na natureza, classificado como “ímã natural”. Mas podemos, através de certos artifícios, transformar corpos compostos por materiais ferrosos em ímãs. • Os ímãs obtidos dessa forma são chamados “ímãs artificiais” e podem ser apresentados em diversas formas. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 47Agosto 2013 Polos magnéticos • Um ímã não apresenta propriedades magnéticas em toda a sua extensão, mas só nas extremidades chamadas de regiões polares. Todo imã possui dois pólos: Norte e sul. • A figura abaixo ilustra a configuração do campo magnético ao redor de um ímã (espectro magnético). Atração e repulsão dos polos magnéticos Se dois ímãs estiverem próximos um do outro e com liberdade de movimento, eles poderão se atrair ou se repelir. Esta propriedade dos ímãs resulta numa regra muito importante: polos magnéticos diferentes se atraem e polos magnéticos iguais se repelem. Observando a figura abaixo, o que se vê é uma concordância de direção entre as linhas de força dos polos norte e sul dos dois ímãs, daí a atração. LINHAS DE INDUÇÃO CAMPO MAGNÉTICO (Convenção) ATRAÇÃO 48 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Por outro lado, a reação entre os campos magnéticos de dois ímãs com polos semelhantes, um em frente ao outro, tendem a repelir-se. Observando-se a figura abaixo, ve-se que não existe uma concordância de direção entre as linhas de força dos polos norte dos dois ímãs, daí a repulsão. Cortando um ímã ao meio, tem-se dois novos ímãs distintos, cada um com seu polo norte e sul. O mesmo ocorrerá cortando-se um ímã em vários pedaços. REPULSÃO Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 49Agosto 2013 Determinação dos polos magnéticos • Com o auxílio de uma bússola, pode-se determinar facilmente os polos magnéticos de um ímã, como ilustra a figura abaixo. Quando próximo da bússola, o ímã causa um desvio na direção da agulha. Dessa forma, a extremidade do ímã que atrair o polo norte da bússola será o polo sul do imã e vice-versa. Materiais magnéticos • Os materiais que apresentam propriedades magnéticas são classificados em vários tipos. Destacam-se apenas dois: materiais ferromagnéticos e materiais não ferromagnéticos. Materiais ferromagnéticos • Diz-se que um material é ferromagnético quando ele é fortemente atraído por um ímã. Exemplo: ferro, níquel, cobalto e algumas ligas que contém esses elementos. Materiais não ferromagnéticos • São materiais que não são atraídos pelos ímãs. Exemplo: alumínio, plástico e latão. 50 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Eletromagnetismo Definição É o poder de atração que a corrente elétrica exerce sobre os materiais ferrosos ao passar pelo condutor (geração de campo magnético). Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, ela cria em torno dele um campo magnético que tem forma circular e aparece em toda extensão do condutor. • Ao se aplicar uma corrente baixa, obtém-se um campo fraco; ao se aplicar uma corrente alta, obtém-se um campo forte. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica-Trilha 1 51Agosto 2013 • Abaixo, vê-se uma aplicação do efeito causado pelo eletromagnetismo, o princípio do eletroímã. Ao percorrer o condutor, a corrente elétrica cria nele um campo eletromagnético; como está enrolado em um prego, o condutor transmite a ele poderes eletromagnéticos. FONTE FONTE S 52 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 • Uma bússula colocada perto de um condutor percorrido por uma corrente elétrica sofrerá um deslocamento em virtude do campo magnético ao redor deste condutor, quando S = fechada • O campo magnético tem forma circular e concêntrica ao condutor. • Este campo magnético tem um determinado sentido, que depende do sentido da corrente aplicada. Dando forma de espira em um condutor e por ele passar uma corrente elétrica haverá o aparecimento de campo magnético em seu entorno. Para aumentar um campo magnético coloca-se um núcleo de ferro no interior da + + - - A I CAMPO MAGNÉTICO I Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 53Agosto 2013 bobina: O campo magnético pode ser aumentado quando a corrente é aumentada. 54 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Para aumentar o campo magnético também aumenta-se o número de espiras da bobina. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 55Agosto 2013 Pode-se conseguir o mesmo campo magnético de um ímã possante utilizando um pequeno eletroímã. O eletroímã só age como ímã quando percorrido por corrente. 56 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Corrente alternada A corrente elétrica estudada até agora é chamada corrente contínua (CC). É tipo de corrente que não muda de sentido no decorrer do tempo. Uma corrente alternada é uma corrente variável, que percorre os condutores tanto em um sentido quanto no outro. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 57Agosto 2013 Na produção de energia elétrica tanto a corrente como a tensão possuem a forma de onda senoidal. Por isso, conhece CA como corrente alternada, e que percorre os condutores nos dois sentidos (+ e -). Este é o tipo de corrente que mais se utiliza. O trecho A-B da figura acima tem o nome de ciclo. Frequência • O número de ciclos que se repetem em um segundo recebe o nome de frequência. • A unidade de medida de frequência é o hertz (Hz). • 1 hertz representa o número de vezes que cada ciclo da corrente alternada se repete em 1 segundo. • Período: é o tempo gasto para se completar 1 ciclos e é medido em segundos (S) 58 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 I- CORRENTES (A) T - TEMPO (S) 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º I - CORRENTE ATENÇÃO: O sistema elétrico de potência no Brasil produz tensão e corrente na frequência de 60 Hz, ou seja, 60 ciclos em 1 segundo. Potência em corrente alternada Em C.C. (corrente contínua) verifica-se que a potência em Watt era igual ao produto da tensão pela corrente (V x I). P = V.I (W) Já em C.A. (corrente alternada) é diferente. Em C.A. encontra-se três tipos de potência: • Potência aparente • Potência ativa • Potência reativa Potência aparente • É a potência total absorvida da rede e é dada pelo produto da tensão pela corrente. • Pode ser medida utilizando um voltímetro e um amperímetro. • Sua unidade é o Volt-ampère (VA) ou o kVA (kilovolt-ampère). • 1 kVA = 1.000 VA • Pap = V.I Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 59Agosto 2013 Potência ativa • É a parcela da potência aparente que é utilizada pelas cargas para a transformação em trabalho. A potência ativa é medida em watt (W). Potência reativa • É a potência usada para a manutenção do campo magnético nas máquinas elétricas que possuem enrolamentos de indução, como transformadores, motores, máquinas de solda, reatores, etc. • Esta potência é trocada com a rede, não sendo consumida. • Multiplica-se a potência aparente por um fator e o resultado corresponde à parte não consumida da potência. • O fator utilizado é o sen φ. Pr = Pap x sen ℓ = VI sen ℓ • A unidade da potência reativa é o VAr (Volt-ampère-reativo). Fator de potência É a relação entre a potência ativa e a potência aparente. O fator de potência representa o quanto da potência total (VA) está sendo usado para produzir trabalho (W). Pode ser expresso em número ou porcentagem, assim: 60 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 O fator de potência também é representado pelo cosseno. Portanto: • O fator de potência pode variar de 0 a 100% ou de 0 a 1. • Quando o FP (cos. ℓ) é 1 ou 100%, significa que a potência ativa é igual à potência total (VA). • Quando o FP (cos. ℓ) é 0, significa que o circuito está absorvendo apenas potência reativa da rede, que neste caso é igual à potência total. • Baixo fator de potência significa que somente parte da potência total é absorvida na transformação de calor, luz ou outras formas de energia. Baixo fator de potência significa: a. A instalação trabalha sobrecarregada. b. Há sensível queda de tensão e perdas ôhmicas nos alimentadores. c. Paga-se o ajuste do fator da potência à companhia fornecedora de energia. Alto fator de potência significa: a. Eliminação do ajuste pago à companhia fornecedora de energia. b. Redução das perdas ôhmicas. c. Melhoria do nível de regulação da tensão. d. Possibilidade de alimentação de novas máquinas na mesma instalação. • Melhor aproveitamento de energia. Resumindo: Potência aparente: Pap = V.I (VA) Potência ativa: Pat = RI² = Pap x cos ℓ = V.I cos ℓ (W) Potência reativa: Pr = Pap x sen ℓ = V.I sen ℓ (VAr) Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 61Agosto 2013 2 (A) 40 (W) 100 (V) MOTORFONTE Potência e constituição de um capacitor O capacitor tem a propriedade de armazenar energia elétrica, dependendo da superfície das placas, número de placas e do dielétrico utilizado. Simbologia 1ª Experiência Sem capacitor Pap = V x I = 100 x 2 = 200 (VA) Pat = 40 (W) - lida no Wattímetro 62 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 2 ª Experiência Com capacitor Pap = Vx I = 100 x 0,5 = 50 (VA) Pat = 40 (W) lida no wattímetro Resultado das experiências: 1º Experiência: Pap = 200 (VA) Pat = 40 (W) FP = cos ℓ = = = 0,2 FP cos ℓ = 0,2 ou 20% 2º Experiência: Pap = 50 (VA) Pat = 40 (W) Fp = cos ℓ = = = 0,8 FP cos ℓ = 0,8 ou 80% 0,5 A 40 (W) FONTE 100 (V) MOTOR CAPACITADOR Pat 40 Pap 200 Pat 40 Pap 50 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 63Agosto 2013 78,5º Pap PRi Pat Colocando-se um capacitor em paralelo com a bobina, a potência indicada pelo wattímetro é a mesma, mas o produto V x I diminui, ou seja, diminui a potência aparente. Isto ocorre porque o capacitor atua em sentido contrário à bobina. A função do capacitador é melhorar o fator de potência das instalações melhorando a relação entre a potência ativa e a potência aparente. • Observando o gráfico das potências: 1º EXPERIÊNCIA Pri 64 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Pat Pap 36,9º PRi Pap Pap PRi Reativa Indutiva PRC Reativa Capacitiva Pat 2º EXPERIÊNCIA - colocando o capacitor CONCLUSÃO: Quando se coloca o capacitor no circuito a Potência Ativa se mantém e a Potência Reativa diminui, e consequentemente a Potência Aparente diminui. Circuito trifásico A energia elétrica que mais utilizamos é gerada em corrente alternada, o que possibilita uma geração em larga escala e a baixo custo. Os geradores usados são trifásicos, ou seja, possuem um enrolamento com três bobinas, nas quais é gerada a energia através da indução eletromagnética, e a cada uma destas bobinas damos o nome de fase. Estas bobinasestão dispostas em posições físicas separadas e equidistantes uma das outras. A separação dessas bobinas se dá numa relação física de 120º entre si. A geração ocorre em momentos distintos em cada uma delas provocando um defasamento entre as tensões e as correntes geradas. Esse defasamento também corresponde a 120º. Pri Pri Prc Pri Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 65Agosto 2013 Uma das extremidades das três bobinas é interligada a um condutor comum, ao qual damos o nome de neutro; as extremidades restantes compõe as três fases, cada uma representando uma bobina do gerador. Entre uma fase e um neutro teremos uma tensão (d.d.p.) chamada de tensão de fase e neutro (Vfn) ou tensão simples. Entre duas fases, a tensão (d.d.p.) que encontramos é bem maior e é chamada de tensão fase-fase (Vff) ou tensão composta (tensão de linha). A V Tempo (t) Co rr en te (I ) 66 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Seja a seguinte analogia: Considerando três circuitos monofásicos idênticos: • Com mesma tensão • Com mesma carga Seriam necessários seis condutores para alimentar as cargas, o que aumentaria o custo da instalação. Podemos, então, reduzir o número de condutores, associando os neutros em um só. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 67Agosto 2013 Portanto um circuito trifásico é composto de 3 circuitos monofásicos, ou seja, 3 fases e 1 neutro. V A B 68 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Tensão simples e tensão composta E um circuito trifásico encontra-se 2 tipos de tensão: a. Tensão simples (V) b. Tensão composta (U) A tensão simples é encontrada entre fase e neutro (tensão de uma fase). A tensão composta é encontrada entre duas fases (tensão fase-fase). A tensão composta é 1,73 vezes maior que a tensão simples. Assim: Fase V Fase A Fase B Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 69Agosto 2013 Circuito estrela (Y) Diz-se que um circuito está ligado em estrela, quando as cargas estão ligadas entre fase e neutro em um circuito trifásico. Circuito estrela equilibrado Considere um circuito trifásico com três cargas iguais ligadas em estrela: L1 = L2 = L3 Nota-se que no condutor neutro não há corrente, pois as cargas são iguais. Dize-se, então, que o circuito é estrela equilibrado. Assim pode-se eliminar o condutor neutro sem prejuízo para as cargas. Circuito estrela desequilibrado Considere um circuito trifásico com três cargas diferentes ligadas em estrela Nota-se que no condutor neutro há uma corrente, pois as cargas são diferentes. L1≠L2≠L3 Diz-se, então, que é um circuito estrela desequilibrado. 70 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Assim, não se pode retirar o condutor neutro, pois a fase que contém menos carga sofrerá sobretensão e a fase com maior carga sofrerá subtensão. Nos sistemas elétricos utiliza-se comumente o aterramento do condutor neutro, a fim de garantir sua continuidade e, no caso de interrupção, de haver o retorno da corrente à terra. Circuito triângulo Dize-se que um circuito está ligado em triângulo quando as cargas estão ligadas entre fase e fase, em um circuito trifásico. Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 71Agosto 2013 Transformadores Os transformadores são equipamentos muito importantes no transporte de energia elétrica. Graças a eles, pode-se elevar a tensão para transportar a mesma potência com uma corrente mais baixa, reduzindo as perdas e diminuindo a tensão para valores mais seguros para utilização. Como já visto, a maior parte da corrente com que se trabalha é alternada. Isso acontece porque os transformadores só funcionam com este tipo de corrente. No trafo observa-se fios de entrada e fios de saída. Chama-se os fios de entrada de primário e os de saída de secundário O trafo serve para alterar valores de corrente e tensão das seguintes maneiras: a. Eleva a tensão e abaixa a corrente: 5 (A)10 (A) 110 (V) 220 (V) 72 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 b. Abaixa a tensão e eleva a corrente: 10 (A)5 (A) 220 (V) 110 (V) Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 73Agosto 2013 Transformador Monofásico Constituição: • Um núcleo de ferro • Enrolamentos (primário e secundário) • Isolamento (entre o núcleo e os enrolamentos) • Alimentando-se a bobina do primário com corrente alternada (C.A.), produz-se um campo magnético alternado, composto de linhas de força. • O núcleo de ferro conduz as linhas de força submetendo-se a bobina secundária à ação do campo magnético. • O campo magnético variável (alternado) induz uma corrente elétrica na bobina secundária. 74 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Para que um transformador eleve a tensão, ele precisa ter maior número de espiras no secundário e menor número de espiras no primário. Para que o trafo diminua a tensão, ele precisa ter maior número de espiras no primário e menor número de espiras no secundário. 100 (V) 50 (V) Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 75Agosto 2013 Assim, verifica-se a relação entre tensão e espiras pela fórmula. V1 = Tensão primária I1= Corrente primária V2= Tensão secundária I2= Corrente secundária N1= número de espiras do primário N2= número de espiras do secundário Resumo: Quando se eleva a tensão, consequentemente a corrente abaixa. A relação entre tensão e o número de espiras é proporcional. A relação entre a corrente e o número de espiras é inversa. a. Relação de Transformação (RT) => V1 N1 V2 N2 b. Relação de Transformação (RT) => I1 N2 I2 N1 Exemplo: • Um transformador tem 550 espiras no primário e 1.100 espiras no secundário. Sua tensão de primário é de 110 V. Calcule a tensão do secundário. V1 N1 I2 V2 N2 I1 = =} V2 = 220V 110 x 1100 = V2 x 550 121000 = V2 x 550 121000 550 V2= 110 550 V2 1100 = V1 N1 V2 N2 = = = 76 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Transformador Trifásico Podemos utilizar três trafos monofásicos em circuitos trifásicos. Basta relembrar as ligações em circuitos trifásicos e observar que os enrolamentos foram ligados: • O primário em estrela • O secundário em triângulo V A B Primário - Y Secundário - ∆ V A B Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 77Agosto 2013 Os enrolamentos dos trafos trifásicos de distribuição são ligados da seguinte maneira: • O primário em triângulo • O secundário estrela O condutor neutro na saída do trafo está conectado no centro da estrela. V A B Primário - ∆ Secundário - Y V A N B 78 Agosto 2013 Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 Transformador de Potencial (TP) O TP é um transformador para instrumentos, cuja função é reduzir a tensão a valores convenientes à medição e à proteção, isolando os equipamentos da AT. A ligação do TP em paralelo no circuito. Neste caso, a leitura do voltímetro deverá ser multiplicada pela relação do TP (Rtp) para obter a tensão primária. Ex: leitura = 115 V; a tensão primária será 115 x 120 = 13.800 V Resumo: Tensão de Linha = Tensão Lida x Rtp V A B Formação de Eletricistas Eletricidade Básica- Trilha 1 79Agosto 2013 Transformador de Corrente (TC) O TC é um equipamento destinado a reduzir a corrente a valores que possam ser aplicados aos aparelhos de medição e proteção. Um exemplo prático de TC é o alicate volt-amperímetro, em que a bobina do primário é o próprio condutor da rede e a bobina secundária está enrolada em torno das garras do alicate. A bobina secundária alimenta o circuito interno do volt-amperímetro (o galvanômetro). A principal característica do TC é possuir poucas espirasno primário e muitas no secundário. A ligação do TC é em série no condutor. Ex: leitura = 5(A) - a corrente primária será = 5x40=200(A) Resumo: Corrente de linha = Corrente Lida x RTC Nota importante: Ao desligar o secundário do TC devemos curto-circuitá-lo. Se deixarmos o secundário aberto, haverá uma AT que fará o TC funcionar como um transformador elevador de tensão, podendo gerar descarga elétrica no aparelho, prejudicando tanto o próprio aparelho como seu operador. B A V Anotações Diretoria de Comunicação Empresarial e Diretoria Corporativa de Recursos Humanos Rodovia Campinas-Mogi Mirim, km 2,5 CEP 13088-900 | Campinas | SP cpfl@cpfl.com.br www.cpfl.com.br © C PF L En er gi a 20 09 . T od os o s di re ito s re se rv ad os . Po r f av or , r ec ic le . Fo rm aç ão d e El et ric is ta s - E le tr ic id ad e Bá si ca
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