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SÉRIE CONSTRUÇÃO CIVIL INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 1 SÉRIE CONSTRUÇÃO CIVIL INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 1 SÉRIE CONSTRUÇÃO CIVIL CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Robson Braga de Andrade Presidente DIRETORIA DE EDUCAÇÃO E TECNOLOGIA – DIRET Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor de Educação e Tecnologia SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL – SENAI Conselho Nacional Robson Braga de Andrade Presidente SENAI – Departamento Nacional Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor Geral Gustavo Leal Sales Filho Diretor de Operações SÉRIE CONSTRUÇÃO CIVIL INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 1 SENAI - DN Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional Sede Setor Bancário Norte • Quadra 1 • Bloco C • Edifício Roberto Simonsen • 70040-903 • Brasília – DF • Tel.: (0xx61) 3317-9001 Fax: (0xx61) 3317-9190 • http://www.senai.br © 2014. SENAI – Departamento Nacional © 2014. SENAI – Departamento Regional da Bahia A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, me- cânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI. Esta publicação foi elaborada pela equipe do Núcleo de Educação a Distância do SENAI da Bahia com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância. SENAI Departamento Nacional Unidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP SENAI Departamento Regional da Bahia Núcleo de Educação à Distância - NEAD FICHA CATALOGRÁFICA S491i Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional. Instalações Elétricas / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, Departamento Regional da Bahia. - Brasília: SENAI/DN, 2014. 4v.120 p.: il. (Série Construção Civil) ISBN 978-85-7519-761-5 1. Instações Elétricas. 2. Construção Civil. 3. Qualificação em Eletricista Instalador Residencial. I. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional da Bahia. II. Instalações Elétricas. III. Série Construção Civil, v1. CDU: 696 Lista de ilustrações Figura 1 - Molécula de água .........................................................................................................................................20 Figura 2 - Divisão do fio de cobre ..............................................................................................................................20 Figura 3 - Divisão do cobre ...........................................................................................................................................21 Figura 4 - Sistema solar ..................................................................................................................................................21 Figura 5 - Átomo ...............................................................................................................................................................22 Figura 6 - Átomos de cobre e prata ...........................................................................................................................22 Figura 7 - Eletrosfera .......................................................................................................................................................23 Figura 8 - Elétron livre.....................................................................................................................................................23 Figura 9 - Elementos inertes e elementos ativos ..................................................................................................24 Figura 10 - Íon positivo e íon negativo .....................................................................................................................24 Figura 11 - Condutor 1 ...................................................................................................................................................25 Figura 13 - Condutores e isolantes ............................................................................................................................26 Figura 12 - Condutor 2 ...................................................................................................................................................26 Figura 14 - S emicondutores ........................................................................................................................................27 Figura 15 - Cargas elétricas ...........................................................................................................................................27 Figura 16 - Energia potencial .......................................................................................................................................29 Figura 17 - Atrito ...............................................................................................................................................................30 Figura 18 - Contato ..........................................................................................................................................................30 Figura 19 - Indução ..........................................................................................................................................................31 Figura 20 - Termoeletricidade 1 ..................................................................................................................................32 Figura 22 - Foto eletricidade ........................................................................................................................................33 Figura 21 - Termoeletricidade 2 ..................................................................................................................................33 Figura 23 - Foto eletricidade ........................................................................................................................................34 Figura 24 - Acumulador ou bateria e pilha .............................................................................................................35 Figura 25 - Piezeletricidade ..........................................................................................................................................36 Figura 26 - Tensão ............................................................................................................................................................40 Figura 27 - Múltiplos e submúltiplos ........................................................................................................................41 Figura 28 - Tensão ou diferença de potencial .......................................................................................................41 Figura 29 - Fonte alternada .........................................................................................................................................42 Figura 30 - Fonte contínua ............................................................................................................................................43 Figura 31 - Fonte CC e CA ..............................................................................................................................................43 Figura 32 - Corrente elétrica ........................................................................................................................................44 Figura 33 - Múltiplos e submúltiplos .......................................................................................................................45 Figura 34 - Sentido convencional ..............................................................................................................................45 Figura 35 - Sentido real .................................................................................................................................................45Figura 36 - Resistência 1 ................................................................................................................................................46 Figura 38 - Múltiplos e submúltiplos ........................................................................................................................47 Figura 37 - Resistência ....................................................................................................................................................47 Figura 39 - Isolantes e condutores ............................................................................................................................49 Figura 40 - Tipo de material .........................................................................................................................................50 Figura 41 - Comprimento do condutor ....................................................................................................................51 Figura 42 - Secção do condutor .................................................................................................................................51 Figura 43 - Temperatura do condutor .....................................................................................................................52 Figura 44 - Potência .........................................................................................................................................................53 Figura 45 - Fórmulas........................................................................................................................................................54 Figura 46 - Múltiplos e submúltiplos ........................................................................................................................55 Figura 47 - Circuito elétrico .........................................................................................................................................59 Figura 48 - Resistores em série ....................................................................................................................................63 Figura 49 - Resistor equivalente .................................................................................................................................63 Figura 50 - Resistores em série 1 ...............................................................................................................................64 Figura 51 - Resistores em paralelo ............................................................................................................................65 Figura 52 - Resistores em paralelo ............................................................................................................................66 Figura 53 - Lei de Ohm ...................................................................................................................................................76 Figura 54 - Primeira Lei de Ohm ................................................................................................................................77 Figura 55 - Fórmulas........................................................................................................................................................77 Figura 56 - Circuito misto de resistores ...................................................................................................................80 Figura 57 - 1º Lei de Kirchhoff .....................................................................................................................................81 Figura 58 - Exemplo 1 .....................................................................................................................................................81 Figura 59 - Exemplo 2 .....................................................................................................................................................82 Figura 60 - Lei das malhas .............................................................................................................................................83 Figura 61 - Determinação das correntes das malhas ..........................................................................................84 Figura 62 - Imã natural ...................................................................................................................................................90 Figura 63 - Força magnética .........................................................................................................................................91 Figura 64 - Fluxo magnético ........................................................................................................................................91 Figura 65 - Campo magnético .....................................................................................................................................92 Figura 66 - Polaridade.....................................................................................................................................................92 Figura 67 - Eletromagnetismo .....................................................................................................................................94 Figura 68 - Eletroimãs .....................................................................................................................................................94 Figura 69 - Força eletromotriz .....................................................................................................................................95 Figura 70 - Força eletromotriz .....................................................................................................................................95 Figura 71 - Força eletromotriz .....................................................................................................................................96 Figura 72 - Autoindução ................................................................................................................................................97 Figura 73 - Tensão alternada ..................................................................................................................................... 101 Figura 74 - Geração ...................................................................................................................................................... 102 Figura 75 - Geração F.E.M posição 0-I ..................................................................................................................... 103 Figura 76 - Geração F.E.M. posição I-II .................................................................................................................... 103 Figura 77 - Tensão ou corrente gerada com rotação completa .................................................................... 104 Figura 78 - Valores de corrente tensão ................................................................................................................. 104 Figura 79 - Período e frequência ............................................................................................................................. 105 Figura 80 - Graus elétricos e tempo........................................................................................................................ 106 Tabela 1 - Resistividade específica .............................................................................................................................49 Sumário 1 Introdução ........................................................................................................................................................................15 2 Teoria eletrônica .............................................................................................................................................................19 2.1 Matéria ............................................................................................................................................................202.2 Fundamentos da eletrostática ................................................................................................................27 2.3 Energia e suas formas ................................................................................................................................28 2.4 Fontes de eletricidade ...............................................................................................................................29 2.4.1 Eletrização ...................................................................................................................................29 2.4.2 Aquecimento ............................................................................................................................32 2.4.3 Luz ..................................................................................................................................................33 2.4.4 Ação química .............................................................................................................................34 2.4.5 Pressão ..........................................................................................................................................35 3 Grandezas elétricas .......................................................................................................................................................39 3.1 Tensões elétricas .........................................................................................................................................40 3.1.1 Fontes ...........................................................................................................................................42 3.2 Corrente elétrica .........................................................................................................................................44 3.3 Resistência elétrica ....................................................................................................................................46 3.4 Potências elétricas .......................................................................................................................................53 4 Circuito elétrico ..............................................................................................................................................................59 4.1 Associação de resistores ...........................................................................................................................62 5 Lei de Ohm e Leis de Kirchoff .....................................................................................................................................75 5.1 Lei de Ohm .....................................................................................................................................................76 5.2 Primeira e segunda Lei de Kirchhoff .....................................................................................................79 5.2.1Primeira Lei de Kirchhoff (LCK) ...............................................................................................80 5.2.2 Segunda Lei de Kirchhoff ........................................................................................................82 6 Magnetismo e eletromagnetismo ...........................................................................................................................89 6.1 Magnetismo ..................................................................................................................................................90 6.2 Eletromagnetismo ......................................................................................................................................93 6.2.1 Eletroímãs ....................................................................................................................................94 6.2.2 Induções eletromagnéticas ...................................................................................................95 6.2.3 Forças eletromotrizes .............................................................................................................95 6.2.4 Autoindução ...............................................................................................................................97 7 Corrente alternada ..................................................................................................................................................... 101 7.1 Geradores elementares .......................................................................................................................... 103 7.2 Ciclo e frequência .................................................................................................................................... 105 Referências Minicurrículo do autor Índice Introdução 1 Sejam bem-vindos ao universo das Edificações com o curso de Qualificação Profissional em Eletricista Instalador Residencial, que tem como objetivo formar profissionais capazes de exe- cutar instalações elétricas utilizando ferramentas e equipamentos adequados, além de propor- cionar o desenvolvimento de uma visão geral do sistema elétrico da edificação. Durante o processo de aprendizagem, o aluno será apresentado aos Fundamentos da ele- tricidade, tornando-se apto a desenvolver, nos módulos posteriores, as capacidades necessá- rias para o pleno desenvolvimento da sua qualificação, além de desenvolver as capacidades técnicas, sociais, organizativas e metodológicas referente a este curso. O nosso curso se dará pelo estudo do livro Instalações Elétricas, que está divido em 04 vo- lumes. Os conhecimentos, as habilidades e as atitudes necessárias para o alcance do objetivo desta qualificação serão apreendidos através dos conteúdos apresentados nos capítulos, des- de a teoria eletrônica, passando pelos conhecimentos de Fontes de Eletricidade, grandezas elétricas fundamentais, a lei de Ohm, as leis de Kirchoff até a finalização deste volume com noções de corrente alternada. De forma integrada, desenvolveremos também as capacidades sociais, organizativas e metodológicas necessárias, adequadas a diferentes situações profissionais, favorecendo uma base consistente para a construção das competências específicas, conforme é descrito abaixo: CAPACIDADES TÉCNICAS: a) identificar princípios elétricos; b) identificar a energia e suas formas; c) identificar os sistemas de fornecimentos e distribuição de energia elétrica; d) identificar grandezas elétricas; e) identificar as leis e diretrizes de eletricidade. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 116 CAPACIDADES SOCIAIS, ORGANIZATIVAS E METODOLÓGICAS: a) ser metódico; b) ser detalhista; c) ser organizado; d) ser analítico; e) ser responsável. Neste primeiro volume, abordaremos as atividades que proporcionarão ao eletricista instalador residencial entender o fenômeno eletricidade, suas grande- zas, circuito elétrico, Lei de Ohm e Leis de Kirchoff, eletromagnetismo e corrente alternada, tendo como objetivo geral promover a aprendizagem de fundamentos técnicos e científicos referentes à instalação elétrica. Siga em frente e bons estudos! Anotações: 1 INTRODUÇÃO 17 Teoria eletrônica 2 Prezado estudante, neste capítulo, estudaremos o princípio da eletricidade, cujo objetivo é entender esse fenômeno da natureza tão importante para a vida das pessoas, pois sem ela voltaríamos 130 anos no tempo. Imagine como seria viver sem os equipamentos elétricos que nos trazem conforto e simplificam diversas atividades antes perigosas, sejam pelo excesso de esforço físico ou por riscos diversos à integridade do trabalhador. Com a evolução dos estudos sobre eletricidade e seu domínio, foi possível a construção de um sistema elétrico amplo que permitiu a construção de indústrias, produzindo soluções para diversas necessidades, desde a iluminação, que nos permite ampliar o dia, até a climatização, transporte, telecomunicação,automatização e vários outros. Nosso objetivo neste capítulo é desenvolver a capacidade de identificar os princípios da eletricidade, permitindo conhecer as diversas possibilidades de produção de energia, identificar suas grandezas e, principalmen- te, entender o fenômeno da eletricidade. E a melhor explicação para ela é a teoria referente ao fluxo de elétrons, a qual chamamos de corrente elétrica, que será discutida de forma mais ampla a seguir. Contudo o fenômeno da eletricidade compreende apenas a movimentação de elétrons, que são partículas minúsculas que compõem a matéria, nas quais se pauta o nosso estudo. Está preparado? Vamos começar! INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 120 2.1 MATÉRIA Matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa um lugar no espaço, sendo constituída de partes menores sem perder suas características. A uma porção li- mitada da matéria chamamos corpos, que podem ser simples ou compostos. No caso de corpos simples, todos os seus átomos são formados apenas por um úni- co elemento, podendo-se exemplificá-los com o alumínio, o cobre, o carbono, o silício dentre outros. Já o corpo composto é formando por uma combinação de elementos diferentes, como a água, constituída por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. A uma menor porção da matéria damos o nome de molécula, a exemplo da molécula da água, H²O, na Figura 1. H2O O H H Figura 1 - Molécula de água Fonte: CHEMISTRY, 2006. No dia a dia, todas as substâncias físicas que vemos, estejam elas no estado sólido, líquido ou gasoso, são formadas por partículas ligadas entre si. Um fio de cobre, por exemplo, é um sólido, pois é constituído por partículas fortemente li- gadas e, para visualizar essas partículas, pode-se pegar um fio de cobre e dividi-lo utilizando um alicate. Ao se fazer o primeiro corte, o fio se dividirá em dois, e cada parte continuará sendo de cobre. Continuando a dividir, vamos chegar ao menor pedaço de cobre possível, ou seja; a molécula do cobre. Figura 2 - Divisão do fio de cobre Fonte: SENAI, 2013. 1 PRÓTONS: Estão localizados no núcleo do átomo e apresentam massa significativa e carga positiva. 2 ELÉTRONS: Estão localizados na eletrosfera e não têm massa significativa, contudo possuem carga negativa. 3 NÊUTRONS: Estão no núcleo, isolando os prótons dos elétrons para que a atração entre os dois não destruam o átomo, e não possuem significativa. 4 ELETROSFERA : É a região externa do átomo onde se localizam os elétrons. 2 TEORIA ELETRÔNICA 21 Continuando a dividir, teremos partículas exageradamente pequenas chama- das de átomos. Portanto, o átomo é a menor partícula de um elemento que con- serva todas as suas propriedades originais. 1 2 Figura 3 - Divisão do cobre Fonte: CNSP, 2005 (adaptado). De acordo com os exemplos citados ficou fácil compreender a constituição da matéria, porém é na sua menor partícula, o átomo, que reside o nosso interesse a partir de agora. a) Átomo Sabemos que o átomo é a menor partícula da matéria, porém ele também é composto de partículas, ainda menores, a saber: prótons1, elétrons2 e nêutrons3, as quais veremos a seguir. Para melhor compreensão, comparamos a estrutura do átomo com a do siste- ma solar, portanto, os prótons e os nêutrons compõem o centro, o qual chama- mos de núcleo, enquanto os elétrons giram em torno deste, em órbitas, forman- do a eletrosfera4. Nesta comparação, o núcleo é semelhante ao sol, os elétrons, aos planetas, e a eletrosfera, ao sistema solar. Veja figura abaixo. Júpiter Marte Terra Venus Mercúrio Sol Figura 4 - Sistema solar Fonte: CNSP, 2005 (Adaptado). INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 122 Neutron (0) Prótron (+) Elétron (-) NÚCLEO ELETROSFERA Figura 5 - Átomo Fonte: CNSP, 2005. Aplicando a um átomo a quantidade apropriada de energia sob a forma de calor, luz, pressão ou outras fontes, ele poderá liberar ou capturar partículas elé- tricas, pois a fonte utilizada permite que os elementos diferenciam-se uns dos outros modificando a quantidade de elétrons em órbita ou o número de prótons e nêutrons no núcleo. Dizemos que um átomo está em equilíbrio quando ele tem a mesma quantidade de elétrons e de prótons. 2 8 18 18 1 47 Elétrons 47 Prótons PRATA 2 8 18 1 29 Elétrons 29 Prótons COBRE Figura 6 - Átomos de cobre e prata Fonte: CNSP, 2005. Os elétrons não se movem todos na mesma direção em torno do núcleo, mas em órbitas diferentes. Quando a órbita está distante do núcleo com camadas de valência5 incompletas, o átomo tem a capacidade de libertar elétrons livres6, que foram submetidos a determinada força. Veja na figura a seguir, o nº de camadas e a quantidade de elétrons em cada uma delas. 5 CAMADAS DE VALÊNCIA : São várias órbitas, relativamente próximas uma da outra. 6 ELÉTRONS LIVRES: São aqueles que, recebendo energia, pulam para outra camada eletrônica. Porém, quando os elétrons já se encontram na camada de valência, a mais externa do átomo ultrapassa a barreira potencial. 7 NÚMERO ATÔMICO: É representado por (Z), usado para indicar o número de prótons contidos dentro do núcleo, caracterizando o átomo. 2 TEORIA ELETRÔNICA 23 K L M N O P Q K L M N O P Q 2 NO CAMADAS NO ELÉTRONS 8 18 32 32 18 2 Figura 7 - Eletrosfera Fonte: CNSP, 2005 (adaptado). O átomo não exerce muita força de atração sobre os elétrons da última ca- mada, por conta da distância, e assim permite que o elétron que está longe do centro, se desprenda e se desloque para a órbita de outro átomo. Neste caso, os elétrons da última camada, chamados de elétrons livres, irão ser atraídos por outro átomo que necessitam desses elétrons livres para completar a sua camada. Figura 8 - Elétron livre Fonte: SENAI, 2013. Alguns átomos têm todas as camadas completamente cheias, ou seja, com a quantidade de elétrons completas em suas camadas de valência. Esses elemen- tos são chamados de inertes porque são incapazes de ceder um elétron ou de recebê-lo de outros átomos. O átomo de Neônio é um exemplo. O seu número atômico7 é 10 e possui 10 elétrons e 10 prótons; a última cama- da (L) contém 8 elétrons, portanto, está completa. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 124 Por outro lado, o átomo de Flúor tem apenas 7 elétrons na última camada, por isso o flúor é um elemento ativo, ou seja, é capaz de receber elétrons. +10 +8 Falta 1 elétron Núcleo Atomo de neônio No atômico 10 Atomo de �úor No atômico 9 Figura 9 - Elementos inertes e elementos ativos Fonte: CNSP, 2005 (adaptado). Ao aplicar uma energia suficiente ao átomo, ele poderá retirar ou acrescentar elétrons. Se isso acontecer, o átomo ficará com um excesso de carga elétrica (nú- mero desigual de prótons e elétrons). Esse desequilíbrio fará com que o átomo fique com uma carga positiva ou negativa. Quando um átomo está carregado (positiva ou negativamente) ele é chamado de íon. -2 -8 +11 SÓDIO -2 -8 -8 +17 CLORO Figura 10 - Íon positivo e íon negativo Fonte: CNSP, 2005 (adaptado). Na figura 10, cada átomo está certamente tentando atrair elétron do outro áto- mo de modo a completar sua última camada de elétrons. Isto resulta na produção de dois íons, um positivo e outro negativo. Portanto, o átomo carregado positiva- mente é chamado de íon positivo (exemplo do sódio), e o átomo carregado nega- tivamente é chamado de íon negativo (exemplo do cloro). Os dois átomos ficam unidos devido à atração de cargas de sinais opostos. Essas cargas elétricas podem se movimentar na forma de elétrons, sendo chamadas de condutores eletrônicos, ou na forma de íons, condutores iônicos. 8 ESTADO DE FUSÃO: É a condição de um material quando passa do estado sólido para o líquido. 9 SOLUÇÃO AQUOSA: É uma solução em que o solvente é a água, exemplo sal de cozinha dissolvido em água é uma solução aquosa de cloreto de sódio. 2 TEORIA ELETRÔNICA 25 VOCÊ SABIA? O agrupamento em ordem de peso e família de mate- riais com propriedades similares é denominado Tabela periódica dos elementos. b)Condutores e isolantes Os condutores são materiais capazes de ceder elétrons livres, ou seja, quanto menor o número de elétrons nas camadas distantes do núcleo, maior é a facili- dade dos condutores em permitir o aumento do fluxo na liberação de elétrons. Portanto, quando um material apresenta essas características recebe o nome de bom condutor, caso contrário, é mau condutor ou, ainda, semicondutor. - Bons Condutores Temos como exemplo de condutores eletrônicos os metais em geral: prata, ouro, cobre, alumínio etc. Já os condutores iônicos são ácidos, bases e sais em estado de fusão8 ou em solução aquosa9. Em certas condições, os gases também são bons condutores iônicos. Entrada de Elétrons Saída de Elétrons Figura 11 - Condutor 1 Fonte: SENAI, 2013. - Maus condutores Quando um material tem dificuldade de conduzir eletricidade, dizemos que ele é Isolante ou dielétrico, pois possui uma quantidade bem pequena de elé- trons livres e não os libera. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 126 Também o fato de seus átomos terem a última camada quase completa difi- culta a transferência de cargas elétricas de um local para outro. Veja no exemplo a seguir. Entrada de Elétrons Saída de Elétrons Figura 12 - Condutor 2 Fonte: SENAI, 2013. Exemplo de isolantes: papel, ar seco, vidro, cerâmica, borracha, plástico etc. Isolante Fio de cobre Plástico Vidro Base de �bra Isolamento de borracha Figura 13 - Condutores e isolantes Fonte: VAN WALKQUENBURG, 1972. FIQUE ALERTA Não existe isolante perfeito, pois ele pode ser transfor- mado em condutor se for submetido a um forte campo elétrico. c) Semicondutores Os semicondutores são materiais que não apresentam características de bons condutores, tampouco de isolantes; dependendo da energia aplicada, ele se comportará de uma ou outra forma, isto por causa de suas estruturas cristalinas. São elementos que possuem 4 elétrons em sua última camada, a exemplo do ger- mânio, silício e outros. 10 POLARIDADE: É a condição elétrica que determina o sentido no qual uma corrente passa. 2 TEORIA ELETRÔNICA 27 Figura 14 - S emicondutores http://www.novouniverso.com.br/aulas-exemplos-hardware/209.html 2.2 FUNDAMENTOS DA ELETROSTÁTICA Como podemos ver, o estudo das cargas elétricas se baseia em um princípio fundamental da Eletricidade que considera o elétron uma partícula negativa e o próton uma partícula positiva. Nessas duas partículas se baseiam as demais ex- pressões de carga elétrica. O íon é um exemplo de carga elétrica positiva ou negativa, sendo que a po- laridade10 do íon depende do número de elétrons existente em sua órbita e do número de prótons existentes no núcleo do átomo. Porém, quando dois corpos contêm cargas idênticas, isto é, ambas positivas ou ambas negativas e com a mesma intensidade, diz-se que os corpos têm cargas iguais. Quando outros dois corpos contêm cargas diferentes, isto é, um corpo é positivo enquanto o outro é negativo, diz-se que eles apresentam cargas opostas. A lei das cargas elétricas pode ser enunciada da seguinte forma: Cargas iguais se repelem, cargas opostas se atraem. Figura 15 - Cargas elétricas Fonte: SENAI, 2013. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 128 A quantidade de carga elétrica que um corpo possui é determinada pela dife- rença entre o número de prótons e elétrons que eles contêm, seu símbolo é o Q, e é expresso pela unidade chamada de Coulomb (C), que vale 6,28 x1023 elétrons. A propriedade existente nas cargas que produz esse fenômeno da atração e da repulsão é chamada Força Eletrostática. VOCÊ SABIA? Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806), engenheiro militar francês, descobriu a lei da atração e repulsão ele- trostática em 1787, quando estudou os materiais isolan- tes, além de ter estudado outros assuntos relacionados à eletricidade e ao magnetismo. 2.3 ENERGIA E SUAS FORMAS Intuitivamente, podemos entender a definição de energia associada ao movi- mento dos corpos, entretanto, quando nos alimentamos, estamos armazenando energia para realizarmos atividades durante o dia. É através dos alimentos que obtemos a energia necessária para executá-las. Nos automóveis, por exemplo, obtemos a energia quando o abastecemos com combustível, cuja queima faz com que o veículo se movimente. Existem várias formas de energia na natureza: a potencial, a mecânica, a quí- mica, a cinética, a térmica e a elétrica. Essas energias são indestrutíveis, pois elas se transformam em outras. Assim, por exemplo, a energia potencial é capacidade que um corpo tem de armazenar energia e, em virtude de sua posição ou estado, poder realizar algum trabalho. A unidade de energia, assim como o trabalho, no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule (J). Numa usina hidroelétrica, a energia potencial está associada à quantidade de água armazenada pela barragem que pode se transformar em energia elétrica. Veja como ocorre: a água, ao passar pelo duto, produz energia cinética11 e, ao movimentar a turbina do gerador, obteremos a energia mecânica, que simultane- amente produz energia térmica proveniente do atrito no seu conjunto metálico e, assim, o movimento produzido pela turbina no gerador produz energia elétrica. A energia elétrica diz respeito aos fenômenos em que estão envolvidas cargas elétricas, as quais veremos detalhadamente mais adiante. Vamos em frente! 11 ENERGIA CINÉTICA: É formada pelo movimento de um corpo devido à velocidade proveniente da aplicação de uma força. 12 EBONITE: Tipo de resina sintética artificial de natureza plástica como o PVC (Policloreto de vinila). 2 TEORIA ELETRÔNICA 29 Água Barragem Duto Direção da água na turbina GERADOR Figura 16 - Energia potencial Fonte: SENAI, 2013. 2.4 FONTES DE ELETRICIDADE A eletricidade consiste no desequilíbrio eletrônico que provoca o deslocamen- to de elétrons. Veja a seguir, algumas fontes de eletricidade das quais fazemos uso diariamente, através da ação química, indução, calor, luz, pressão ou eletrização. 2.4.1 ELETRIZAÇÃO Dois corpos de materiais diferentes, inicialmente neutros, após a fricção, con- tato ou indução entre eles, perdem ou ganham elétrons. Portanto, perderá elé- trons o átomo que exercer menor força sobre eles. Assim, os dois corpos ficam eletrizados com carga de mesmo valor absoluto e sinais opostos (um com carga negativa e outro com carga positiva), pois diferentes materiais possuem diferen- tes afinidades por elétrons. a) Atrito Um exemplo mais comum de eletrização por atrito é entre a ebonite12 e a seda. A seda tem maior afinidade por elétrons do que a ebonite, assim quando se esfre- ga um pedaço de seda num bastão de vidro, ambos inicialmente neutros, a seda rouba elétrons do bastão de vidro ficando com excesso de elétrons e com carga negativa (eletrizada negativamente); já a ebonite fica com falta de elétrons ou, em outra visão, fica com excesso de prótons, ou seja, com carga positiva (eletriza- do positivamente). INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 130 Ebonite Seda Figura 17 - Atrito Fonte: SENAI, 2013. b) Contato Quando dois corpos com cargas elétricas diferentes entram em contato, tro- cam cargas elétricas. Abaixo temos o exemplo de um bastão de ebonite carrega- do positivamente que, ao entrar em contato com uma esfera inicialmente neutra, recebe elétrons da mesma, ficando o bastão carregado, porém com carga menor que antes, e a esfera carregada positivamente. Bastão Esfera Bastão Esfera Suporte Suporte Bastão Esfera Suporte 1 2 3 Figura 18 - Contato Fonte: SENAI, 2013. c) Induções A eletrização de um corpo neutro pode ocorrer pela simples aproximação de um corpo eletrizado; assim que esta aproximação acontece, criam-se duas regi- ões diferentes, ou seja, o bastão fica eletrizado positivamente, e a esfera fica car- regada negativamente. 2 TEORIA ELETRÔNICA 31 Bastão Esfera Suporte 1 Bastão Esfera Suporte 2 Figura 19 - Indução Fonte: SENAI, 2013. CASOS E RELATOS Materiais condutores podem provocar descargas elétricas O invernochegou e o ar secou. De repente, como um efeito de bruxaria, a simples tarefa de abrir a porta do carro se transforma numa aventura ame- drontadora – terapia de choque, por assim dizer. Você encosta-se à maça- neta e zap! Parece que enfiou o dedo na tomada. “Uma vez entreguei a cha- ve para um frentista e ele deu um pulo para trás, era um dia em que o carro estava dando muito choque”, conta a engenheira Mariangela Carnevale. [...] O fenômeno é mais comum nesta época do ano por causa da falta de umidade do ar. Quando andamos, dirigimos ou fazemos qualquer movi- mento de atrito entre duas superfícies, produzimos eletrização. Normal- mente, essas cargas, que podem ser positivas ou negativas dependendo do material, passam rapidamente do corpo para o ambiente, conduzidas prin- cipalmente pelas gotículas de água no ar. Quando o tempo fica seco, entre- tanto, essas partículas se acumulam. E, no momento em que tocamos em algum material condutor - como metal ou carro - essa energia é transferida numa descarga elétrica. “O choque é uma transferência de cargas. Cria-se uma corrente entre a pessoa e a superfície”, explica a física Márcia Fantini, da Universidade de São Paulo (USP). A criação dessas cargas não envolve nenhum fenômeno complexo. O simples raspar das roupas ao caminhar ou um atrito com o banco e o carpete do carro já são suficientes. No inverno há também os agasalhos, gorros e cachecóis, que eletrizam com facilidade. Em geral, quanto mais sintético o tecido, maior sua capacidade de eletrização. [...] Fonte: O ESTADO DE SÃO PAULO, 2003. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 132 2.4.2 AQUECIMENTO Também conhecida como termoeletricidade, é o processo em que os átomos do metal que estão em contato com a fonte térmica recebem calor, permitindo, assim, deslocamento da extremidade quente para a fria, fenômeno que acontece com a maioria dos metais, contudo, existem outros com características contrárias, como o ferro. Devido a isto, colidem com os átomos vizinhos, transmitindo-lhes agitação térmica. Dessa forma, de partícula para partícula a energia térmica flui ao longo da barra, aquecendo-a por inteiro. Elementos com características opostas quando combinados, exemplo do cobre com o ferro, produzem um fluxo de elé- trons de forma constante. Podemos citar como exemplo da termoeletricidade os termopares13 ou par termoelétrico. Cobre Cobre A B FERRO JUNÇÃO 1 JUNÇÃO 2 Figura 20 - Termoeletricidade 1 Fonte: SENAI, 2013. A geração de eletricidade por ação térmica é maior que a piezeletricidade, ou seja, eletricidade por pressão, contudo, ainda é insuficiente para alimentar fontes maiores de energia, mas sua aplicação mais comum é em medição de tempe- ratura, como instrumento sensível ao calor, em equipamentos automáticos de controle de temperatura, submetidos a fontes térmicas impossíveis de medir com mercúrio ou álcool. Os termopares são usados normalmente em combinação com instrumentos termoindicadores para a apresentação visual direta da temperatura em graus. Sua aplicação maior é nos pirômetros dos fornos de altas temperaturas, contudo são também usados em câmaras frigoríficas. 13 TERMOPARES: Consistem em dois condutores metálicos diferentes e puros, unidos em uma extremidade que, quando submetido a um diferencial de temperatura entre as suas junções, gera uma tensão, que é proporcional à diferença de temperatura em suas extremidades. Fonte: iope. com.br 2 TEORIA ELETRÔNICA 33 AMPERÍMETRO 100 Fio de FerroFio de Cobre Figura 21 - Termoeletricidade 2 Fonte: SENAI, 2012. 2.4.3 LUZ Também conhecida como fotoeletricidade, essa fonte de energia funciona na realidade no interior da célula, onde dispositivo bimetálico, que é o verdadeiro responsável pelo acionamento da carga, sofre a influência de uma célula foto- elétrica (dai o nome do dispositivo) que, na presença da luz, deixa passar uma pequena corrente pelo bimetálico, corrente esta suficientemente forte para pro- vocar o aquecimento da lâmina e, consequentemente, flexioná-la. Fonte de Luz Camada de cobre puro Passagem de luz em camadas semitransparentes e Fotoelétrons coletados Óxido de cobre fotossensível Fluxo de elétrons Figura 22 - Foto eletricidade Fonte: BUREAL OF NAVAL PERSONNEL, 2002 (adaptado). É através do efeito fotoelétrico que ocorre o funcionamento das portas de shoppings que se abrem e fecham sozinhas, assim como as luzes das ruas, que acendem e apagam sozinhas, ou mesmo os sistemas de alarme que ligam e des- ligam automaticamente. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 134 Superfície de óxido de prata fotossensível Emissão de elétrons para o ânodo Fonte de luz __ _ _ _ Anôdo Fluxo de elétrons 14 Figura 23 - Foto eletricidade Fonte: BUREAL OF NAVAL PERSONNEL, 2002. 2.4.4 AÇÃO QUÍMICA As ações químicas produzem cargas opostas em dois metais com caracterís- ticas diferentes, gerando, dessa forma, elementos químicos em desequilíbrio, ou seja, um com capacidade de doar e outro de receber elétrons. É constituída por uma combinação de materiais, na qual os elementos utilizados conduzem elétrons de acordo com sua constituição. Temos como exemplo de uma reação química bastante utilizada nos dias atuais a pilha ou bateria; nela, dois eletrodos de metais ou compostos metálicos diferentes e uma solução são capazes de con- duzir eletricidade. Existem pilhas e baterias recarregáveis ou não. As baterias recarregáveis, du- rante a recarga são restituídas as suas características originais, pois com a pas- sagem da corrente elétrica, ela restaura a carga inicial, a exemplo da bateria de automóvel. Já as baterias não recarregáveis sofrem uma reação interna, na qual os elementos não voltam ao seu estado inicial numa carga, devido à diminuição da força que age nos elétrons durante o uso, como “pilhas de zinco”. Quando a bateria descarrega significa que parte do ácido do eletrólito15 ao se combinar com o metal das placas foi alterada com a passagem de elétrons. Ha- vendo a recarga, o ácido produzido e que se encontra ativo nas placas retornam ao eletrólito, garantindo assim a condição original. Existem diversos tipos de pilhas e baterias no mercado, o que os difere são as combinações metálicas, sendo que cada tipo tem características diferentes para necessidades diversas. 14 ANÔDO: É o polo negativo de uma fonte. No caso apresentado o ânodo é o eletrodo de onde saem os elétrons proveniente incidência da luz. 15 ELETRÓLITOS: São soluções que permitem a passagem dos elétrons que trafegam em direção ao outro polo. 2 TEORIA ELETRÔNICA 35 Sais e óxido de manganês Capa exterior Bastão de gra�te Papel + _Solução ácida íon positivoíon negativo _ + - - - - - Figura 24 - Acumulador ou bateria e pilha Fonte: SENAI, 2013. SAIBA MAIS Para obter mais conhecimento sobre os diversos tipos de pilhas e baterias existentes e suas características, leia o livro GUSSOW, Milton. Eletricidade básica. 2. ed. Local: Pearson, 2004. 2.4.5 PRESSÃO Também conhecida como piezeletricidade, Alguns materiais geram pressão quando comprimidos ou distendidos, criando uma polarização elétrica nas molé- culas, a exemplo do que ocorre com os cristais, chamados assim por causa de sua estrutura molecular ordenada. Quando submetidos a uma deformação mecâni- ca, tais materiais têm a capacidade de transformar movimento em eletricidade e vice-versa. O cristal de quartzo, por exemplo, quando submetido a uma compressão ou distensão, gera uma minúscula corrente elétrica. Do mesmo modo, se aplicada uma corrente elétrica nele, ocorre uma vibração. Aliás, esse é o principio do reló- gio de quartzo, conhecido por sua precisão. Outro exemplo são os sais de Rochel- le, nos quais são fixadas as agulhas dos toca-discos que, durante o movimento no vinil, vibram de um lado para outro gerando, assim, uma força que possibilita a movimentação dos elétrons. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 136 AMPERÍMETRO Cristal Placas Metálicas + - FORÇA Figura 25 - Piezeletricidade Fonte:SENAI, 2013. RECAPITULANDO Iniciamos este capítulo com o conceito de matéria, desde a sua constitui- ção até chegarmos ao conceito de eletricidade. Vimos que existem diversas maneiras de se produzir eletricidade, sejam por ação química, pelo calor, pela pressão, pela luz ou pela indução, as quais podem não ter sua utilização cotidiana percebida. Estudamos, ainda, a teo- ria eletrônica, que nos fez compreender que a eletricidade nada mais é do que um desequilíbrio atômico. Anotações: 2 TEORIA ELETRÔNICA 37 Grandezas elétricas 3 Nos capítulos anteriores, estudamos a eletricidade para entender como este fenômeno acontece. Agora, iremos estudá-lo em sua forma dinâmica, pois, no cotidiano, quando pre- cisamos ligar um equipamento, pensamos logo na energia que irá alimentá-lo. As grandezas elétricas como tensão, corrente, resistência e potência estão presentes no dia a dia das pesso- as e é de extrema importância conhecê-las, saber onde e quando estão presentes, respeitar seus limites, bem como proteger-se dos riscos associados à eletricidade. Iniciaremos falando da força que age nos elétrons, seus movimentos e as principais dificuldades encontradas no seu deslocamento. Veja a seguir. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 140 3.1 TENSÕES ELÉTRICAS Quando entre dois pontos de um condutor existe uma diferença entre as con- centrações de elétrons, dizemos que existe uma diferença de potencial (D.D.P) ou tensão. Logo, pode-se definir tensão como a força que age nos elétrons, pois ela é quem permitirá o seu deslocamento. Ten são Figura 26 - Tensão Fonte: SENAI, 2013. Neste caso, entre os dois polos há uma diferença de potencial (ddp), fazendo com que as cargas negativas (elétrons) se desloquem do polo negativo para o polo positivo. A tensão elétrica é medida em volts e seu símbolo é V; para saber qual a ten- são entre dois polos, precisaremos de um instrumento chamado voltímetro. A grandeza elétrica é representada pelas letras U ou E. A letra U representa a tensão entre dois pontos de um circuito por onde passam os elétrons, e a letra E repre- senta a tensão gerada nos terminais do gerador. Normalmente, nas instalações elétricas, os valores de tensão são apresentados em volts, contudo, poderemos encontrar valores bem menores que 1V ou muito maiores, por isso a necessidade de trabalharmos com valores múltiplos e submúltiplos, e no caso da tensão os mais comuns são: quilovolt (kV) e o milivolt (mV) respectivamente, em que um será multiplicado por 1000, e o outro dividido por 1000. 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 41 X 1000 1000÷ uV mV kV MV V Figura 27 - Múltiplos e submúltiplos Fonte: COMISSÃO TRIPARTITE, 2006. A concentração de elétrons em polos opostos causa uma pressão externa liga- da à energia que as cargas possuem em virtude de suas posições, o que foi discu- tido no capítulo anterior. A essa pressão dá-se o nome de Energia Potencial Elétri- ca. No interior de uma bateria, reações químicas fazem com que cargas negativas (elétrons) se acumulem em um dos terminais, enquanto as cargas positivas (íons) se acumulam no outro, ficando estabelecida dessa maneira uma diferença de po- tencial elétrico entre os terminais. Fluxo ordenado de elétrons ou corrente elétrica Figura 28 - Tensão ou diferença de potencial Fonte: SENAI, 2013. As cargas podem ser levadas a um nível de potencial mais alto através de uma fonte externa que permita produzir força sobre elas ou podem perder energia po- tencial quando se deslocam pelo condutor. Em qualquer desses dois casos, pode- -se dizer que existe uma diferença de potencial de 1 volt (V) entre dois pontos se acontece uma troca de energia, de 1 joule (J) quando se desloca uma carga e de 1 Coulomb (C) entre esses dois pontos, ou seja, quando for necessário gastar uma quantidade de energia igual a 1 joule para deslocar uma carga de 1 Coulomb de INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 142 um ponto para qualquer outro, a diferença de potencial ou tensão entre os dois será de 1 volt. A diferença de potencial entre dois pontos de um circuito é, portan- to, um indicador da quantidade de energia necessária para deslocar uma carga. FIQUE ALERTA A unidade Joule (J) é usada para representar trabalho realizado, ou seja, o deslocamento do elétron num deter- minado tempo. Já o Coulomb representa uma quantidade de elétron (6,28x1023 elétrons) que passa por um condutor em 1 segundo. 3.1.1 FONTES São dispositivos que fornecem energia a um sistema, nesse caso, a um conjun- to de aparelhos interligados eletricamente de forma apropriada, constituído, pelo menos, por um gerador elétrico que fornece a energia por uma carga ou receptor que recebe energia e por condutores elétricos que interligam os aparelhos. Estas fontes podem ser de Corrente Contínua (CC) quando o fluxo das cargas é unidire- cional e constante para um período de tempo considerado, e de corrente alterna- da (CA) quando as cargas fluem ora num sentido, ora noutro, repetindo este ciclo com uma frequência definida. Gerador Transmissão Figura 29 - Fonte alternada Fonte: CANTO, 2004. A energia elétrica usada em nossa casa, empresa, hospitais e outros é gerada em fonte alternada pela sua facilidade de produzir e transportar eletricidade em grande quantidade. Possibilidade esta que permitiu existir um sistema elétrico nacional. Já a eletricidade de fonte contínua tem muitas limitações, dentre elas 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 43 a principal é quantidade de energia que é pouca, contudo, a sua principal vanta- gem é a portabilidade, na qual percebemos que equipamentos de baixo consu- mo têm sua utilização bastante comum, a exemplo dos rádios portáteis e veículos automotivos. Polo positivo (+) Bateria Polo negativo (–) Figura 30 - Fonte contínua Fonte: SENAI, 2013. VOCÊ SABIA? A capacidade de manter um nível de corrente constante diminui, para uma corrente contínua, quando a corrente solicitada aumenta. E esta mesma capacidade diminui em temperaturas mais altas ou mais baixas que a am- biente. A fonte contínua e a fonte alternada apresentam características de fluxos de elétrons bem diferentes, onde na fonte contínua seu fluxo de elétrons não varia no tempo, o que não acontece com a fonte alternada, conforme mostrado no gráfico abaixo. χ i i 0 t 0 t Figura 31 - Fonte CC e CA Fonte: SENAI, 2013. Para efeito de estudo, considerar uma fonte ideal facilita a compreensão em caso de análise mais detalhada do circuito. Uma fonte ideal é aquela que fornece uma tensão ou corrente a uma carga, independentemente do valor da carga a ela conectada. Em circuitos, o símbolo E, utilizado para a representação da diferença de po- tencial (tensão) entre dois pontos, algumas vezes é acompanhado de subscritos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 144 para designar especificamente entre quais pontos a diferença de potencial está estabelecida. 3.2 CORRENTE ELÉTRICA Quando em um condutor, o deslocamento de elétrons livres é mais intenso em um determinado sentido, diz-se que existe uma corrente elétrica ou um fluxo ordenado de elétrons no condutor. A intensidade da corrente elétrica é caracte- rizada pela quantidade de elétrons que atravessa um condutor na unidade de tempo. Fluxo ordenado de elétrons ou corrente elétrica Figura 32 - Corrente elétrica Fonte: SENAI, 2013. A proposição básica de um circuito elétrico é mover ou transferir cargas atra- vés de um percurso especificado. Quando 6,23x1023 elétrons atravessam, em um segundo, com velocidade uniforme, uma seção reta de um condutor qualquer, diz-se que esse escoamento de carga corresponde a 1 Ampére. A unidade de corrente é o Ampére (A), seu instrumento de medição é o amperímetro e seus múltiplos e submúltiplos mais comumente usados são o quiloampere (kA) e o miliampere (mA) respectivamente. 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 45 X 1000 1000÷ uA mA kA MA A Figura 33 - Múltiplos e submúltiplos Fonte: COMISSÃO TRIPARTITE, 2006. Na teoria de circuitos, a corrente é, geralmente, imaginadacomo movimento de cargas positivas. Essa convenção foi estabelecida por Benjamin Franklin que imaginou que a corrente trafegava do positivo para o negativo. Sabe-se atual- mente que a corrente num condutor metálico representa o movimento de elé- trons que se desprendem das órbitas dos átomos do metal. Dessa forma deve-se distinguir a corrente convencional usada na teoria de redes elétricas, dada pelo movimento de cargas positivas. Contudo devemos saber que o movimento real da corrente são os elétrons se deslocando do polo negativo para o positivo. E sentido convencional Figura 34 - Sentido convencional Fonte: SENAI, 2013. E sentido real da corrente Figura 35 - Sentido real Fonte: SENAI, 2013. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 146 FIQUE ALERTA A corrente elétrica tem como definição o fluxo ordenado, onde vários elétrons se deslocam ordenadamente de um polo para outro. 3.3 RESISTÊNCIA ELÉTRICA Existe uma força de atração entre os elétrons e os respectivos núcleos atômi- cos que resiste à liberação dos mesmos para o estabelecimento da corrente elétri- ca. Abreviadamente, esse fenômeno designa-se resistência elétrica ou oposição à passagem de corrente elétrica. George Simon Ohm, físico alemão, ao estudar sobre o a força que age nos elétrons, observou que o movimento de deslocamen- to desses não se dá com tanta facilidade, pois os elétrons livres sofrem choques contra os átomos do material, provocando liberação e absorção de energia, o que é percebido através de seus efeitos, por exemplo, o calor. Figura 36 - Resistência 1 Fonte: SENAI, 2013. 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 47 Fluxo ordenado de elétrons ou corrente elétrica Dificuldade para passagem de elétrons Figura 37 - Resistência Fonte: SENAI, 2013. A unidade de medida da resistência elétrica é ohm (W). O aparelho para fazer a sua medição é o ohmímetro. Seus múltiplos e submúltiplos mais comuns estão representados na imagem abaixo. X 1000 1000÷ u m k M mega-ohm = MΩ Kilo- ohm = kΩ Mili- ohm = mΩ Micro- ohm= uΩ Ω Ω Ω Ω Ω Figura 38 - Múltiplos e submúltiplos Fonte: COMISSÃO TRIPARTITE, 2006. VOCÊ SABIA? As análises feitas por Ohm permitiram que mais adiante houvesse a correlação entre as principais grandezas elé- tricas, tensão, corrente e resistência e, com isso, foi pos- sível desenvolver todo o estudo da eletricidade como conhecemos atualmente. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 148 a) Resistividade elétrica A resistência é uma característica de qualquer condutor, pois irá depender do comprimento, da espessura e do material de que ele é feito. A grandeza resistivi- dade é uma propriedade inerente aos materiais e depende de suas características microscópicas. Ou seja, pode-se lidar com condutores de diferentes tamanhos e espessuras de um mesmo metal, cada um deles apresentando um determinado valor específico de resistência, contudo mantendo a mesma resistividade. Essa grandeza permite observar como é a resposta microscópica do condutor, ou seja, qual é a densidade de corrente J quando o meio é sujeito a um campo elétrico E. Considerando o Sistema Internacional de Unidades (SI) como referência, as uni- dades de E são V/m (Volt/metro), de J são A/m2 (Ampère/metro quadrado) e de R é dado em Wm (ohm x metro). Equação 1 - Resistência específica R = p l a Onde: R- Resistência elétrica p - Resistência específica do condutor l – Comprimento do condutor a – Área ou seção transversal do condutor Num condutor elétrico, a resistência varia de acordo com a área da seção transversal1 (S), ou bitola, e com o comprimento do condutor (l), ou seja, bons condutores possuem uma resistividade próxima a 8W.m. e são denominados iso- lantes os materiais cuja resistividade é maior que 10 W.m. Os materiais com resistividade entre 4 e 7 W.m são denominados semicondu- tores. 1 SEÇÃO TRANSVERSAL: É a região determinada pela intersecção do cilindro com um plano paralelo às bases. Todas as seções transversais são congruentes em condutores elétricos, também são chamados de bitola do fio. 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 49 A tabela abaixo apresenta a resistividade de alguns materiais a 20°C. SUBSTÂNCIA Resistência específica = 105 Ohm/ cm Prata 1,63 Cobre 1,72 Alumínio 2,83 Tungstênio 5,52 Niquel-cromo 109,75 Ferro 10,13 Constantan 48,85 Tabela 1 - Resistividade específica Fonte: SENAI, 2013. A resistência varia com a temperatura: aumentando-se a temperatura, aumen- ta-se a resistividade específica do material condutor, já nos semicondutores (Ex.: silício e germânio), as resistências diminuem com o aumento de temperatura. - Fatores que determinam a resistência Mesmo os melhores condutores apresentam alguma resistência que dificul- ta o fluxo de corrente elétrica em seu interior. A resistência de qualquer objeto, como o fio condutor, depende de quatro fatores: tipo de material, comprimen- to do condutor, área da secção circular e temperatura. Isolantes Condutores Figura 39 - Isolantes e condutores Fonte: SENAI, 2013. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 150 - Tipo de Material O grau de facilidade com que certos materiais desprendem seus elétrons é um fator muito importante na determinação da sua resistência. Se dispuser de quatro fios com o mesmo comprimento e a mesma bitola, mas feito de substân- cias diferentes como a prata, cobre, alumínio e ferro, poderá verificar que cada um apresentará resistências diferentes, portanto, se colocarmos uma pilha nas extremidades dos condutores, esses produzirão correntes diferentes. A prata é o melhor condutor seguido do cobre e depois do alumínio. Cobre Ferro Figura 40 - Tipo de material Fonte: SENAI, 2013. - Comprimento do condutor A resistência também pode ser afetada pelo seu tamanho: quanto maior seu comprimento, maior será sua resistência, e quanto menor for o condutor, menor será sua resistência. Suponha ter ligado um fio de cobre de 10 m de comprimento e 1,5 mm2 de diâmetro com uma carga qualquer e em série com amperímetro. No momento em que ele é ligado a uma fonte de 10 v, certa quantidade de corrente começa a circular. Se colocarmos a mesma fonte e carga, só que agora o mesmo fio de cobre a uma distância de 20 m, perceberemos que a corrente será maior no fio de menor comprimento. Podemos dizer que a resistência específica do fio é direta- mente proporcional à resistência, ou seja, quanto maior for o fio, maior será sua resistência. 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 51 Cobre Cobre 2L L Figura 41 - Comprimento do condutor Fonte: SENAI, 2013. - Área da seção circular (Bitola) Outro fator que afeta a resistência é a área de sua seção circular. Vamos supor um corte em duas partes de um fio: a área do corte se denomina área da seção da circular. Quanto maior for essa área, menor será a resistência do fio, e quanto menor for a área, maior será a resistência do fio. Cobre Área da seção circular Área da seção circular Cobre Figura 42 - Secção do condutor Fonte: SENAI, 2013. Para observarmos isso, basta ligarmos um fio a uma pilha e observar a corrente que circulará nesse circuito. Depois, substituindo o fio por um pedaço de mesmo comprimento, mas com seção maior, veremos que a corrente agora será menor. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 152 Pode-se perfeitamente comparar com a tubulação de água: quanto maior for o diâmetro do tubo, mais água passará. - Temperatura Na maioria das substâncias, quanto mais elevada a temperatura, maior será a resistência oferecida à passagem de corrente elétrica. Esse efeito se baseia no fato de que os elétrons, quando submetidos à elevação de temperatura, vibram e, com isso, dificultam seu deslocamento para a órbita de outro, comprometendo o fluxo ordenado de elétrons pelo condutor. 0 10 0 10 Resistência baixa Resistência aquecida Fio de resitência frio Fio de resitência alta mA Aµ mA Aµ Figura 43 - Temperatura do condutor Fonte: SENAI, 2013. FIQUE ALERTA Um dos maiores problemas encontrados em instalações elétricas são condutores dimensionadosde forma inade- quada, e a maneira mais fácil de diagnosticar esse proble- ma é observar sua temperatura durante o funcionamento. CASOS E RELATOS A importância da bitola do condutor Seu João, no momento em que instalou o chuveiro novo de D. Ozelina, imaginou que o serviço estaria terminado, mas, ao testá-lo, viu que ele só ficava ligado durante alguns minutos, depois o disjuntor desligava. Neste momento, percebeu que tinha um problema e que a solução não se- ria tão simples. Mas, ao trocar o chuveiro por um de potência maior, acredi- tou que o disjuntor suportaria, pois a quantidade de corrente elétrica tam- 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 53 bém seria maior. Será que substituir o disjuntor por um de corrente maior resolveria? Logo viu que não, pois o disjuntor estava compatível com o novo chuveiro. Então teria que encontrar outra solução. Mas qual seria a melhor? Ele pode- ria reduzir a distância entre o disjuntor e o chuveiro, isto diminuiria a re- sistência do condutor, mas não teria como trazer o banheiro para perto da cozinha. A única solução que lhe restava para melhorar a temperatura do fio era substituir o condutor por um de seção circular maior, ou seja, de bitola maior. Feita a substituição do fio, o problema definitivamente foi resolvido, pois agora ela tinha certeza de que o disjuntor não desligaria minutos de- pois e evitaria o aumento de temperatura no fio. 3.4 POTÊNCIAS ELÉTRICAS A potência elétrica é o trabalho realizado pela tensão e pela corrente na uni- dade de tempo. É uma grandeza utilizada com frequência na especificação dos equipamentos elétricos. Ela determina basicamente o quanto uma lâmpada é ca- paz de emitir luz, o quanto um chuveiro é capaz de aquecer a água, o quanto um motor elétrico é capaz de produzir trabalho etc. Todos os equipamentos elétricos são concebidos para desenvolver ou dissipar certa potência. Resumidamente só há potência se houver corrente e tensão. am pm Figura 44 - Potência Fonte: SENAI, 2013. Potência é uma grandeza que mede quanto trabalho (conversão de energia de uma forma em outra) pode ser realizado em certo período de tempo. Como exemplo, pode-se citar uma grande bateria que por ter uma tensão maior e com- INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 154 parada a uma pequena bateria consegue converter mais rapidamente uma mes- ma quantidade de energia elétrica em calor. Como a energia, no sistema internacional, é medida em Joules (J) e o tempo em segundos (s), a unidade da potência é joules/segundo (J/s). Essa unidade em sistemas elétricos e eletrônicos recebeu o nome de watt (W), ou seja, 1 watt = 1 joule/segundo (J/s). Como a potência é um produto da tensão pela corrente, seus valores múltiplos são bastante conhecidos das pessoas desde o momento em que se paga a conta de luz. Sua fórmula é: P=VxI P - Potência elétrica (W) V - Tensão elétrica (V) I - Corrente elétrica (A) Conhecendo uma grandeza podemos chegar às outras da seguinte forma: P I I P V R V V I V = P I = P P=V*I I V Figura 45 - Fórmulas Fonte: GUSSOV, 1997 (adaptado). A unidade de potência elétrica é o Watt (W), seu instrumento de medição é o wattímetro. Assim como as outras grandezas estudadas, a potência também utiliza múltiplos e submúltiplos. 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 55 X 1000 1000÷ uW mW kW MW W Figura 46 - Múltiplos e submúltiplos Fonte: COMISSÃO TRIPARTITE, 2006. VOCÊ SABIA? Como o número de Joules de energia elétrica consu- midos em uma casa é muito grande no mês, é inviável considerar essa medida como padrão. Logo a unidade estabelecida para consumo de forma mais prática é o quilowatt-hora (kWh), utilizado em nossas contas de energia elétrica. Exemplos: Um chuveiro elétrico indica na plaqueta 3000 W e 220 V. Quais os valores da corrente que ele absorve e a resistência? VP = Ix V P 220 3000 13,63A RU = Ix R = I U R = 13,63 3000 R = 220,20Ω 220 Volts 300 Volts I = A corrente através de um resistor de 100 W a ser usado num circuito é de 0,20 A. Calcule a especificação da potência do resistor. P = =r x I2 (100) x (o,202) = P = 4W I = 0,2A P = ? R = 100Ω A + INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 156 CASOS E RELATOS Escolhendo o chuveiro ideal Seu Antônio, eletricista autônomo, foi contratado por Dona Maria para re- solver o problema do seu chuveiro que não funcionava havia três dias, o que a obrigava a tomar banho frio. Só que num inverno rigoroso se tornava uma tortura, ainda mais para uma senhora com mais de sessenta anos ou, adequadamente como ela mesma dizia, “na melhor idade”. Outra solução seria esquentar água, o que também era difícil. Mas Seu Antônio chegou para resolver seu problema e, ao avaliar as condições do chuveiro, ele fa- lou que poderia trocar a resistência e pronto, estaria resolvido o proble- ma. Contudo, Seu Antônio achou que a melhor solução seria comprar um chuveiro mais potente, pois existem no mercado chuveiros que esquentam mais, já que D. Maria sentia muito frio. Ela ficou bastante satisfeita com a possibilidade de ter água mais quente, principalmente naqueles dias de maior frio, então se dirigiram à loja para escolher um novo. Ao chegar à loja, D. Maria ficou impressionada com a variedade de marcas, preços e modelos existentes, ela só não entendia por que tanta diferença entre eles. Mas Seu Antônio, como bom eletricista, explicou a ela que um chuveiro é classificado pela sua potência, ou seja, quanto maior for seu va- lor de Watt, mais quente seria a água e exemplificou afirmando que, quan- do alguém quer iluminar a casa compra uma lâmpada de 40, 60 ou 100 velas (como na época de D. Maria) e quanto maior o número de velas, mais claridade terá, ou seja, cada vela representa uma determinada quantidade de luminosidade. E que para o chuveiro era a mesma coisa, só que ao invés de vela será Watt. 3 GRANDEZAS ELÉTRICAS 57 RECAPITULANDO Neste capítulo, vimos que as grandezas elétricas como tensão, corrente, resistência e potência estão correlacionadas e têm uma importância no co- tidiano das pessoas. Ao abordar o conceito de tensão elétrica, percebemos que ao conectar um equipamento à tomada ou bateria temos o fenômeno da eletricidade acontecendo. Este fenômeno pode ser diferenciado em função da utilização do equipa- mento, seja através do aquecimento de uma lâmpada, do giro de um motor ou até mesmo no funcionamento de um chuveiro. Esses assuntos foram de fundamental importância para compreendermos os componentes básicos de um circuito elétrico, o qual veremos no próxi- mo capítulo. Circuito elétrico 4 Neste capítulo, iremos conhecer o Circuito elétrico, seus componentes, dispositivos e como eles se relacionam, além da importância e características das fontes, as chaves e os resisto- res. Nem sempre quando precisamos, numa instalação, acender uma lâmpada ou mesmo ligar uma torradeira observamos que existe um fio que está ligando cada um dos componentes. Para melhorar a compreensão e facilitar manutenções e outras intervenções se faz necessário representar essa ligação através de um Circuito elétrico. O Circuito elétrico nada mais é do que o percurso feito pela corrente elétrica que sai da fonte, utilizando os condutores como cami- nho, passando por todos os componentes, que podem ser: chaves, disjuntores, fusível, lâmpa- das, resistores, capacitores, motores, dentre outros dependendo da necessidade do usuário. Fonte Corrente elétrica Fusivel Chave Lâmpada Figura 47 - Circuito elétrico Fonte: SENAI, 2013. Observe, na figura acima, que a corrente elétrica flui do terminal negativo para o terminal positivo, no seu sentido real, e, enquanto o circuito não for interrompido, a corrente continuará a fluir. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 160 FIQUE ALERTA Sempre que uma carga for ligada precisará de condutores para fazer a interligação deles com a fonte. Com o objetivo de melhorar a visualização do usuário, utiliza-se a representa- ção esquemática, cujo objetivo é mostrar os componentese sua ligação elétrica. Existe uma simbologia adequada para representar cada elemento do circuito. Se- guem alguns exemplos: a) Fonte de eletricidade É um dispositivo capaz de transformar energia elétrica em outra modalidade de energia. O gerador não gera ou cria cargas elétricas, seu principal objetivo é fornecer energia às cargas elétricas que o atravessam. Comercialmente, os gera- dores mais comuns são os químicos e os mecânicos. - Químicos: São aqueles que transformam energia química em energia elétrica. Exemplos: pilha e bateria. - Mecânicos: São aqueles que transformam energia mecânica em elétrica. Exemplo: alterna- dor de automóvel. b) Resistor elétrico ou carga É um dispositivo que transforma energia elétrica ou parte dela em calor. Como exemplo, podemos citar os aquecedores, o ferro elétrico, o chuveiro elétrico, a lâmpada comum e os fios condutores em geral. Também existem os resistores, que transformam sua energia elétrica em outra modalidade de energia qualquer, não apenas térmica, como o liquidificador, televisão, bomba d’água etc. 4 CIRCUITO ELÉTRICO 61 c) Dispositivos de proteção e controle São elementos que servem para acionar, proteger ou desligar um circuito elé- trico. Por exemplo: as chaves, interruptores, disjuntores, fusíveis e outros. Existem dispositivos que, ao serem atravessados por uma corrente de inten- sidade maior que a prevista, interrompem a passagem da corrente elétrica, pre- servando da destruição os demais elementos do circuito. Os mais comuns são os fusíveis e os disjuntores. d) Dispositivos de medição São utilizados nos circuitos elétricos para medir a intensidade da corrente elé- trica e a DDP existentes entre dois pontos ou, simplesmente, para detectá-las. Os mais comuns são o amperímetro e o voltímetro. - Amperímetro: aparelho que serve para medir a intensidade da corrente elé- trica, que deve ser ligado em série com a carga. - Voltímetro: aparelho utilizado para medir a diferença de potencial entre dois pontos de um circuito elétrico, que deve ser ligado em paralelo com a carga ou fonte. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 162 VOCÊ SABIA? As representações através de simbologia dos compo- nentes têm muita importância, pois elas permitem a universalização da linguagem, tornando as informações contidas nos circuitos acessíveis, além de considerarem suas características, limitações técnicas e disposições físicas. 4.1 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES A disposição física dos componentes de um circuito pode ser apresentada de diversas maneiras, que definirão qual, como e onde o componente deve ser usa- do de acordo com a necessidade do cliente. Sabemos que um circuito deve ser composto de pelo menos uma fonte de alimentação, uma chave para controle e uma carga, e o objetivo nesse momento é apresentar as possibilidades de organi- zação dessas cargas e fontes. Mais adiante discutiremos a Lei de Ohm. É possível encontrar diversas cargas num circuito, no entanto, elas irão intera- gir de maneiras diferentes, as quais denominamos Associação de Resistores, que podem ser em série, paralela ou mista. Em algumas aplicações, existe a necessidade de se obter um valor de resistên- cia diferente do valor fornecido por um único resistor. Nesses casos, pode ser feita uma associação de resistores objetivando um determinado resultado. Nem sempre é possível, com apenas um resistor, chegar a determinado valor; nessa situação, utilizam-se vários resistores. Em qualquer tipo de associação de resistores, denomina-se resistência equivalente o valor de resistência que deve possuir um único resistor que faça o mesmo trabalho da associação, esse é cha- mado de resistor equivalente. a) Associações de resistores em série Os resistores estão associados em série quando são ligado um após o outro, formando um caminho único por onde a corrente pode passar e, consequente- mente, a tensão será dividida por cada resistor. 4 CIRCUITO ELÉTRICO 63 10 k 10 k10 k 9 V Ω Ω Ω Figura 48 - Resistores em série Fonte: SENAI, 2013. A resistência equivalente de uma associação é indicada pelo valor desse resis- tor, calculada pela seguinte relação: Equação 2 - Resistência em série 30 k 9 V Ω Figura 49 - Resistor equivalente Fonte: SENAI, 2013. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 164 Em uma associação de resistores em série, a resistência equivalente é igual à soma das resistências associadas. Exemplo: Num circuito em série, obtém-se 25 v nos terminais de R1= 2,5 kΩ, 15 V nos ter- minais de R2 = 1,5 kΩ e 50 V nos terminais de R3 = 5 kΩ . Determine a resistência total entre os terminais do circuito. 2,5 kΩ 1,5 kΩ 5 k 0.01 25.0 90 V 15.0 50.0 Ω Solução: R T = R1 + R 2 + R 3 R T = 2,5 + 1,5 + 5 R T = 9kΩ VVV Figura 50 - Resistores em série 1 Fonte: SENAI, 2013. Portanto, a resistência total entre os terminais da associação é de 9 kΩ. FIQUE ALERTA Não é aconselhável colocar cargas associadas em série porque implica no seu funcionamento, contudo, toda vez que se desejar controlar uma carga, necessitaremos dessa associação. Por exemplo, ao acender uma lâmpada, o in- terruptor deve estar em série com ela. b) Associações de Resistores em Paralelo Dizemos que os resistores estão associados em paralelo quando são ligados pelos dois terminais, de modo que fiquem submetidos a uma mesma tensão, as- sim, cada resistor será percorrido por uma corrente diferente. 4 CIRCUITO ELÉTRICO 65 10 k 10 k 10 k 9 V Ω Ω Ω Figura 51 - Resistores em paralelo Fonte: SENAI, 2013. Para encontrar o valor da resistência total num circuito paralelo, a melhor maneira é utilizar o recurso matemático, pois vimos anteriormente que, para en- contrar a resistência total num circuito em série, devemos somar as resistências; já num circuito paralelo não podemos fazer isso porque houve um aumento na possibilidade de passagem de corrente, pois, nesse caso, existem três possíveis caminhos, ou seja, passar por cada um dos resistores conforme apresentado no circuito. Logo, se foi melhorada a condução de eletricidade, pode-se somar to- dos os possíveis caminhos para achar a condução total (considerando condução como G ), e deduzindo temos que GT = G1 + G2 + G3. Nosso objetivo é achar a resis- tência total, porém condução é o inverso da resistência, que pode ser representa- da matematicamente por 1G = R . É só substituir, em GT = G1 + G2 + G3, teremos 1= R1 + 1 R2 + 1 R3 .1 RT Nessa situação, existirão três caminhos para a corrente, no entanto, a tensão aplicada será igual para todos os resistores. A corrente total dessa associação é equivalente à soma das correntes individu- ais nos resistores. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS VOLUME 166 FIQUE ALERTA Numa associação de resistores em paralelo, a resistência equivalente será a soma dos inversos das resistências do circuito. Exemplo: Três resistores são colocados em paralelo onde R1=10 kΩ, R2=5 kΩ e R3=10 kΩ. Qual o valor de resistência equivalente ou resistência total? 10 k5 k10 k 9 V Ω Ω ΩΩ A A A A Solução: 1 1 + 1 + 1 RT R1 R2 R3 1 1 + 1 + 1 RT 10 5 10 1 1 + 2 + 1 4 RT 10 10 10 10 1 4 RT 10 4 10 2,5 k Calculando o M.M.C., teremos: M.M.C. = 10 , mas como o objetivo é achar a resistência ,RT RT RT= == = = = = Figura 52 - Resistores em paralelo Fonte: SENAI, 2013. Regras práticas para circuito com resistores em paralelo Para encontrar de maneira bem mais prática a resistência total na associação em paralelo, a regra é a seguinte: - Para cada resistor associamos seu valor ao de uma régua; - Feito isso, traça-se uma linha na diagonal no valor para o valor zero do outro; - No ponto de cruzamento, trace uma linha e encontre o valor correspondente; - Repita o procedimento para o terceiro resistor. 4 CIRCUITO ELÉTRICO 67 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0
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