Apostila de eletricidade aplicada, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Educação Profissional

Curso Técnico em Mecânica

Módulo I – Mecânico Industrial

ELETRICIDADE

SUMÁRIO

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1 - FUNDAMENTOS DA ELETRICIDADE

1.1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS DA ELETRICIDADE

Ao longo dos anos, vários cientistas descobriram que a eletricidade parece comportar de maneira constante e previsível em dadas situações, ou quando sujeitas a determinadas condições. Estes cientistas, tais como Faraday, Ohm e Kirchhoff, para citar apenas alguns, observaram e descreveram as características previsíveis da eletricidade e da corrente elétrica, sob a forma de certas regras. Estas regras recebem comumente o nome de “leis”. Pelo aprendizado das regras ou leis aplicáveis ao comportamento da eletricidade você terá “aprendido” eletricidade. 1.2 - MATÉRIA 1.2.1 - Estudo do Átomo Os átomos são tão pequenos, que 100 milhões deles, um ao lado do outro, formarão uma reta de 10mm de comprimento. 100 000 000 = átomo Átomo É uma partícula presente em todo material do universo. O universo, a terra, os animais, as plantas... tudo é composto de átomos. Até o início do século XX admitia-se que os átomos eram as menores partículas do universo e que não poderiam ser subdivididas. Hoje, sabe-se que o átomo é constituído de partículas ainda menores. Estas partículas são:  Prótons  Nêutrons chamadas partículas  Elétrons sub-atômicas Importante: Todo átomo possui prótons, elétrons e nêutrons. Elétrons São partículas sub-atômicas que possuem cargas elétricas negativas. Prótons São partículas sub-atômicas que possuem cargas elétricas positivas. Nêutrons São partículas sub-atômicas que não possuem cargas elétricas. Núcleo É o centro do átomo, onde se encontram as partículas sub-atômicas prótons e nêutrons. Eletrosfera São as camadas ou órbitas formadas pelos elétrons, que se movimentam em trajetórias circulares em volta do núcleo.

Educação Profissional 4 Existe uma força de atração entre o núcleo e a eletrosfera, conservando os elétrons nas órbitas definidas camadas, semelhantemente ao sistema solar. A eletrosfera pode ser composta por camadas, identificadas pelas letras maiúsculas K, L, M, N, O, P e Q. Cada camada da eletrosfera é formada por um número máximo de elétrons, conforme você pode observar na tabela abaixo. Tabela 1. CAMADA Nº MÁXIMO DE ELÉTRONS K L M N O P Q 2 8 18 32 32 18 2 Note que nem todo átomo possui a mesma quantidade de camadas. Eletrosfera Nêutrons Elétrons Prótons Núcleo Figura 1. Figura 1.

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2 - CIRCUITO ELÉTRICO

2.1 - CIRCUITO

É todo percurso que representa um caminho fechado. Vamos acompanhar o percurso da corrente elétrica ao ligar um aparelho? Para facilitar, vamos observar um “rádio de pilha” aberto, para você ver o caminho por onde passa a corrente. Observe, agora, o percurso da corrente numa lanterna: Note que a corrente tem que percorrer o mesmo caminho, continuamente. É um caminho fechado; é um circuito... um circuito elétrico. 2.2 - CIRCUITO ELÉTRICO É o caminho fechado, pelo qual circula a corrente elétrica. No exemplo da lanterna, você pode observar os diversos componentes do circuito elétrico: 1 - Fonte geradora de eletricidade _____ pilha 2 - Aparelho consumidor de energia _____ lâmpada 3 - Condutor ______________________ tira de latão 2.3 - ELEMENTOS DOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Fonte Geradora de Energia Elétrica É a que gera ou produz energia elétrica, a partir de outro tipo de energia. A pilha da lanterna, a bateria do automóvel, um gerador ou uma usina hidrelétrica são fontes geradoras de energia. A corrente elétrica:  Sai da pilha;  Passa para o condutor de saída;  Passa pelo interruptor;  Caminha pelos componentes de rádio;  Retorna à pilha pelo condutor de entrada;  E, continua o percurso, num processo contínuo. Figura 2. Figura 2.

Educação Profissional 7 Aparelho consumidor Aparelho consumidor é o elemento do circuito que emprega a energia elétrica para realizar trabalho. A função do aparelho consumidor no circuito é transformar a energia elétrica em outro tipo de energia. Estamos nos referindo a alguns tipos de consumidores elétricos. Eles utilizam a energia elétrica para realizar trabalhos diversos; ou seja, eles transformam a energia elétrica, recebida de fonte geradora, em outro tipo de energia. Trenzinho Elétrico Transforma a energia elétrica em energia mecânica (imprime movimento). Ferro de Soldar Transforma a energia elétrica em energia térmica (transmite calor). Televisor Transforma a energia elétrica em energia luminosa e sonora (transmite sons e imagens). Lâmpadas Transforma a energia elétrica em energia luminosa (transmite luz). Dispositivo De Manobra Para avaliar a importância do último componente do circuito, imagine um consumidor (por exemplo, uma lâmpada) ligado a uma fonte geradora (uma pilha). Pense! – Uma vez completado o circuito, a lâmpada ficaria permanentemente acesa. Para que a lâmpada se apague, é necessário interromper o caminho da corrente elétrica. A corrente pode ser interrompida.  No consumidor – quando a lâmpada queima, a corrente não pode prosseguir seu caminho, retornando à fonte.  Na fonte geradora – quando a pilha ou a bateria se esgota e não provoca mais a D.D.P.  No condutor – emprega-se um dispositivo de manobra. O dispositivo de manobra é um componente ou elemento que nos permite manobrar ou operar um circuito. O dispositivo de manobra permite ou impede a passagem da corrente elétrica pelo circuito. Acionando o dispositivo de manobra, nós ligamos ou desligamos os consumidores de energia. Função do dispositivo de manobra Operar ou manobrar o circuito, interromper ou permitir a passagem da corrente elétrica. Variações do circuito elétrico 1 - Circuito aberto – É o que não tem continuidade; onde o consumidor não funciona. 2 - Circuito fechado – É o circuito que tem continuidade. Por ele a corrente pode circular. 3 - Circuito desligado – É o que o dispositivo de manobra está na posição desligado. 4 - Circuito desenergizado – É o que a fonte geradora está desconectada do circuito ou não funciona.

Educação Profissional 9 Em eletricidade, também existem grandezas. 3.1 - GRANDEZAS ELÉTRICAS São as grandezas que provocam ou são provocadas por efeitos elétricos; ou ainda, que contribuem ou interferem nesses efeitos. 3.2 - CARGAS ELÉTRICAS Toda vez que houver desequilíbrio elétrico num material haverá deslocamento de elétrons. A esse fluxo de elétrons dar-se-á o nome de carga elétrica, cuja unidade de medida será o Coulomb [C]. 1 Coulomb é igual a 6,25 x 10^18 de elétrons ou 6 250 000 000 000 000 000 (Seis quintilhões e duzentos e cinqüenta quatrilhões) de elétrons. Quando circularem 6,25 x 10^18 de elétrons por um condutor, dir-se-á que está circulando uma corrente elétrica de 1 Coulomb. 3.3 - CORRENTE ELÉTRICA O Coulomb não é, porém, uma unidade muito pratica, pois podemos constatar uma carga elétrica com uma intensidade de 1 Coulomb percorrendo um condutor de um segundo. Ou a mesma intensidade percorrendo outro condutor em 10 segundos: Então, para se poder realmente medir e comparar a corrente elétrica, houve a necessidade de se medir a intensidade da corrente em relação ao tempo. Portanto, criou-se uma unidade prática, o ampère, que é representado pela letra (A) e equivale a 1 Coulomb por segundo. Figura 3. Figura 3. Figura 3.

Educação Profissional 10 [1A]  [1 Coulomb/seg.] Vamos fazer agora uma comparação? Condutor A Condutor B No condutor (A), a intensidade da corrente é muito maior que no condutor (B). Calculando o número de elétrons que circulam pelos condutores, teremos: No condutor A: 3x6,25x10^18 = 18 750 000 000 000 000 000 elétrons por segundo. No condutor B: 1x6,25x10^18 = 6 250 000 000 000 000 000 elétrons por segundo. 3.4 - TENSÃO ELÉTRICA (F.E.M.) PILHA BATERIA GERADOR Essas são fontes geradoras, que produzem uma força eletromotriz (f.e.m.), a qual provoca o deslocamento dos elétrons, de um para o outro extremo do material. Força eletromotriz – é a força que movimenta os elétrons. Figura 3.5 (^) Figura 3. Figura 3. Figura 3.

Educação Profissional 12 Porém, em contrapartida a condutância, os materiais sempre oferecem certa dificuldade à passagem da corrente elétrica. Essa dificuldade que a corrente elétrica encontra ao percorrer um material é a resistência elétrica, normalmente representada pela letra R. Todo material condutor de corrente elétrica apresenta certo grau de condutância e de resistência. Quanto maior for a condutância do material, menor será sua resistência. Se o material oferecer grande resistência, proporcionalmente apresentará pouca condutância. A condutância é o inverso da resistência. A condutância e a resistência elétrica se manifestam com maior ou menor intensidade nos diversos tipos de materiais. Por exemplo: No cobre, a condutância é muito maior que a resistência. Já no plástico, a resistência é muito maior que a condutância. PLÁSTICO __________ MAIOR resistência __________ MENOR condutância COBRE __________ MENOR resistência __________ MAIOR condutância. A condutância e a resistência são grandezas; portanto, podem ser medidas. A unidade utilizada para medir a resistência é o OHM, representada pela letra (lê-se ômega). RESISTÊNCIA ______ é medida em OHM Como a condutância é o inverso da resistência, de início, foi denominada MHO (inverso de OHM ), e representada simbolicamente pela letra grega ômega, também invertida. Atualmente, a unidade empregada para medir a condutância é denominada SIEMENS é representada pela letra S. 3.6 - MÚLTIPLO E SUBMÚLTIPLOS DAS GRANDEZAS ELÉTRICAS As variações no sistema métrico é de 10 (dez) vezes: Exemplo: Unidade - o metro (M) Dificuldade encontrada pela corrente elétrica, ao atravessar um material.

RESISTÊNCIA:

R

R

CONDUTÂNCIA:

G

 até há pouco, era medida em MHO -  atualmente, é medida em SIEMENS -

Educação Profissional 13 milímetro Centímetro Decímetro Metro Decâmetro Hectômetro Kilômetro 0,001 (M) 0,01 (M) 0,1 (M) 1 (M) 10 (M) 100 (M) 1000 (M) mm cm dm m dam ham km Nas grandezas elétricas as variações são de 1000 em 1000 vezes. Ampère. (corrente elétrica). microamper miliamper Ampère Kiloampaer Megampar 0,000001 (A) 0,001 (A) 1 (A) 1000 (A) 1000000 (A)

μ A mA A kA 1mA

Volt (tensão elétrica). microvolt milivolt Volt Kilovolt Megavolt 0,0000001 (V) 0,001 (V) 1 (V) 1000 (V) 1000000 (V)

μ V mV V kV 1mV

Ohm (resistência elétrica). microhm miliohm Ohm Kilohm Megaohm 0,000001 (Ω) 0,001 (Ω) 1 (Ω) 1000 (Ω) 1000000 (Ω)

μ Ω mΩ Ω kΩ 1mΩ

Observação: Na eletricidade de modo geral as grandezas se apresentam muito grandes ou muito pequenas.

4 - LEI DE OHM

No século XIX, um filósofo alemão, Georg Simon Ohm, demonstrou experimentalmente a constante de proporcionalidade entre a corrente elétrica, a tensão e a resistência. Essa relação é denominada Lei de Ohm, e é expressa literalmente como: “A corrente em um circuito é diretamente proporcional à tensão aplicada e inversamente proporcional à resistência do circuito”. Na forma de equação a Lei de Ohm é expressa como: Existe uma relação matemática entre a tensão elétrica, a corrente elétrica e a resistência elétrica. Figura 4.

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4.2 - CÁLCULO DE RESISTÊNCIA

Agora, cubra a letra R: Por exemplo: 4.3 - CÁLCULO DE CORRENTE Suponhamos que você queira saber o valor de I, então, cubra a letra ( I ). Por exemplo: Dessa forma, você não mais se esquecerá de como encontrar estes três valores: Sempre que for aplicar a lei de Ohm. Vamos a um exemplo prático:

• Ficou a fórmula E - I
• Muito bem! Basta dividir E - , e o resultado será ( R ).

I

Suponhamos seja E = 50, e I = 5; teremos: R = E = 50 = 10 Ω I 5

• Ficou a fórmula E - R
• Muito bem! Basta dividir E - , e o resultado será ( I ). R I = E = 50 = 5A R 10 Figura 4. Figura 4. Figura 4. Figura 4. Figura 4.

Educação Profissional 16 Você vai mudar de casa e deverá fazer as ligações dos aparelhos elétricos na nova residência: chuveiro, ferro de passar, etc. Comecemos pela ligação do chuveiro: se o aparelho não tiver as características técnicas adequadas quanto à corrente, tensão e resistência, em função da rede elétrica de sua casa, poderão ocorrer alguns acidentes. Para evitar isso, vamos voltar ao esquema de ligação: Qual a incógnita? Vamos montar o triângulo: Resistência R = E = 110 = 5,5 Ω I 20 O seu chuveiro deverá ter uma resistência de 5,5 Ω para 110 V. Se você for usá-lo em 220 V, ele terá que ter a resistência em dobro. Ele deverá ter, então: 5,5 x 2 = 11 Ω Ao compará-la, compare com esse valor, para que o seu chuveiro funcione bem. Vamos ao outro exemplo: Você quer instalar um fusível ou disjuntor, para o seu ferro de passar. A tensão é de 110 V e sua resistência tem 25Ω. Qual seria a corrente elétrica em Ampères do ferro de passar? Voltemos ao triângulo: Qual é a incógnita? Corrente No triângulo aparece E ; então I = E. R R Substituindo esses valores, temos: I = E = 110 = 5A R 25 Você usará um disjuntor de 05 Ampères. Você pretende estender uma rede nos fundos de sua casa.  A corrente dos aparelhos deverá atingir 12 Amperes. Qual seria a resistência do chuveiro, para ele poder funcionar dentro das condições ideais? Figura 4. Figura 4.

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4. Não confie nos interloques, nem dependa deles para a sua proteção. Desligue sempre o equipamento. Não remova, não coloque em curto-circuito e não interfira com a ação dos interloques, exceto para reparar a chave. 5. Não deixe o seu corpo em potencial de terra. Certifique-se de que você não está com o seu corpo em potencial de terra, isto é, com o corpo em contato direto com partes metálicas do equipamento, particularmente, quando estiver fazendo ajustagens ou medições. Use apenas uma das mãos quando estiver reparando equipamento alimentado. Conserve uma das mãos nas costas. 6. Não alimente qualquer equipamento que tenha sido molhado. O equipamento deverá estar devidamente seco e livre de qualquer resíduo capaz de produzir fuga de corrente antes de ser alimentado. As regras acima, associadas com a idéia de que a tensão não tem favoritismo e que o cuidado pessoal é a sua maior segurança, poderão evitar ferimentos sérios ou talvez a morte.

5 - RESISTIVIDADE

Para qualquer condutor dado, a resistividade de um determinado comprimento depende da resistividade do material, do comprimento do fio e da área da seção reta do fio de acordo com a fórmula. Onde: R = resistência do condutor, Ω l = comprimento do fio, m S = área da seção reta do fio, cm² ρ = resistência específica ou resistividade, cm².Ω/m O fator ρ (letra grega que se lê “rô”) permite a comparação da resistência de diferentes materiais de acordo com natureza, independentemente de seus comprimentos ou áreas. Valores mais altos de ρ representam maior resistência. Os valores de resistência elétrica variam de acordo com certos fatores. Esses quatro fatores são: natureza, comprimento, seção transversal e temperatura do material. 5.1 - NATUREZA DO MATERIAL Figura 5. Figura 5.2 Figura 5.

Educação Profissional 19 Você deve lembrar, que a resistência oferecida pelo cobre é bem menor que a resistência oferecida pelo plástico. Observe os átomos de alguns materiais: Átomo de Carbono Átomo de Alumínio Átomo de Cobre Note que, os átomos que constituem o carbono, alumínio e cobre são diferentes entre si. A diferença nos valores de resistência e condutância oferecidas pelos diferentes materiais, deve- se principalmente ao fato de que cada material tem um tipo de constituição atômica diferente. Por isso, para a determinação dos valores de resistência e condutância, é importante levarmos em consideração a constituição atômica, ou seja, a natureza do material. 5.2 - COMPRIMENTO DO MATERIAL Na figura acima, temos dois materiais da mesma natureza; porém, com comprimento diferente: COMPRIMENTO DO MATERIAL RESISTÊNCIA 3 metros ____________________________________ 2  8 metros ____________________________________ Maior que 2  Os valores apresentados servem apenas para exemplificar. A partir daí você pode concluir que em dois ou mais materiais da mesma natureza... aumentando o comprimento diminuindo o comprimento aumentará a resistência diminuirá a resistência Figura 5. Figura 5. Figura 5.