Eletricidade básica, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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ELETRICIDADE BÁSICA

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP

2 - COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO

DO SETOR ELÉTRICO NO ESTADO DE SÃO PAULO - CPN

Manual de treinamento curso básico segurança em instalações e serviços com eletricidade - NR 10

COORDENAÇÃO CPN - GESTÃO 2004/ 2005 Luiz Carlos de Miranda Junior – CPFL Energia

COORDENAÇÃO DO PROJETO Dhébora de Abreu Alves Poloto – AES Eletropaulo

ELABORAÇÃO E REVISÃO TÉCNICA/ PEDAGÓGICA Cláudio Sergio Denipotti – ELEKTRO Eletricidade e Serviços S.A. Daniel Calesco – AES Tietê Dhébora de Abreu Alves Poloto – AES Eletropaulo Edson Muniz de Carvalho – AES Eletropaulo Fabio Lellis Polezzi – CTEEP Companhia de Transmissão Energia Elétrica Paulista Frederico Prestupa Neto – CPFL Energia Jorge Santos Reis - Fundacentro Luiz Roberto Xisto – Bandeirante Energia Maria Cândida de Sousa – CTEEP Companhia de Transmissão Energia Elétrica Paulista

COLABORAÇÃO Carlos Alberto Ruzzon – AES Tietê Helenice Ticianelli – AES Tietê Ivan Gomes Cortez – AES Eletropaulo José Carlos Porto Zitto – CPFL Energia Marcelo Serra Lacerda da Silva - SABESP Nicola Francelli – CPFL Energia Paulo Roberto Coelho - SABESP Robert Werner Dallmann - SABESP Valdir Lopes da Silva – AES Eletropaulo Comitê de segurança e saúde do trabalho – Fundação COGE

CRIAÇÃO GRÁFICA E DIAGRAMAÇÃO Michel Lucas de Oliveira – AES Eletropaulo Rodolfo Dala Justino – AES Eletropaulo Daniel Di Prinzio – AES Eletropaulo

ISBN 85-99602-01-

Editora Fundação COGE Av. Marechal Floriano, 19 – sala 1102 - Centro CEP 20080-003 – Rio de Janeiro – RJ Tel.: (21) 2283-1884 – Fax.: (21) 2516- e-mail: [email protected] / home page: www.funcoge.org.br

• INTRODUÇÃO....................................................................................................................................
• INTRODUÇÃO À ELETRICIDADE.......................................................................................................
  • CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA
  • NATUREZA DA ELETRICIDADE...........................................................................................................................................
• CORRENTE ELÉTRICA
  • CORRENTE ELÉTRICA
  • INTRODUÇÃO.....................................................................................................................................................................
  • DEFINIÇÃO
  • UNIDADE DE MEDIDA DA CORRENTE ELÉTRICA.............................................................................................................
  • INTENSIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA.........................................................................................................................
  • CUIDADOS NA UTILIZAÇÃO DO AMPERÍMETRO.............................................................................................................
• TENSÃO ELÉTRICA.........................................................................................................................
  • INTRODUÇÃO...................................................................................................................................................................
  • DEFINIÇÃO
  • TENSÃO ELÉTRICA
  • FONTE DE TENSÃO ALTERNADA / CONTINUA.................................................................................................................
  • RESISTIVIDADE DOS MATERIAIS
  • UNIDADE DE MEDIDA DA TENSÃO ELÉTRICA
  • CUIDADOS NA UTILIZAÇÃO DO VOLTÍMETRO
• RESISTÊNCIA ELÉTRICA
  • DEFINIÇÃO
    • Resistência elétrica
    • Unidade de medida de resistência elétrica
    • Cuidados na utilização do ohmímetro
• LEI DE OHM.....................................................................................................................................
  • DEFINIÇÃO
  • FÓRMULA DA LEI DE OHM
  • REPRESENTAÇÃO SIMBÓLICA DE UM CIRCUITO ELÉTRICO...........................................................................................
  • ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS
  • ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE DE RESISTÊNCIA
  • COMPORTAMENTO DA TENSÃO E CORRENTE
  • RESISTÊNCIA EQUIVALENTE...........................................................................................................................................
  • ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS
  • CÁLCULO DA RESISTÊNCIA EQUIVALENTE
  • CIRCUITO EM SÉRIE
  • RESISTÊNCIA EQUIVALENTE...........................................................................................................................................
  • CONCLUSÃO
  • ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE RESISTÊNCIAS
  • COMPORTAMENTO DA TENSÃO E CORRENTE
  • CÁLCULO DA RESISTÊNCIA EQUIVALENTE
  • CIRCUITO PARALELO.......................................................................................................................................................
  • CONCLUSÃO
  • CIRCUITO MISTO.............................................................................................................................................................
• POTÊNCIA ELÉTRICA
  • INTRODUÇÃO...................................................................................................................................................................
  • POTENCIA ELÉTRICA
    • Unidade de medida da potência elétrica
    • Múltiplos e submúltiplos
    • Constituição do wattímetro
• EFEITO JOULE
  • LEI DE JOULE
• MAGNETISMO
  • INTRODUÇÃO:
  • DEFINIÇÃO:
    • Imãs Naturais e Artificiais
    • Pólos Magnéticos:
    • Atração e Repulsão dos Pólos Magnéticos:
    • Determinação dos Pólos Magnéticos:........................................................................................................
    • Materiais Magnéticos:..............................................................................................................................
    • Materiais Ferromagnéticos:......................................................................................................................
    • Materiais Não-Ferromagnéticos:...............................................................................................................
• ELETROMAGNETISMO....................................................................................................................
  • DEFINIÇÃO
• CORRENTE ALTERNADA
  • FREQÜÊNCIA....................................................................................................................................................................
• POTÊNCIA EM CORRENTE ALTERNADA 4 - COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP - Fator da Potência .................................................................................................................................... - Potência Reativa ..................................................................................................................................... - Baixo fator de potência (cos) significa: ..................................................................................................... - Alto fator de potência (cos.) significa:.......................................................................................................
  • POTÊNCIA DE UM CAPACITOR.........................................................................................................................................
    • Constituição do capacitor:........................................................................................................................
• CIRCUITO TRIFÁSICO.....................................................................................................................
  • TENSÃO SIMPLES E TENSÃO COMPOSTA
• CIRCUITO ESTRELA (Y)
  • CIRCUITO ESTRELA EQUILIBRADO
  • CIRCUITO ESTRELA DESEQUILIBRADO
• CIRCUITO TRIÂNGULO ()................................................................................................................
• TRANSFORMADORES
  • TRANSFORMADOR MONOFÁSICO....................................................................................................................................
  • TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
  • TRANSFORMADOR DE POTENCIAL (TP)
  • TRANSFORMADOR DE CORRENTE (TC)

INTRODUÇÃO

Esta apostila tem por objetivo fornecer informações básicas sobre eletrotécnica.

INTRODUÇÃO À ELETRICIDADE

Constituição da matéria

Matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço.

A matéria é constituída de moléculas que, por sua vez, são formadas de átomos.

O átomo é constituído de um núcleo e eletrosfera, onde encontramos os:

• Elétrons

Prótons Nêutrons

Portanto, o átomo é formado por:

Elétron : É a menor partícula encontrada na natureza, com carga negativa. Os elétrons estão sempre em mo- vimento em suas órbitas ao redor do núcleo.

Próton : É a menor partícula encontrada na natureza, com carga positiva. Situa-se no núcleo do átomo.

Nêutron : São partículas eletricamente neutras, ficando também situadas no núcleo do átomo, juntamente com os prótons.

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Elementos cujos átomos tem menos de quatro elétrons em seus respectivos anéis exteriores são ge- ralmente denominados ”bons condutores”.

Elementos cujos átomos têm mais de quatro elétrons em seus respectivos anéis exteriores são maus condutores. São, por isso, chamados de isolantes.

Poucos elétrons no anel exterior de condutores são mais facilmente desalojados de suas órbitas por uma baixa voltagem, para criar um fluxo de corrente de átomo para átomo.

Em síntese:

• átomos têm elétrons em órbita ao redor de um núcleo com prótons;

cada átomo contém igual número de elétrons e prótons; os elétrons ocupam camadas ou anéis, nos quais orbitam em volta do núcleo; átomos que possuem menos de quatro elétrons no seu anel exterior são bons condutores de eletricidade (exemplo: cobre).

Já se determinou que os átomos possuem partículas chamadas prótons e elétrons.

Essas partículas tem determinadas cargas:

Prótons - cargas positivas (+)

Elétrons - cargas negativas (-)

Os prótons, no núcleo, atraem os elétrons, mantendo-os em órbita. Desde que a carga positiva dos prótons seja igual a carga negativa dos elétrons, o átomo é eletricamente neutro.

Entretanto, essa igualdade de cargas pode ser alterada; se elétrons são retirados do átomo, este se torna carregado positivamente(+).

Assim sendo:

átomos carregados negativamente - maior número de elétrons; átomos carregados positivamente - menor número de elétrons;

As figuras abaixo exemplificam as afirmações acima.

SUPORTESUPORTE SUPORTE

BASTÃO DE BORRACHA

BOLA BASTÃO “CARREGA” BOLA NEGATIVAMENTE CARGAS IGUAIS SE REPELEM

BOLA

BASTÃO DE BORRACHA

Figura 3 - Cargas de mesmo sinal se repelem.

A experiência da figura 3 demonstra essa transferência de elétrons.

Quando um bastão de borracha é friccionado em um pedaço de lã, elétrons são removidos da lã e distribuídos pelo bastão. A lã agora está carregada positivamente e o bastão negativamente.

Aproximando-se o bastão de uma bola suspensa e eletricamente isolada, esta recebe uma parte de carga negativa do bastão. Se retirarmos este bastão e tentarmos ligá-lo novamente a bola, esta se

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afastará (haverá repulsão). Isto porque cargas do mesmo sinal a se repelem. Se ambas as cargas fossem positivas, portanto, ocorreria o mesmo fenômeno.

SUPORTE (^) SUPORTE

BASTÃO DE BORRACHA

BASTÃO DE VIDRO

CARGAS DE SINAL CONTRÁRIO SE ATRAEM

Figura 4 - Atração de cargas diferentes.

O que ocorreria, porém, se um bastão carregado negativamente fosse aproximado de uma bola car- regada positivamente? Pela figura 4, nota-se que a bola se moveria em direção do bastão, sendo a- traída por ele (da mesma forma, um bastão carregado positivamente atrairia uma bola carregada negativamente). Em outras palavras, cargas de sinal contrário se atraem. Resumindo:

• elétrons podem ser levados a abandonar seus átomos em muitos materiais;

uma energia advinda, por exemplo, de fricção é necessária para causar a fuga dos elétrons de seus respectivos átomos; cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinal contrário se atraem.

O que aconteceria por exemplo se um pedaço de fio condutor de cobre fosse submetido a uma carga positiva em um extremo e a uma carga negativa no outro? O fio de cobre contém bilhões de átomos com elétrons. Um desses elétrons próximo ao pólo positivo seria atraído por essa carga e abandonaria seu átomo. Esse átomo se tornaria carregado positivamente e atrai- ria um elétron do próximo, que se carregaria positivamente e assim por toda a extensão do condutor. O resultado integrado é uma movimentação (fluxo) de elétrons através do condutor entre o pólo negativo (-) e o pólo positivo (+).

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Definição

A este movimento ordenado de elétrons damos o nome de CORRENTE ELÉTRICA.

NOTA:

Sinais de mesmo nome se repelem.

Sinais de nome diferente se atraem.

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Corrente elétrica

Esse fluxo ou corrente de elétrons continuará, enquanto as cargas positivas e negativas forem man- tidas nos extremos do fio (carga de sinal contrário atraindo-se).

Isso é fenômeno da eletricidade atuando, de onde se conclui: eletricidade é o fluxo de elétrons de á- tomo para átomo em um condutor (Figura 5).

CARGAS POSITIVAS

FIO DE COBRE

CARGAS NEGATIVA

FLUXO DE ELÉTRONS

Figura 5 - Fluxo de elétrons em um condutor.

Unidade de medida da corrente elétrica

Para se expressar a quantidade de corrente elétrica utilizamos o ampère.

Exemplo:

I = 3 ampères

I = 3A

Múltiplos e submúltiplos

Para corrente inferiores utilizamos o miliampère (mA).

Para correntes superiores utilizamos o kiloampère (kA).

Exemplo:

I=2mA = 0,002A

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I=6kA = 6000A

O aparelho utilizado para medir a intensidade de cor- rente elétrica (I) é o AMPERÍMETRO.

O amperímetro deve ser ligado em série com o cir- cuito; conforme figura abaixo:

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Gráficos da Corrente Elétrica A corrente elétrica fornecida a um circuito consumidor pode ser contínua (C.C) ou alternada (C.A.), sendo que neste último caso ela ainda poderá ser monofásica (1 fase) ou trifásica (3 fases).

tempo

Corrente contínua

I I + - I + -

tempo

Corrente alternada monofásica

Corrente alternada trifásica

tempo

Pode-se observar que a corrente contínua se mantém constante em relação ao tempo, enquanto que a corrente alternada é variável tanto na polaridade (+ e -) quanto na intensidade (valores medidos).

Cuidados na utilização do amperímetro

1. A graduação máxima da escala deverá ser sempre maior que a corrente máxima que se deseja medir.
2. Procurar utilizar uma escala, onde a leitura da medida efetuada seja o mais próximo possível do meio da mesma.
3. Ajustá-lo sempre no zero, para que a leitura seja correta (ajuste feito com ausência de corren- te).
4. Evitar choques mecânicos com o aparelho.
5. Não mudar a posição de utilização do amperímetro, evitando assim leituras incorretas.
6. Obedecer à polaridade do aparelho, se o mesmo for polarizado. O pólo positivo (+) do amperí- metro ligado ao pólo positivo da fonte e o pólo negativo (-) ao pólo negativo do circuito.

TENSÃO ELÉTRICA

Introdução

Vimos anteriormente que a corrente elétrica é o movimento ordenado de elétrons num fio condutor.

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Entretanto para que haja este movimento é necessário que alguma força, ou pressão, apareça nos terminais deste condutor. A figura abaixo procura ilustrar este movimento. De um lado, o terminal do condutor está ligado ao potencial positivo e do outro lado ao potencial negativo. Dessa forma, como existe uma diferença de potencial aplicada aos terminais do fio, um fluxo de elétrons se movimentará pelo mesmo. A esta ”pressão elétrica” chamamos: diferença de potencial ou tensão elétrica.

Definição

Tensão Elétrica é a força, ou pressão elétrica, capaz de movimentar elétrons ordenadamente num condutor. Podemos lembrar inclusive de uma analogia feita a um sistema hidráulico, onde observamos que a água fluirá, através do cano, até que as ”pressões” dos dois reservatórios se igualem.

Tensão Elétrica

Vamos fazer uma analogia com a instalação hidráulica mostrada na figura abaixo. O reservatório A está mais cheio que o reservatório B, portanto o reservatório A tem maior pressão hidráulica. Ligando-se os reservatórios A e B com um cano, a pressão hidráulica de A ”empurra” a água para B, até que se igualem as pressões hidráulicas.

Registro

A B

Supondo agora dois corpos A e B que possuem cargas elétricas diferentes. O corpo A tem maior número de elétrons do que o corpo B; então dizemos que ele tem maior ”poten- cial elétrico”.

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diferença de potencial nos terminais do condutor. Estes terminais denominam-se pólos e convencio- na-se chamar positivo o de maior potencial e negativo o outro. É usual tomar como referência de potencial elétrico à terra, a qual se atribui o valor zero. Assim, ao firmar que o potencial elétrico é positivo ou negativo, diz-se que seu potencial é maior ou menor em relação ao da terra. O símbolo utilizado para representação da tensão é a letra maiúscula”V”, que é também utilizada como unidade de medida padrão. O aparelho destinado a medi-la chama-se Voltímetro.

Fonte de Tensão Alternada / Continua

O equipamento utilizado para o fornecimento de tensão alternada é o chamado Alternador e seu princípio de funcionamento se dá através da indução eletromagnética. A tensão alternada pode ter os seus valores aumentados ou diminuídos com facilidade, (através do emprego de transformadores), o que não ocorre com tensão contínua. Por isso, as fontes geradoras utilizadas pelas indústrias de energia elétrica são fontes de energia al- ternada. A fonte mais utilizada para fornecimento de tensão continua é a bateria e os retificadores. Este é um fator muito importante para a transmissão e distribuição de energia elétrica. No caso de fornecimento de energia às indústrias que se utilizam de tensão contínua, por exemplo nas indústrias químicas, são utilizados retificadores para a conversão da tensão alternada em tensão contínua.

+^ Tensão(Volts)

Tempo(seg)

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Podemos observar no gráfico acima, que a tensão contínua se mantém constante em relação ao tempo.

+^ Tensão(Volts)

-^ Tempo(seg)

A tensão alternada é variável em relação ao tempo tanto na polaridade quanto na sua intensidade.

Resistividade dos Materiais

É a propriedade característica específica de um material, em relação a sua constituição atômica.

A resistividade é diferente para diferentes materiais, sendo ela que determina a maior ou menor opo- sição do material, em relação a corrente elétrica.

Unidade de Medida da Tensão Elétrica

VOLT é utilizado como unidade de tensão elétrica, representado pela letra ”V”.

EX: 127 volts =127 V

Múltiplos e Submúltiplos

Para tensões mais elevadas utilizamos os Kilovolt (KV).

13,8kilovolt = 13,8KV = 13.800V

O aparelho utilizado para medir a tensão elétrica chama-se VOLTÍMETRO.

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Resistência elétrica

Duas cargas são alimentadas pela mesma tensão, mas são atravessadas por intensidade de corren- tes diferentes. Por quê?

O valor da corrente elétrica não depende só da tensão aplicada ao circuito, vai depender também da carga, onde uma se opõe mais que a outra ao deslocamento dos elétrons.

Portanto:

Resistência elétrica é a posição que os materiais oferecem à passagem da corrente elétrica.

Símbolo da resistência

Calcular a resistência elétrica de um fio de alumínio das mesmas características do exemplo anterior, cuja resistividade específica é 0,0280 Ohms.mm2.

R= 0,0280. 200 Î R= 1,120 Ohms

Calcular a resistência elétrica de um fio de prata das mesmas características dos exemplos anterio- res, cuja resistividade específica é 0,0160 Ohms.mm2.

R= 0,0160. 200 Î R= 0,640 Ohms

Observando os resultados acima, vemos que o material que apresenta menor resistividade específi- ca é a prata. Portanto, um condutor de prata apresenta maior condutividade à passagem da corrente elétrica, seguido de um condutor de cobre e depois de um condutor de alumínio.

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Unidade de medida de resistência elétrica

O OHM é utilizado como unidade de medida de resistência elétrica, sendo representado pela letra grega ômega (Ω) Exemplo: 320 ohms = 320 Ω Múltiplos e submúltiplos

• mega-ohm = MΩ

Kilo- ohm = KΩ Mili- ohm = mΩ Micro- ohm= uΩ

O aparelho utilizado para medir resistência elétrica chama-se OHMÍMETRO. Quando se deseja medir resistência elétrica de um material, deve-se ligar os terminais do ohmímetro aos terminais do material.

Cuidados na utilização do ohmímetro

01- A graduação máxima da escala deverá ser sempre maior que a resistência máxima que se de- seja medir. 02- Ajustar o ohmímetro a zero toda vez que se for medir uma resistência. 03- A resistência deve ser medida sempre com ausência de corrente e desconectada do circuito. 04- Evitar choque mecânico do aparelho. 05- Usar o aparelho sempre na posição correta, para minimizar erros de medição.

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