Eletricidade básica, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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ELETRICIDADE BÁSICA

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

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

• INTRODUÇÃO....................................................................................................................................
• INTRODUÇÃO À ELETRICIDADE.......................................................................................................
  • CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA
  • NATUREZA DA ELETRICIDADE...........................................................................................................................................
• CORRENTE ELÉTRICA
  • INTRODUÇÃO.....................................................................................................................................................................
  • DEFINIÇÃO
  • CORRENTE ELÉTRICA
  • 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) ...........................................................................................................................

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP - 5

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 áto- mos.

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 movimento 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 á- tomo, juntamente com os prótons.

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP - 7

Esse é o segredo de um bom condutor de eletricidade.

Elementos cujos átomos tem menos de quatro elétrons em seus respectivos a- néis exteriores são geralmente 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 á- tomo 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 elé- trons.

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.

SUPORTE SUPORTE 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.

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

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 positiva- mente 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 ten- tarmos ligá-lo novamente a bola, esta se 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 aproxi- mado de uma bola carregada positivamente? Pela figura 4, nota-se que a bola se moveria em direção do bastão, sendo atraída por ele (da mesma forma, um bastão carregado positivamente atrairia uma bola carregada negativamente). Em outras palavras, cargas de sinal contrário se atraem.

Resumindo:

• elétrons podem ser levados a abandonar seus átomos em muitos materi- ais;
• 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 ou- tro? O fio de cobre contém bilhões de átomos com elétrons. Um desses elétrons próxi- mo ao pólo positivo seria atraído por essa carga e abandonaria seu átomo. Esse á- tomo se tornaria carregado positivamente e atrairia um elétron do próximo, que se carregaria positivamente e assim por toda a extensão do condutor. O resultado in- tegrado é uma movimentação (fluxo) de elétrons através do condutor entre o pólo negativo (-) e o pólo positivo (+).

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

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.

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP - 11

Corrente elétrica

Esse fluxo ou corrente de elétrons continuará, enquanto as cargas positivas e negativas forem mantidas 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 átomo 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

I=6kA = 6000A

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

O amperímetro deve ser ligado em série com o circuito; conforme figura abaixo:

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP - 13

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 monofá- sica (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 corrente).
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 po- sitivo (+) do amperímetro ligado ao pólo positivo da fonte e o pólo negativo (-) ao pólo negativo do circuito.

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

TENSÃO ELÉTRICA

Introdução

Vimos anteriormente que a corrente elétrica é o movimento ordenado de elé- trons num fio condutor.

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 or- denadamente num condutor. Podemos lembrar inclusive de uma analogia feita a um sistema hidráulico, on- de 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 abai- xo. 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 ”potencial elétrico”.

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

O mesmo efeito ocorre com a Eletricidade. Uma carga elétrica tende a passar do ponto de potencial maior para outro de potencial menor. O movimento de elétrons pelo fio condutor irá igualar os potenciais, cessando-se em seguida. Porém, pretendendo-se manter a corrente elétrica, deve-se manter a diferença de potencial nos terminais do condutor. Estes terminais denominam-se pólos e convenciona-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 eletro- magnética.

A tensão alternada pode ter os seus valores aumentados ou diminuídos com fa- cilidade, (através do emprego de transformadores), o que não ocorre com ten- são contínua. Por isso, as fontes geradoras utilizadas pelas indústrias de energia elétrica são fontes de energia alternada. A fonte mais utilizada para fornecimento de tensão continua é a bateria e os re- tificadores.

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 retificado- res para a conversão da tensão alternada em tensão contínua.

+^ Tensão(Volts)

Tempo(seg)

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP - 17

Podemos observar no gráfico acima, que a tensão contínua se mantém cons- tante 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 oposição 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.

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELETRICO NO ESTADO DE SP - 19

Resistência elétrica

Duas cargas são alimentadas pela mesma tensão, mas são atravessadas por in- tensidade de correntes 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 desloca- mento dos elétrons.

Portanto:

Resistência elétrica é a posição que os materiais oferecem à passagem da cor- rente 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 anteriores, 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 específica 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.

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

Unidade de medida de resistência elétrica

O OHM é utilizado como unidade de medida de resistência elétrica, sendo re- presentado 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 deseja 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 desco- nectada do circuito.

04- Evitar choque mecânico do aparelho. 05- Usar o aparelho sempre na posição correta, para minimizar erros de medi- ção.