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Eletricidade é uma forma de energia. Assim, podemos afirmar que o estudo da eletricidade consiste em aprender maneiras de controlar a energia elétrica.
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
Definir elementos, compostos e resistência, bem como reconhecer suas funções nas instalações elétricas. Descrever corrente elétrica, carga elétrica, tensão elétrica (contínua e alternada) e resistência elétrica, reconhecendo a importância e utilidade de cada uma delas na compreensão da eletricidade. Explicar o funcionamento dos circuitos série, paralelo, monofásico, bifásico e trifásico. Relatar o surgimento e o conceito das leis da eletricidade.
CAPÍTULO 1
Introdução à
eletricidade
2 InSTALAçÕeS eLÉTrICAS PredIAIS
Materiais elétricos
Todos os corpos são formados por matéria e podem ser classificados em elementos ou compostos. Dentro de cada pedaço de matéria há átomos , as menores partículas que a compõem.
A diferença entre elementos e compostos é que os elementos têm todos os átomos iguais. Esse é o caso do alumínio, do cobre, do hidrogênio e do oxigênio. Já os compostos são formados por combinações de elementos, como ocorre com a água, que é formada por hidrogênio e oxigênio.
Aqui estamos interessados nos materiais elétricos, classificados em função de suas características, que os habilitam a:
- conduzir as correntes elétricas (materiais condutores);
- isolar as correntes elétricas (materiais isolantes);
- transformar energia elétrica em energia mecânica (materiais magnéticos);
- controlar energia elétrica (materiais semicondutores). Vamos pensar agora nas instalações elétricas: classificaremos os materiais condutores e isolantes somente quanto às suas propriedades elétricas, embora também seja possível classificá-los segundo suas propriedades físicas, químicas e mecânicas.
A resistividade é a propriedade elétrica que caracteriza um material elétrico, determinando a sua resistência, como veremos adiante.
A resistividade de um material é dada por:
onde:
- R é a resistência do material
- L é o comprimento do material em metros
- A é a área da secção reta em metros quadrados
- e r (rô) é a resistividade do r material. Sua unidade no SI (Sistema Internacional de Unida- des) é ohm ⋅ metro, ou W ⋅ m.
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4 InSTALAçÕeS^ eLÉTrICAS PredIAIS
Isolantes
Nos materiais isolantes, não há movimento livre dos elétrons. Esse é um material cujos elétrons estão fortemente ligados ao núcleo atômico, sendo, portanto, incapazes de escapar e mover-se livremente através do material.
Figura 1.2 Isolantes típicos são vidros, plásticos e tecidos. Muitas fitas isolantes, por exemplo, são feitas de plástico. Fonte: Purestock/Thinkstock.
Semicondutores
O material semicondutor é um meio termo entre o condutor e o isolante. Os mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge). Esses materiais não são nem bons condutores, nem bons isolantes. Ou seja, eles permitem que um fluxo de corrente os atravesse, ainda que com resistência considerável. São importantes por servir de base para componentes eletrônicos como diodos, transistores e circuitos integrados.
Figura 1.3 Os materiais utilizados na fabricação do transistor são principalmente o silício (Si) e o germânio (Ge). Fonte: Alexander Khromtsov/Hemera/ Thinkstock.
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Carga elétrica
No estudo da eletricidade, somente são relevantes as partículas principais que compõem o átomo: o elétron, o próton e o nêutron. Tanto elétrons quanto prótons possuem carga elétrica, embora com polaridades opostas. O elétron tem carga elétrica negativa (−) e o próton , carga elétrica positiva (+).
Existem dois tipos de carga elétrica, positiva e negativa. Cargas de mesmo sinal se repelem, e cargas opostas se atraem. Em seu estado natural, ou de equilíbrio, um átomo possui carga elétrica total nula, ou seja, ele possui sempre a mesma quantidade de elétrons e de prótons. A maioria dos materiais que nos cercam é eletricamente neutra.
elétrica total nula, ou seja, ele possui sempre a mesma quantidade de elétrons e de prótons. A
Quando o número de prótons é diferente do número de elétrons, dizemos que o corpo está eletrizado ou carregado. Um corpo eletrizado negativamente tem maior número de elétrons do que de prótons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja negativa. Um corpo eletrizado positivamente tem maior número de prótons do que de elétrons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja positiva. O processo de transferência de elétrons de um objeto para outro constitui a chamada eletricidade estática.
Os gregos sabiam que, se esfregassem um pedaço de lã em um pedaço de âmbar, conseguiriam atrair objetos pequenos e leves com o âmbar. Hoje, sabemos que o âmbar, ao ser esfregado pelo pano, recebe dele partículas negativamente carregadas denominadas elétrons.
Mas como podemos mover elétrons de um corpo para outro? Uma forma é encostá-los ( eletrização por contato ; Figura 1.4). Se os corpos forem feitos de materiais diferentes e forem isolantes, os elétrons poderão se descolar de um corpo ao outro.
A
Suporte isolante
Positivo
B
Neutro Separação após contato
+ A
A B
Contato
++ +
B
++ +
Figura 1.4 Eletrização por contato. Fonte: Autores.
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No final do século XVIII, Charles Augustin Coulomb fez medidas experimentais sobre as forças de interação entre duas cargas elétricas. A partir dessas medidas, foi possível convencionar que a carga elétrica tem por unidade o coulomb (em homenagem ao autor). Essa convenção surgiu a partir da utilização de uma balança de torção que obteve os seguintes resultados: duas cargas elétricas colocadas no vácuo a uma distância r uma da outra em repouso exercem entre elas uma força de atração se tiverem sinais contrários (positiva e negativa) e uma força de repulsão se tiverem o mesmo sinal, que é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, ou matematicamente:
em que:
- F é a força de atração ou repulsão entre as cargas em newtons
- q 1 é valor da carga 1 em coulombs
- q 2 é valor da carga 2 em coulombs
- r a distância entre as cargas em metros
- k é a constante eletrostática e vale 8,99 × 10 9 N · m 2 /C^2
Corrente elétrica
A corrente elétrica corresponde ao movimento no interior de um condutor de cargas geralmente negativas – os elétrons. O sentido convencional da corrente é orientado do polo positivo para o negativo.
Durante os estudos primordiais sobre condução da eletricidade, os cientistas pensavam que as partículas que se deslocavam no interior dos materiais estavam carregadas positivamente e, em consequência disso, definiram um sentido convencional para a corrente como o sentido de deslocamento das cargas positivas. Mais tarde verificou-se que eram os elétrons carregados negativamente que se deslocavam nos metais e permitiam a circulação da corrente elétrica.
Durante os estudos primordiais sobre condução da eletricidade, os cientistas pensavam que as
em consequência disso, definiram um sentido convencional para a corrente como o sentido de
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8 InSTALAçÕeS^ eLÉTrICAS PredIAIS
De fato, em um condutor metálico, as partículas carregadas e móveis são os elétrons, pouco ligados ao átomo aos quais pertencem e que facilmente podem ser dele arrancados. Os elétrons livres são os que se deslocam facilmente no interior dos materiais metálicos. Dessa forma, a corrente elétrica é o deslocamento de um conjunto dessas cargas elétricas.
A corrente elétrica surge a partir da aplicação de uma força externa que pode ter origem mecânica, magnética ou elétrica.
Em nosso estudo, vamos focar na aplicação de uma força elétrica, que pode ser uma pilha, uma bateria, um gerador, ou seja, meios que podem gerar uma diferença de potencial.
Quando aplicamos a diferença de potencial na extremidade de um condutor, ela provoca o deslocamento dos elétrons livres, pois criou um campo elétrico. Esse campo tem a direção do menor potencial e cria o que chamamos de corrente elétrica.
A medida da quantidade desse deslocamento de cargas é chamada de intensidade de corrente elétrica e sua unidade é o ampère, homenagem ao pesquisador André-Marie Ampère. Dizemos que 1 A (um ampère) de corrente é o deslocamento de um coulomb através de um ponto qualquer de um condutor durante um intervalo de tempo de um segundo. Lembrando que um coulomb equivale à carga transportada por 6,24 · 10^18 elétrons, e que a carga de um elétron é de 1,6 · 10 -19^ , então nossa definição de intensidade de corrente pode ser representada pela equação:
Em que:
- I = corrente em ampères
- Q = carga em coulombs
- t = tempo em segundos Para finalizar, é importante que não haja confusão entre Q e I. Q (carga em coulombs) representa um acúmulo de cargas e I (intensidade de corrente) mede a intensidade de cargas em movimento.
Tensão elétrica
Ao pensarmos em um condutor elétrico, sabemos que em seu interior os elétrons livres não estão em repouso, pois se movimentam em razão da agitação térmica. Entretanto, esse movimento não se traduz em uma corrente elétrica porque é totalmente aleatório.
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Tensão e corrente alternadas
Uma tensão alternada é uma tensão variável, que se reveza entre valor positivo e valor negativo. Uma corrente alternada (CA) é uma corrente variável que circula alternativamente em um sentido depois em outro.
Embora correta, a definição de tensão alternada que utilizamos acima, e presente na maioria das referências, pode ser considerada incompleta. A definição mais completa diria que uma tensão alternada é uma tensão periódica variável cujo valor médio é nulo. Isso pode ser explicado pelas áreas hachuradas A e B na Figura 1.8: elas são iguais e demonstram uma tensão alternada.
Figura 1.8 Representação de tensão alternada. Fonte: Autores.
De qualquer forma, nosso maior interesse está em uma tensão alternada simétrica e senoidal, aquela que utilizamos no nosso dia a dia.
Figura 1.9 Representação de tensão alternada senoidal. Fonte: Autores.
Com base no que estudamos até agora, podemos, então, definir período como o tempo necessário para a realização de um ciclo completo, ou seja, de zero a um valor máximo positivo e de volta ao zero, atingindo o mesmo valor máximo agora negativo e de volta ao zero como mostrado na Figura 1.10.
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Figura 1.10 Gráfico representando o período. Fonte: Autores.
Então, matematicamente, podemos escrever:
onde:
- T = período em segundos
- p = 3,
- w = Velocidade angular em radianos por segundo. Se juntarmos 60 ciclos completos, teremos a corrente que circula em nossas casas, a frequência de 60 Hz, que de outra forma pode ser dita como o número de ciclos que ocorre em 1 segundo, como mostra a equação:
Resistência elétrica
Como vimos anteriormente o que caracteriza a resistência é a resistividade, que é diferente para cada tipo material. A resistência é a aptidão de um material em se opor à passagem de corrente elétrica. Além da resistividade, que representaria a natureza do material, a resistência é influenciada por fatores como comprimento (quanto mais comprido o material utilizado, maior sua resistência) e espessura. Considere um condutor de forma esférica, por exemplo: quanto maior o diâmetro, menor a resistência elétrica. Por isso, nunca devemos relacionar o tamanho de um resistor com o valor de sua resistência.
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A resistência total da configuração é a soma das resistências que dela participam, ou seja, RT = R 1 + R 2 + R 3 + R4.
Quanto mais resistores colocarmos em série maior será a resistência total. É importante lembrar que a ordem dos resistores não altera o valor final total.
A combinação em paralelo pode ser identificada da seguinte forma: os resistores estão ligados em um ponto comum, conforme a Figura 1.12.
Figura 1.12 Resistores em paralelo.
A resistência total de uma combinação em paralelo é representada matematicamente por:
Tendo somente duas resistências em paralelo, podemos simplificar a equação da resistência total da seguinte forma:
Circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos Ao estudarmos a história da eletricidade, vemos que, em seu início, discutia-se muito a utilização da corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC). Somente a partir de meados do século XIX as vantagens da corrente alternada foram constatadas, algumas delas citadas abaixo:
- A elevação ou o abaixamento da tensão é mais simples em CA, pois os transformadores ele- vadores ou abaixadores têm seu modelo construtivo mais simples e com bom rendimento.
- Os geradores de CA têm construção mais simples que os geradores de CC.
- A CA pode facilmente ser transformada em CC por meio de retificadores. A partir disso, passou-se a produzir nas usinas a corrente alternada com o fim de alimentar as grandes cidades e diminuir perdas.
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Em função das características construtivas dos transformadores, podemos utilizar a energia de três formas diferentes, estudadas a seguir.
Circuitos monofásicos : os circuitos monofásicos são geralmente utilizados em residências com baixo consumo, ou nas áreas rurais com transformadores especiais chamados monobuchas. Os circuitos monofásicos são compostos por dois fios, sendo um utilizado para fase e outro como neutro. Contudo, existe a possibilidade de usarmos duas fases. Assim, na primeira situação a tensão normal de uso é o 127 V, entre fase-neutro. Caso utilizemos duas fases a tensão seria de 220 V, entre fases. É importante lembrar que as tensões citadas são as geralmente utilizadas no Brasil, mas elas dependem do modelo construtivo do transformador a ser utilizado.
Circuitos bifásicos e trifásicos : A geração de energia elétrica nas usinas, sua transmissão e sua distribuição são feitas de forma trifásica alternada com sinal senoidal, simétrico e equilibrado. Essa energia é disponibilizada em alta tensão nos grandes centros.
Para podermos utilizar essa energia (corrente alternada) é necessário rebaixar os valores de tensão que as geraram para valores menos perigosos. Para isso existem os transformadores. Não descreveremos o seu funcionamento pois o assunto está além do escopo deste capítulo, mas é importante saber que, em razão de suas características construtivas, eles podem ter sistema trifásico a três fios ou a quatro fios; no primeiro caso teríamos a ligação interna do transformador em triângulo (∆), ou como mostra a Figura 1.13, já no segundo caso teríamos uma ligação em estrela (Y), na qual incluímos o neutro no ponto comum das ligações, conforme Figura 1.14.
Os valores de tensão utilizados dependerão de como o transformador será construído. Por exemplo, se ele for um transformador 380/220 V, significa que entre fases teremos 380 V e entre fase e neutro 220 V. O mesmo acontece no caso de um transformador 220/127 V.
No Brasil, as tensões utilizadas são 127 V e 220 V.
Figura 1.13 Ligação em triângulo. Nos terminais u, w e v, são retiradas as tensões desejadas. (^) Figura 1.14 Ligação em estrela.
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de Ohm, a tensão em cada componente de um circuito série (Figura 1.16) será a soma das tensões individuais, ou matematicamente:
As formulações que acabamos de apresentar remetem à Segunda Lei de Kirchhoff ou Lei das Tensões de Kirchhoff (estudaremos a primeira lei mais adiante), enunciada pelo físico alemão de mesmo nome, que diz: “A soma das quedas de tensão em um circuito fechado é igual à tensão total aplicada ao circuito”. Quanto à soma algé brica , ele diz: “A soma algébrica de todas as tensões existentes em um caminho fechado em um circuito é igual a zero”. Devemos somar separadamente as quedas (cargas) das elevações (fontes).
Podemos ver na Figura 1.16 que a soma das quedas de tensão em cada resistor é igual à tensão total aplicada ao circuito.
Figura 1.16 Circuito sé rie.
Já em um circuito paralelo (Figura 1.17), as resistências estão ligadas todas entre dois pontos ou lado a lado, de forma que existirá mais de um caminho para a corrente. Para termos a corrente total deste circuito, portanto, devemos somar as correntes em cada um dos elementos que participam dele. A tensão aplicada, por sua vez, será igual para todos os elementos deste circuito, matematicamente:
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Figura 1.17 Circuito paralelo.
Portanto, podemos agora enunciar a Primeira Lei de Kirchhoff ou Lei das Correntes de Kirchhoff. A soma de todas as correntes que entram em um nó é sempre igual à soma de todas as correntes que dele saem. Ou, podemos dizer que a soma algébrica de todas as correntes em um nó é igual a zero. Novamente, na soma algébrica deve se considerar se a corrente está entrando ou saindo do nó em questão. Lembrando que nó é o ponto de conexão entre dois ou mais elementos do circuito (Figura 1.18).
Figura 1.18 Representação de nó. Fonte: Autores.
PARA SABER MAIS
Potência elétrica Você já sabe que quando existe uma diferença de potencial entre dois pontos de um circuito elétrico e esses dois pontos estão ligados entre si, aparecerá uma corrente elétrica. Isso ocorre porque uma força conduziu a um deslocamento de elétrons. Logo, uma força produziu movimento e consequentemente realizou trabalho. Podemos afirmar, então, que na física, toda vez que uma força produz movimento, ela realiza trabalho.
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Nó é o ponto de conexão entre dois ou mais elementos do circuito.
