Conceitos Básicos de Eletricidade

FUNDAÇÃO EDUCACIONAL DE CARATINGA FUNEC CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA UNEC NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS Prof Joildo Fernandes CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 2 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom 1 CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE Energia é tudo aquilo capaz de produzir trabalho de realizar uma ação por exemplo produzir calor luz radiação etc Em sentido geral poderia ser definida como essência básica de todas as coisas responsável por todos os processos de transformação propagação e interação que ocorrem no universo CREDER 2021 A energia elétrica é um tipo especial de energia por meio da qual podemos obter os efeitos citados Ela é usada para transmitir e transformar a energia primária da fonte produtora que aciona os geradores em outros tipos de energia utilizados em nossas residências A energia elétrica que utilizamos em nossa casa para darmos vida aos eletro domésticos e demais itens que fazem o uso de energia elétrica passa por um pro cesso produtivo que exige algumas etapas a energia elétrica passa pela GERAÇÃO da eletricidade que ocorre nas usinas Para chegada dela em nossas residências comércios e industrias ela é trans mitida até a distribuidora através de cabos suportados por torres bem altas no pro cesso chamado TRANSMISSÃO Após isso as companhias de energia distribuidoras fornecem a eletricidade até a nossa casa por cabos sustentados pelos postes nas áreas urbanas e rurais no pro cesso chamado DISTRIBUIÇÃO A geração de energia elétrica no Brasil é realizada principalmente por meio do uso da energia potencial da água geração hidrelétrica ou utilizando a energia dos combustíveis geração termelétrica também temos no Brasil geração de energia por meio de radiação usinas nucleares instaladas no distrito de Angra dos Reis RJ sol geração fotovoltaica e vento geração eólica as duas últimas formas de geração são intermitentes ou seja necessitam de estarem associadas a outras formas de ge ração para fornecimento continuo de energias durante todo o período CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 3 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom Todos nós sabemos que o consumo de energia elétrica vem aumentando em razão do crescimento da população e pelo fato de que cada vez mais a tecnologia oferece aparelhos eletroeletrônicos que possibilitam economia de tempo e de mão de obra com uma simples conexão a uma tomada ou a uma chave elétrica Assim qual quer construção nova ou reformada resultará em aumento da demanda elétrica As fontes tradicionais estão aos poucos exaurindose e em face da agressão ao meio ambiente os combustíveis fósseis que comprometem a qualidade do ar pre cisam ser reduzidos 11 Constituição da matéria A compreensão dos fenômenos elétricos supõe um conhecimento básico da estrutura da matéria cujas noções fundamentais serão resumidas a seguir Todos os corpos são compostos de moléculas e estas são um aglomerado de um ou mais átomos a menor porção de matéria Cada átomo compõese de um nú cleo no qual existem prótons com carga positiva e nêutrons sem carga em torno do núcleo gravitam os elétrons elementos de carga negativa Em um átomo em equilíbrio o número de elétrons em órbita é igual ao número de prótons no núcleo Figura 1 Figura 1 Átomo em equilíbrio Fonte Autor ASSISTIR VÍDEO COMPLEMENTAR VÍDEO 01 Como a energia chega na nossa casa VÍDEO 02 Linhas de Transmissão CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 4 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom O hidrogênio é o elemento mais simples porque só possui um elétron em órbita e um próton no núcleo Já o urânio é dos mais complexos tem 92 elétrons em órbita e 92 prótons no núcleo Quando um elétron é retirado de um átomo dizemos que esse átomo ficou positivo íon pois há mais elementos positivos no núcleo do que elétrons em órbita A disposição dos átomos de um corpo possibilita a retirada dos elétrons por meios diversos 12 Carga Elétrica O elétron e o próton são as cargas elementares e componentes do átomo Por convenção estabeleceuse que a carga do elétron é negativa e a do próton positiva ou seja cargas de polaridades opostas Aproximandose cargas de polaridades opostas verificase uma força atrativa entre elas Aproximandose cargas de mesmas polaridades notase uma força de re pulsão entre elas Experimentalmente estabeleceuse uma unidade para medir a carga elétrica a essa unidade chamouse coulomb A carga de 1 elétron é ℯ 16 𝑥 1019 coulombs 13 Diferença de Potencial ou Tensão Elétrica A diferença entre os potenciais elétricos de dois pontos de uma região de um campo eletrostático é chamada de diferença de potencial fem ou tensão elétrica entre esses dois pontos A diferença de potencial entre dois pontos de um campo eletrostático é de 1 volt quando o trabalho realizado contra as forças elétricas ao se deslocar uma carga entre esses dois pontos é de 1 joule por coulomb A diferença de potencial é medida em volts da mesma maneira que a tensão elétrica Um gerador elétrico é uma máquina que funciona como uma bomba retirando cargas elétricas de um polo e acumulandoas em outro isto é um polo fica com CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 5 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom excesso de cargas de certa polaridade e o outro com deficiência de cargas daquela polaridade Como são elétrons que se deslocam um polo fica carregado negativa mente e o outro positivamente Em outras palavras o gerador provoca uma diferença de potencial ddp entre os seus terminais 14 Corrente Elétrica Se os terminais do gerador forem ligados a um circuito elétrico fechado como observado na Figura 2 teremos uma corrente elétrica que é o deslocamento de cargas dentro de um condutor quando existe uma diferença de potencial elétrico entre as suas extremidades Assim podemos definir a corrente elétrica como o fluxo de cargas que atra vessa a seção reta de um condutor na unidade de tempo Se esse fluxo for constante denominase ampère a relação 1 𝑎𝑚𝑝é𝑟𝑒 1 𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 𝑜𝑢 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑖 𝑑𝑞 𝑑𝑡 Figura 2 Esquema circuito elétrico com gerador Fonte CREDER 2021 15 Resistência Elétrica Como sempre acontece em qualquer deslocamento há uma resistência à pas sagem das cargas dentro dos condutores e essa resistência oposta é a resistência CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 6 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom ôhmica medida em ohm em homenagem ao descobridor dessa propriedade dos cor pos Chamase resistência elétrica a oposição interna do material à circulação das cargas Por isso os corpos maus condutores têm resistência elevada e os bons con dutores têm menor resistência Isso se deve às forças que mantêm os elétrons livres agregados ao núcleo do material Assim chegouse à seguinte conclusão Corpos bons condutores são aqueles em que os elétrons livres mais externos mediante um estímulo apropriado atrito contato ou campo magné tico podem facilmente ser retirados dos átomos Exemplos de corpos bons condutores prata cobre ouro alumínio e aço O melhor material para condutor elétrico é a prata Considerando o cobre como referên cia 100 a prata tem condutividade elétrica de 108 o ouro 70 o alumínio 60 e o ferro 20 Corpos maus condutores são aqueles em que os elétrons estão tão rigi damente solidários aos núcleos que somente com grandes dificuldades podem ser retirados por um estímulo exterior Exemplos de corpos maus condutores porcelana vidro madeira A resistência R depende do tipo do material do comprimento da seção A e da temperatura Cada material tem a sua resistência específica própria ou seja a sua resistividade ρ Então a expressão da resistência em função dos dados relativos ao condutor é 𝑅 𝜌 𝐿 𝐴 1 Onde R resistência de ohms Ω ρ resistividade do material Ωmm²m L comprimento m A área de seção reta mm² CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 7 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom Em circuitos elétricos os materiais condutores mais utilizados são o cobre ρ 170x108 Ωm a 20C e alumínio ρ 282x108 Ωm a 20C A resistência varia com a temperatura de acordo com a expressão 𝑅 𝑅01 𝛼𝑡 𝑡0 2 Onde R resistência na temperatura t Ω R0 resistência na temperatura t0 Ω α coeficiente de temperatura C1 t e t0 temperaturas final e inicial C Na tabela 1 apresentamos algumas resistividade e coeficiente de temperatura Tabela 1 Resistividade e Coeficiente de temperatura valores obtidos a 20C Materiais Resistividade 𝛀mm²m Coef de temperatura C1 Prata 159 x 102 38 x 103 Cobre 170 x 102 39 x 103 Ouro 244 x 102 34 x 103 Alumínio 282 x 102 39 x 103 Tungstênio 560 x 102 45 x 103 Ferro 10 x 102 50 x 103 Platina 11 x 102 392 x 103 Chumbo 22 x 102 39 x 103 Nicromo 100 04 x 103 Carbono 35 05 x 103 Germânio 460000 48 x 103 Silício 2300 75 x 103 Vidro 104 a 108 Fonte JEWETT JR JW SERWAY AR Física para cientistas e engenheiros tradução da 8ª edi ção norteamericana V3 São Paulo Cengage Learning Brasil 2012 Pág 119 Exemplo A resistência de um condutor de cobre a 0 C é de 50 Ω Qual será a resistência a 20 C 𝑅20 501 00039𝑥20 539Ω CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 8 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom Qual a resistência de um fio de alumínio de 1 km de extensão e de seção de 25 mm² a 15 C 𝑅20𝐶 𝜌 𝐿 𝐴 282 108𝑥 1000 25 1128 Ω 𝑅15𝐶 𝑅20C1 𝛼𝑡 𝑡0 𝑅15𝐶 11281 00039𝑥15 20 𝟏𝟏 𝟎𝟔Ω 16 Lei de Ohm e Queda de Tensão O físico alemão Georg Simon Ohm 17891854 enunciou a lei que tem seu nome e que interrelaciona as grandezas ddp corrente e resistência definindo que 𝐼 𝑉 𝑅 𝑜𝑢 𝑉 𝑅 𝐼 3 Onde 𝐼 Intensidade de corrente em ampères A V Diferença de potencial em volts V R Resistência em ohms Ω A figura 3 apresenta de forma ilustrativa as possíveis variações para calcular as variáveis es senciais de um circuito elétrico Figura 3 Equações lei de Ohms Fonte httpssitesgooglecomsitefisicaleideohm Todos os condutores possuem uma resistência elétrica RL que ao serem per corridos por uma corrente elétrica para a alimentação de uma carga provocam uma CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 9 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom queda de tensão ΔVL desde a fonte de alimentação até a carga de acordo com a lei de Ohm A Figura 4 mostra as quedas de tensão envolvidas no circuito Figura 4 Exemplo de um circuito elétrico simples Figura 3 Autor A queda de tensão em cada condutor é dada pela equação 𝑉𝐿 𝑅𝐿 𝐼 4 Assim a queda de tensão total devido aos dois condutores será 𝑉𝐿 2 𝑅𝐿 𝐼 5 A tensão na carga será 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 2 𝑅𝐿 𝐼 6 Exemplo Um circuito elétrico que alimenta uma carga figura 4a tem uma tensão de alimentação na fonte Vfonte de 12V e uma corrente elétrica I de 2 A se os cabos são constituídos de cobre com bitola de 25 mm² e o circuito tem 100m de compri mento qual será a tensão Vcarga fornecido a lâmpada Considerar uma temperatura ambiente de 30C 1 passo será definir a resistência RL imposta a passagem de corrente polos cabos Aplicando a resistividade do cobre fornecida na tabela 1 na equação 1 será obtido a resistência para uma temperatura de 20C 𝑅𝐿 𝜌 𝐿 𝐴 𝑅𝐿20𝐶 0017 100 25 𝑅𝐿20𝐶 068Ω Aplicando o coef Temperatura α fornecido na tabela 1 na equação 2 será obtido a resistência para uma temperatura de 30C a b CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 10 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom 𝑅 𝑅01 𝛼𝑡 𝑡0 𝑅𝐿30𝐶 0681 0003930 20 𝑹𝑳𝟑𝟎𝑪 𝟎 𝟕𝟏𝜴 2 passo será calcular tensão fornecida a carga utilizando a equação 6 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 2 𝑅𝐿 𝐼 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 12 2 071 2 𝑽𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝟗 𝟏𝟔 𝑽 A tensão fornecida para a lâmpada carga sofreu uma redução queda de ten são de aproximadamente 30 284 V a queda de tensão é um efeito inerente a qualquer circuito existente nas instalações elétricas prediais e por ser prejudicial ao desempenho dos equipamentos é preciso projetar os circuitos de forma a mitigar ou compensar essas quedas de tensão No decorrer da disciplina voltaremos a este as sunto com a apresentação dos valores aceitáveis e como mitigar essas perdas 17 Circuitos em série Os circuitos séries são aqueles em que a mesma corrente percorre todos os seus elementos como representado pela figura 5a Figura 5 Circuito em série Fonte Autor A resistência equivalente figura 7b de um circuito série com três resistências R1 R2 e R3 é 𝑅𝑒𝑞 𝑅1 𝑅2 𝑅3 7 a b CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 11 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom 18 Circuitos em paralelo Os circuitos paralelos figura 6a são os mais utilizados nas instalações elétri cas devido sua característica de queda de tensão igual para todas as cargas para a situação em que desprezamos as resistências presentes nos condutores variando assim apenas as correntes conforme a potências de cada equipamento Figura 6 Circuito em paralelo Fonte autor A resistência equivalente de um circuito paralelo figura 6b com três resistên cias R1 R2 e R3 é 1 𝑅𝑒𝑞 1 𝑅1 1 𝑅2 1 𝑅3 8 Quando são apenas duas as resistências em paralelo R1 e R2 a resistência equivalente será o quociente do produto pela soma delas 𝑅𝑒𝑞 𝑅1 𝑅2 𝑅1 𝑅2 9 19 Circuitos mistos É uma combinação das ligações séries e paralelas em um mesmo circuito Nas instalações elétricas usuais o circuito misto é mais encontrado pois embora as b a CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 12 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom cargas estejam ligadas em paralelo pelo fato de os fios terem resistência ôhmica esta resistência deve ser considerada nos cálculos Figura 7 Figura 7 Circuito misto Fonte autor Exemplo a A lâmpada da figura 8 drena 25mA quando é ligada a uma bateria de 6V Qual o valor da resistência da lâmpada Figura 8 Solução Usando a equação 3 𝑅 𝑉 𝐼 6𝑉 25𝑥103𝐴 240Ω CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 13 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom b Determine resistência total Req equivalente do circuito apresentado na figura 9a e a corrente elétrica que sai da fonte IL c Figura 9 Solução Usando a equação 7 𝑅𝑒𝑞 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅 3 5 2 8 4 𝑹𝒆𝒒 𝟐𝟐𝛀 Usando a equação 3 𝐼 𝑉 𝑅 𝐼𝐿 12 22 𝑰𝑳 𝟎 𝟓𝟒 𝑨 c Determine resistência total Req equivalente do circuito apresentado na figura 10a e as corrente elétrica que passam por cada resistência Figura 10 IL IL a b IL a b IL CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 14 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom Solução Usando a equação 8 1 𝑅𝑒𝑞 1 𝑅1 1 𝑅2 1 𝑅3 1 𝑅 1 𝑅𝑒𝑞 1 3 1 5 1 2 1 8 1 4 𝑹𝒆𝒒 𝟎 𝟕𝟏𝛀 Usando a equação 3 𝐼 𝑉 𝑅 𝐼3Ω 12 3 𝑰3Ω 𝟒 𝑨 𝐼5Ω 12 5 𝑰5Ω 𝟐 𝟒 𝑨 𝐼2Ω 12 2 𝑰2Ω 𝟔 𝑨 𝐼8Ω 12 8 𝑰8Ω 𝟏 𝟓 𝑨 𝐼4Ω 12 4 𝑰4Ω 𝟑 𝑨 𝐼𝐿 12 071 𝑰𝐿 𝟏𝟔 𝟗 𝑨 𝐼𝐿 𝐼3Ω 𝐼5Ω 𝐼2Ω 𝐼8Ω 𝐼4Ω 𝑰𝐿 𝟏𝟔 𝟗 𝑨 A soma de todas as correntes fornecidas aos resistores é igual a corrente total que sai da fonte Para revisão dos conceitos de análise de circuitos matéria estudada na disciplina de física vocês poderão assistir o vídeo complementar indicado abaixo ASSISTIR VÍDEO COMPLEMENTAR VÍDEO 03 Leis de Kirchhoff Lei dos Nós VÍDEO 04 Leis de Kirchhoff Lei das malhas CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 15 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom REFERÊNCIAS CREDER Hélio Instalações elétricas 16 ed Rio de Janeiro LTC 2016 DORF Richard C SVOBODA James A Introdução aos circuitos elétricos 9 ed São Paulo LTC 2016 MAMEDE FILHO João Instalações elétricas industriais 9 ed Rio de Janeiro LTC 2017 NISKIER Julio MACINTYRE Archibald Instalações elétricas 7 ed Rio de Janeiro LTC 2021 SADIKU Matthew NO ALEXANDER Charles K MUSA Sarhan Análise de circuitos elétricos com aplicações Porto Alegre AMGH 2014 SERWAY Raymond A JEWETT JR John W Física para cientistas e engenheiros v3 eletricidade e magnetismo 2 ed São Paulo Cengage Learning 2017