Capacitores em Engenharia Elétrica - Teoria e Aplicações em Circuitos RC

Conteudista Prof Esp Alexandre Leite Nunes Revisão Textual Esp Camila Colombo dos Santos DESAFIO ATIVIDADE REFERÊNCIAS Material Teórico Material Complementar SituaçãoProblema 1 SituaçãoProblema 2 SituaçãoProblema 3 Problema em Foco Atividade de Entrega Referências Projeto Integrador de Competências em Engenharia Elétrica VI Olá estudante Vamos iniciar a disciplina abordando os conceitos necessários para que você possa realizar a atividade através das situaçõesproblema mais à frente Capacitores Capacitores são componentes elétricos que armazenam energia por meio do campo elétrico O funcionamento deles consiste em placas metálicas que acumulam cargas opostas quando submetidas a uma diferença de potencial Essas placas são separadas por um material isolante também conhecido como dielétrico que impede o fluxo de corrente entre elas 1 8 Material Teórico Atenção estudante Aqui reforçamos o acesso ao conteúdo online para que você assista à videoaula Será muito importante para o entendimento do conteúdo Figura 1 Modelo do capacitor Figura 2 Capacitores comerciais Fonte Getty Images O modelo mais conhecido de capacitor é o de placas paralelas visto na Figura 1 podendo aparecer em diferentes formatos e ser composto de diferentes materiais mas sempre com o mesmo princípio de funcionamento A quantidade de carga que um capacitor consegue armazenar em função da diferença de potencial que está sendo exercida sobre suas placas é chamada de Capacitância C Equação 1 Onde C Capacitância Q Carga elétrica em uma das placas V Tensão à qual está submetido o capacitor Um circuito composto de fonte de tensão resistor e capacitor é conhecido como circuito RC como pode ser observado na Equação seguinte Figura 3 Exemplo de circuito RC Nesse circuito o capacitor é carregado pela fonte VB quando a chave está na posição A À medida que as cargas vão se acumulando no capacitor C a tensão sobre ele VC aumentará até atingir a tensão de equilíbrio Nesse momento VC será igual à VB Ao mover a chave para a posição B o capacitor C se descarrega até que a tensão sobre o capacitor seja novamente igual a zero Os tempos de carga e descarga do capacitor não são instantâneos mas dependem dos valores da resistência e da capacitância existentes Matematicamente a tensão varia com o tempo de acordo com as seguintes equações Durante a carga do capacitor Equação 2 Durante a descarga do capacitor Equação 3 Onde O valor da capacitância de um capacitor depende de suas características físicas suas dimensões distância entre as placas dielétrico utilizado e da permissividade do meio Admitindo também que o valor da resistência não varia resistor ôhmico temos que o produto RC que aparece nas equações 2 e 3 é um valor constante muitas vezes simbolizado pela letra grega tau Ƭ A esse produto é dado o nome de constante de tempo de um circuito capacitivo Se substituirmos t RC nas equações 2 e 3 descobrimos que essa constante de tempo é o tempo necessário para o capacitor atingir aproximadamente 63 da sua carga total quando carregado a partir do 0 ou para atingir aproximadamente 37 da sua carga quando descarregado a partir de sua carga máxima Note que o produto RC pode adquirir qualquer valor a depender do resistor e do capacitor utilizado Uma menor constante de tempo significa que o capacitor descarrega ou carrega mais rapidamente Campo Magnético em um Fio Retilíneo As primícias do magnetismo perderamse na história quando se descobriu que um pedaço de óxido de ferro natural denominado magnetita elevado livremente orientavase próximo da direção nortesul Esse objeto dava origem a uma bússola magnética primitiva No estudo do campo magnético da Terra verificase que o polo Sul é o ponto para o qual as linhas de indução convergem Na Terra o polo norte magnético encontrase próximo ao polo sul geográfico e o polo sul magnético encontrase próximo ao polo norte geográfico como ilustrado na Figura 4 VC Tensão no capacitor VB Tensão de alimentação do circuito e Número de Neper t Tempo decorrido do início da carga ou da descarga R Resistência do circuito C Capacitância do capacitor Figura 4 Campo magnético da Terra Fonte Pixabay O magnetismo que vem da Terra atua como uma proteção As linhas emitidas pelo polo norte magnético que são direcionadas para o polo sul magnético desviam da superfície da Terra partículas emitidas pelos ventos solares Sem essa proteção as forças dos ventos poderiam arrastar a atmosfera para o espaço e com isso impossibilitariam a vida neste planeta No século XVIII houve um aumento na quantidade de estudos realizados sobre a eletricidade e suas aplicações Nesse sentido a comunidade científica começou a especular se não haveria uma relação entre a eletricidade e o magnetismo Em 1819 o físico dinamarquês Hans Christian Oersted 17771851 foi o primeiro cientista a constatar a deflexão sofrida pela agulha de uma bússola quando colocada nas imediações de um fio percorrido por corrente elétrica Essa observação teve grande importância pois comprovou uma relação entre eletricidade e magnetismo Foi observado também que as linhas de campo em torno de um fio longo percorrido por uma corrente elétrica constituemse de círculos concêntricos cujo centro é o próprio fio condutor As descobertas de Oersted induziram trabalhos de outros grandes cientistas que contribuíram com o estudo das relações entre eletricidade e magnetismo Dentre os principais nomes podem ser citados Jean Baptiste Biot Felix Savart AndréMarie Ampère Joseph Henry Michael Faraday Heinrich Lenz entre outros O experimento de Oersted no qual uma bússola é utilizada para verificar o campo magnético criado por uma corrente que percorre um condutor retilíneo é amplamente reproduzido em laboratório para verificar de forma experimental a relação entre eletricidade e magnetismo Regra da Mão Direita A regra de Fleming ou mais conhecida como regra da mão direita indica o sentido das linhas de campo gerado por uma corrente elétrica por exemplo a corrente que passa em um fio condutor Para identificar o sentido das linhas de campo magnético por intermédio da regra da mão direita devese proceder da seguinte forma alinhase o polegar direito com sentido convencional da corrente elétrica i enquanto os demais dedos ao envolverem o condutor indicarão o sentido do campo eletromagnético Lembrese de que o sentido convencional da corrente é contrário ao movimento dos elétrons Figura 5 Regra da mão direita Fonte Adaptada de fisicaseedprgov Em aplicações que envolvem campos magnéticos são necessárias representações tridimensionais como a Figura 6 Como nem sempre é possível apresentar os circuitos dessa forma para os vetores de campo e as correntes que são perpendiculares às páginas em que são exibidas as imagens a simbologia da Figura 6 deve ser utilizada para representar os vetores de campo e as correntes em condutores Figura 6 Representação de correntese vetores perpendiculares Fonte Reprodução Instalações Elétricas Residenciais Para que uma instalação elétrica funcione da forma adequada fornecendo energia elétrica para os dispositivos do ambiente existe uma série de cuidados que devem ser tomados Para garantir a integridade da estrutura física e a segurança de pessoas e animais na instalação devem ser utilizados equipamentos de proteção Dispositivos de Proteção e Segurança Os dispositivos de proteção e de segurança devem ser utilizados em instalações elétricas residenciais com o objetivo de proteger e dar segurança para as pessoas os animais domésticos e a instalação elétrica tais como fiação e equipamentos Os dispositivos utilizados no experimento serão o disjuntor e dispositivo Diferencial Residual DR Disjuntores Os condutores de uma instalação elétrica devem ser protegidos por um ou mais dispositivos de seccionamento automático contra sobrecargas e curtoscircuitos Os disjuntores são os dispositivos responsáveis por realizar essa proteção O disjuntor não deve ser utilizado como dispositivo de liga desliga de um circuito elétrico e sim de proteção Por norma todos os condutores vivos devem passar por dispositivos de proteção O disjuntor tem vantagem sobre os fusíveis em se tratando da ocorrência de um curtocircuito No caso de um disjuntor acontece apenas o desarme e para religálo basta acionar a alavanca depois de verificarsanar o curtocircuito Nesse caso a durabilidade do disjuntor é muito maior Assim a utilização dos disjuntores é muito mais eficiente O disjuntor possui dois elementos de acionamento ou disparo com características distintas para cada tipo de falha Disparador térmico contra sobrecargas consiste em uma lâmina bimetálica dois metais de coeficientes de dilatação diferentes que ao ser percorrida por uma corrente acima de sua calibragem aquece e entorta acionando o acelerador de disparo que desliga o disjuntor Disparador magnético contra curtoscircuitos é formado por uma bobina tubular ou espiralada intercalada ao circuito que ao ser percorrida por uma corrente de curtocircuito cria um campo magnético que atrai a armadura desligando instantaneamente o disjuntor Na combinação desses dois disparadores o disjuntor protege o circuito elétrico contra correntes de alta intensidade e de curta duração que são as correntes de curtocircuito disparador magnético e contra as correntes de sobrecarga disparador térmico Dispositivo Diferencial Residual DR O dispositivo DR é responsável por realizar a proteção de pessoas e animais contra choques elétricos provenientes do contato intencional ou acidental com condutores ou pontos energizados da instalação elétrica A norma 5410 da ABNT determina que devem ser utilizados os dispositivos DR de alta sensibilidade corrente diferencial residual igual ou inferior a 30 mA nos seguintes circuitos elétricos de uma residência As sensibilidades desses dispositivos podem ser de 30 mA 300 mA e 500 mA Os de 30 mA chamados de alta sensibilidade são utilizados em instalações residenciais na proteção Os dispositivos DR de sensibilidades de 300 mA e 500 mA protegem as instalações contra fugas de correntes excessivas e incêndios de origem elétrica Acionamento de Lâmpadas Em instalações elétricas um dos itens mais utilizados é o sistema de iluminação Os circuitos destinados a esse fim podem utilizar fontes de iluminação com diferentes princípios de funcionamento Cada lâmpada possui fluxo luminoso temperatura de cor e consumo de energia específicos esses critérios devem ser levados em conta ao selecionar a fonte de iluminação para um determinado ambiente Para realizar o acionamento de lâmpadas podem ser utilizados diferentes tipos de interruptores sendo que cada um é adequado para uma determinada aplicação Os principais tipos de interruptores são simples paralelos intermediários e dimmer cada um deles possui uma determinada conexão particular que permite acionar uma ou mais lâmpadas Uns tipos proporcionam mais conforto segurança e economia de energia do que outros Interruptor Simples O interruptor simples possui dois pontos de conexão ao realizar a instalação elétrica nesses pontos deve ser fornecida uma tensão compatível com a lâmpada utilizada A tensão entre as fases disponibilizadas pela bancada é de 220 volts A forma correta de realizar o circuito de acionamento de uma lâmpada pode ser observada a seguir Circuitos que servem a pontos situados em locais contendo banheira ou chuveiro Circuitos que alimentam tomadas de corrente situadas em áreas externas à edificação Circuitos de tomadas situadas em cozinhas copascozinhas lavanderias áreas de serviço garagens e de forma geral em todo local internoexterno molhado em uso normal ou sujeito a lavagens A proteção dos circuitos por DR pode ser realizada individualmente ou por grupos de circuitos As condições gerais de instalação devem obedecer às prescrições descritas a seguir Os dispositivos DR devem garantir o seccionamento de todos os condutores vivos do circuito protegido O circuito magnético dos dispositivos DR deve envolver todos os condutores vivos do circuito inclusive o neutro Por outro lado o condutor de proteção PE correspondente deve passar exteriormente ao circuito magnético Os condutores de proteção PE não podem ser seccionados Os dispositivos DR devem ser selecionados e os circuitos elétricos divididos de forma tal que as correntes de fuga para a terra susceptíveis a circular durante o funcionamento normal das cargas alimentadas não possam provocar a atuação desnecessária do dispositivo Figura 7 Circuito com interruptor simples Dimmer O dimmer é interruptor que através de um circuito geralmente semicondutores varia o fluxo luminoso ao alterar a potência média fornecida para a lâmpada instalada em seu circuito Nem todas as lâmpadas podem ter seu fluxo luminoso regulado por um dimmer As lâmpadas incandescentes podem ser dimerizáveis devido ao fato de que seu elo incandescente segue a lei de Ohm já as lâmpadas LED que utilizam dispositivos semicondutores no seu funcionamento não são dimerizáveis O dimmer pode proporcionar alguma economia de energia elétrica e fornecer o conforto de regular a luminosidade do ambiente de acordo com o desejo do usuário A instalação do dimmer é feita do mesmo modo que a do interruptor simples que possui duas entradas Interruptor Paralelo e Interruptor Intermediário É muito relevante a necessidade de controlar uma ou várias lâmpadas situadas no mesmo ponto de mais de um local diferente No caso de uma residência que possui uma escada é bom que tenha um interruptor em cada uma das extremidades ligados à mesma lâmpada Isso possibilita uma pessoa acender a lâmpada ao chegar e apagála quando atingir a outra extremidade da escada Em salas quartos corredores cozinhas e iluminação externa também é importante controlar uma ou mais lâmpadas de lugares diferentes Nesses casos utilizase um conjunto de interruptores paralelos conhecido como three way ou um conjunto de interruptores intermediários four way Utilizando dois interruptores paralelos é possível comandar uma lâmpada ou conjunto de lâmpadas de dois locais diferentes A forma de realizar a instalação desse tipo de circuito pode ser vista na Figura seguinte Figura 8 Instalação de uma lâmpada incandescente acionada por interruptores paralelos ou three way Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta disciplina SITES TINKECARD Neste site você poderá simular circuitos eletrônicos com alto nível de confiabilidade httpsbitly3nFKcV0 VÍDEOS CAMPO MAGNÉTICO FIO RETILÍNEO E LONGO ELETROMAGNETISMO Neste vídeo você encontrara explicações sobre o comportamento do campo magnético em um fio Clique no botão para conferir o conteúdo ASSISTA SIMULADOR DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS RESIDENCIAIS Neste vídeo você encontra uma simulação de instalações elétricas Clique no botão para conferir o conteúdo ASSISTA LEITURAS MANUAL PRYSMIAN DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Neste manual você terá uma gama de informações importantíssimas sobre instalações elétricas prediais httpsbitly3tHs80v 2 8 Material Complementar CARGA E DESCARGA DE CAPACITOR Nesta leitura você encontrará explicações sobre o comportamento da corrente durante o processo de carga e descarga de um capacitor httpsbitly3tFS0tv Caroa estudante Agora vamos compreender o cenário que será abordado na primeira situaçãoproblema da disciplina Atentese à situação profissional que você precisará entender para poder realizar a atividade Você foi contratadoa por uma empresa para que resolva um problema no escritório O cliente reclama que quando o pessoal do setor termina o expediente já está escuro pois passa das 19 horas e acaba deixando todas as luzes do corredor ligado pois só existe um interruptor em todo o local Para piorar o problema às 5 horas da manhã outros funcionários começam a chegar ao local Verifique qual é a melhor solução para esse problema faça um projeto elétrico e entregue como resposta a essa situaçãoproblema uma lista de materiais contendo os dispositivos a serem utilizados incluindo o tipo de condutor empregado conforme a norma vigente O sistema funciona com 127volts possui 3 lâmpadas de 40 watts espalhadas pelo corredor de 20 metros os disjuntores e demais sistemas já estão instalados A distância entre o teto e os interruptores é de 3 metros e a distância entre o quadro de distribuição e o corredor é de 10 metros lembrando que as luzes devem ser ligadas no início do corredor e desligadas no fim deste No dia seguinte os funcionários chegam ainda sem iluminação natural e portanto as luzes devem ser ligadas no mesmo ponto onde foram desligadas 3 8 SituaçãoProblema 1 Vamos compreender o cenário que será abordado na segunda situaçãoproblema da disciplina Atentese à situação profissional que você precisará entender para poder realizar a atividade Você foi contratadoa por uma empresa para que resolva um problema que está ocorrendo em seu escritório o cliente reclama que quando o pessoal do setor termina o expediente já está escuro pois passa das 19 horas e acaba deixando todas as luzes do corredor ligadas pois só existe um interruptor em todo o local Para piorar o problema às 5 horas da manhã já começa a chegar outros funcionários Verifique qual é a melhor solução para esse problema faça um esquema elétrico de ligação multifilar e unifilar do circuito e entregue como resposta a esta situaçãoproblema uma lista de materiais contendo os dispositivos a serem utilizados incluindo o tipo de condutor empregado conforme a norma vigente a distância entre o teto e os interruptores é de 3 metros e a distância entre o quadro de distribuição e o corredor é de 10 metros os disjuntores e demais sistemas já estão instalado O sistema funciona com 127volts possui 6 lâmpadas de 40 watts espalhadas pelo corredor de 100 metros Nesse corredor há 3 escritórios separados um do outro e interligados por este corredor o cliente solicita que o comando das lâmpadas seja feito tanto do iníciofim do corredor quanto de dentro dos três escritórios lembrando que as luzes devem ser ligadas e desligadas em qualquer parte do corredor 4 8 SituaçãoProblema 2 Por fim vamos compreender o último cenário abordado na terceira situaçãoproblema da disciplina Atentese à situação profissional que você precisará entender para poder realizar a atividade Um cliente demonstrou preocupação com o risco de choque elétrico em sua casa devido às péssimas condições das instalações elétrica de sua residência que são antigas então solicitou que você proponha uma solução em termo de dispositivo de proteção que aumente a segurança no tocante a evitar o risco de choque elétrico Descreva a sua proposta considerando que os disjuntores e o cabeamento já foram trocados Cite em sua proposta se existe alguma norma de orientação em que você se baseou para propor a solução ao cliente 5 8 SituaçãoProblema 3 Neste desafio você deverá projetar uma instalação elétrica levando em consideração uma indicação feita por uma demanda do mercado real leia atentamente as situações e proponha uma solução orientandose pela teoria abordada anteriormente Você perceberá que as situações propostas compartilham a mesma demanda porém com aumento progressivo da complexidade de solução 6 8 Problema em Foco Muito bem estudante Agora que você já leu todas as situaçõesproblema você pode fazer o download deste arquivo para realizar a atividade de entrega Caso prefira o arquivo também se encontra no Ambiente Virtual de Aprendizagem 7 8 Atividade de Entrega CRUZ E C A ANICETO L A Instalações Elétricas Fundamentos Práticas e Projetos em Instalações Residenciais e Comerciais São Paulo Saraiva 2011 LARA L A M Instalações Elétricas Ouro Preto MG UFMG 2012 LIMA FILHO D L Projetos de Instalações Elétricas Prediais São Paulo Saraiva 1997 8 8 Referências Muito bem estudante Você concluiu o material de estudos Agora volte ao Ambiente Virtual de Aprendizagem para realizar a Atividade