A energia elétrica é, sem dúvida, um dos maiores bens essenciais de que atualmente podemos dispor.

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2 Introdução A energia elétrica é, sem dúvida, um dos maiores bens essenciais de que atualmente podemos dispor. Os avanços tecnológicos dos últimos séculos se mostraram de extrema importância para a sociedade moderna. Equipamentos eletroeletrônicos, como computador, televisão, aparelhos de som, condicionadores de ar, aquecedores e diversos outros equipamentos só existem graças à energia elétrica. A descoberta das cargas elétricas por Tales de Mileto, na Grécia antiga, foi fundamental para a evolução tecnológica dos tempos modernos e hoje já não conseguimos mais imaginar nossa vida sem a energia eléctrica, pois é ela que ilumina nossos lares, movimenta nossos eletrodomésticos, permite o funcionamento dos aparelhos eletrônicos e aquece nosso banho. Por outro lado, a eletricidade quando mal empregada, pode trazer alguns riscos e prejuízos como: choques, curtos-circuitos, aquecimento dos condutores, causadores de tantos incêndios, queima prematura de equipamentos, perdas elétricas na rede e até o aumento do consumo involuntariamente. A melhor forma de convivermos em harmonia com a eletricidade é conhecê-la, tirando-lhe o maior proveito e desfrutando de todo o seu conforto com a máxima segurança. O objetivo deste curso é fornecer, em linguagem simples, as informações mais importantes relativas a eletricidade e seu emprego em instalações elétricas, quais seus principais componentes, como dimensioná-los e escolhê-los. Curso On-line - Ago/2012 2

3 Capítulo 1 Noções Gerais sobre Eletricidade Energia Energia é a capacidade de produzir trabalho e ela pode se apresentar sob várias formas: Energia térmica; Energia mecânica; Energia elétrica; Energia química; Energia atômica, etc. Uma das mais importantes características da energia é a possibilidade de sua transformação de uma forma para outra. Por exemplo: a energia térmica pode ser convertida em energia mecânica (motores de combustão interna), energia química em energia elétrica (pilhas), etc. Entretanto, na maioria das formas em que a energia se apresenta, ela não pode ser transportada, ela tem que ser utilizada no mesmo local em que é produzida. 1.2 Energia Elétrica A energia elétrica é uma forma de energia que pode ser transportada com maior facilidade, pois bastam termos condutores (fios) que conseguimos levá-la de um local para outro. Para chegar a nossas casas, nas ruas, no comércio, etc... ela percorre um longo caminho a partir do ponto onde é gerada. Curso On-line - Ago/2012 3

4 A energia elétrica passa por 3 principais etapas: Geração: A energia elétrica é produzida a partir da rotação de um eixo de uma turbina que movimenta um gerador. Esta rotação é causada por diferentes fontes, como por exemplo, a força da água (hidrelétrica), a força do vapor (termoelétrica) que pode ter origem na queima do carvão ou óleo combustível, na fissão do urânio (nuclear) e ainda com a força dos ventos (eólica). Temos ainda a geração de energia através de painéis fotovoltaicos que convertem a luz solar em energia elétrica. Fontes geradoras de energia elétrica (hidrelétrica, eólica e fotovoltaica) Transmissão: As usinas hidroelétricas nem sempre se situam próximas aos centros consumidores de energia elétrica. Por isso, é preciso transportar a energia elétrica produzida nas usinas até os locais de consumo: cidades, indústrias, propriedades rurais, etc. Para viabilizar o transporte de energia elétrica, são construídas as Subestações elevadoras de tensão e as Linhas de Transmissão. Torres de transmissão Curso On-line - Ago/2012 4

5 Distribuição: Nas cidades são construídas as subestações transformadoras, cuja função é baixar a tensão do nível de transmissão (muito alto), para o nível de distribuição. A Rede de Distribuição recebe a energia elétrica em um nível de tensão adequado à sua distribuição por toda a cidade, porém, inadequada para sua utilização imediata para a maioria dos consumidores. Assim, os transformadores instalados nos postes das cidades fornecem a energia elétrica diretamente para as residências, para o comércio e outros locais de consumo, no nível de tensão (127/220 Volts, por exemplo), adequado à utilização. Distribuição Subestação, Linhas de distribuição e Transformador 1.3 História Cronológica da Eletricidade Ao longo do tempo, a eletricidade foi marcada pela evolução técnica e pelos desenvolvimentos científicos, estendendo-se a diversos campos da ciência e a inúmeras aplicações práticas. A palavra Eletricidade provém do latim electricus, que significa literalmente produzido pelo âmbar por fricção. Este termo tem as suas origens na palavra grega para âmbar elektron. O filósofo grego, Tales de Mileto, ao esfregar um pedaço de âmbar numa pele de carneiro, observou que este atraía pedaços de palha. Curso On-line - Ago/2012 5

6 Em 1600 William Gilbert estudando esses fenômenos, verificou que outros corpos possuíam a mesma propriedade do âmbar. Designou-os com o nome latino elétrica. A partir de 1729, Stephen Gray descobriu a condução da eletricidade, distinguindo entre condutores e isolantes elétricos, bem como, da indução eletrostática. Benjamin Franklin descobriu em 1750 que, os relâmpagos são o mesmo que descargas elétricas e inventou o para-raios. Charles Augstin de Coulomb publicou em 1785, estudos sobre medição das forças de atração e repulsão entre dois corpos eletrizados (Lei de Coulomb). Em 1788 James Watt construiu a primeira máquina a vapor. Esse invento que impulsionou a 1ª Revolução Industrial. Em sua homenagem, foi dado o seu nome à unidade de potência elétrica: Watt (W). Foi fundado na Inglaterra em 1799, o Royal Institution of Great Britain que ajudou o campo de investigação da eletricidade e magnetismo. Também em 1799, Alessandro Volta provou que a eletricidade podia ser produzida utilizando metais diferentes separados por uma solução salina. Volta utilizou discos de cobre e zinco separados por feltro embebido em ácido sulfúrico para produzir este efeito. Alessandro Volta explicou a experiência de Luigi Aloísio Galvani em 1786, colocando entre dois metais a perna de uma rã morta, produzindo contrações nesta. Ao agregar estes discos uns por cima dos outros, Volta criou a pilha elétrica. A pilha foi a primeira forma controlada de eletricidade contínua e estável. Em sua homenagem, foi dado o seu nome à unidade de medida de potencial elétrico: Volt (V). Em 1819, Hans Christian Oersted detectou e investigou a relação entre a eletricidade e o magnetismo (eletromagnetismo). Curso On-line - Ago/2012 6

7 André Marie Ampère desenvolveu em 1820, um estudo e estabeleceu as leis do eletromagnetismo. Em sua homenagem, foi dado o seu nome à unidade de medida de intensidade de corrente elétrica: Ampère (A). Em 1827, Joseph Henry iniciou uma série de experiências eletromagnéticas e descobriu o conceito de indução elétrica, construindo o primeiro motor elétrico. Também em 1827, Georg Simon Ohm, trabalhando no campo da corrente elétrica desenvolveu a primeira teoria matemática da condução elétrica nos circuitos: Lei de Ohm. O trabalho só foi reconhecido em Em sua homenagem, foi dado o seu nome à unidade de resistência elétrica: Ohm (Ω). Em 1831, Michel Faraday descobriu o fenômeno da indução eletromagnética, explicando que é necessária uma alteração no campo magnético para criar corrente. Faraday descobriu que a variação na intensidade de uma corrente elétrica que percorre um circuito fechado, induz uma corrente numa bobina próxima. Observou também, uma corrente induzida ao introduzir-se um imã nessa bobina. Estes resultados tiveram uma rápida aplicação na geração de corrente elétrica. Em 1838, Samuel Finley Breese Morse conclui o seu invento do telégrafo. Em 1860, Antonio Pacinotti construiu a primeira máquina de corrente contínua com enrolamento fechado em anel. Nove anos depois, Zénobe Gramme apresentou a sua máquina dínamo - elétrico, aproveitando o enrolamento em anel. Em 1875 foi instalado, em uma estação de trem em Paris, um gerador para ascender as lâmpadas da estação, através da energia elétrica. Foram fabricadas máquinas a vapor para movimentar os geradores. A distribuição de eletricidade é feita inicialmente em condutores de ferro, posteriormente de cobre e a partir de 1850, os fios são isolados por uma goma vulcanizada. Curso On-line - Ago/2012 7

8 Em 1873 foi realizada pela primeira vez a reversibilidade das máquinas elétricas, através de duas máquinas Gramme que funcionavam, uma como geradora e a outra como motora. Ainda neste mesmo ano foi publicado o Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo por James Clerk Maxwell. Este tratado, juntamente com as experiências levadas a efeito por Heinrich Rudolph Hertz em 1885 sobre as propriedades das ondas eletromagnéticas geradas por uma bobina de indução, demonstrou que as ondas de rádio e luz são ondas eletromagnéticas, diferindo apenas na sua frequência. Em 1876, Alexandre Graham Bell patenteou o primeiro telefone com utilização prática. Thomas Alvas Edison fez uma demonstração pública de sua lâmpada incandescente, em No mesmo ano, Ernest Werner Von Siemens pôs em circulação, em uma exposição em Berlim, o primeiro comboio movido à energia elétrica. A primeira central hidroelétrica foi instalada em 1886 nas cataratas do Niágara. Na década subsequente foram ensaiados, os primeiros transportes de energia elétrica em corrente contínua. Máquinas elétricas como o alternador, o transformador e o motor assíncrono foram desenvolvidas ao ser estabelecidas a supremacia da corrente alternada sobre a corrente contínua. Gugliemo Marchese Marconi aproveitando estas idéias dez anos mais tarde, utiliza ondas de rádio no seu telégrafo sem fio. Em 1901 foi transmitida a primeira mensagem de rádio através do Oceano Atlântico. O elétron, partícula de carga negativa presente no átomo, foi descoberto por Joseph Jone Thompson em Em 1907 Ernest Rutherford, Niels Bohr e James Chadwick estabeleceram a atual definição de estrutura do átomo, até então, considerada a menor porção de matéria não divisível. Curso On-line - Ago/2012 8

9 1.4 O Átomo Tudo que ocupa lugar no espaço é matéria. A matéria é constituída por partículas muito pequenas chamada de átomos. Os átomos por sua vez são constituídos por partículas subatômicas: elétron, próton e nêutron, sendo que o elétron é a carga negativa (-) fundamental da eletricidade e estão girando ao redor do núcleo do átomo em trajetórias concêntricas denominadas de órbitas. O próton é a carga positiva fundamental (+) da eletricidade e estão no núcleo do átomo. É o número de prótons no núcleo que determina o número atômico daquele átomo. Também no núcleo é encontrado o nêutron, carga neutra fundamental da eletricidade. No seu estado natural um átomo está sempre em equilíbrio, ou seja, contém o mesmo número de prótons e elétrons. Como cargas contrárias se anulam, e o elétron e próton possuem o mesmo valor absoluto de carga elétrica, isto torna o átomo natural num átomo neutro. Estrutura do Átomo Curso On-line - Ago/2012 9

10 1.5 Átomo Estável e Instável Um átomo é estável como vimos anteriormente, quando a quantidade de energia dos elétrons (-) e dos prótons (+) são iguais. Como os elétrons estão divididos em camadas distanciadas proporcionalmente do núcleo, os mesmo possuem energias diferentes, chamados níveis de energia. O nível de energia de um elétron é diretamente proporcional a distância do seu núcleo. Os elétrons situados na camada mais externa são chamados de elétrons de valência. Quando estes elétrons recebem do meio externo mais energia, isto pode fazer com o elétron se desloque para um nível de energia mais alto. Se isto ocorre, dizemos que o átomo está num estado excitado e, portanto instável. Na camada mais externa suficiente, alguns dos elétrons de valência abandonarão o átomo, se tornando elétrons livres que produz a corrente elétrica num condutor metálico. 1.6 Lei das Cargas Elétricas Alguns átomos são capazes de ceder elétrons e outros são capazes de receber elétrons. Quando isto ocorre, a distribuição positivas e negativas que era igual deixa de existir. Um corpo passa a ter excesso e outro falta de elétrons. O corpo com excesso de elétrons passa a ter uma carga com polaridade negativa, e o corpo com falta de elétrons terá uma carga com polaridade positiva. Cargas negativas se repelem Cargas negativas se repelem Cargas opostas se atraem Curso On-line - Ago/

11 Capítulo 2 Grandezas Elétricas Básicas 2.1- Condutores e Isolantes A estrutura íntima dos materiais é um ramo da Física que ainda não está completamente estudado. No entanto, grande parte dos fenômenos elétricos e eletromagnéticos pode ser explicada usando-se um modelo bastante simples, conhecido como o átomo de Rutherford. Átomo de Rutherford O modelo de Rutherford, também chamado planetário propõe que qualquer átomo possui um núcleo composto por cargas positivas (prótons) e neutras (nêutrons) em torno do qual circulam cargas negativas (elétrons) em órbitas bem definidas. Para o estudo de Eletricidade importam apenas os elétrons que ocupam a camada mais distante do núcleo. São as propriedades desses elétrons que ditarão as características elétricas do material. Assim, se os elétrons da camada mais externa estiverem frouxamente ligados ao núcleo, eles poderão fugir do átomo, tornando-se elétrons livres, capazes de se movimentar aleatoriamente através do material. Na maior parte dos casos práticos, Curso On-line - Ago/

12 são esses elétrons livres que participam dos processos elétricos como portadores de corrente. Materiais condutores são aqueles que possuem grande quantidade de elétrons-livres: mesmo pequenas quantidades de energia são suficientes para desalojá-los de seus átomos. Materiais desta categoria, que inclui a maioria dos metais, são adequados para a confecção de fios, fusíveis, contatos, etc. Nos materiais isolantes, mesmo os elétrons mais externos estão fortemente ligados ao núcleo, de forma que só podem ser libertados pela aplicação de grandes quantidades de energia. Isso os tornando adequados para a confecção de dispositivos de isolação (dielétricos): borrachas, cerâmicas e poliestireno são alguns desses materiais. No linguajar dos eletricistas, o termo condutor costuma ser aplicado aos fios e cabos, elementos usados na transmissão e distribuição de energia elétrica. Os fios são condutores maciços e rígidos; cabos são condutores formados por dois ou mais fios, geralmente trançados, o que lhes confere maior flexibilidade Tensão e Corrente Elétrica Como vimos anteriormente, o átomo é composto de três partículas básicas: Prótons, Nêutrons e Elétrons. Os Prótons e os Nêutrons formam o núcleo do átomo. O Próton tem carga positiva e Nêutron não possui carga elétrica. As suas massas são equivalentes. O Elétron possui uma carga negativa e a sua massa, por ser muito pequena, é desprezível. Em um átomo, o número de Elétrons é igual ao número de Prótons, sendo portanto, o átomo eletricamente neutro, pois a soma das cargas dos Elétrons (negativas) com as cargas dos Prótons (positivas) é igual a zero. Curso On-line - Ago/

13 Os Elétrons existentes em um condutor de eletricidade estão em constante movimento desordenado. Movimento desordenado de elétrons Para que estes elétrons se movimentem de forma ordenada nos fios, é necessário ter uma força que os empurre. Essa força é chamada de Tensão Elétrica (U). Sua unidade de medida é o Volt. O símbolo desta unidade é V. Exemplo: Tensão elétrica de 127 V (Volts). Movimento ordenado de elétrons O movimento ordenado de elétrons, provocado pela tensão elétrica, forma uma corrente de elétrons. Essa corrente de elétrons é chamada de Corrente Elétrica (I). Sua unidade de medida é o Ampère. O símbolo desta unidade é A. Exemplo: Corrente elétrica de 10 A (Ampères). Nos condutores metálicos as cargas disponíveis são negativas (elétrons livres), de modo que o seu deslocamento coincide com o chamado sentido eletrônico da corrente. No entanto, historicamente os conceitos da Física foram criados a partir de cargas positivas; chama-se sentido convencional àquele do deslocamento dessas cargas positivas. Curso On-line - Ago/

14 Movimento ordenado de elétrons em um fio Sentido da corrente elétrica Para que se tenha uma ideia do comportamento da tensão e da corrente elétrica, vamos fazer uma comparação com uma instalação hidráulica. A pressão feita pela água depende da altura da caixa d água. A quantidade de água que flui pelo cano vai depender desta pressão, do diâmetro do cano e da abertura da torneira. A pressão que empurra a energia elétrica é chamada de Tensão Elétrica (U). A Corrente Elétrica (I) que circula pelo circuito depende da Tensão e da Resistência Elétrica (R). A Resistência Elétrica (R) que o circuito elétrico oferece à passagem da corrente é medida em Ohms (Ω) e varia com a seção (bitola) dos condutores elétricos. 2.3 Corrente Contínua e Alternada Quando o fluxo e o sentido da corrente em um condutor não variam com o tempo, está-se tratando de corrente contínua (CC). Equipamentos alimentados por pilhas ou baterias operam com correntes desse tipo. Se o fluxo e o sentido variam no tempo de forma a serem descritos por uma função senoidal, diz-se tratar de corrente alternada (CA), utilizada em nossas residências. Curso On-line - Ago/

15 A Corrente Alternada (CA) tem a sua polaridade invertida um certo número de vezes por segundo. O número de oscilações que a corrente elétrica faz por segundo é denominado de Frequência. A sua unidade é Hertz e o seu símbolo é Hz. Um Hertz corresponde a um ciclo completo durante um segundo. Corrente contínua (CC) Corrente alternada (CA) Resistência Elétrica Lei de Ohm Resistência Elétrica (R) é a oposição que o circuito oferece à circulação da corrente elétrica. A unidade da Resistência Elétrica é o Ohm e o seu símbolo é o Ω (letra grega chamada de ômega). Lei de Ohm é assim chamada, devido ao físico que a descobriu. Essa Lei estabelece que se for aplicado em um circuito elétrico, uma tensão (U) de 1 Volt, cuja resistência elétrica seja de 1 Ω, a corrente que circulará pelo circuito, será de 1 Ampere. Temos então: I=U/R Onde: I = é a corrente elétrica U = é a tensão R = é a resistência do circuito. Curso On-line - Ago/

16 2.5 Potência Elétrica A Potência é definida como sendo o trabalho efetuado na unidade do tempo. A Potência Elétrica (P) é calculada através da multiplicação da Tensão pela Corrente Elétrica de um circuito. A unidade da Potência Elétrica é o Watt e o seu símbolo é o W. Uma lâmpada ao ser percorrida pela corrente elétrica acende e aquece. A luz e o calor produzidos nada mais são do que o resultado da potência elétrica que foi transformada em potência luminosa (luz) e potência térmica (calor). Temos então: P = U x I Onde: P = é a potência elétrica I = é a corrente elétrica U = é a tensão Abaixo temos uma tabela resumo das grandezas, unidades e seus múltiplos e submúltiplos. Curso On-line - Ago/

17 2.6 Fator de Potência A potência aparente (VA) é composta por duas parcelas: A potência ativa e a potência reativa. A potência ativa representa a energia que está sendo convertida em trabalho no equipamento e sua unidade é o watt (W). A potência reativa representa a energia que está sendo utilizada para produzir os campos elétrico e magnético necessários para o funcionamento de alguns tipos de cargas como, por exemplo, motores, transformadores, reatores, etc... e sua unidade é volt-ampère reativo (Var). Para melhor entender o real significado dessas três potências, vamos fazer novamente uma analogia, agora com a cerveja. Como pode ser visto na figura acima, a Potência Ativa (W) representa a porção líquida do copo, ou seja, a parte que realmente será utilizada para matar a sede. Curso On-line - Ago/

18 Como na vida nem tudo é perfeito, junto com a cerveja vem uma parte de espuma, representada pela Potência Reativa (VAr). Essa espuma está ocupando lugar no copo, porém não é utilizada para matar a sede. O conteúdo total do copo representa a Potência Aparente (VA) Tanto espuma quanto cerveja ocupam espaço no copo, da mesma forma que potência ativa e reativa ocupam a rede elétrica, diminuindo a real capacidade de transmissão de potência ativa da rede, em função de potência reativa ali presente. Com base nos conceitos básicos apresentados pode se dizer que o Fator de Potência é a grandeza que relaciona a Potência Ativa e a Potência Aparente. A analogia da cerveja pode ser utilizada para as seguintes observações iniciais: - Quanto menos espuma tiver no copo, haverá mais cerveja. Da mesma maneira, quanto menos Potência Reativa for consumida, maior será o Fator de Potência. - Se um sistema que não consome Potência Reativa possui um Fator de Potência unitário, ou seja, toda a potência drenada da fonte (rede elétrica) é convertida em trabalho. Em um mundo ideal, relembrando a analogia da cerveja, VAr deve ser muito pequena (a espuma deve se aproximar de zero) com W e VA praticamente iguais, com menos espuma e mais cerveja. Desta forma há um melhor aproveitamento da capacidade do copo (rede elétrica). Em projetos de instalação elétrica residencial os cálculos efetuados são baseados na potência aparente e potência ativa. Portanto, é importante conhecer a relação entre elas para que se entenda o que é fator de potência. Curso On-line - Ago/

19 2.7 Cálculo da Energia Elétrica A Energia Elétrica (E) é a Potência Elétrica (P) vezes o tempo de utilização do qual o fenômeno elétrico acontece (uma lâmpada acesa, por exemplo). A unidade de Energia Elétrica (E) é o Watt-hora e o seu símbolo é Wh. Temos então: E = (U x I) x t ou E = P x t Onde: E = é a energia elétrica P = é a potência elétrica I = é a corrente elétrica U = é a tensão t = é o tempo (normalmente em horas) Vamos calcular a Corrente, Resistência e Energia consumida, considerando uma lâmpada incandescente de 100 Watts em 127 Volts ligada 12 horas por noite. a) Corrente Elétrica (I = P / U) 100W/127V = 0,787 Amperes b) Resistência Elétrica (R = U / I) 127V/0,787A = 161,37 Ω c) Energia Elétrica (E = P x t) 100W x 12h = 1200 Wh ou 1,2KWh Considerando o valor do kwh residencial como R$ 0,48, teremos ao fim do período de um mês (30 dias) o custo de R$ 17,28 para manter esta iluminação. 1,2 x R$0,48 x 30 dias= R$ 17,28 Curso On-line - Ago/