CAPÍTULO INTRODUÇÃO À ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À ENGENHARIA ELÉTRICA O objetivo deste capítulo é fazer uma introdução à engenharia elétrica. O capítulo dá uma visão das diferentes especialidades que constituem a engenharia elétrica e coloca em perspectiva seu propósito e sua organização. Provavelmente o primeiro questionamento que vem à mente do estudante ao abordar o assunto é: por que a engenharia elétrica? Uma vez que este livro é direcionado a um público que já tem conhecimentos variados na área de engenharia (incluindo engenharia elétrica), a questão é bem justificada e merece alguma discussão. O capítulo começa com a definição dos vários ramos da engenharia elétrica, mostrando algumas interações entre eles, ilustrando por meio de exemplos práticos, como a engenharia elétrica está intimamente conectada às várias outras disciplinas das engenharias. Na Seção 1.2, as quantidades físicas fundamentais e o sistema de unidades são definidos como uma preparação para os capítulos que seguem. Finalmente, na Seção 1.3, a organização do livro é apresentada para dar ao estudante e ao professor um senso de continuidade no desenvolvimento dos diversos assuntos abordados nos Capítulos 2 a 14.

2 2 Fundamentos de Engenharia Elétrica Tabela 1.1 Disciplinas da engenharia elétrica Análise de circuitos Eletromagnetismo Eletrônica de estado sólido Máquinas elétricas elétricos de potência Circuitos digitais de computação de comunicações Eletro-óptica de instrumentação de controle 1.1 Engenharia elétrica O currículo típico de um aluno de graduação em engenharia elétrica inclui os assuntos listados na Tabela 1.1. Embora a distinção entre alguns desses temas não seja sempre tão clara, a tabela é suficientemente representativa para nossos propósitos. A Figura 1.1 ilustra a possível interconexão entre as disciplinas da Tabela 1.1. O objetivo deste livro é apresentar para os estudantes que não são da engenharia elétrica os aspectos dessa engenharia que possivelmente serão relevantes em sua carreira profissional. Praticamente todos os tópicos da Tabela 1.1 serão tratados neste livro, com ênfases variadas. O Exemplo 1.1 ilustra a presença significativa dos equipamentos elétricos, eletrônicos e eletromecânicos em uma aplicação extremamente comum: o automóvel. À medida que você ler os exemplos, será instrutivo recorrer à Figura 1.1 e à Tabela 1.1. Aplicações de engenharia de potência Base matemática Teoria de circuitos e redes elétricas Máquinas elétricas Eletrônica analógica Física Eletromagnetismo Lógica Eletrônica digital Física de estado sólido Teoria dos sistemas de computação Óptica de controle de comunicação de instrumentação FIGURA 1.1 Disciplinas da engenharia elétrica. Exemplo 1.1 Sistema elétrico em um automóvel de passageiros Um exemplo conhecido ilustra como as aparentemente dissociadas especialidades da engenharia elétrica de fato interagem para permitir a operação de um sistema muito conhecido: o automóvel. A Figura 1.2 apresenta uma visão dos sistemas de engenharia elétrica aplicáveis a um automóvel moderno. Mesmo nos veículos mais antigos, o sistema elétrico na verdade, um circuito elé-

3 Capítulo 1 Introdução à Engenharia Elétrica 3 trico desempenha um papel muito importante em seu funcionamento como um todo (os Capítulos 2 e 3 descrevem a operação básica dos circuitos elétricos). Uma bobina indutora gera uma tensão suficientemente alta para permitir que uma centelha se forme no espaço do centelhador e detone a mistura ar- -combustível. A bobina é alimentada por uma fonte CC (corrente contínua) fornecida por uma bateria chumbo-ácida (sistemas de ignição são estudados com alguns detalhes no Capítulo 5). Além de energia para circuitos de ignição, a bateria fornece força para vários outros componentes elétricos, sendo mais óbvios os que contêm lâmpadas, os limpadores de para-brisas e o rádio. A energia elétrica (Capítulo 7) é levada da bateria para todos esses componentes por um chicote elétrico que constitui um circuito elétrico bastante elaborado (observe a Figura 2.12 para uma visão mais detalhada). Nos últimos anos, o circuito elétrico de ignição convencional tem sido substituído pela injeção eletrônica, isto é, dispositivos eletrônicos de estado sólido, chamados transistores, têm substituído os tradicionais platinados. A vantagem dos sistemas de ignição transistorizados sobre os sistemas mecânicos convencionais é sua elevada confiabilidade, facilidade de controle e tempo de vida (platinados mecânicos são sujeitos a desgaste). Você estudará transistores e outros dispositivos eletrônicos nos Capítulos 8, 9 e 10. Outras disciplinas da engenharia elétrica são bastante óbvias no automóvel. O rádio instalado no carro recebe ondas eletromagnéticas por uma antena e decodifica os sinais de comunicação para reproduzir sons e diálogos de origem remota. Outros sistemas de comunicação comuns que se utilizam do eletromagnetismo são os rádios cidadão ou rádio PX e os ainda mais comuns telefones celulares. Mas isso não é tudo! A bateria é, com efeito, um sistema de energia elétrica autônomo de 12 VCC que fornece energia para todas as funções anteriormente mencionadas. Visando a que a bateria tenha uma vida útil prolongada, um sistema de carga composto de um alternador e dispositivos eletrônicos de potência está presente em cada automóvel. elétricos de potência são abordados no Capítulo 7 e dispositivos eletrônicos de potência, no Capítulo 10. O alternador é uma máquina elétrica, assim como os motores que movem os vidros elétricos, janelas elétricas, bancos reclináveis e outros acessórios encontrados em carros de luxo. Apesar de não parecer, os alto-falantes são também máquinas elétricas! Todos esses dispositivos são descritos nos Capítulos 13 e 14. Conforto Controle de temperatura Ergonomia (bancos, direção, rodas, espelhos) Navegação Áudio/vídeo/internet/ comunicações sem fio Segurança Air bags e cadeira para crianças sensor anticolisão de segurança Propulsão Motor/transmissão Alternador/partida integrados Tração elétrica de 42V Gerenciamento de bateria Controle de tração Dirigibilidade Suspensão ativa/semiativa Freios antitravamento Direção elétrica Sistema de controle da pressão dos pneus Controle da estabilidade Tração nas quatro rodas FIGURA 1.2 associados à engenharia elétrica em um automóvel.

4 4 Fundamentos de Engenharia Elétrica Entretanto, a lista não termina aqui. De fato, algumas das aplicações mais interessantes da engenharia elétrica do automóvel ainda não foram discutidas. Considere os sistemas de computação. Circuitos digitais são tratados no Capítulo 12. Você deve estar ciente de que nas duas últimas décadas, preocupações ambientais relacionadas com as descargas automotivas levaram à introdução de sofisticados sistemas de controle de emissão do motor. O coração de tal sistema de controle é um tipo de computador chamado microprocessador. O microprocessador recebe sinal de dispositivos (chamados de sensores) que medem as variáveis relevantes como a velocidade do motor, a concentração de oxigênio nos gases da exaustão, a posição da válvula do acelerador (isto é, a demanda do motorista por mais potência do motor) e a quantidade de ar aspirado pelo motor e consequentemente calcula a quantidade ótima de combustível e o tempo correto da centelha para resultar na combustão mais limpa possível, sob tais circunstâncias. À medida que a presença de computadores de bordo vai ficando cada vez mais comum em áreas como sistemas antibloqueio, suspensões eletronicamente controladas, sistemas com tração nas quatro rodas e sistemas de navegação eletrônica comunicações entre os vários computadores de bordo deverão acontecer de maneira mais veloz. Algum dia, num futuro não muito distante, tais comunicações podem ocorrer sobre uma rede de fibras ópticas, e a eletro-óptica irá substituir o sistema de cabeamento convencional. Observe que a eletro-óptica já está presente em alguns dos mais avançados mostradores que são parte de um sistema de instrumentação automotivo. Concluindo, os veículos atuais também se beneficiam dos significativos avanços realizados nos sistemas de comunicação. de navegação veicular podem incluir de Posicionamento Global, ou tecnologia GPS (do inglês, Global Positioning System), assim como uma variedade de tecnologias de comunicação e conexão em rede, incluindo as interfaces de comunicação sem fio (por exemplo, baseadas no padrão Bluetooth) e comunicação via satélite, e sistemas de apoio ao motorista, como o sistema OnStar da GM. 1.2 Sistema de unidades Este livro emprega o Sistema Internacional de Unidades (também chamado de SI, do francês Système Internacional des Unités). As unidades SI são aceitas praticamente por todas as sociedades profissionais de engenharia. Esta seção resume as unidades do SI e servirá como uma referência útil ao longo deste livro. As unidades do SI são baseadas em seis grandezas fundamentais, listadas na Tabela 1.2. Todas as demais são derivadas das grandezas fundamentais da Tabela 1.2. Desde que, em prática, necessita-se da descrição de grandezas que ocorrem em múltiplos ou pequenas frações de uma unidade, prefixos padronizados são usados para indicar potências de 10 das unidades do SI (e suas unidades derivadas). Estes prefixos estão listados na Tabela 1.3. Note que, em geral, unidades da engenharia são expressas em potências de 10, sendo estas múltiplos de 3. Por exemplo, 10 4 s seria referenciado como s, ou 100 μs (ou, menos frequentemente, 0,1 ms).

5 Capítulo 1 Introdução à Engenharia Elétrica 5 Tabela 1.2 Unidades do SI Grandeza Unidade Símbolo Comprimento Metro m Massa Quilograma kg Tempo Segundo s Corrente elétrica Ampère A Temperatura Kelvin K Intensidade luminosa Candela cd Tabela 1.3 Prefixos padronizados Prefixo Símbolo Potência atto a femto f pico p nano n 10 9 micro μ 10 6 mili m 10 3 centi c 10 2 deci d 10 1 deca da 10 quilo k 10 3 mega M 10 6 giga G 10 9 tera T Características especiais deste livro Este livro inclui características especiais para facilitar o aprendizado e permitir que o estudante explore o conteúdo do livro em grande profundidade se desejar, por meio do uso de ferramentas computacionais e da Internet. As principais características deste livro são descritas nas próximas páginas. Objetivos de aprendizagem 1. Os principais objetivos de aprendizagem estão claramente identificados no início de cada capítulo. 2. O símbolo é utilizado para identificar definições e desdobramentos críticos para se alcançar um objetivo de aprendizagem específico. 3. Cada exemplo é marcado de maneira similar.

6 6 Fundamentos de Engenharia Elétrica FAÇA A CONEXÃO Este complemento tem o objetivo de ajudar o estudante a fazer a conexão entre a engenharia elétrica e disciplinas de outras engenharias. Analogias com outras áreas da engenharia serão encontradas em quase todos os capítulos. Exemplos Os exemplos do livro também têm sido colocados à parte do texto principal de forma que possam ser facilmente identificados. Todos os exemplos são resolvidos utilizando a mesma metodologia básica: uma proposição simples e clara é dada, seguida pela solução. A solução consiste em várias partes: todas as grandezas conhecidas são relacionadas, e a proposição do problema é convertida em um objetivo específico (por exemplo, Encontre a resistência equivalente R ). Em seguida, os dados e as considerações são listados e finalmente a análise é apresentada. O método de análise é baseado no seguinte princípio: todos os problemas são resolvidos simbolicamente primeiro para obter soluções mais gerais, que devem guiar o estudante na solução dos problemas extraclasse. A solução numérica é fornecida apenas no final de cada análise. Cada problema termina com comentários resumindo os resultados e ligando o exemplo a outras seções do livro. A metodologia de solução usada neste livro pode ser usada como um guia geral de técnicas de solução de problemas, que vai bem além do material ensinado nos cursos introdutórios de engenharia elétrica. Os exemplos deste livro têm a intenção de ajudá-lo a desenvolver hábitos saudáveis na solução de problemas para serem usados ao longo da sua carreira de engenheiro. Verifique seus conhecimentos Cada exemplo é acompanhado de pelo menos um exercício de fixação. Resposta: A resposta é fornecida logo abaixo do exercício. Foco na metodologia Cada capítulo, principalmente os primeiros, inclui quadros com o título Foco na Metodologia (que estão separados do texto principal). Seu conteúdo resume métodos e procedimentos importantes para a solução de problemas comuns. Geralmente contém instruções passo a passo e são projetadas para ajudá-lo a resolver problemas de forma organizada. PROCURE NA WEB Procure na web! O uso da Internet como um recurso para informação e conhecimento está se tornando cada vez mais comum. Reconhecendo esse fato, referências a sites foram incluídas neste livro para dar a você um ponto de partida na exploração do mundo da engenharia elétrica. Referências típicas da web lhe darão informações sobre empresas de engenharia elétrica, produtos e métodos. Alguns desses sites contêm tutoriais que podem completar o conteúdo do livro.

7 Capítulo 1 Introdução à Engenharia Elétrica 7 Problemas extraclasse 1.1 Liste cinco aplicações de motores elétricos em uma residência comum. 1.2 Fazendo uma analogia à discussão sobre os sistemas elétricos no automóvel, liste exemplos de aplicações das disciplinas de engenharia elétrica da Tabela 1.1 para cada um dos seguintes sistemas de engenharia: a. Um navio. b. Uma aeronave de passageiros comercial. c. Sua casa. d. Uma planta de um processo químico. 1.3 elétricos de potência fornecem energia numa variedade de aplicações industriais e comerciais. Faça uma lista de sistemas e dispositivos que recebem energia elétrica em: a. Um grande edifício de escritórios. b. Um ambiente de fábrica. c. Um local de construção.