APOIO AO PROFESSOR 7 A ELETRICIDADE NO LAR

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3 A ELETRICIDADE NO LAR Como a eletricidade chega ao lar A energia elétrica chega nos lares na forma de corrente alternada através de fios estendidos do poste até a casa. Dois destes fios são conhecidos como FASES e um deles é o NEUTRO. Antes de entrar nos lares as fases fios simbolizados pelas letras F - passam pelo Medidor de Consumo de Energia e logo em seguida, pelos fusíveis ou disjuntores que são dispositivos de segurança. Nos lares a energia elétrica pode ser usada em duas tensões ou diferença de potencial (ddp): 110V e 220V. (Dependendo da concessionária, ela pode ser 127V ou 230V). Os aparelhos elétricos de 110 V devem ser ligados entre uma das fases (F) e o neutro (N). E os projetados para funcionarem em 220 V devem ser ligados entre os 2 fios fases. 110 V: F N (entre uma das fases e o neutro) 220 V: F - F. ( entre as duas fases). Os fusíveis e os disjuntores são dispositivos de segurança.como o nome já diz, fusível é um componente que entra em fusão e o disjuntor é um componente que se desconecta. Eles têm o objetivo de proteger os aparelhos e os circuitos elétricos da casa, desligando e interrompendo a passagem de corrente elétrica em caso de sobrecarga.por exemplo, se por um acidente um fio fase encostar num fio neutro haverá um curto circuito que poderia causar um incêndio devido ao aquecimento dos fios. Como a corrente elétrica é muito intensa neste caso, um fusível ou um disjuntor rapidamente iria desconectar todo o circuito, interrompendo imediatamente a passagem da corrente elétrica. 2

4 Ligações em série. Duas lâmpadas, ambas para 1,5 V, são ligadas em série a uma pilha de 1,5 V. Elas vão acender com fraca luminosidade ou talvez nem irão acender. Sabe a razão? É que a pilha é de 1,5 V e cada lâmpada necessita de 1,5 V para funcionar normalmente, mas em série, como mostra a figura, cada uma delas funciona apenas com 0,75 V ou metade de 1,5V. Uma das características marcantes da ligação de lâmpadas em série é que se uma delas queimar ou for retirada do soquete, a outra, mesmo que em boas condições não funcionará, ou seja, ela irá funcionar como um fusível ou disjuntor. Isto ocorre pois a corrente elétrica que passa por uma das lâmpadas, passa também pela outra. Se uma delas interromper o circuito, consequentemente a outra deixará de funcionar. Já imaginou se todas as lâmpadas e os aparelhos elétricos no lar fossem ligados em série? Se um deles queimar, todos os outros aparelhos também deixarão de funcionar. Ligações em paralelo. A figura mostra as duas lâmpadas de 1,5 V ligadas em paralelo à pilha de 1,5 V. Ambas brilham normalmente, pois ambas ficam sujeitas a uma mesma tensão ou ddp de 1,5 V. É como se cada lâmpada estivesse, individualmente, ligada à pilha. A corrente elétrica total fornecida pela pilha é duas vezes maior que a corrente elétrica que faz funcionar uma lâmpada apenas. com a retirada de corrente elétrica Quando apenas elétrica total fornece quando faz paralelo. Se uma das lâmpadas queimar ou for retirada do soquete, a outra funciona normalmente. Veja que uma lâmpada do soquete, não impede que a continue passando pela outra lâmpada. uma lâmpada estiver funcionando, a corrente fornecida pela pilha, é a metade daquela que ela funcionar duas lâmpadas iguais ligadas em 3

5 Ligações elétricas no lar. As lâmpadas e os aparelhos elétricos usados nos lares não funcionam à pilha, pois necessitam tensões mais elevadas, de 110 V e 220 V. Além disso, o tipo de corrente elétrica da pilha é diferente da tomada: na pilha a corrente elétrica flui apenas num sentido, também chamada de corrente contínua, enquanto que na tomada a corrente elétrica oscila de um lado para outro, também chamado de corrente alternada. È possível acendermos uma lâmpada de 110V com pilhas, mas seriam necessárias cerca de 74 pilhas de 1,5 V cada (74 x 1,5 V = 111 V) enfileiradas, uma atrás da outra, em série. O que faz a função da pilha são os fios FASE e NEUTRO disponível nas tomadas elétricas no caso de voltagem de 110 V e os fios FASE e FASE no caso da necessidade de uma voltagem de 220 V. Os aparelhos elétricos e as lâmpadas são sempre ligados em paralelo à tomada elétrica que faz a função de uma pilha. Quanto mais aparelhos forem ligados num mesmo circuito, isto é, num mesmo par de fios FASE e NEUTRO, mais corrente elétrica será solicitada. Em muitos casos a corrente elétrica não é suficiente para atender a demanda e nestas situações acontecem sobrecargas de eletricidade. As sobrecargas podem ser notadas pelas lâmpadas que, estando acesas normalmente, parecem querer apagar ou começam a piscar. Evite Sobrecarga No Circuito Elétrico. Não Ligue Aparelhos Em Excesso Numa Mesma Tomada. 4

6 POTENCIA, ENERGIA E CORRENTE ELÉTRICA. Potência Elétrica. Em eletricidade, a potência é o produto da tensão pela a corrente elétrica. Vamos usar as seguintes simplificações: P = potência; V = tensão e I = corrente elétrica. A unidade de medida da tensão V é volts (símbolo: V) e a da corrente elétrica I, em ampéres (símbolo: A). Assim: Potência = Voltagem x Corrente P = V x I O produto da voltagem V (volts) e da corrente I (ampéres) é chamada de watts (W), que é a unidade de medida potência elétrica. Vejamos alguns exemplos que mostram como lidar com esta fórmula. 1) Um chuveiro elétrico funciona normalmente ligado numa tomada de 220 V demandando uma corrente elétrica I = 20 A. Qual a potência do chuveiro? P = V x I P = (220 V) x (20 A) P = 4400 V.A = 4400 W 2) Qual a intensidade da corrente elétrica que irá fluir por uma lâmpada de 100 W e 110 V quando acesa normalmente? P = 100 W = (127 V) x I I = 100 W / 127 V I = 0,78 A A energia elétrica transformada nos aparelhos depende de dois fatores: I) a potência e II) o tempo de funcionamento. Portanto, para economizarmos energia elétrica devemos: ou diminuir o tempo de uso ou substituirmos os aparelhos de maior potência pelos de menor potência. Melhor seria se pudermos fazer as duas coisas juntas! 5

7 Energia Elétrica. A Energia elétrica (E) consumida por um aparelho é o produto da Potência elétrica (P) em watt pelo intervalo de tempo (t) em horas de uso deste aparelho ou seja: E = P x t O produto de watt por hora resulta em watt-hora (abreviação: Wh) que é a unidade de medida de energia usual na eletricidade. Em certos casos a energia pode ser medida em joules ou em calorias. Vejamos um exemplo de consumo de energia elétrica: Qual a energia consumida por uma lâmpada de 100 W que fica acesa 8 horas por dia, durante 30 dias? E = P x t P = 100 W; t = 8hx30 = 240 horas, E = 100 x 240 = Wh Em geral o consumo de energia mensal é maior que 1000 Wh. Costuma-se utilizar o prefixo quilo cujo símbolo é k, que significa Portanto 1000Wh é o mesmo que 1 kwh, chamada quilowatt-hora. Assim, o consumo da lâmpada acima é E = 24 kwh ou seja Wh. watt (W) é unidade de potência. quilowatt-hora ( kwh) é unidade de energia volt (V) é unidade de tensão ou ddp. ampére (A) é unidade de corrente elétrica. Diferença entre Potência e Energia Elétrica. Uma pessoa diz: - Lá em casa tenho um forno micro-ondas, chuveiro elétrico de alta potência, ar condicionado, ferro de passar, geladeira e muitas outras coisas. Dá um total de W ou seja 25 kw. Pago mais energia que você. - Uma outra retruca: - Na minha casa a potência instalada é de apenas W ou 2,5 kw, mas tenho certeza que este mês a minha conta de energia será menor que a sua, pois a sua família esteve viajando por 30 dias seguidos. 6

8 Eis a diferença entre potência e energia elétrica. Pode-se ter muita potência instalada em casa, mas não pagar nada de consumo de energia elétrica. O que pagamos é pela energia elétrica e para isso, as máquinas e equipamentos devem estar funcionando! Em outras palavras, a potência é a taxa de conversão da energia ou a velocidade com que a energia é transformada de uma forma para outra. Por exemplo, um chuveiro elétrico cuja potência é de 4000W, converte a energia elétrica em energia térmica numa taxa de 4000J/s ou seja, a cada segundo são transformado 4000J da energia elétrica em calor. Por outro lado, mesmo um aparelho de baixa potência pode consumir uma grande quantidade de energia: basta que ela funcione durante um longo período de tempo. Consumo de Energia Elétrica = Potencia x tempo. É importante saber avaliar o consumo de energia elétrica. Ele custa dinheiro. Muitas vezes é preciso economizar. Faz bem para o bolso e também é uma questão de cidadania. Se não gastarmos em excesso, todos terão energia; desperdiçando, ela poderá faltar para todos. Ao comprar lâmpadas e aparelhos elétricos é importante conhecermos as respectivas potências e as eficiências. Uma lâmpada fluorescente é mais eficiente que uma lâmpada incandescente, pois produz a mesma quantidade de luz, utilizando uma quantidade de energia elétrica bem menor do que uma lâmpada incandescente. OS APARELHOS ELÉTRICOS MAIS UTILIZADOS NO LAR 1.- O chuveiro elétrico Utilizado atualmente por 73% dos lares do Brasil, o chuveiro elétrico é uma invenção genuinamente brasileira dos anos 40. O chuveiro elétrico em uma residência é um dos principais gastadores de energia, principalmente nas regiões de climas frios. O banho chuveiro pode ser o principal fator de consumo de energia numa residência. O Horário de Pico. Imagine o que ocorre quando todas as lâmpadas e todos os aparelhos elétricos de sua casa forem ligados ao mesmo tempo. A corrente elétrica e o medidor de consumo de energia disparam, não é mesmo? Imagine agora o caso do banho. Quase todos no Brasil tomando banho no mesmo período: das 18 às 20 horas. Além do banho, as cidades iluminadas e as casas com luzes acesas, televisões ligadas, etc. Já imaginou a sobrecarga na rede elétrica? Quem paga é o gerador eletromagnético das usinas. Eles quase não agüentam a sobrecarga e por pouco não param de funcionar. Este é o horário de pico e sua conseqüência: sobrecarga no sistema elétrico. 7

9 O Brasil é um dos poucos países no mundo que ainda utiliza o chuveiro elétrico em grande escala. Uma das alternativas para que os chuveiros elétricos não contribuam com a sobrecarga no horário de pico é utilizar outra fonte de energia. Neste sentido, a maioria dos países utiliza a queima do gás como fonte de calor para o aquecimento de água ou mesmo o uso da energia solar em grande escala pode ser uma ótima alternativa para o futuro. Funcionamento de um chuveiro elétrico. A principal peça de um chuveiro elétrico é a resistência que é um fio especial, em geral de níquelcromo e o efeito físico preponderante é o Efeito Joule, isto é, o aquecimento que a corrente elétrica produz quando percorre um fio. Na resistência do chuveiro a energia elétrica converte-se diretamente em calor que irá aquecer a água. Para se calcular a energia elétrica consumida por um chuveiro basta utilizarmos a fórmula: E = P x t Energia (kwh) = Potência do chuveiro (kw) x tempo de duração do banho (h). Exemplo Uma pessoa toma um banho de 0,30 hora debaixo da água de um chuveiro de W funcionando normalmente. A energia gasta é: E = 6600 W x 0,30 h = 1980 Wh = 1,98 kwh. Em geral as potências elétricas dos chuveiros variam entre 2000 e 6000 watts e, os mais potentes, são instalados num circuito de 220 volts. A vantagem de se usar chuveiro de 220 V é o fato da corrente elétrica exigida ser menor [P = VI, para uma mesma potência P, quanto maior V menor será a corrente elétrica I] e menor será o aquecimento dos fios de cobre da instalação elétrica. Vantagens e Desvantagens do chuveiro elétrico O chuveiro elétrico tem as seguintes vantagens: - baixo custo para o consumidor; - alta eficiência na conversão de energia elétrica em calor (acima de 90%); - baixo consumo de água. Por outro lado, tem as seguintes desvantagens: - alto custo para o setor elétrico (um chuveiro de 4kW custa cerca de US$2500 na geração, transmissão e distribuição); - necessita de instalações adequadas na residência para evitar riscos de sobrecarga; - onera o sistema elétrico no horário de pico devido ao alto consumo de energia. 8

10 2.- A geladeira A geladeira, além da conservação de alimentos por meio da diminuição da temperatura de armazenagem, visa à refrigeração de bebidas e ao congelamento de carnes e peixes. Ela é responsável por cerca de 30% do consumo global de eletricidade numa residência, pois ela nunca é desligada (a não ser para manutenção). Ela fica ligando e desligando automaticamente, dia e noite. 3.- Lâmpadas A iluminação pode ser natural (luz solar) e artificial (luz das lâmpadas). Ela é essencial para a visão. As tarefas visuais desempenhadas pelos olhos são diversas e estão relacionadas com a segurança, com a produtividade, com o lazer, com o comércio e com a aquisição de informações entre outras. A iluminação deficiente pode ter um efeito negativo no bem-estar do homem (conforto ambiental), além de conduzir a uma execução ineficiente ou perigosa de tarefas, incluindo a circulação em edifícios e estradas, aumentando o risco de acidentes. TIPOS DE LÂMPADAS As lâmpadas elétricas usadas nos lares são de dois tipos principais: as incandescentes e as fluorescentes. LÂMPADAS INCANDESCENTES: A lâmpada incandescente produz luz pelo alto aquecimento (Efeito Joule) de um filamento devido à passagem de corrente elétrica. O filamento de tungstênio atinge temperaturas acima de C emitindo luz, radiação infravermelha (que não enxergamos) e calor. Embora estas lâmpadas sejam as mais comuns, são também as menos eficientes. Entretanto elas vêm sendo melhoradas, incorporando maior vida média útil e maior eficiência luminosa. O esquema abaixo mostra a transformação de potência elétrica que ocorre numa lâmpada incandescente comum de 100W. 9

11 ENTRADA 110 V - 0,91 A 100 W SAIDA 5 W - luz 61 W - raios infravermelhos (não visível) 22 W - calor perdido por condução 12 W - calor perdido por convecção TOTAL = 100 W Dos 100 W de potência a lâmpada incandescente transforma em luz apenas 5 W ou seja, eficiência de 5%. LÂMPADAS FLUORESCENTES. A lâmpada fluorescente não possui filamento; a luz é emitida pelo processo conhecido como descarga elétrica em gases. No interior do tubo de uma lâmpada fluorescente existe vapor de mercúrio que emitem radiações que se transformam em luz ao atingir a camada de fósforo existente na superfície interna do tubo de vidro.. Por não existir filamento, o calor produzido é muito pequeno e, por isso, a luz de uma lâmpada fluorescente também é conhecida como luz fria. O esquema, a seguir, mostra a transformação da potência elétrica que ocorre numa lâmpada fluorescente comum: ENTRADA 110 V 0,33A 36W SAIDA 10 W Luz visível 26 W Perdas térmicas Uma lâmpada fluorescente de 36 W transforma em luz 10 W com uma eficiência de aproximadamente 28% contra uma eficiência de apenas 5% de uma lâmpada incandescente. 4.- Outros aparelhos elétricos. Muitos outros aparelhos elétricos fazem parte do lar: os eletrodomésticos, a televisão, o radio, o computador, etc. Em funcionamento, todos eles consomem energia elétrica e para prever o consumo devemos multiplicar a potência do aparelho em watts pelo tempo de funcionamento em frações de horas e o resultado é o consumo em kwh. 10

12 OS APARELHOS ELÉTRICOS DE MINHA CASA. Cálculo do consumo Aparelho Elétrico Potência (watts W) Chuveiro a Televisão 70 a 100 Computador 150 Ferro Elétrico 400 a Lâmpadas 5 a 150 Geladeira 150 a 400 Máquina de lavar 500 a roupas Máquina de costura 60 a 150 Fogão elétrico a Liquidificador 100 a 250 Batedeira 70 a 300 Cafeteira elétrica Aspirador de pó 250 a Torneira elétrica a Ar condicionado a Secador de cabelos 500 a Exaustor de ar 300 Freezer 350 a 500 Forno de microondas a Secador de roupas a Ventilador 60 a 100 Torradeira 500 a Tempo de uso (média diária) (horas h) Consumo diário de energia Consumo Mensal 11