Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade Nesta primeira unidade, você estudará alguns conceitos como tensão, corrente e resistência elétrica, além de aprender como calcular o consumo de energia de aparelhos eletroeletrônicos. Objetivos da Unidade Definir o que é tensão, corrente e resistência elétrica; Efetuar cálculos de potência elétrica; Efetuar cálculos de consumo elétrico. Objetivos Conteúdos da da Unidade Estudo da Eletricidade; Tensão elétrica; Corrente elétrica; Resistência elétrica; Potência elétrica; Consumo elétrico; Exercícios propostos.
1 CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE É difícil imaginar o mundo sem eletricidade, pois ela afeta nossas vidas de diversos modos. Vemos o uso da eletricidade diretamente em nossos lares, para iluminação, funcionamento de aparelhos eletrodomésticos, telefone, televisão, rádio, equipamento de som, aquecimento, etc. A eletricidade tem sido usada na fabricação da maioria das coisas que utilizamos diretamente ou para operar máquinas que fazem ou processam os produtos de que necessitamos. Sem a eletricidade, a maior parte dos instrumentos que usamos e equipamentos dos quais desfrutamos atualmente, não seria possível. 1.1 Tensão Elétrica Para que uma carga se movimente, isto é, para que haja condução de eletricidade, é necessário que ela esteja submetida a uma diferença de potencial, mais conhecida pela abreviatura ddp. No sistema hidráulico (Figura 1), a água se desloca da caixa d água 1 para a caixa d água 2, por causa da diferença de altura. Figura 1: Sistema Hidráulico Portanto, a corrente de água existe por causa da diferença de potencial gravitacional entre as caixas d água. 1.1.1 Definição de tensão elétrica A diferença de potencial elétrico entre dois pontos é denominada tensão elétrica, simbolizada pelas letras V, U ou E, cuja unidade de medida é volt [V]. Tensão elétrica é a força necessária para movimentar elétrons. Eletricidade Básica DEFINIÇÃO Voltímetro é o instrumento que serve para medir a diferença de potencial ou tensão. Sua unidade no Sistema Internacional é Volt (V). 6
1.1.2 Tipos de tensões Há dois tipos de tensões: a) Tensão contínua, constante ou dc (do inglês, direct current, corrente direta): É a tensão que não varia de valor e sentido com o tempo. Simbologia: Exemplos de tensão contínua ou constante: pilha, bateria, etc. Representação gráfica da Tensão Contínua: b) Tensão alternada ou AC (do inglês, alternating current, corrente alternada): É a tensão que varia de valor e sentido com o tempo. Simbologia: Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade 7
Representação gráfica da Tensão Alternada: A partir de uma tensão AC, pode-se determinar: A tensão de pico da onda em volts, representada por Vp; A tensão de pico a pico da onda em volts, representada por Vpp; A tensão eficaz ou rms, representada por Vrms. A tensão Vrms é calculada utilizando a fórmula: O período da onda em segundos representa o tempo que o sinal leva para completar um ciclo completo, representado pela letra T. A frequência da onda em Hertz (HZ) representa o número de ciclos por segundos, calculada a partir da fórmula: Observe que a frequência é calculada através do inverso do período. 1.2 Corrente Elétrica Eletricidade Básica O fenômeno da corrente elétrica ocorre quando uma fonte externa de energia é aplicada sobre um corpo (geralmente metálico), cujos elétrons passam a mover-se de maneira ordenada, com direção e intensidade ditados por essa fonte. 1.2.1 Definição de corrente elétrica É interessante lembrar que, para muitas pessoas, não existe diferença entre tensão e corrente. Essa confusão é comum porque a eletricidade é uma grandeza que não pode ser vista, ouvida ou tocada, 8
embora seus efeitos possam ser facilmente percebidos. A diferença entre as duas grandezas pode ser facilmente definida com uma única frase: tensão é a causa - corrente é o efeito. A tensão sempre tenta fazer com que a corrente circule, mas a corrente somente fluirá quando receber a força de uma fonte de tensão e encontrar um circuito fechado através do qual possa circular. 1.2.2 Sentido convencional da corrente elétrica Os primeiros estudos sobre a corrente elétrica foram feitos nos gases e nos líquidos, por isso o sentido adotado convencionalmente baseia-se neles. Como nos condutores gasosos e líquidos, o movimento de cargas elétricas livres ocorre por convenção, nos dois sentidos. Adotou-se que o sentido da corrente elétrica deve ser o mesmo do deslocamento das cargas positivas, ou seja, o mesmo sentido do campo elétrico que deu origem e mantém o movimento. Porém, nos condutores sólidos metálicos, só há movimento de cargas negativas num único sentido (figura 2). Assim, adaptando-se a convenção: Figura 2: Sentido convencional e real da corrente elétrica A vantagem dessa convenção está no fato de que, tanto no cálculo da intensidade da corrente elétrica como na resolução de circuitos, salvo algumas condições específicas, os valores numéricos serão positivos. A corrente é representada pela letra i e sua unidade é: A (Ampère). Simbologia: Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade 9
1.2.3 Corrente elétrica no circuito eletrônico A corrente elétrica, que é a movimentação de cargas elétricas, só pode existir se tivermos um circuito. Um circuito deve ter no mínimo uma bateria para fornecer energia elétrica e um receptor para consumir (transformar) essa energia. No exemplo (figura 3), o receptor é a lâmpada que transforma a energia elétrica em energia luminosa. Considere uma lâmpada ligada a uma pilha comum, conforme o esquema: Figura 3: Circuito eletrônico de uma ligação de lâmpada Fonte: http://www.etelg.com.br/downloads/eletronica/cursos/aulas/aula01.html#gerador Não há corrente elétrica no circuito enquanto a chave estiver aberta, pois os elétrons não se movimentam ordenadamente. E, se fecharmos a chave? A tensão, que é a força necessária para movimentar os elétrons, irá gerar a corrente elétrica necessária para acender a lâmpada. Conclusões: Para haver corrente elétrica, é necessário: circuito fechado e tensão elétrica; A tensão DC gera corrente DC e a tensão AC gera corrente AC. 1.3 Resistência Elétrica Eletricidade Básica A resistência elétrica é a medida da oposição que os átomos de um material oferecem à passagem da corrente elétrica, que depende da natureza do material, de suas dimensões e da sua temperatura. Embora todos os condutores ofereçam resistência, em muitas ocasiões desejamos que haja um determinado valor de resistência em um circuito. Os dispositivos com valores conhecidos de resistência são chamados resistores, designados com a letra R e representados nos circuitos com um dos símbolos a seguir: 10
A resistência é representada pela letra R e sua unidade é: Ω (Ohm). Alguns fabricantes de resistores adotaram uma codificação especial para informar valores nos resistores de filme. Na figura 4, os resistores apresentam três faixas de cores para leitura do valor ôhmico, e mais uma para indicar a tolerância. Figura 4: Leitura de Resistores Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade 11
Exemplo de leitura: Para um resistor = vermelho, violeta, laranja, dourado Vermelho - Violeta - Laranja - Dourado 2 7 3 5% Somado ao número de zeros dado pela terceira faixa: 27 000 ou 27 K Ohms Tolerância: Devido ao modo de fabricação dos resistores, os mesmos podem variar de valor dentro de uma faixa pré-estabelecida, é a chamada tolerância, indicada através da quarta faixa. EXEMPLO Para um resistor de 1000 por 10%, temos uma variação no seu valor nominal de fabricação. O mesmo pode ter uma variação de 10% para baixo ou 10% para cima desse valor. Então, ele pode ser de 900 até 1100 ohms. 1.3.1 Resistência variável Acontecem situações que precisaremos variar o valor da resistência no circuito eletrônico, por exemplo, quando aumentamos o volume do rádio, quando variamos a luminosidade da lâmpada através do dimer, etc. Existem diversos tipos de resistores cuja resistência pode variar, mas, basicamente, o princípio de funcionamento é o mesmo, a variação da resistência é obtida variando-se o comprimento do condutor. A Figura 5 mostra o aspecto físico de um resistor variável e o seu símbolo. Figura 5: Resistor variável Eletricidade Básica Fonte: http://www.eletronica24h.com.br/curso%20cc/aparte1/aulas1/aula002.html 12
1.3.2 Princípio de funcionamento do potenciômetro De acordo com a segunda lei de OHM, a resistência de um condutor pode ser mudada se for variado: a) O material (resistividade); b) O comprimento; c) A área da secção transversal. A forma mais prática de mudar a resistência de um condutor é variar o comprimento, esse é o princípio de funcionamento de um potenciômetro. Figura 6: Princípio de funcionamento de um potenciômetro Fonte: http://dc153.4shared.com/doc/dscpmxgu/preview.html Observando a Figura 6, podemos notar que um condutor de comprimento L AB, com resistência R AB, se tiver um cursor deslizante C, o qual pode se deslocar entre A e B, teremos uma resistência variável entre os pontos A e C, entre C e B, isso porque o comprimento do condutor entre esses pontos é variável. 1.4 Potência Elétrica Sempre que uma força de qualquer tipo produz movimento, ocorre um trabalho. Quando uma força mecânica, por exemplo, é usada para levantar um corpo, realiza um trabalho. Uma força exercida sem produzir movimento, como a força de uma mola mantida sob tensão entre dois objetos que não se movem, não produz trabalho. Uma diferença de potencial entre dois pontos quaisquer de um circuito elétrico é uma tensão que Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade 13
(quando os dois pontos são ligados) causa movimento dos elétrons, portanto, uma corrente. A potência elétrica é representada pela letra P e sua unidade é W (Watt), em homenagem ao cientista James Watt. A potência elétrica fornecida por uma fonte de alimentação a um circuito qualquer é dada pelo produto da sua tensão pela corrente gerada, ou seja: P = V x I Analisemos o circuito que segue: Toda potência da fonte será dissipada (absorvida) pelo resistor. O que está ocorrendo é que, a todo instante, a energia elétrica fornecida pela fonte está sendo transformada pela resistência em energia térmica (calor) por efeito Joule. Para se transportar a corrente elétrica de um lugar para outro, devem-se utilizar condutores que oferecem o mínimo de resistência, para que não haja perdas de energia por efeito Joule. Por isso, os fios condutores são feitos principalmente de cobre ou alumínio. No entanto, existem situações nas quais a resistência à passagem da corrente elétrica é uma necessidade, tanto pelo aquecimento que gera (chuveiros, ferros de passar roupas, aquecedores, etc.) quanto pela capacidade de limitar a corrente elétrica em dispositivos elétricos e eletrônicos. 1.5 Consumo Elétrico e Custo Energético Vimos que a potência dissipada é a energia consumida num intervalo de tempo, mas toda energia tem um preço, portanto, nunca é demais aprender a quantificá-la. Fórmula do consumo de energia elétrica: Eletricidade Básica Consumo [Wh] = Potência [W] x tempo [h] 14
EXEMPLO Uma pilha comum pode fornecer energia de, aproximadamente, 10 Wh. Sabendo-se que um aparelho Walkman consome 2W em média, por quanto tempo você poderá ouvir suas músicas prediletas com uma única pilha? No quadro de distribuição de energia elétrica de uma residência, prédio ou indústria, existe um medidor de energia indicando constantemente a quantidade de energia consumida. Porém, como a ordem de grandeza do consumo de energia elétrica em residências e indústrias é muito elevada, a unidade de medida utilizada é em quilowatt.hora [kwh]. Consumo [kwh] = Potência [kw] x tempo [h] Dessa forma, é possível calcularmos o quanto gastamos diariamente com energia elétrica, para desfrutarmos dos bens que a eletricidade nos oferece e o quanto desperdiçamos com luzes acesas indevidamente. Fórmula do custo energético: Custo [R$] = Consumo [kwh] x tarifa Obs.: O valor da tarifa cobrada por kwh é estipulado pela fornecedora de energia elétrica. EXEMPLO Uma pessoa que demora duas horas no banho, duas vezes ao dia, quanto gasta mensalmente com energia elétrica só no chuveiro? (Considerando a tarifa de R$0,09 por kwh). Os chuveiros mais comuns consomem, em média, 4800W (na posição inverno): t = tempo de banho x dias = 4 (2 banhos de 2h) x 30 = 120h. A energia elétrica consumida pelo chuveiro em um mês será: Custo [R$] = Consumo [kwh] x tarifa = 576[kWh] x 0,09 = R$ 51,84 Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade 15
Dica Aprenda a ler o medidor de energia elétrica (relógio de luz), acessando o site: http://www.celesc.com.br/atendimento/auto_leitura.php EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1) Um chuveiro tem as especificações 5400W/220V, calcule: a) A corrente consumida pelo chuveiro; b) A energia consumida (em KWh) durante 1 mês (30 dias), se todos os dias o chuveiro é ligado por 30 minutos. Respostas: a) Dados: P = 5400W e V = 220V Considerando o chuveiro uma carga puramente resistiva, temos: P = V x I, Logo: I = P / V= 5400/220 = 24,54 A. b) A energia elétrica consumida pelo chuveiro em um mês será: 2) Calcule a potência dissipada pela resistência nos circuitos abaixo: Eletricidade Básica Resposta: Sabemos que P = V x I, mas se substituirmos I por V/R, teremos: P = V x I P = V x (V/R) P = V2 / R 1º circuito: P = (10)2 / 500 = 0,2 A 2º circuito: P = (25)2 / 500k P = (25)2 / 500000 = 0,00125 A = 1,25 x 10-3 = 1,25 ma 3º circuito: P = (4)2 / 250k P = (4)2 / 250000 = 0,000064 A = 64 x 10-6 = 64 ma 16
3) Na lâmpada está escrito 100W/110V. Calcule a corrente consumida pela lâmpada. Resposta: P = 100W V = 110 V Como: P = V x I I = P / V = 100/110 = 0,9091 A 4) As características de um resistor são 220Ω / 0,25W. Qual a máxima tensão que pode ser aplicada ao resistor para que não aqueça? Resposta: R = 220Ω P = 0,25W P = V 2 / R V 2 = P x R = 55 V = 7,42 V SÍNTESE DA UNIDADE Vimos que, para que haja condução de eletricidade, é necessário que ela esteja submetida a uma diferença de potencial, mais conhecida pela abreviatura ddp. Vimos também que a diferença entre tensão e corrente pode ser facilmente definida com uma única frase: tensão é a causa - corrente é o efeito. Além disso, vimos que a corrente elétrica, que é a movimentação de cargas elétricas, só pode existir se tivermos um circuito elétrico. Uma diferença de potencial entre dois pontos quaisquer de um circuito elétrico é uma tensão que (quando os dois pontos são ligados) causa movimento dos elétrons, portanto, uma corrente. Outro ponto de destaque é que, para se transportar a corrente elétrica de um lugar para outro, devem-se utilizar condutores que oferecem o mínimo de resistência, para que não haja perdas de energia por efeito Joule. Por isso, os fios condutores são feitos, principalmente, de cobre ou alumínio. No entanto, existem situações nas quais a resistência à passagem da corrente elétrica é uma necessidade, tanto pelo aquecimento que gera (chuveiros, ferros de passar roupas, aquecedores etc.) como pela capacidade de limitar a corrente elétrica em dispositivos elétricos e eletrônicos. Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade 17
EXERCÍCIOS 1) Analise as afirmações abaixo, marque V para as verdadeiras e F para as falsas e assinale a alternativa correta: I. ( V ) A unidade de intensidade de corrente elétrica é o ampére. II. ( V ) A unidade de tensão é o volt. III. ( V ) A unidade de carga elétrica é o coulomb. Assinale a alternativa que contém as afirmações corretas: a) I e II estão corretas. b) II e III estão corretas. c) I e III estão corretas. d) Todas as alternativas estão corretas. e) Todas as alternativas estão incorretas. 2) Uma lâmpada residencial está especificada para 110V/100W. Determine: a) A energia elétrica consumida por essa lâmpada num período de 5 horas diárias num mês de 30 dias. Resposta: 15 kwh. b) O valor a ser pago por esse consumo, sabendo que a empresa de energia elétrica cobra a tarifa de R$0,13267 por k Wh. Resposta: R$1,99. 3) Com relação ao circuito a seguir podemos afirmar que, para acender a lâmpada, devemos ligar: Eletricidade Básica a) O ponto A ao ponto B. b) O ponto A ao ponto C. c) O ponto B ao ponto C. d) Todas estão corretas. e) Não tem como a lâmpada acender. 18
4) Em relação ao circuito a seguir, analise as afirmações abaixo, marque V para as verdadeiras e F para as falsas, em seguida, assinale a alternativa correta: I. ( V ) A lâmpada acenderá se a chave for fechada, e a corrente (convencional) circulará de A para B entrando na lâmpada que acenderá. II. ( V ) Se os pontos A e B forem ligados por um fio, com o interruptor aberto, a lâmpada acenderá também. III. ( F ) Se os pontos A e B forem ligados por um fio, com o interruptor aberto, a lâmpada queimará. Assinale a alternativa que contém as afirmações corretas: a) I e II estão corretas. b) II e III estão corretas. c) I e III estão corretas. d) Todas as alternativas estão corretas. e) Todas as alternativas estão incorretas. 5) Com relação ao circuito a seguir, para que a lâmpada acenda, será necessário que: a) Os três interruptores sejam ligados. b) Que os interruptores 1 e 2 sejam ligados. c) Que o interruptor 1 seja ligado. d) Que os interruptores 2 e 3 sejam ligados. e) A lâmpada queimará se forem colocados 3 interruptores como no circuito. Unidade 1 Conceitos Básicos de Eletricidade 19
6) No circuito, considerando que cada pilha gera 1,5V, podemos afirmar que a lâmpada é alimentada por: a) 0V. b) 3V. c) 4V. d) 6V. e) 5V. 7) Qual a principal diferença entre tensão e corrente elétrica? A diferença entre tensão e corrente pode ser facilmente definida com uma única frase: tensão é a causa - corrente é o efeito. Eletricidade Básica 20