Eletrotécnica - SENAI

Eletrotécnica - SENAI

(Parte 1 de 3)

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CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção Elétrica

Eletrotécnica

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Eletrotécnica - Elétrica

© SENAI - ES, 1996 Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial DAE - Divisão de Assistência às Empresas Departamento Regional do Espírito Santo Av. Nossa Senhora da Penha, 2053 - Vitória - ES. CEP 29045-401 - Caixa Postal 683 Telefone: (027) 325-0255 Telefax: (027) 227-9017

CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão AHD - Divisão de Desenvolvimento de Recursos Humanos AV. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro - Serra - ES. CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1322 Telefax: (027) 348-1077

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Fundamentos da Eletricidade03
• Conceitos Fundamentais da Eletricidade03
• Matéria03
Circuito Elétrico07
Grandezas Elétricas13
Lei de Ohm23
• Cálculo de Tensão24
• Cálculo de Resistência24
• Cálculo de Corrente25
• Efeitos do Choque Elétrico27
Resistividade29
Associação de Resistores35
• Ligação de Resistores35
• Circuito em Série37
• Circuito em Paralelo38
• Circuito Misto40
• Lei de Kirchhoff43

Sumário Aplicação da Lei de Ohm e Kirchhoff.....................................5

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Potência em C.C67
• Potência Perdida74
• Potência em Rede76
• Trabalho Mecânico7
Magnetismo85
• Linha Neutra87
• Densidade Magnética89
Eletromagnetismo93
• Campo Magnético do Condutor Retilíneo95
• Campo Magnético da Espira97
• Solenóide98
• Força Magneto-Motriz101
Corrente Alternada103
• Corrente Alternada e Tensão Monofásica103
• Resistência em Corrente Alternada104

• Corrente Alternada: Defasagem entre Corrente e Tensão.105

• Circuito Série da CA107
• Circuito Paralelo de CA108
• Corrente Alternada e Tensão Trifásica110
• Circuito Estrela ou Y1
• Circuito triângulo ou Delta112
• Potência nos Circuitos de CA113

Exercícios............................................................................... 115

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Fundamentos da Eletricidade

Conceitos Fundamentais da Eletricidade

Ao longo dos anos, vários cientistas descobriram que a eletricidade parece se comportar de maneira constante e previsível em dadas situações, ou quando sujeitas a determinadas condições. Estes cientistas, tais como Faraday, Ohm, Lenz e Kirchhoff, para citar apenas alguns, observaram e descreveram as características previsíveis da eletricidade e da corrente elétrica, sob a forma de certas regras. Estas regras recebem comumente o nome de “leis”. Pelo aprendizado das regras ou leis aplicáveis ao comportamento da eletricidade você terá “aprendido” eletricidade.

Matéria Estudo do Átomo

Os átomos são tão pequenos, que 100 milhões deles, um ao lado do outro, formarão uma reta de 10 m de comprimento.

átomo

Átomo

O universo, a terra, os animais, as plantastudo é composto de

É uma partícula presente em todo matéria do universo. átomos. Até o início do século X admitia-se que os átomos eram as menores partículas do universo e que não poderiam ser subdivididas. Hoje sabe-se que o átomo é constituído de partículas ainda menores. Estas partículas são:

Elétrons

Importante chamadas partículas subatômicas

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Todo átomo possui prótons, elétrons e nêutrons.

Elétrons

São partículas subatômicas que possuem cargas elétricas negativas.

Prótons

São partículas subatômicas que possuem cargas elétricas positivas.

Nêutrons São partículas subatômicas que não possuem cargas elétricas.

Núcleo É o centro do átomo, onde se encontram os prótons e nêutrons.

Eletrosfera

São as camadas ou órbitas formadas pelos elétrons, que se movimentam em trajetórias circulares em volta do núcleo. Existem uma força de atração entre o núcleo e a eletrosfera, conservando os elétrons nas órbitas definidas camadas, semelhante ao sistema solar.

A eletrosfera pode ser composta por camadas, identificadas pelas letras maiúsculas K, L, M, N, O, P e Q.

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Cada camada da eletrosfera é formada por um número máximo de elétrons, conforme você pode observar na tabela abaixo.

Note que nem todo átomo possui a mesma quantidade de camadas

O que faz uma matéria tão diferente de outra?

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Quais são as semelhanças existentes entre os átomos?

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A distribuição de prótons, nêutrons e elétrons é que de fato diferenciará um material do outro.

Quanto mais elétrons.

Quanto menos elétrons.

Condutores Isolantes Prata Ar Seco Cobre Vidro Alumínio Mica Zinco Borracha Latão Amianto Ferro Baquelite

Observação: Semicondutores são materiais que não sendo bons condutores, não são tampouco bons isolantes. O germânio e o silício são substâncias semicondutoras. Esses materiais, devido às suas estruturas cristalinas, podem sob certas condições, se comportar como condutores e sob outras como isolantes.

− Mais camadas − Menos força de atração exercida pelo núcleo.

− Mais livres os elétrons da última camada.

− Mais instável eletricamente.

− Mais condutor o material.

− Menos camadas − Mais força de atração exercida pelo núcleo.

− Menos elétrons livres.

− Mais estável eletricamente. − Mais isolante o material.

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Circuito Elétrico

Circuito É todo percurso que representa um caminho fechado.

Vamos acompanhar o percurso da corrente elétrica ao ligar um aparelho?

Para facilitar, vamos observar um “rádio de pilha” aberto, para você ver o caminho por onde passa a corrente.

A corrente elétrica: − Sai da pilha;

− Passa pelo condutor de saída;

− Passa pelo interruptor;

− Caminha pelos componentes do rádio;

− Retorna à pilha pelo condutor de entrada; e;

− Continua o percurso, num processo contínuo.

Observe, agora, o percurso da corrente numa lanterna:

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continuamente. É um caminho fechado; é um circuitoum

Note que a corrente tem que percorrer o mesmo caminho, circuito elétrico.

Circuito Elétrico

É um caminho fechado por condutores elétricos ligando uma carga elétrica a uma fonte geradora. No exemplo da lanterna, você pode observar os diversos componentes do circuito elétrico:

1 - Fonte geradora de eletricidadepilha.
3 - Condutorestira de latão.

2 - Aparelho consumidor de energia (carga elétrica) lâmpada.

Elementos dos Circuitos Elétricos Fonte Geradora de Energia Elétrica

É a que gera ou produz Energia Elétrica, a partir de outro tipo de energia. A pilha da lanterna, a bateria do automóvel, um gerador ou uma usina hidrelétrica são fontes geradoras de energia.

Aparelho Consumidor (carga elétrica)

Aparelho consumidor é o elemento do circuito que emprega a energia elétrica para realizar trabalho. A função do aparelho consumidor no circuito é transformar a energia elétrica em outro tipo de energia. Estamos nos referindo a alguns tipos de Consumidores Elétricos. Eles utilizam a energia elétrica para realizar trabalhos diversos; ou seja, eles transformam a energia elétrica, recebida da fonte geradora, em outro tipo de energia.

Trenzinho Elétrico

Transforma a energia elétrica em energia mecânica (imprime movimento).

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Ferro de Soldar

Transforma a energia elétrica em energia térmica (transmite calor).

Televisor

Transforma a energia elétrica em energia luminosa e sonora (transmite sons e imagens).

Lâmpada

Transforma a energia elétrica em energia luminosa e energia térmica (transmite luz e calor).

Dispositivo de Manobra

Para avaliar a importância do último componente do circuito, imagine um consumidor (por exemplo, uma lâmpada) ligado a uma fonte geradora (uma pilha).

Pense! - Uma vez completado o circuito, a lâmpada ficaria permanentemente acesa.

Para que a lâmpada se apague, é necessário interromper o caminho da corrente elétrica. A corrente pode ser interrompida.

• no consumidor (quando a lâmpada queima, a corrente não pode prosseguir seu caminho, retornando à fonte).

• na fonte geradora (por exemplo, quando a pilha ou bateria se esgota e não provoca mais a D.D.P.).

• no condutor (emprega-se um dispositivo de manobra).

O dispositivo de manobra é um componente ou elemento que nos permite manobrar ou operar um circuito. O dispositivo de manobra permite ou impede a passagem da corrente elétrica pelo circuito. Acionando o dispositivo de manobra, nós ligamos ou desligamos os consumidores de energia.

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Função do dispositivo de manobra

Operar ou manobrar o circuito. Interromper, ou permitir, a passagem da corrente elétrica.

Variações do circuito elétrico

Circuito aberto - É o que não tem continuidade; onde o consumidor não funciona.

Circuito fechado - É o circuito que tem continuidade. Por ele a corrente pode circular.

Circuito desligado - É o que o dispositivo de manobra está na posição desligado.

Circuito desenergizado - É o que a fonte geradora está desconectada do circuito ou não funciona.

Condutor Elétrico Observe as ilustrações abaixo.

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O condutor elétrico faz a ligação entre o consumidor e a fonte geradora, permitindo a circulação da corrente.

Cada tipo de condutor pode ser preparado com características variadas, dependendo de sua aplicação.

Podem ser rígidas ou flexíveis, isolados ou não, com proteção adicional (além da isolação) ou outras características.

Rede externa: Condutor elétrico rígido, com ou sem proteção.

Furadeira: Condutor elétrico flexível, com adicional.

Ferro elétrico: Condutor elétrico flexível, com isolação de plástico e proteção térmica.

Como você vê, cada aplicação exige tipos diferentes de condutores elétrico. Mas sua função no circuito será sempre a mesma.

Função do Condutor

O condutor liga os demais componentes do circuito elétrico, conduzindo a corrente: da fonte ao consumidor e de retorno à fonte.

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Grandezas Elétricas

Altura Peso

⇓ São grandezas

Volume

Em eletricidade, também existem grandezas.

Grandezas Elétricas São as grandezas que provocam ou são provocadas por efeitos elétricos; ou ainda, que contribuem ou interferem nesses efeitos.

Carga Elétrica

Toda vez que houver desequilíbrio elétrico num material haverá deslocamento de elétrons.

A esse fluxo de elétrons dar-se-á o nome de carga elétrica, cuja unidade de medida será o Coulomb. [C]

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1 Coulomb é igual a 6,25 x 1018 de elétrons ou6

250 0 0 0 0 0 (seis quintiliões e duzentos e cinqüenta quatriliões) de elétrons.

Quando circularem 6,25 x 1018 de elétrons por um condutor, dirse-á que está circulando uma corrente elétrica de 1 Coulomb.

Corrente Elétrica

O Coulomb não é, porém, uma unidade muito prática, pois podemos constatar uma carga elétrica com uma intensidade de 1 Coulomb percorrendo um condutor em um segundo.

Ou a mesma intensidade percorrendo outro condutor em 10 segundos:

Então, para se poder realmente medir e comparar a corrente elétrica, houve a necessidade de se medir a intensidade da corrente em relação ao tempo.

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Portanto, criou-se uma unidade prática, o ampère, que é representado pela letra ( A ) e eqüivale a 1 Coulomb por segundo.

[ 1 A ] ⇔ [ 1 Coulomb/seg. ] Vamos fazer agora uma comparação?

No condutor ( A ), a intensidade da corrente é muito maior que no condutor ( B ).

Calculando o número de elétrons que circulam pelos condutores, teremos:

No condutor A: 3 x 6,25 x 1018 = 18 750 0 0 0 0 0 elétrons por segundo.

No condutor B: 1 x 6,25 x 1018 = 6 250 0 0 0 0 0 elétrons por segundo.

Essas são fontes geradoras, que produzem uma força eletromotriz (f.e.m.), a qual provoca o deslocamento dos elétrons, de um para o outro extremo do material. Força eletromotriz - é a força que movimenta os elétrons.

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As fontes geradoras produzem, por um determinado espaço de tempo, uma f.e.m. constante. Portanto, será constante também o movimento de elétrons do extremo B para o extremo A do material, o que manterá o desequilíbrio elétrico do material.

O desequilíbrio elétrico é uma grandeza elétrica chamada Diferença de Potencial (d.d.p.) e seu símbolo gráfico é a letra E.

Se dois materiais tiverem um mesmo potencial elétrico neutro, isto é, sem carga, não haverá d.d.p. entre eles.

Os materiais ( E ) e ( F ) têm o mesmo potencial elétrico neutro (sem carga); não há Diferença de Potencial entre eles.

Para existir Diferença de Potencial entre dois materiais, é preciso que haja uma diferença na quantidade de elétrons que eles possuem.

GRANDEZA SÍMBOLO Diferença de potencial E

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O material ( G ) está com potencial negativo e o material ( H ) está com potencial positivo; portanto, existe Diferença de Potencial entre eles.

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Cargas elétricas diferentes ⇔ existe diferença de potencial

O material ( I ) está com carga elétrica negativa. O material ( J ), com carga neutra. Portanto, existe d.d.p. entre eles

O material ( L ) está com carga elétrica neutra. O material ( M ), com carga elétrica positiva. Portanto, existe d.d.p. entre eles.

Existirá também Diferença de Potencial entre dois materiais que possuem excesso ou falta de elétrons, mas em quantidade diferente:

Entre os extremos (bornes) das fontes geradoras de energia elétrica existe Diferença de Potencial, sempre que a fonte geradora estiver funcionando:

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A Diferença de Potencial que há entre os dois extremos do material, ou entre os bornes das fontes geradoras, existem também entre dois materiais com carga elétrica diferente.

[ A d.d.p. será sempre a comparação entre duas cargas elétricas.]

Se dois materiais tiverem o mesmo potencial elétrico, não haverá Diferença de Potencial entre eles.

Observe:

Os materiais ( A ) e ( B ) têm o mesmo potencial negativo ( - ); possuem igual excesso de elétrons.

Os materiais ( C ) e ( D ) têm o mesmo potencial positivo ( + ); estão com igual falta de elétrons

Há uma d.d.p. entre eles

Material com excesso de elétrons

Material com falta de elétrons

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A Diferença de Potencial é uma grandeza. Portanto, pode ser medida. A unidade de medida da Diferença de Potencial é o VOLT.

Unidade de medida de Diferença de Potencial VOLT

Representado pela letra V.

Agora, fica mais fácil estabelecer e comparar a d.d.p. Podemos utilizar sua unidade de medida, o volt. Veja, por exemplo, os casos A e B:

Em ambos existe d.d.p. No caso A, a d.d.p. corresponde a 100 volts. No caso B ela é bem maior; corresponde a 200 volts.

A diferença de potencial (d.d.p.) pode ainda ser chamada de : voltagem - pode ser medida em volts; tensão - por ser a pressão elétrica.

Resistência Elétrica e Condutância Elétrica

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A facilidade que a corrente elétrica encontra, ao percorrer os materiais, é chamada de condutância. Essa grandeza é representada pela letra G.

Facilidade encontrada pela corrente elétrica, ao atravessar um material.

Porém, em contrapartida a condutância, os materiais sempre oferecem certa dificuldade à passagem da corrente elétrica. Essa dificuldade que a corrente elétrica encontra ao percorrer um material é a resistência elétrica, normalmente representada pela letra R.

Dificuldade encontrada pela corrente elétrica, ao atravessar um material.

Todo o material condutor de corrente elétrica apresentada certo grau de condutância e de resistência. Quanto maior for a condutância do material, menor será sua resistência. Se o material oferecer grande resistência, proporcionalmente apresentará pouca condutância.

A condutância é o inverso da resistência.

A condutância e a resistência elétrica se manifestam com maior ou menor intensidade nos diversos tipos de materiais.

Exemplo: No cobre, a condutância é muito maior que a resistência. Já no plástico, a resistência é muito maior que a condutância.

PLÁSTICO MAIOR resistência MENOR condutância COBRE MENOR resistência MAIOR condutância.

A condutância e a resistência são grandezas; portanto, podem ser medidas.

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