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CONCEITOS BSICOS DE ELETRICIDADE

Introduo

As grandezas tenso e corrente esto associadas ao conceito de energia potencial e energia cintica, lembrando que a energia no criada, ela sempre transformada. Quando enchemos o tanque do carro de gasolina, a energia est armazenada nas ligaes qumicas do combustvel, est pronta para ser usada, por isso chamada de energia potencial, isto , esta energia tem o potencial de ser transformada. Se ela no for transformada, permanecer do mesmo modo como est: como gasolina.

Quando esta gasolina levada ao motor, o mecanismo do motor transforma a energia contida na gasolina em movimento. Para chegar a este resultado o motor executa uma srie de tarefas, como a queima do combustvel, onde a energia potencial se transforma em energia trmica. Para movimentar um pisto, parte da energia usada para vencer o atrito deste mecanismo. Para executar a tarefa de movimentar o carro, parte da energia contida na gasolina perdida, at que finalmente o eixo movimentado e o carro entra em movimento. Percebe-se no exemplo que a energia no transformada apenas uma vez: no incio a energia estava armazenada na gasolina (energia potencial), no final do processo esta energia apareceu na forma de movimento (energia cintica) e parte da energia se perdeu no caminho (energia trmica) para vencer o atrito.

Em eletricidade, a energia potencial utilizada na separao das cargas eltricas normalmente contida nos corpos. Como sabemos, todo corpo possui carga eltrica e as cargas eltricas podem ser negativas ou positivas, sendo que cargas de sinais iguais se repelem e cargas de sinais diferentes se atraem. Assim, quando separamos cargas diferentes, surge uma fora de atrao entre elas que tende a moviment-las se o meio onde estiverem contidas for apropriado. O ato de separar as cargas eltricas chamado de gerao de energia eltrica. Na bateria, a energia qumica usada para separar as cargas, de forma que exista uma regio da bateria com excesso de eltrons livres, isto , excesso de cargas negativas, e outra com falta de eltrons livres, esta falta de eltrons livres caracteriza essa regio como carga eltrica positiva.

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Tenso Eltrica

A diferena de potencial (D.D.P.) criada entre o lado positivo (plo positivo) e o lado negativo (plo negativo) chamada de tenso eltrica. A unidade de medida da tenso eltrica o Volt (V) e o aparelho de medio o voltmetro.

A figura mais abaixo mostra que surgiu uma tenso eltrica (diferena de potencial) entre os plos da bateria aps a reao qumica entre as placas de cobre e zinco e a soluo qumica.

Em linguagem qumica simplificada explicamos assim: ao mergulhar a tira de zinco na soluo cida, o zinco comea a dissolver-se, isto , tomos de zinco deixam a tira e entram na soluo. Cada tomo de zinco que entra na soluo deixa na placa de zinco dois eltrons. Desse modo, a tira de zinco, por causa dos eltrons ali deixados, fica com excesso de carga negativa.

Os ons positivos de zinco (Zn++) repelem os ons positivos de hidrognio (H+) para a tira de cobre. medida que cada on positivo de hidrognio chega na tira de cobre, retira dela um eltron e torna-se, dessa forma, um tomo neutro. A tira de cobre, cedendo eltrons, fica com excesso de carga positiva.

Assim, foi criada uma diferena de potencial (fora eletromotriz ou tenso eltrica) entre as tiras de zinco e de cobre. Quando ligadas a um condutor, d-se a passagem de eltrons do zinco para o cobre. O processo continua at que toda a tira de zinco tenha sido consumida.

Tenso eltrica

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A existncia de tenso eltrica condio fundamental para o funcionamento de todos os aparelhos e equipamentos eltricos utilizados pelo homem.

A gerao de energia eltrica por ao magntica o mtodo mais comum de produo de energia eltrica em grande escala. A eletricidade gerada por ao magntica produzida quando um condutor movimentado dentro do raio de ao de um campo magntico. Isso cria uma D.D.P. que aumenta ou diminui com o aumento ou a diminuio da velocidade do condutor ou da intensidade do campo magntico.

A tenso gerada por este mtodo chamada de tenso alternada, pois suas polaridades so variveis, ou seja, se alternam. J na pilha o plo positivo sempre positivo e o plo negativo sempre negativo originando a tenso contnua (bateria).

Corrente Eltrica

Se as cargas eltricas acumuladas em um plo negativo tiverem um meio de chegarem ao plo positivo, elas iro se deslocar por esse meio. Isto ocorre quando o plo negativo conectado ao plo positivo atravs de um condutor eltrico. O movimento ordenado dessas cargas eltricas (eltrons) em um condutor recebe o nome de corrente eltrica, a sua unidade de medida o ampre e o aparelho de medio de corrente eltrica o ampermetro.

Podemos ainda colocar no meio do caminho outros dispositivos para transformar a energia proveniente desse movimento de cargas em outro tipo de energia, como por exemplo, uma lmpada que transforma energia eltrica em energia luminosa, ou um motor que transforma energia eltrica em energia mecnica, ou ainda um chuveiro que transforma energia eltrica em energia trmica.

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Resistncia Eltrica

A resistncia eltrica a oposio que um material apresenta ao fluxo de corrente eltrica. Todos os materiais apresentam certa oposio ao fluxo de corrente, essa oposio pode ser maior ou menor dependendo da estrutura atmica do material. Para que a aplicao de uma tenso a um material origine uma corrente eltrica, necessrio que a estrutura desse material permita a existncia de eltrons livres para movimentao.

Quando os tomos de um material liberam eltrons livres entre si com facilidade, a corrente eltrica flui facilmente atravs dele. Nesse caso, a resistncia eltrica desses materiais baixa.

A figura abaixo representa o movimento dos eltrons em um material com baixa resistncia eltrica, onde a corrente flui facilmente.

Por outro lado, nos materiais cujos tomos no liberam eltrons livres entre si com facilidade, a corrente eltrica flui com dificuldade, porque a resistncia eltrica desses materiais alta.

A figura abaixo representa o movimento dos eltrons em um material com alta resistncia eltrica, onde a corrente flui com dificuldade.

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Portanto, a resistncia eltrica de um material depende da facilidade ou dificuldade com que esse material libera cargas para a circulao da corrente eltrica. A unidade de medida de resistncia eltrica o Ohm () e o aparelho de medio o ohmmetro.

O efeito causado pela resistncia eltrica tem muitas aplicaes prticas em eletricidade e eletrnica. Ele pode gerar, por exemplo, o aquecimento no chuveiro, no ferro de passar e no secador de cabelo. Pode gerar tambm iluminao por meio de lmpadas. Em eletrnica um componente muito utilizado o resistor, que funciona como uma resistncia eltrica no circuito. Esse valor de resistncia eltrica pode ser maior ou menor dependendo da aplicao, material de fabricao e dimenses.

Lei de Ohm

Muitos cientistas tm se dedicado ao estudo da eletricidade. George Simon Ohm, por exemplo, estudou a corrente eltrica e definiu uma relao entre tenso, corrente e resistncia eltricas em um circuito. Foi a partir dessas descobertas que se formulou a Lei de Ohm.

A Lei de Ohm estabelece uma relao entre as grandezas eltricas: tenso (V), corrente (I) e resistncia (R) em um circuito. Para comprovar a Lei de Ohm, basta efetuar medies de tenso, corrente e resistncia em circuitos eltricos compostos por uma fonte geradora e um resistor.

Montando-se um circuito eltrico com uma fonte geradora de 9 V e um resistor de 100 , notamos que no ampermetro a corrente circulante de 90 mA.

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Onde: V= 9 V, R= 100 e I= 90 mA.

Substituindo o resistor de 100 por outro de 200 , a resistncia do circuito torna- se maior. O circuito impe uma oposio mais intensa passagem da corrente e faz com que a corrente circulante seja menor. Neste caso a corrente ser de 45 mA.

Onde: V= 9 V, R= 200 e I= 45 mA.

medida que aumenta o valor do resistor, aumenta tambm a oposio passagem da corrente que decresce na mesma proporo.

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Onde: V= 9 V, R= 400 e I= 22,5 mA.

Colocando em uma tabela os valores obtidos nas diversas situaes, obtemos:

Situao Tenso (V) Resistncia (R) Corrente (I) 1 9 V 100 90 mA 2 9 V 200 45 mA 3 9 V 400 22,5 mA

Analisando a tabela de valores, verifica-se que:

A tenso aplicada sempre a mesma. Portanto, as variaes da corrente so provocadas pela mudana de resistncia do circuito. Ou seja, quando a resistncia do circuito aumenta, a corrente do circuito diminui.

Dividindo o valor de tenso aplicada pela resistncia do circuito, obtm-se o valor da intensidade de corrente.

A partir dessas observaes, a concluso que o valor da corrente que circula em um circuito pode ser encontrado dividindo-se o valor da tenso aplicada pela sua resistncia. A transformao dessa afirmao em equao matemtica a Lei de Ohm.

I = V/R

Essa equao a base para o enunciado da Lei de Ohm:

A intensidade da corrente eltrica em um circuito diretamente proporcional tenso aplicada e inversamente proporcional sua resistncia.

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Exerccios resolvidos:

1. Supondo que um aparelho utiliza uma alimentao de 10 V e tem 200 de resistncia. Qual o valor da corrente que circula pela lmpada quando ligada?

Separando as unidades temos:

V = 10 V R = 200 I = ? A

Aplicando a Lei de Ohm:

I = V/R I = 10/200 I = 0,05 A

O resultado fornecido na unidade fundamental de intensidade de corrente. Portanto, circulam 0,05 A ou 50 mA.

2. Supondo que o motor de um brinquedo quando alimentado com 9 V possua um consumo de 0,45 A. Nessa situao qual ser a resistncia eltrica desse circuito?

Separando as unidades temos:

V = 9 V I = 0,45 A R = ?

Aplicando a Lei de Ohm:

I = V/R convertendo a frmula R = V/I R = 9/0,45 R = 20

3. Supondo que um resistor de 200 est consumindo 0,1 A. Qual o valor da fonte qual est conectado o resistor?

Separando as unidades temos:

I = 0,1 A

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R = 200

V = ? V

Aplicando a Lei de Ohm:

I = V/R convertendo a frmula V = R x I V = 200 x 0,1 V = 20 V

Potncia Eltrica

Potncia eltrica a energia gasta por um equipamento, aparelho ou mquina para realizar um trabalho. O trabalho realizado pelo equipamento a converso da energia eltrica em outra energia como, por exemplo, a lmpada que transforma a energia eltrica em energia luminosa, o ferro de passar roupa que transforma energia eltrica em energia trmica e o motor que transforma a energia eltrica em energia mecnica. Existem trs tipos de potncia eltrica, so elas:

Potncia ativa a potncia realmente gasta para realizar um trabalho, os equipamentos que so compostos por resistncias como os chuveiros, lmpadas incandescentes e secadores de cabelo so exemplos de equipamentos que gastam apenas potncia ativa. Sua unidade de medida o Watt (W) e a frmula para seu clculo P = V x I x cos

Potncia reativa a potncia usada apenas para criar e manter os campos eletromagnticos necessrios para o funcionamento de motores, transformadores e reatores de lmpadas fluorescentes. uma energia que no realiza trabalho e, portanto, uma energia perdida no processo. Sua unidade de medida o volt-ampre-reativo (VAr) e a frmula para seu calculo Q = V x I x sen

Potncia aparente a soma vetorial das potncias ativa e reativa que constitui a potncia total transmitida carga. Sua unidade de medida o volt-ampre (VA) e a frmula para o seu clculo S = V x I. comum ser representada apenas como P para facilitar a explicao em livros tcnicos.

Importante: A letra grega indica o ngulo de defasagem entre a corrente e a

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tenso. Quanto menor esse ngulo, melhor para o sistema pois indica que a potncia consumida est realmente sendo transformada no processo. Para maiores informaes sobre potncia ativa, reativa, aparente e fator de potncia, consultar os textos complementares. Para os clculos de dimensionamento utilizada a potncia aparente que a potncia total fornecida carga.

Exemplos: 1. Uma lmpada alimentada com tenso de 127 V consome 1,2 A de corrente. Qual a

potncia consumida?

P = V x I x cos

Como se trata de uma carga puramente resistiva, no h defasagem entre tenso e corrente, portanto o ngulo 0 e o cos 0 1.

P = V x I P = 127 x 1,2 P = 152,4 W

2. Qual a tenso eltrica fornecida a um secador de cabelos de 1270 W que consome 10 A de corrente eltrica?

P = V x I V = P/I V = 1270/10 V = 127 V

3. Um motor alimentado com tenso 220 V consome 1,8 A. Qual a sua potncia aparente?

S = V x I S = 220 x 1,8 S = 396 VA

4. Para o motor do exerccio anterior, qual a potncia ativa para um cos de 0,8? Qual a corrente eltrica consumida pela potncia ativa ?

P = V x I x cos P = 396 x 0,8 P = 316,8 W

I = P/V I = 316,8/220 I = 1,44 A

Observando os exemplos 3 e 4 percebe-se que o motor consome uma corrente eltrica de total de 1,8 A, mas a corrente realmente utilizada para o trabalho do motor 1,44 A.

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Simbologia

Desde os tempos antigos, o homem se preocupa em transmitir para geraes futuras seus inventos, suas idias, seus pensamentos e, para isso, utiliza vrias formas, dentre as quais o desenho e os smbolos.

Hoje, devido complexidade do sistema de produo, o caminho a ser percorrido desde o projeto inicial (idia tcnica) at o produto final (projeto executado) passa por diversas etapas. Na maioria das vezes, quem executa a instalao de um determinado projeto no quem o elaborou. Por isso, h a necessidade de uma simbologia padronizada, evitando assim um dos erros mais comuns que a falha de execuo de um projeto.

A simbologia uma forma de linguagem e, portanto, para ser compreensvel deve ser exata. Ela, bem como todo o conjunto que completa um determinado projeto (esquemas, detalhes, desenhos, etc...), deve ser clara e de fcil interpretao para os que a utilizam. Do mesmo modo que uma lngua, a simbologia est subordinada a regras, que so as Normas Tcnicas da ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas).

A norma tcnica o documento que estabelece as regras e caractersticas mnimas que determinado produto, servio ou processo deve cumprir, permitindo uma perfeita ordenao e a globalizao dessas atividades ou produtos. As normas so fatores vitais para que a evoluo tecnolgica nacional acompanhe com sucesso o processo de globalizao mundial.

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Com as normas, possvel trabalhar com um padro tecnolgico, pois elas permitem que haja consenso entre produtores, governo e consumidores. Isso facilita o intercmbio comercial e aumenta a produtividade e as vendas no s no mercado interno como tambm no mercado externo, pois ficam eliminadas as barreiras tcnicas criadas pela existncia de regulamentos conflitantes sobre produtos e servios em diferentes pases.

As normas brasileiras principais que estabelecem os smbolos a serem utilizados em projetos eltricos residenciais, prediais e industriais so:

NBR 5444 Smbolos grficos para instalaes eltricas prediais

NBR 5261 Smbolos grficos de eletricidade Princpios gerais para desenho de smbolos grficos

NBR 12520 Smbolos grficos de condutores e dispositivos de proteo

NBR 5272 Smbolos grficos de eletricidade Dispositivos de partida

NBR 5274 Smbolos grficos de eletricidade Contatos, chaves, interruptores, dispositivos de alarme e de sinalizao.

Na Biblioteca voc encontra um arquivo com os smbolos utilizados em instalaes eltricas industriais.

Diagramas Eltricos

O diagrama eltrico a fonte de informaes para o eletricista saber a localizao dos equipamentos na planta da fbrica, a quantidade e seo dos condutores e qual a distribuio dos circuitos no projeto. A representao de uma instalao eltrica, ou parte dela, ocorre por meio de smbolos grficos, definidos nas normas NBR 5444, NBR 5259, NBR 5280, NBR 12519, NBR 12520 e NBR 12523.. De todas, a que mais interessa e que ser usada em todas as atividades deste curso a NBR 5444 que estabelece os smbolos grficos utilizados nas instalaes eltricas.

Dos diagramas eltricos existentes, podemos citar como mais utilizado os seguintes:

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diagrama multifilar

diagrama funcional

diagrama de ligao.

diagrama unifilar

O diagrama multifilar usado somente para os circuitos elementares, pois de difcil interpretao quando o circuito complexo. um diagrama que representa todo sistema eltrico em seus detalhes e todos os condutores.

O grande diferencial deste tipo de diagrama a facilidade de representar com clareza a distribuio de cargas pelos circuitos, detalhe que s pode ser especificado em um diagrama multifilar.

Na Figura abaixo temos o diagrama multifilar de uma lmpada acionada por um interruptor simples:

Na figura esto identificados os condutores para melhor visualizao do funcionamento do circuito.

O diagrama funcional usado quando h a necessidade de demonstrar um circuito com clareza e rapidez at para fins didticos. O esquema funcional no se preocupa com a posio fsica dos componentes da instalao.

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O diagrama de ligao utilizado para representar como a instalao executada na prtica.

O diagrama unifilar apresenta as partes principais de um sistema eltrico e identifica o nmero de condutores. O trajeto dos condutores representado por um nico trao. Esse tipo de diagrama geralmente representa a posio fsica dos componentes da instalao, porm no representa com clareza o funcionamento e a seqncia funcional dos circuitos.

A figura a seguir apresenta um diagrama unifilar do circuito eltrico composto por um interruptor simples, uma tomada e uma lmpada.

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O mesmo circuito eltrico, composto por um interruptor simples e uma lmpada, representado pelos quatro tipos de diagramas para que voc observe atentamente a diferena de representao entre eles.

Diagrama multifilar Diagrama funcional

Diagrama de ligao Diagrama unifilar

Para representao de um sistema trifsico industrial, observe a seguir o diagrama multifilar e unifilar da alimentao de um motor:

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Na planta abaixo, voc pode observar alguns smbolos da NBR 5444 empregando nos digramas industriais:

Diagrama 1) Circuito com 2 Motores e 1 lmpada:

Atravs da planta, possvel concluir alguns detalhes sobre a instalao eltrica:

A alimentao sai do quadro parcial de fora e luz, o que significa que a alimentao vem de um quadro geral localizado em outro local da fbrica

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H um ponto de iluminao no teto, composto por duas lmpadas fluorescentes de 40W comandadas pelo interruptor simples a.

O motor 1 (M1) e o motor 2 (M2) so alimentados por trs fases de 2,5mm2 e um condutor terra.

O dimetro dos eletrodutos dos motores de 20mm e o eletroduto da lmpada, como no possui indicao, de 15mm de acordo com a NBR 5444.

O projetista dividiu as cargas em trs circuitos devidamente identificados.

A identificao do circuito na lmpada e nos motores colocada entre dois traos.

Os eletrodutos dos motores so embutidos no piso e parede, e o eletroduto da lmpada embutido na parede e no teto.

Diagrama 2) Planta apenas com o projeto de iluminao:

Na planta de iluminao, podemos observar os seguintes itens:

O quadro parcial alimenta as lmpadas atravs de eletrodutos embutidos no teto

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No h indicao de interruptores nas lmpadas, isso comum em iluminao industrial pois o disjuntor responsvel pelo circuito que liga ou desliga as lmpadas

Como a alimentao das lmpadas j sai do quadro com indicao de condutor de retorno, os disjuntores esto localizados dentro do quadro parcial de fora.

Para a iluminao industrial, podem ser utilizadas lmpadas de vrios tipos. Cabe ao projetista analisar as condies necessrias atividade da empresa e realizar o devido dimensionamento da iluminao. O dimensionamento de instalaes industriais ser estudado nas prximas unidades.

O diagrama eltrico no representa cores dos condutores no circuito, essas cores so padronizadas pela NBR 5410/04 Instalaes eltricas de baixa tenso, so elas:

Condutor neutro: Cor azul

Condutor terra: Cor verde ou verde listrada com amarelo

Condutor fase: demais cores (normalmente utiliza-se vermelho ou preto)