Baixe Apostilha E.Basica e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL - JOÃO MOREIRA SALLES ELETRICIDADE BASICA Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI Petrônio Machado Zica Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia Alexandre Magno Leão dos Santos Gerente de Educação e Tecnologia Edmar Fernando de Alcântara Elaboração Rogério Silva Batista Unidade Operacional CFP-JMS ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 2 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 13.5 VALOR EFICAZ.......................................................................................................................... 68 CAPÍTULO 14 - MAGNETISMO..................................................................................................... 69 14.1 ÍMAS...................................................................................................................................... 69 14.2 CAMPO MAGNÉTICO................................................................................................................... 70 CAPÍTULO 15 - ELETROMAGNETISMO....................................................................................... 73 15.1 ELETROÍMÃ.............................................................................................................................. 73 15.2 FLUXO MAGNÉTICO.................................................................................................................... 74 15.3 FORÇA ELETROMOTRIZ INDUZIDA.................................................................................................... 78 15.3.1 INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA...................................................................................................... 78 15.3.2 LEI DE LENZ......................................................................................................................... 79 15.3.3 CÁLCULO DA FORÇA ELETROMOTRIZ INDUZIDA................................................................................ 79 CAPÍTULO 16 – INSTRUMENTOS ELÉTRICOS........................................................................... 85 16.1 GALVANÔMETRO....................................................................................................................... 85 16.2 INSTRUMENTO DE FERRO MÓVEL.................................................................................................... 85 16.3 INSTRUMENTO DE BOBINA MÓVEL................................................................................................... 86 16.4 INSTRUMENTO ELETRODINÂMICO.................................................................................................... 87 16.5 INSTRUMENTO ELETRODINÂMICO COM BOBINAS CRUZADAS.................................................................... 87 16.6 INSTRUMENTO COM LÂMINAS VIBRÁTEIS........................................................................................... 88 16.7 SIMBOLOGIA............................................................................................................................. 88 16.8 ERRO POR EFEITO PARALAXE........................................................................................................ 91 16.9 AMPERÍMETRO.......................................................................................................................... 92 16.10 VOLTÍMETRO.......................................................................................................................... 92 16.11 OHMÍMETRO........................................................................................................................... 93 16.12 MULTÍMETRO.......................................................................................................................... 94 16.13 MEGÔHMETRO........................................................................................................................ 95 16.14 TERRÔMETRO......................................................................................................................... 95 16.15 WATTÍMETRO......................................................................................................................... 96 16.16 FASÍMETRO............................................................................................................................ 97 16.17 ALICATE OHM-VOLT-AMPERÍMETRO............................................................................................... 97 16.18 TACÔMETRO.......................................................................................................................... 98 16.19 LUXÍMETRO............................................................................................................................ 99 16.20 ANALISADOR UNIVERSAL DE ENERGIA ELÉTRICA............................................................................... 99 16.21 TERMÔMETRO SEM CONTATO.................................................................................................... 100 CAPÍTULO 17 - DEFASAGEM ENTRE TENSÃO E CORRENTE................................................ 101 17.1 CONCEITOS........................................................................................................................... 101 17.2 RESISTORES LINEARES OU PUROS................................................................................................ 102 17.2.2 COMPORTAMENTO DA RESISTÊNCIA PURA QUANDO ENERGIZADA E CORRENTE CONTÍNUA OU COM CORRENTE ALTERNADA.................................................................................................................................... 103 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 5 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 17.2.2 RESISTORES NÃO-LINEARES.................................................................................................... 103 CAPÍTULO 18 - INDUTORES E INDUTÂNCÍA............................................................................ 104 18.1 LNDUTÂNCIA........................................................................................................................... 104 18.2 CONSTRUÇÃO DO INDUTOR........................................................................................................ 104 18.3 TENSÃO INDUZIDA NO INDUTOR (E).............................................................................................. 105 18.4 - ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE E EM PARALELO...................................................................................... 106 CAPÍTULO 19 - CAPACITORES E CAPACITÂNCIA................................................................... 107 19.1 CAPACITORES........................................................................................................................ 107 ................................................................................................................................................. 107 19.2 CAPACITÂNCIA ....................................................................................................................... 107 19.3 CONSTRUÇÃO DO CAPACITOR..................................................................................................... 108 19.4 - ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES................................................................................................. 111 19.5 - TIPOS DE CAPACITORES.......................................................................................................... 112 19.6 - APLICAÇÕES DOS CAPACITORES................................................................................................ 112 CAPÍTULO 20 - REATÂNCIA....................................................................................................... 113 20.1 REATÂNCIA INDUTIVA ............................................................................................................... 113 20.2 REATÂNCIA CAPACITIVA............................................................................................................. 114 CAPÍTULO 21 - IMPEDÂNCIA..................................................................................................... 115 21.1 CIRCUITO RL SÉRIE................................................................................................................ 116 21.2 CIRCUITO RL PARALELO........................................................................................................... 117 21.3 CIRCUITO RC SÉRIE .............................................................................................................. 119 21.4 CIRCUITO RC PARALELO.......................................................................................................... 121 21.5 CIRCUITO RLC SÉRIE............................................................................................................. 123 21.6 CIRCUITO RLC PARALELO........................................................................................................ 125 CAPÍTULO 22 - POTÊNCIAS MONOFÁSICA E TRIFÁSICA DE CORRENTE ALTERNADA.... 128 CAPÍTULO 23 - CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA.......................................................... 130 23.1 CAPACITOR PARA CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA....................................................................... 131 ANEXO 1- CÁLCULO APLICADO............................................................................................... 132 TRIGONOMETRIA, CÁLCULO DE ÁREA E VOLUME....................................................................................... 132 RELAÇÃO DE PITÁGORAS.................................................................................................................. 144 CÁLCULO DE ÁREA.......................................................................................................................... 144 CÁLCULO DE VOLUME....................................................................................................................... 145 ANEXO 2 – SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES .......................................................... 147 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................. 150 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 6 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Lista de figuras FIG. 1 – ESTRUTURA DO ÁTOMO................................................................................................ 14 FIG. 2 – CAMADAS DOS ÁTOMOS............................................................................................... 15 FIG. 3 - MOLÉCULA....................................................................................................................... 16 FIG.4 – PARTÍCULAS FUNDAMENTAIS DO ÁTOMO.................................................................. 16 FIG. 5 – ÁTOMO EM EQUILÍBRIO................................................................................................. 17 FIG. 6 – ÁTOMO EM DESEQUILÍBRIO.......................................................................................... 17 FIG. 7 – ÁTOMO EM DESEQUILÍBRIO.......................................................................................... 18 FIG. 8 – MATERIAL COM ÁTOMOS EM EQUILÍBRIO.................................................................. 19 FIG. 9 – DESLOCAMENTO DE CARGAS...................................................................................... 19 FIG. 10 – DESLOCAMENTO DE CARGAS.................................................................................... 20 FIG. 11 – REPRESENTAÇÃO DO VOLTÍMETRO......................................................................... 21 FIG. 12 – REPRESENTAÇÃO DO KILOVOLTÍMETRO................................................................. 21 FIG. 13 – REPRESENTAÇÃO DO MILIVOLTÍMETRO.................................................................. 21 FIG. 14 - PROCESSO DE CARGA DE UM CORPO...................................................................... 22 FIG. 15 – REPRESENTAÇÃO DO AMPERÍMETRO...................................................................... 25 FIG. 16 – REPRESENTAÇÃO DO KILOAMPERÍMETRO.............................................................. 25 FIG. 17 – REPRESENTAÇÃO DO MILIAMPERÍMETRO............................................................... 25 FIG. 18 – AMPERÍMETRO DE BANCADA..................................................................................... 28 FIG. 19 – MEDIÇÃO DE CORRENTE SEM INTERRUPÇÃO DO CIRCUITO................................ 29 FIG. 20 – REPRESENTAÇÃO DO OHMÍMETRO........................................................................... 31 FIG. 21 – REPRESENTAÇÃO DO MEGÔMETRO......................................................................... 31 FIG. 22 – REPRESENTAÇÃO DO KILO-OHMÍMETRO................................................................. 31 FIG. 23 – REPRESENTAÇÃO DO MILI-ÔHMÍMETRO.................................................................. 31 FIG. 24 – ÔHMÍMETRO DE BANCADA........................................................................................ 32 FIG. 25 – MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA......................................................................................... 33 FIG. 26 – MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO.......................................................... 33 FIG. 27 – RESISTOR DE FILME DE CARBONO........................................................................... 34 FIG. 28 – CÓDIGO DE CORES..................................................................................................... 35 FIG. 29 – ÁTOMO DE CARBONO.................................................................................................. 37 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 7 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ FIG. 90 – CONEXÕES DO WATTÍMETRO MONOFÁSICO........................................................... 96 FIG. 91 – CONEXÕES DO FASÍMETRO........................................................................................ 97 FIG. 92 – MEDIÇÃO DE CORRENTE ELÉTRICA COM UM ALICATE AMPERÍMETRO..............98 FIG. 93 – TACÔMETRO DIGITAL.................................................................................................. 98 FIG. 94 – LUXÍMETRO DIGITAL.................................................................................................... 99 FIG. 95 – ANALISADOR DE ENERGIA ELÉTRICA..................................................................... 100 FIG 96 – TERMÔMETRO DIGITAL SEM CONTATO................................................................... 100 FIG. 97 – PROJEÇÃO DA CA EM CÍRCULO............................................................................... 101 FIG. 98 – DEFASAGEM ENTRE TENSÃO E CORRENTE.......................................................... 102 FIG. 99 – RELAÇÃO LINEAR EM RESISTORES........................................................................ 103 FIG. 100 - BOBINA............................................................................................................. 105 FIG. 101 – SÍMBOLO DO INDUTOR............................................................................................ 105 FIG. 102 – INDUTORES EM SÉRIE............................................................................................. 106 FIG. 103 – INDUTORES EM PARALELO..................................................................................... 106 FIG. 104 - CAPACITOR................................................................................................................ 107 FIG. 105 – PLACAS E DIELÉTRICO DE UM CAPACITOR......................................................... 108 FIG. 106 – CARREGAMENTO DE CARGAS EM UM CAPACITOR............................................ 108 TAB. 17 – RIGIDEZ DIELÉTRICA DE ALGUNS MATERIAIS...................................................... 110 FIG. 107 – CARGA E DESCARGA EM CAPACITOR.................................................................. 110 FIG. 108 – CAPACITORES EM SÉRIE......................................................................................... 111 FIG. 109 – CAPACITORES EM PARALELO................................................................................ 112 FIG. 110 – MODELOS DE INVÓLUCRO DE CAPACITORES..................................................... 112 FIG. 111 – CAPACITOR EM CA................................................................................................... 112 FIG. 112 – TENSÃO E CORRENTE EM FASE............................................................................ 113 FIG. 113 – CIRCUITO RL SÉRIE.................................................................................................. 116 FIG. 114 – ÂNGULO DE DEFASAGEM ENTRE VR E VG........................................................... 116 FIG. 115 – RELAÇÕES TRIGONOMÉTRICAS ENTRE TENSÕES............................................ 117 FIG. 116 – CIRCUITO RL PARALELO......................................................................................... 118 FIG. 117 – DIAGRAMA FASORIAL.............................................................................................. 118 FIG. 118 – RELAÇÃO TRIGONOMÉTRICA................................................................................. 118 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 10 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ FIG. 119 – RELAÇÕES TRIGONOMÉTRICAS ENTRE CORRENTES........................................ 119 FIG. 120 – CIRCUITO RC SÉRIE................................................................................................. 119 FIG. 121 – DIAGRAMA FASORIAL.............................................................................................. 120 FIG. 122 – RELAÇÕES TRIGONOMÉTRICAS ENTRE TENSÕES............................................. 120 FIG. 123 – CIRCUITO RC PARALELO......................................................................................... 121 FIG. 124 – DIAGRAMA FASORIAL.............................................................................................. 122 FIG. 125 – RELAÇÕES TRIGONOMÉTRICAS ENTRE I V Z....................................................... 122 FIG. 126 – CIRCUITO RLC SÉRIE............................................................................................... 123 FIG. 127 – DIAGRAMA FASORIAL.............................................................................................. 124 FIG. 128 – FREQÜÊNCIA DE RESSONÂNCIA............................................................................ 125 FIG. 129 – CIRCUITO RLC PARALELO...................................................................................... 126 FIG. 130 – DIAGRAMA FASORIAL.............................................................................................. 126 FIG. 131 – RELAÇÃO TRIGONOMÉTRICA ENTRE CORRENTES............................................ 126 FIG. 132 – FREQÜÊNCIA DE RESSONÂNCIA............................................................................ 127 FIG. 133 – TRIÂNGULO DAS POTÊNCIAS................................................................................. 130 FIG. 134 – BANCO DE CAPACITORES PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA......... 132 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 11 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Lista de tabelas TAB. 1 – NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRONS POR CAMADA...................................................... 15 TAB. 2 – MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DO VOLT................................................................... 21 TAB. 3 – MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DO AMPÉRE............................................................. 25 TAB. 4 – MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DO OHM.................................................................... 30 TAB. 5 – RELAÇÃO ENTRE CORES E NÚMEROS NOS RESISTORES..................................... 35 TAB. 6 – TOLERÂNCIA DOS RESISTORES................................................................................. 36 TAB. 7 – RESISTIVIDADE DE ALGUNS MATERIAIS................................................................... 39 TAB. 8 – TEMPERATURA DE RESISTÊNCIA INFERIDA............................................................. 42 TAB. 9 – VALORES DA FIGURA 51.............................................................................................. 60 TAB. 10 – CAPACIDADE DE CONDUÇÃO DE CORRENTE........................................................ 63 TAB. 11 – SIMBOLOGIA UTILIZADA NOS INSTRUMENTOS...................................................... 89 TAB. 12 – SIMBOLOGIA REFERENTE A POSIÇÃO DE TRABALHO DOS INSTRUMENTOS... 90 TAB. 13 – SIMBOLOGIA REFERENTE À CA E CC...................................................................... 90 TAB. 14 – TENSÃO DE ISOLAÇÃO DOS INSTRUMENTOS........................................................ 91 TAB. 15 – CLASSE DE EXATIDÃO DOS INSTRUMENTOS......................................................... 91 TAB. 16 – CONSTANTE DIELÉTRICA DE ALGUNS MATÉRIAIS.............................................. 110 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 12 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Cada elemento existente na natureza apresenta átomos diferentes dos demais elementos. Essa diferença está, basicamente, no número de prótons, elétrons e nêutrons que formam os seus átomos. Os elétrons têm órbitas definidas na eletrosfera, obedecendo a um número máximo por camada, conforme a tabela seguinte: Tab. 1 – Número máximo de elétrons por camada Observa-se, a seguir, a eletrosfera nos átomos de carbono e de alumínio, respectivamente. Fig. 2 – Camadas dos átomos Quanto maior o número de elétrons presentes no átomo maior o seu número de camadas. Como já foi estudado, os prótons do núcleo têm cargas elétricas positivas. Os elétrons, por terem cargas elétricas negativas, são atraídos pelo núcleo e permanecem girando ao redor do mesmo. Os elétrons da última camada são fracamente atraídos pelo núcleo por estarem mais distantes do mesmo,- sendo através desses elétrons que os átomos combinam-se uns com os outros para formarem as moléculas que, agrupadas, formam a matéria. A última camada de elétrons é chamada camada de valência, porque valência é o nome dado à propriedade que os átomos possuem de se combinarem uns com os outros. Na camada de valência, sempre haverá um número máximo de oito elétrons, independente de qual seja ela (K, L, M, N, 0, P ou Q ). A ilustração a seguir mostra um exemplo de molécula. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 15 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 3 - Molécula Características das Partículas: Prótons: tem carga elétrica positiva e uma massa unitária. Nêutrons: não tem carga elétrica mas tem massa unitária. Elétrons: tem carga elétrica negativa e quase não possuem massa. Partículas Fundamentais Os físicos dividem as partículas atômicas fundamentais em três categorias: quarks, léptons e bósons. Os léptons são partículas leves como o elétron. Os bósons são partículas sem massa que propagam todas as forças do Universo. O glúon, por exemplo, é um bóson que une os quarks e estes formam os prótons e os nêutrons no núcleo atômico. Os quarks se combinam para formar as partículas pesadas, como o próton e o nêutron. As partículas formadas pelos quarks são chamadas hádrons. Tal como outras partículas tem cargas diferentes, tipos diferentes de quarks tem propriedades distintas, chamadas "sabores" e "cores" , que afetam a forma de como eles se combinam. Fig.4 – Partículas fundamentais do átomo ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 16 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ CAPÍTULO 2 - Carga elétrica 2.1 Origem da carga elétrica Na natureza, os átomos encontram-se, normalmente, em equilíbrio elétrico nos materiais, ou seja, com o mesmo número de prótons (+) e de elétrons (-), conforme ilustração a seguir. Fig. 5 – Átomo em equilíbrio Quando o átomo perde elétrons, sai da situação de equilíbrio e fica com carga elétrica positiva,. conforme ilustra a figura a seguir. Fig. 6 – Átomo em desequilíbrio Recebe, então, o nome de íon positivo ou cátion. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 17 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 10 – Deslocamento de cargas Assim, as duas pontas do material ficaram com potenciais elétricos diferentes: positivo e negativo. Criou-se, então, uma diferença de potencial no material. No momento em que é formada a diferença de potencial, começa a atuar a força da natureza, que procura sempre manter os átomos em equilíbrio elétrico. Essa força é capaz de movimentar, através do próprio material, os elétrons que estão sobrando em uma ponta para a outra, onde estão faltando, e, por isso, recebe o nome de força eletromotriz ou tensão. A diferença de potencial (ddp) e a força eletromotriz (fem) ou tensão (U) podem ser consideradas como uma só grandeza elétrica, porque aparecem ao mesmo tempo ou sempre juntas. Pelo fato de provocar o movimento dos elétrons, a grandeza elétrica "tensão" é muito importante, pois a energia dos elétrons só é aproveitada, na prática, quando os mesmos estão em movimento. Portanto, tensão ( U )é a força que movimenta os elétrons. Para produzir e manter a tensão em um circuito ou sistema elétrico, são utilizadas máquinas adequadas, como geradores, baterias, pilhas, etc., chamadas fontes geradoras. 3.3 Unidade de medida Toda grandeza pode ser medida, isto é, comparada a um padrão ou unidade de medida. Cada grandeza elétrica também tem sua unidade de medida. Para medir tensão é utilizada a unidade volt, que tem como símbolo V Entretanto, existem situações em que é necessário medir grandes valores de tensão, como, por exemplo, nas linhas de transmissão que transportam energia elétrica das usinas até as cidades. Nesses casos, é utilizado um múltiplo da ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 20 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ unidade, o quilovolt (kV), que tem o valor de 1 000 volts. Assim, para uma linha de transmissão onde a tensão é de 138 000 V, são utilizados 138 kV. Em outras situações, é necessário medir valores muito pequenos de tensão, como, por exemplo, em circuitos de aparelhos eletrônicos, Nesses casos, são utilizados submúltiplos do volt: milivolt (mV), que representa a milésima parte do volt (O,OO1V), e microvolt (  V) que representa a milionésima parte do volt (0,000 001 V). Esquematizando : Tab. 2 – Múltiplos e submúltiplos do volt 3.4 Instrumentos de medida Para comparar o valor de cada grandeza elétrica com a sua unidade de medida (medir), é utilizado um instrumento adequado. Para medir tensão, é utilizado o voltímetro, que tem como símbolo: Fig. 11 – Representação do voltímetro Para medir grandes valores de tensão, é utilizado o quilovoltímetro: Fig. 12 – Representação do kilovoltímetro Para medir valores de tensão muito baixos é utilizado o milivoltímetro: Fig. 13 – Representação do milivoltímetro ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 21 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Observação: Todos os instrumentos citados neste item são voltímetros, ou seja, servem para medir tensão. O que diferencia um do outro é a sensibilidade ou a faixa de valores de tensão que cada um é capaz de medir. Na escolha do voltímetro para realizar uma medição, é necessário: saber se a tensão a ser medida é produzida por uma fonte de corrente contínua (pilha, bateria, fonte retificadora eletrônica, gerador) ou de corrente alternada (rede elétrica de residências, lojas, indústrias, etc.). Os voltímetros adequados para medir tensões em corrente contínua têm gravado, em local visível (normalmente próximo à escala), o símbolo ou "DC". Os voltímetros adequados para medir tensões em corrente alternada têm gravado o símbolo " ou "AC". Os voltímetros que servem para medir tensões tanto em corrente alternada como em corrente contínua têm gravado o símbolo "AC/DC"; saber os valores mínimo e máximo que poderá ter a medida a ser feita,para definir a capacidade do instrumento a ser utilizado, ou seja, definir a sua escala de leitura. Outro detalhe a ser observado é a posição de uso do instrumento, que também é indicada através de símbolos impressos: " " quando o instrumento for para uso na posição vertical, ou " " quando o instrumento for para uso na posição horizontal. Existem, basicamente, dois tipos de voltímetros: analógico' (com ponteiro sobre a escala) e digital (os números aparecem em um visor eletrônico). 3.5 Formas de produzir tensão elétrica Tensão elétrica é a diferença de potencial entre dois corpos, portanto, para que haja tensão elétrica, devemos carregar os corpos eletricamente, isto é, retirar elétrons dos átomos de um corpo e injetá-los no outro. Fig. 14 - Processo de carga de um corpo ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 22 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ a medição é feita utilizando-se um submúltiplo da unidade: miliampére (mA), que equivale à milésima parte do ampère, ou microampère ( A), que equivale à milionésima parte do ampère. Esquematizando Tab. 3 – Múltiplos e submúltiplos do ampére 4.3 Instrumentos de medida Para medir a corrente elétrica, é utilizado o amperímetro, cujo símbolo é : Fig. 15 – Representação do amperímetro Grandes valores de corrente são medidos através do quiloamperímetro Fig. 16 – Representação do kiloamperímetro Para medir valores muito baixos de corrente elétrica, é utilizado o miliamperìmetro Fig. 17 – Representação do miliamperímetro ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 25 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Observação: Todos os instrumentos citados neste item são amperímetros, ou seja, servem para medir intensidade de corrente elétrica. O que os diferencia é a faixa de valores de corrente que cada um é capaz de medir. Na escolha do amperímetro para realizar uma medição, devem ser observados todos os símbolos gravados no mesmo, que o identificam e estabelecem as condições corretas de uso. Existem, basicamente, dois tipos de amperímetros: analógico e digital Os formatos dos amperímetros são diversos, variando de um fabricante para outro, ou ainda de acordo com o tipo de utilização (portátil para uso em bancadas, para fixação em painéis, etc.). Quanto à estrutura, funcionamento e principais componentes, as diferenças são pequenas. Na figura a seguir, pode-se observar um modelo de amperímetro, com identificação de seus componentes externos. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 26 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 27 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Logo, resistência elétrica (R) é a dificuldade encontrada pela corrente elétrica ao atravessar um material . 5.2 Unidade de medida A unidade de medida de resistência elétrica é o ohm, simbolizado por Ω Em alguns casos, é necessário medir valores muito elevados de resistência como, por exemplo, a isolação plástica dos fios elétricos, onde a unidade não seria adequada. Em situações como essa, são utilizados múltiplos do ohm: megaohm (M), que equivale a um milhão de ohms, ou quiloohm (k), que equivale a mil ohms. Existem situações em que é necessário medir valores muito baixos de resistência, como, por exemplo, em uma barra de cobre a ser instalada em um painel. Em casos desse tipo, é necessário utilizar submúltiplos da unidade: miliohm (m), que equivale à milésima parte do ohm, ou microhm ( ), que equivale à milionésima parte do ohm. Esquematizando: Tab. 4 – Múltiplos e submúltiplos do ohm 5.3 Instrumentos de medida Para medir resistência elétrica é utilizado o ohmímetro, cujo símbolo é: ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 30 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 20 – Representação do ohmímetro Grandes valores de resistência são medidos através do megôhmetro, na prática chamado rnegger Fig. 21 – Representação do megômetro ou através do quilohmímetro Fig. 22 – Representação do kilo-ohmímetro Pequenos valores de resistência são medidos através do rniliohrnírnetro Fig. 23 – Representação do mili-ôhmímetro Na escolha do ohmímetro para realizar uma medição, devem ser observados todos os símbolos gravados no mesmo, que o identificam e estabelecem as condições adequadas de uso. Existem, basicamente, dois tipos de ohmímetro: analógico e digital. Os formatos dos ohmímetros são variados, mudando de um fabricante para outro, ou, ainda, de acordo com o tipo de utilização (portátil, para fixação em painéis, para uso em bancadas, etc.). Na estrutura, funcionamento e principais componentes, as diferenças são pequenas. Na ilustração a seguir, observa-se um modelo de ohmímetro com a identificação de seus componentes externos. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 31 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig . 24 – Ôhmímetro de bancada O ohmímetro é um instrumento que mede a dificuldade encontrada pela corrente ao circular em um material. Para isso, através de uma fonte interna (pilha, gerador manual, gerador movido por motor elétrico), injeta elétrons neste material e indica a dificuldade que os mesmos encontram para retomarem ao instrumento. Se os elétrons encontrarem uma resistência baixa, circularão com facilidade, e o ponteiro andará muito sobre a escala, aproximando-se do zero, que está no final da mesma. O valor indicado será pequeno. Se os elétrons encontrarem uma resistência alta, terão dificuldade em circular no material, e o ponteiro andará pouco sobre a escala, indicando, assim, um valor alto. Antes da ligação do ohmímetro, deve ser verificado se o material a ser medido está realmente desenergizado, pois, se não estiver, o instrumento será danificado, podendo ocorrer também danos pessoais. O aparelho tem sua fonte própria. Na figura a seguir, observa-se a instalação do ohmímetro para medição da resistência de um material. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 32 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Como os valores ôhmicos dos resistores podem ser reconhecidos pelas cores das faixas em suas superfícies? Simples, cada cor e sua posição no corpo do resistor representa um número, de acordo com o seguinte esquema, cor e número : PRETO MARROM VERMELHO LARANJA AMARELO VERDE AZUL VIOLETA CINZA BRANCO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tab. 5 – Relação entre cores e números nos resistores A primeira faixa em um resistor é interpretada como o primeiro dígito do valor ôhmico da resistência do resistor. Para o resistor mostrado abaixo, a primeira faixa é amarela, assim o primeiro dígito é 4: Fig. 28 – Código de cores A segunda faixa dá o segundo dígito. Essa é uma faixa violeta, então o segundo dígito é 7. A terceira faixa é chamada de multiplicador e não é interpretada do mesmo modo. O número associado à cor do multiplicador nos informa quantos "zeros" devem ser colocados após os dígitos que já temos. Aqui, uma faixa vermelha nos diz que devemos acrescentar 2 zeros. O valor ôhmico desse resistor é então 4700 ohms, quer dizer, 4 700 ou 4,7 k . A quarta faixa (se existir), um pouco mais afastada das outras três, é a faixa de tolerância. Ela nos informa a precisão do valor real da resistência em relação ao valor lido pelo código de cores. Isso é expresso em termos de porcentagem. A maioria dos resistores obtidos nas lojas apresentam uma faixa de cor prata, indicando que o valor real da resistência está dentro da tolerância dos 10% do valor nominal. A codificação em cores, para a tolerância é a seguinte: ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 35 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ COR MARROM VERMELHO OURO PRATA TOLERÂNCIA + ou – 1% + ou – 2% + ou – 5% + ou – 10% Tab. 6 – Tolerância dos resistores Nosso resistor apresenta uma quarta faixa de cor OURO. Isso significa que o valor nominal que encontramos 4 700  tem uma tolerância de 5% para mais ou para menos. Ora, 5% de 4 700  são 235  então, o valor real de nosso resistor pode ser qualquer um dentro da seguinte faixa de valores: 4700  - 235   = 4 465  e 4 700  + 235  = 4 935  . A ausência da quarta faixa indica uma tolerância de 20% CAPÍTULO 6 - Resistividade 6.1 Fatores que influem no valor da resistência elétrica Existem alguns fatores que, quando alterados, modificam o valor da resistência elétrica de um material. Cada material existente na natureza tem seu átomo ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 36 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ característico, ou seja, o átomo de cada um tem um número de elétrons diferente dos outros materiais que existem. Em um átomo com poucos elétrons, como o do carbono, os elétrons que estão na última camada são fortemente atraídos pelo núcleo e têm grande dificuldade em se deslocarem para outro átomo. Pode-se observar, na ilustração a seguir, um átomo de carbono. Fig. 29 – Átomo de carbono Em átomos com grande número de elétrons, como os do cobre, os presentes na última camada são fracamente atraídos pelo núcleo, tendo pouca dificuldade em se deslocarem para outro átomo. Observa-se, na ilustração a seguir, um átomo de cobre Fig. 30 – Átomo de cobre Pode-se afirmar, então, que a natureza do material (ou tipo de material) influi diretamente no valor da resistência, ou seja, mudando-se o material, altera-se a resistência elétrica. Se forem medidos os valores da resistência de dois materiais de mesma natureza, Porém com comprimentos diferentes, será verificado que o de maior comprimento apresenta, também, maior resistência. Comparativamente, é fácil concluir que um caminho maior é mais difícil de ser percorrido do que um menor. Conclui-se, então, que o comprimento do material influi diretamente no valor da resistência, ou seja, quanto maior o comprimento, maior a resistência e quanto menor o comprimento, menor a resistência. As figuras a seguir ilustram uma situação de resistência de materiais de comprimentos diferentes. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 37 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Qual a resistência total de um cabo elétrico de alumínio, de 50mm2 de seção transversal, que vai de uma usina até a cidade, tendo um comprimento de 73km (73 000m)? Conforme descrito nesta apostila, o valor da resistência elétrica de um material é diretamente proporcional à natureza e comprimento do mesmo, e inversamente proporcional à sua seção transversal. Essa conclusão pode ser expressa matematicamente assim: onde:  = resistividade (  ) R = resistência (  ) S = seção transversal (mm2 ) Essa fórmula permite calcular o problema citado como exemplo Dados: S = 50mm 2 L= 73 OOOM p = 0,030 (alumínio) 6.4 Variação da resistência de acordo com a variação da temperatura ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 40 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ As resistências da maioria dos bons materiais condutores aumentam quase que linearmente com a temperatura acima da faixa das temperaturas normais de operação. Por outro lado, alguns materiais e em particular os semicondutores comuns - têm resistências que diminuem com o aumento da temperatura. Fig. 34 – Variação da resistência em função da temperatura Esse gráfico mostra que, para uma temperatura T1, se tem uma resistência R1. Com a acréscimo de temperatura T2, tem-se, proporcionalmente, uma resistência R2. Se a reta inclinada do gráfico se estender para a esquerda, ela atravessará o eixo da temperatura a uma temperatura T0 na qual a resistência parece ser zero. Esta temperatura To é a temperatura da resistência a zero grau inferida. Se To é conhecida e se a resistência R1 em outra temperatura T1 é conhecida, então a resistência R2 em outra temperatura T2 é, partindo da geometria de linha reta: R1 e R2 = resistências em ohms (inicial e final) T1 e T2 = temperaturas em graus centígrados (iniciai e final). Geral mente, T1 = 20"C To= temperatura negativa, que produz no material (conforme tabela a seguir) uma resistência de zero ohm (inferida) Temperatura da resistência a 0oc ( T0 ) MATERIAL TEMPERATURA TUNGSTÊNIO - 202 COBRE - 234,5 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 41 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ ALUMÍNIO - 236 PRATA - 243 CONSTANTÃ - 125000 Tab. 8 – Temperatura de resistência inferida Exemplo: Quando 12OV são aplicados sobre uma determinada lâmpada. Passa- se uma corrente de O.5A. Aumentando a temperatura do filamento de tungstênio para 2 600OC. Qual é a resistência da lâmpada à temperatura ambiente normal de 20 0c ? E, visto que, na tabela, To para o tungstênio é -202OC, então a resistência a 200C é: 6.5 Classificação dos materiais É grande a importância da resistividade dos materiais no trabalho com a eletricidade desde a sua geração até o consumo, passando pelo transporte. Os materiais empregados nessas diversas fases precisam ter índices de resistividade adequados a cada situação. De acordo com esses índices, os materiais existentes na natureza são classificados em quatro grupos: condutores, resistores, isolantes e semicondutores. 6.5.1 Condutores Alguns materiais são formados por átomos que possuem grande número de elétrons e, por isso, os da última camada podem-se deslocar com relativa ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 42 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 6.5.4 Semicondutores e diodos Ainda não foi identificado, na natureza, um elemento (substância pura) que apresente a propriedade de permitir a passagem da corrente elétrica em apenas um sentido. Alguns elementos como o germânio e o silício são modificados através da edição, em sua estrutura molecular, de átomos de fósforo, antimônio ou arsênico, o que faz com que a mistura apresente alguns átomos com elétrons em excesso. Tais elementos são chamados semicondutores. Adicionando, ao elemento semicondutor, átomos de impurezas - tais como o alumínio, o boro e o índio -, é Possível obter-se uma mistura que apresente alguns átomos com falta de elétrons. Fazendo-se a junção física dessas duas substâncias compostas e diferentes, obtém-se um componente eletrônico chamado diodo semicondutor, que é capaz de conduzir a corrente elétrica em um único sentido. Portanto, semicondutores são substâncias que, modificadas através da adição de impurezas e unidas fisicamente, formam os diodos semicondutores, elementos eletrônicos capazes de permitir o fluxo em sentido único da corrente elétrica. CAPÍTULO 7- LEI DE OHM As resistências limitam a circulação de corrente no circuito. A lei de ohm relaciona estas três grandezas: tensão, corrente e resistência. LEI DE OHM "A corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão e inversamente proporcional à resistência. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 45 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 35 – Circuito elétrico Exemplo 2: Qual a resistência de um chuveiro que absorve 15 A, ligado em 220 V ? ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 46 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ GEORGE SIMON OHM (1789-1854) Físico e matemático alemão, nasceu em Erlangen, na Baviera. Foi professor de matemática em Colônia e em Nuremberg. Entre 1825 e 1827, Ohm desenvolveu a primeira teoria matemática da condução elétrica nos circuitos, baseando-se no estudo da condução do calor de Fourier e fabricando os fios metálicos de diferentes comprimentos e diâmetros usados nos seus estudos da condução elétrica. Este seu trabalho não recebeu o merecido reconhecimento na sua época, tendo a famosa lei de Ohm permanecida desconhecida até 1841 quando recebeu a medalha Copley da Royal britânica. Até essa data os empregos que teve em Colônia e Nuremberg não eram permanentes não lhe permitindo manter um nível de vida médio. Só depois de 1852, dois anos antes de morrer, conseguiu uma posição estável como professor de física na Universidade de Munique. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 47 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 8.3 Circuito misto É quando juntamos uma associação em série e paralela no mesmo circuito. Para o cálculo destes circuitos, utiliza-se as regras de cada circuito isoladamente. Fig. 42 – Circuito misto Obtenção da resistência total (RT) Obtenção da corrente total ( IT ) ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 50 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ CAPÍTULO 9 – Lei de Kirchhoff 9.1 1ªLei de Kirchhoff ou Lei dos nós Enunciado: "A soma das correntes que chegam a um nó deve ser igual à soma das correntes que dele saem". Equação do nó A: I1+I2=I3 Fig. 43 – Representação da 1ª lei de Kirchhoff Exemplo: Fig 44 – Entrada e saída das correntes do nó ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 51 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Observe que a equação do nó A é a mesma do nó B, isto é:IT = I1 + I2 + I3 ou I1 + I2 + I3 = IT o que chega é igual ao que sai . 6 = 0,8 + 1,2 + 4 9.2 2ª Lei de Kirchhoff Enunciado : " A soma das tensões orientadas no sentido horário em uma malha deve ser igual à soma das tensões orientadas no sentido anti -horário na mesma malha ". Fig 45 – Distribuição da tensão no circuito Na figura acima temos uma malha . Quais as tensões com orientação horária ? somente UT. Todas as outras tem orientação anti-horaria.e de acordo com a 2ª Lei de Kirchhoff podemos escrever: UT=U1+U2+U3 Equação da malha : UT = U1 + U2 + U3 Fig. 46 – Representação da 2ª lei de Kirchhoff ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 52 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Unindo esta análise em uma fórmula, resulta em : 10.2 Influência da carga Note que a corrente em cada resistor é a mesma, mas se aplicada uma carga, a corrente em R1 será a soma da corrente em R2 e na carga (Lei de Kirchhoff), logo devemos considerar a corrente de carga para o cálculo da tensão de saída do divisor. Exemplo : Fig. 49 -Comportamento do divisor de tensão com a carga ligada I R1= VRL/RL IRL= 5 /100 IRL= 0,05 A ou 50mA Portanto IR1 será- IR1 = IR2 + IRL IR1 = 0,005 + 0,05 [Rl = 0,055 A ou 55mA Para que não haja dissipação de potência em R2, atribui-se a IR2 um valor menor que IRL (IRL/10)I IR2= IRL/10 IR2= 0,05 / 10 IR2= 0, 005 ou 5mA ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 55 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ E a tensão sobre R1 será Vin-Vout.- R1 = (Vin-Vout) / IR1 R1 = ( 12,5 ) – 0,055 R1 = 127,27 Ω atribuindo 120 Ω ( VALOR COMERCIAL ) A tensão sobre R2 será 5V: R2 = VR2 / IR2 R2 = 5 / 0,005 R2 = 1000 Ω Fig 50 – Potenciais do divisor de tensão com carga ligada 10.3 Cálculo das potências dos resistores Potência é: P =V.I, logo P = V² / R. Associamos um fator de segurança (FS) para garantir o bom funcionamento do circuito (FS=2). Portanto, PR1 = (VR1²/Rl). FS PR1 = (7² / 120).2 PRI = 0,816 W atribuindo 1W (valor comercial) E PR2 = (VR2²/R2). FS PR2 = ( 5² / 1000 ) . 2 PR2 = 0,05 W atribuído ¼ W (menor valor comercial) ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 56 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Capítulo 11 – Teorema de Thevenin e Superposição 11.1 Conceitos Analise o seguinte circuito: Fig. 51 – Circuito misto para análise Se a tarefa fosse descobrir qual o valor da tensão e corrente na carga RL, não seria muito difícil, bastaria calcular a resistência total equivalente, obter a corrente total e retornar a análise, dividindo as correntes até obter a corrente e a tensão sobre a carga. Mas se a tarefa fosse traçar o comportamento da tensão e corrente sobre a carga,tendo esta assumido os seguintes valores: 200 , 30O, 400 , 500  ? Neste caso, seria necessário repetir o cálculo para cada valor de carga RL. É neste ponto que entra o Teorema de Thevenin. Ele descobriu que qualquer circuito formado por múltiplas malhas e uma fonte de tensão pode ser reduzido a um circuito constituído por uma única malha, composta de uma fonte de tensão eqüivalente e de uma resistência eqüivalente às malhas ligadas em série. Fig. 52 – Circuito equivalente thevenin ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 57 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Tab. 9 – Valores da figura 51 11.4 Teorema da superposição O teorema da superposição é usado para resolver um circuito, que contém mais de uma fonte de tensão e / ou corrente. Diz o teorema da superposição: "Dado um circuito, contendo somente bipolos lineares e mais de uma fonte de tensão (e/ou corrente), a corrente em qualquer trecho do circuito é igual à soma algébrica das correntes, devido à cada gerador individualmente, quando os outros geradores são eliminados (gerador de tensão curto-circuitados e gerador de corrente aberto)". Exemplo: Determinar Ix pelo teorema da superposição Supondo as correntes: Devido a G1 Devido a G2 ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 60 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 56 – Teorema da superposição Ix’ = 10 V = 2A Ix’’ = 15V = 3A 5 5 Ix = Ix’ + Ix’’ 5 Convencionando que de B para A é o sentido positivo Ix = (-2) + 3 = 1A O que foi feito para esse circuito simples, vale para um circuito complexo. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 61 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ CAPÍTULO 12 – Potência elétrica 12.1 CONCEITOS Em um circuito, a corrente elétrica é que irá executar trabalho, mas qual trabalho necessita maior corrente elétrica? Um chuveiro ligado em 22OV ou uma torneira elétrica ligada em 110 V ? Para podermos comparar dois aparelhos elétricos, devemos utilizar a potência elétrica, que vem a ser o trabalho realizado por unidade de tempo. O trabalho elétrico surge quando movimentamos uma quantidade de cargas em um condutor e é medido em JOULE -J-. Um Joule corresponde a um ampére impulsionado por um volt, durante um segundo. A potência elétrica indica a rapidez com que se realizará o trabalho. Sua unidade de medida é o WATT -W-, e um Watt é alcançado quando realizamos o trabalho de um Joule em um segundo. TRABALHO ELÉTRICO (  ) surge do movimento de cargas em um condutor. Unidade => Joule 1 J = 1 V. 1 A. em 1 s POTÊNCIA ELÉTRICA (P) indica a rapidez com que será realizado o trabalho elétrico. Unidade =:> Watt 1 W = 1 J . em 1 s Para o cálculo da potência elétrica de um aparelho sob tensão e consumindo uma corrente elétrica, usamos a seguinte fórmula: P=Vxl P = Potência elétrica ern W V = Tensão elétrica ern V I = Corrente elétrica ern A Equívalências: 1 CV = 736 W 1 HP = 745,7 W 1 BTU = 0,293 W Exemplo Um chuveiro que trabalha com uma potência de 4700 W, se ligado a uma tensão de 220 V, qual será o consumo de corrente elétrica deste chuveiro? I = P/V ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 62 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ CAPÍTULO 13 - Freqüência 13.1 Conceitos É o número de oscilações ou ciclos no período de um segundo. Hoje, a unidade de freqüência ciclos por segundo é uma denominação pouco usada. Em homenagem ao físico alemão Heinrích Hertz, denominou-se Hertz (Hz) a unidade de medida de freqüência ou ciclagem, e esta é a unidade adotada atualmente pelo sistema internacional (SI). No Brasil, adotou-se, como padrão de freqüência, a medida de 60 ciclos (6OHz). Portanto, analisando o gráfico a seguir, verifica-se que, em um segundo, têm-se 60 ondas senoidais. Fig. 57 – Freqüência em ca 13.2 Cálculo do período em função da freqüência O período varia em função da freqüência. Como pode-se observar no gráfico, a freqüência é de 1 Hz, pois o período de um segundo é o tempo necessário para se realizar uma onda completa. Fig. 58 – Gráfico da CA ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 65 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Supondo-se que a freqüência seja igual a 2Hz ou dois ciclos por segundo, deduz- se que, em decorrência da freqüência ter dobrado, o período será reduzido à metade. Este gráfico comprova que o período de formação de um ciclo é igual a 0,5 segundo. Fig. 59 – Período da CA Conclui-se, portanto, que, quanto maior for a freqüência, menor será o período e, conseqüentemente, entre período e freqüência, existe uma relação de inverso. Como já foi estudado anteriormente a relação de inverso pode ser representada matematicamente pela fórmula: onde: P = período (dado em segundos) f = freqüência (dada em hertz) 13.3 Valor de pico Chama-se valor de pico o valor máximo atingido por uma onda senoidal, podendo ser esse valor positivo ou negativo. Analisando este gráfico, pode-se observar que a onda senoidal parte de zero, vai até o valor máximo positivo, retoma a zero, vai até o valor máximo negativo e retorna a zero novamente. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 66 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 60 – Valor de pico da CA Tem-se, então em destaque, o valor máximo positivo (representado pela sigla Vp+) e o valor máximo negativo (representado pela sigla Vp-). Conclui-se, portanto, que o valor de pico é sempre a metade do valor total da tensão, pois considera-se apenas a tensão de um semicicio. 13.4 Valor de pico a pico Como foi estudado no sub-ítem anterior, em um ciclo, têm-se os valores máximo positivo e máximo negativo, representados por Vp+ e Vp-. Portanto, o valor de pico a pico é a soma desses dois valores, que expressa o valor total da corrente ou tensão. Analisando este gráfico, pode-se observar que o mesmo é constituído de um semicicio positivo (destacando-se o Vp+) e um semiciclo negativo (destacando-se o Vp-). Fig. 61 – Valores pico a pico da CA ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 67 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 62 – O planeta terra como um imenso ímã • No pólo Norte geográfico, fica situado o pólo Sul magnético e, no pólo Sul geográfico, fica situado o pólo Norte magnético: • Azimute é a condição do ponteiro da bússola a,apontar sempre para o Norte geográfico - o que permite a direção de navegacão angular em relação ao eixo Norte. 14.2 Campo magnético A região em tomo de um ímã, onde são exercidas ações magnéticas, é chamada campo magnético. Espalhando limalhas de ferro no campo magnético de um ímã, nota-se que elas se dispõem segundo linhas bem definidas denominadas linhas de força do campo magnético. As linhas de força, por convenção, sempre se dirigem - externamente - do pólo Norte para o pólo Sul do ímã. Fig. 63 – Espectro magnético ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 70 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ O número total de linhas de forca de um ímã é chamado fluxo de indução magnética, cujo símbolo é  (fi - letra grega) e é medido emweber (Wb). Unidade legal no Brasil. É preciso observar que o campo magnético não se manifesta somente em um plano: ele é uma região do espaço. Supondo-se, no interior do campo de um ímã uma superfície de 1cm 2 , o número de linhas de força que passam através dessa superfície permite avaliar a intensidade do campo magnética (H), urna grandeza expressa em oersted (Oe). A intensidade do campo magnético não é igual em todos os seus pontos, pois, à medida que se afasta do ímã, escasseiam - se as linhas de força. Assim, como pode ser visto na figura a seguir, na zona A, haverá uma intensidade de campo magnético de maior valor do que a correspondente na zona B, uma vez que, na zona A, há um maior numero de linhas de força. H =  S Fig. 64 – Campo magnético onde : H = intensidade de campo magnético, em oersted (Oe) = fluxo magnético, em webers (Wb), podendo ser encontrado em outra unidade (maxwell - Mx) S = superfície ou área em cm2 Observações: ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 71 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ • Outra unidade de medida de fluxo magnético, que poderá ser utilizada em casos especiais é o Maxwell (Mx). Para trabalhar com mudanças de unidades, considera-se 1 Mx = 10 –8 Wb . • O símbolo de quantidade de fluxo magnético é  para um fluxo constante e  ( fi minúsculo )para um fluxo variável de tempo. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 72 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 68 – Regra do saca-rolhas O campo magnético criado pela corrente que circula num condutor é, em geral, muito fraco. Para aumentá-lo, enrola-se o condutor em forma de bobina, formando um solenóide. Deste modo, o número de linhas de força no interior do solenóide aumenta, o que acarreta uma maior intensidade do campo magnético. Esse aumento depende do valor da intensidade de corrente e do número de espiras do solenóide. Diz-se que a intensidade do campo magnético no interior do solenóide depende do valor de ampéres-espiras ao solenóide. A polarização em uma bobina (identificação dos pólos Norte e sul) é ilustrada pela figura a seguir, através da regra da mão esquerda, onde sempre a direção do dedo polegar indicará o pólo Norte e os outros dedos contornam o enrolamento e demonstram os sentido de entrada da corrente elétrica na bobina, conforme figura a seguir. Fig. 69 – Regra da mão esquerda ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 75 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ As linhas de força saem do pólo Norte e se dirigem para o pólo Sul, na parte externa, e, na parte interna de Sul para Norte.Se for introduzido no solenóide um núcleo de ferro, tem-se um eletroímã. O número de linhas de força por cm2 no núcleo de ferro do eletroímã, é bem maior do que com núcleo de ar, em igualdade de condições de ampéres - espiras, isto é, a intensidade do campo magnético é maior no ferro que no ar.Ou seja, o ferro é mais permeável às linhas de força do campo magnético do que o ar. As linhas de força que se espalhavam no núcleo de ar, agora com núcleo de ferro, se juntam. Há uma nítida preferência em circular pelo ferro, por ser ele mais permeável do que o ar. A permeabilidade magnética dos materiais tem o símbolo de Quantidade  (mu - letra grega) e é uma medida desta propriedade intensificadora do fluxo . Ela tem uma unidade de henry por metro e um símbolo unitário H / m (o henry, como símbolo unitário H, é a unidade da indutância). A permeabilidade do vácuo designada por  o , é igual a 0,4..  . H / m. As permeabilidades de outros materiais estão relacionadas àquela do vácuo através de um fator chamado permeabilidade relativa, com o símbolo  r. A relação é:  =  r x  o Onde: Fig.70 – Linhas de força  = coeficiente de permeabilidade magnética, em H / m  r = permeabilidade relativa do material  o = permeabilidade no vácuo = 0,4 ..  . H / m A maior parte cios materiais tem sua permeabilidade relativa próxima de 1, mas o ferro puro a tem na faixa de 6 000 a 8 000, e o níquel, na faixa de 400 a 1 000. O permalói - uma liga de 78,5% de níquel e 21,5% de ferro - tem uma permeabilidade relativa de 80 000. Isso permite classificar os materiais em: • diamagnéticos - quando  < 1. Eles enfraquecem o campo magnético. São exemplos: cobre, chumbo, mercúrio, ouro, zinco e a água. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 76 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ • não-magnéticos – quando  = 1. O campo magnético é indiferente à presença desses materiais. Exemplos: plástico e madeira. • paramagnéticos - quando  > 1. Esses materiais imantam-se de forma pouco intensa. Exemplos: alumínio, cromo, estanho, o ar e o oxigênio líquido. • ferromagnéticos – quando  >> 1. Esses materiais imantam-se de uma forma muito intensa. Exemplos: ferro. cobalto. níquel e o aço. Fig. 71- Concentração do campo magnético Conclui-se que o número de linhas de força por cm2 no ferro é maior que no ar. No núcleo de ar de uma bobina, esta grandeza é denominada intensidade do campo magnético (H), cuja unidade é o Oersted (Oe). Já no núcleo de materiais ferromagnéticos (  >> 1 ). O número de linhas de força por cm2 de seção é chamado densidade do fluxo ou indução magnética (B), medida em tesla (T). Portanto: B = . H onde: B = indução magnética em teslas (T)  = coeficiente de permeabilidade em henrys por metro (H / m) H = intensidade de campo magnético, em Oerteds (Oe) Também se define o fluxo magnético (  ) como o produto da indução magnética (B) pela seção transversal (S): ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 77 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ A lei de Faraday é expressa pela seguinte relação : Onde : E = força eletromotriz induzida (valor médio), em volts (V)  = variação de fluxo magnético, em webers (Wb) t = tempo decorrido durante a variação de fluxo, em segundos (s)  = razão de variação de fluxo magnético (Wb /s) ------ t Observação : O sinal negativo (-) indica que a f.e.m. induzida opõe-se, pelos seus efeitos, à causa que a produziu. Segue-se uma análise gráfica da curva senoidal para a lei de Lenz em uma bobina. Fig. 73 – Análise da curva senoidal ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 80 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ A figura acima mostra que a corrente senoidal produz um fluxo (), também senoidal, porque os mesmos (corrente e fluxo) são proporcionais. A variação de fluxo cria a f.e.m. induzida. Quando se trata de uma bobina submetida a um campo magnético variável, a tensão média induzida na mesma é obtida com a equação: sendo: N = número de espiras da bobina Segue-se a ilustração do que se passa com o fluxo magnético, as variações da corrente alternada, e este mesmo fluxo em expansão e contração numa espira, isto é, mostra os pontos que indicam as variações da corrente na senóide. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 81 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 74 – Corrente em pontos diferentes da senóide A seguir, é mostrado como o fluxo magnético se expande e se contrai com as variações da corrente. Fig. 75 – Expansão e retração do campo magnético A figura seguinte ilustra o efeito da auto-indutância em uma bobina. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 82 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ CAPÍTULO 16 – Instrumentos elétricos 16.1 Galvanômetro O galvanômetro é um dispositivo eletromecânico que tem a finalidade de indicar a presença ou ausência de corrente elétrica em um circuito elétrico e o sentido dessa corrente. Fig. 78 - Galvanômetro 16.2 Instrumento de ferro móvel Sabe-se que duas lâminas de ferro doce repelem-se quando expostas a um campo magnético criado por uma bobina percorrida por uma intensidade de corrente elétrica. Esse efeito é utilizado em instrumento de medida de ferro móvel, para determinação do valor da intensidade de corrente elétrica. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 85 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 79 – Instrumento ferro móvel 16.3 Instrumento de bobina móvel Neste tipo de instrumento, o deslocamento do sistema móvel é obtido através da ação mútua entre os campos magnéticos de um ímã permanente e de uma bobina percorrida por uma intensidade de corrente elétrica. Fig. 80 – Instrumento de bobina móvel ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 86 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 16.4 Instrumento eletrodinâmico É constituído basicamente de duas bobinas, sendo uma fixa (denominada Bc) e outra móvel (denominada Bp). A bobina fixa é composta de duas meias bobinas idênticas, ligadas em série e com um espaçamento entre si. Nesse espaçamento, é colocado o conjunto móvel, que é formado pela bobina móvel suportada por um eixo. Preso a esse eixo,estão duas molas em espiral e o ponteiro. Fig. 81 – Instrumento eletrodinâmico 16.5 Instrumento eletrodinâmico com bobinas cruzadas Tem seu funcionamento baseado no princípio eletrodinâmico exercido entre as bobinas fixas e bobinas móveis cruzadas. Fig. 82 – Instrumento de bobinas cruzadas ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 87 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Tab. 12 – Simbologia referente a posição de trabalho dos instrumentos Tab. 13 – Simbologia referente à CA e CC ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 90 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Tab. 14 – Tensão de isolação dos instrumentos Tab. 15 – Classe de exatidão dos instrumentos 16.8 Erro por efeito paralaxe É o erro de leitura que ocorre devido ao posicionamento incorreto o operador em relação à escala do instrumento. Para diminuir a incidência desse erro, alguns instrumentos contêm dispositivos que facilitam a leitura de sua escala graduada, como por exemplo, espelho e lâmina de formato bem fino. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 91 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 16.9 Amperímetro O amperímetro é um instrumento que se destina exclusivamente à medição da corrente elétrica que percorre o circuito interno do instrumento. Por isso, o mesmo deve apresentar uma resistência interna muito baixa, evitando que o instrumento se tome uma carga adicional no circuito. Fig. 84 – Elementos principais do amperímetro 16.10 Voltímetro O voltímetro é um instrumento destinado à medição da tensão elétrica. Ele também é apresentado em duas versões: analógico e digital. No voltímetro, quanto maior for a relação /V, melhor é a qualidade do aparelho, porque maior será o valor de sua resistência interna. Por ser um instrumento para medição de tensão elétrica, deve ser conectado em paralelo com a rede de alimentação. Fig. 85 – Elementos principais do voltímetro ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 92 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 16.13 Megôhmetro O megôhmetro é um instrumento destinado à medição de resistência de isolamento em dispositivos ou equipamentos elétricos. Seu funcionamento básico é igual ao do ohmímetro, porém a tensão de teste é muito mais elevada. Fig. 88 - Megômetro 16.14 Terrômetro O terrômetro é um instrumento utilizado para medição de resistência de terra nos sistemas de aterramento. É semelhante ao megôhmetro mas com escala adaptada para resistência de terra (0,01 a 9 990 ohms). A conexão do instrumento à terra é feita através de hastes de aterramento. Basicamente, são encontrados no mercado dois tipos de terrômetro: com gerador manual (gerador interno acionado por manivela) e com baterias (que possui internamente um inversor eletrônico). ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 95 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ Fig. 89 - Terrômetro 16.15 Wattímetro O wattímetro é um instrumento utilizado para a medição de potência elétrica em circuitos. Através de uma relação entre tensão e corrente (CC ou CA), o wattímetro mede a potência ativa do circuito. Fig. 90 – Conexões do wattímetro monofásico ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 96 Eletricidade Básica ____________________________________________________________ 16.16 Fasímetro O fasímetro é um instrumento destinado a medir a defasagem angular entre corrente (I) e tensão (V) em circuitos de CA. Este instrumento determina o fator de potência do circuito (cos ) Fig. 91 – Conexões do fasímetro 16.17 Alicate ohm-volt-amperímetro O alicate ohm-volt-amperímetro é um instrumento portátil de teste, similar ao multiteste convencional. É utilizado em testes de tensão, corrente e resistência. Devido à sua aplicação ser direcionada para a manutenção elétrica e não eletrônica, as escalas de corrente são bem mais amplas que as dos multitestes convencionais. Outra vantagem deste instrumento é a de não ser necessária a seção do fio para se medir a corrente. O alicate possui uma garra móvel. A corrente que passa pelo fio induz um sinal (campo magnético) que excita o galvanômetro. ____________________________________________________________ Curso Técnico de Automação Industrial 97