Instalações elétricas e aterramentos

INSTALAÇÕES ELÉTRICAS
E
ATERRAMENTOS ELÉTRICO
Prof. MSc. Leonard Silva

AVALIAÇÕES
▪ Média do semestre obtida a partir de três conjuntos de
notas, a saber:
a) EXERCÍCIOS DE SALA (40%)
b) AVALIAÇÃO ESCRITA (60%)

Contato
▪ E-MAIL
➢ leonard.fernandes@
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➢ (75) 9 9879-8890 (Horário Comercial)

ELETROTÉCNICA
▪ É o ramo da ciência que estuda uso de
circuitos formados por componentes elétricos e
eletrônicos, com o objetivo principal de
transformar, transmitir, processar e armazenar
energia.
▪ Sob esta definição, as usinas hidrelétricas,
termoelétricas e eólicas (que geram energia
elétrica), as linhas de transmissão (que
transmitem energia), os transformadores,
retificadores e inversores (que processam
energia) e as baterias (que armazenam energia)
estão, todos, dentro da área de interesse da
Eletrotécnica.

Introdução e dados históricos
Observação: Um pequeno pedaço de âmbar quando atritado com a
pele atraia pequenos fragmentos de palha
ELETRICIDADE
600 A.C. – Tales de Mileto
Âmbar – Resina Fóssil
proveniente de uma espécie
extinta de pinheiro
Dizemos que o âmbar adquiriu uma carga elétrica (Elétrica deriva-se da
palavra grega Elektron, que significa âmbar)

Observação: Certas pedras encontradas na natureza eram capazes de
atrair o ferro
MAGNETISMO
2000 - A.C. – pastores de ovelhas
Magnetitas – Imãs permanentes

ELETROMAGNETISMO
ELETRICIDADE + MAGNETISMO
Em 1820, Oersted observou a
influência de uma corrente elétrica
em uma bússola

Ampère, Faraday, Lenz e outros, lograram uma descrição
essencialmente completa da ação magnética da corrente elétrica.
❖ Formulou matematicamente as leis do eletromagnetismo
(Equações de Maxwell)
❖ Descobriu que a luz é de natureza eletromagnética e que sua
velocidade pode ser determinada por meio de medidas elétricas e
magnéticas
Óptica relacionada com o Eletromagnetismo
Ondas Eletromagnéticas (rádio)
Maxwell ( 1831-1879)
1° Sistema Elétrico (geração, transmissão e carga) foi
desenvolvido em 1882, Nova York (Thomas Edison)

Carga Elétrica
▪ A matéria é formada de
pequenas partículas, os átomos.
▪ Cada átomo, por sua vez, é
constituído de partículas ainda
menores, no núcleo: os prótons
(positivos) e os nêutrons (sem
carga); na eletrosfera: os
elétrons (negativos).
▪ Às partículas eletrizadas, elétrons
e prótons, chamamos "carga
elétrica".

MATÉRIA ÁTOMOS
Nêutron ( )
Próton ( + )
Elétron ( - )
{
➢A matéria em seu estado normal contém quantidades iguais de
cargas elétricas positivas e negativas.
➢Material carregado positivamente ou negativamente - em termos
de carga líquida.
➢O processo de fricção, ou atrito, não cria cargas, mas apenas
transfere carga de um material para outro.
Carga Elétrica

“Âmbar adquiriu uma carga elétrica”
Verifica-se a presença da carga elétrica através da
existência de forças atrativas e repulsivas entre as
mesmas
Constatou-se que um pedaço de âmbar atritado
com a pele atraia pedaços de papel
Carga Elétrica

Experimentalmente verificou-se a existência de
duas espécies de cargas elétricas
Experiência de atrito:
- 2 bastões de vidro com seda
- 2 bastões de plástico com pelo animal
Resultados:
- 2 bastões de vidro se repelem
- 2 bastões de plástico se repelem
- Bastão de vidro atrai bastão de plástico
Carga Elétrica

➢ Cargas de sinais iguais se repelem e de sinais diferentes se atraem
A razão de semelhança é devido ao tipo (sinal) e não a quantidade
➢ Benjamin Franklin Convencionou
Carga positiva – bastão de plástico e na seda
Carga negativa – bastão de vidro e no pelo
Carga Elétrica

➢A carga é quantizada.
“A experiência mostrou que o fluído elétrico não é contínuo, mas sim
constituído de um múltiplo inteiro de uma certa quantidade mínima de
carga elétrica (carga fundamental)”
Carga fundamental (e) = carga elétrica de um elétron (ou de um próton)
e = 1,6021892 x 10 C (Coulomb)
-19
Medida da Carga Elétrica

Δq = - n.e (se houver excesso de elétrons)
Δq = + n.e (se houver falta de elétrons)
onde:
Δq = quantidade de carga (C)
n = número de cargas
e = carga elementar (C)
Qualquer quantidade de carga “q”, existente na natureza, pode ser
expressa como:
Δq = n x e
Medida da Carga Elétrica

Princípio de Conservação da Carga Elétrica
➢No princípio a carga era considerada um fluído.
➢Teoria atômica da matéria mostrou que todos os elementos da
natureza não são contínuos mas sim formados por átomos.
❖Processo de Fricção
O processo de fricção, ou atrito, não cria cargas, mas apenas as
transfere de um material para outro.
“A soma algébrica de todas as cargas elétricas existentes em um
sistema isolado permanece sempre constante”
“As cargas elétricas não são criadas nem destruídas”

- Charles A. Coulomb mediu a força de interação
entre partículas carregadas – (1785 - Balança de
Torção)
Lei experimental de Coulomb
“O módulo da força elétrica entre duas cargas puntiformes separados pelo
vácuo é diretamente proporcional ao produto das suas cargas e inversamente
proporcional ao quadrado da distância entre elas”
CARGAS PUNTIFORMES:
Corpos carregados de dimensões muito menores que a distância
entre eles
Força Elétrica

k= constante de proporcionalidade = 9x109 N.m2/c2
F= Força em Newton (N)
q= Carga elétrica em Coulomb (C)
d= Distância em metros (m)
Lei de Coulomb
q1 > 0 q2>0
Força Elétrica (Matematicamente)
• A força age na direção da linha que une as duas cargas puntiformes.
• A força é repulsiva se as cargas são de mesma sinal e atrativa se forem de
sinais diferentes.

Campo Elétrico
Existe uma região de
influência da carga Q
onde qualquer carga de
prova q, nela colocada,
estará sob a ação de
uma força de origem
elétrica. A essa região
chamamos de campo
elétrico.

O campo elétrico E é uma grandeza vetorial*. A figura abaixo mostra
a orientação do campo elétrico para uma carga positiva e para uma
carga negativa.
* Grandeza vetorial só pode ser caracterizada quando tem intensidade, direção e sentido.
Campo Elétrico

Campo Elétrico (Matematicamente)
1. Suponha a existência de um pequeno corpo de prova com carga q
positiva no ponto do espaço onde queremos estudar o campo
2. Medimos a força que atua nesse corpo
3. Definição (força por unidade de carga):
 
C
N
q
F
E
o
/


=

Campo Elétrico – Linhas de Força

Campo elétrico devido a uma carga puntiforme
o
q
F
E =

o
qq
a
r
q
q
K
F



2
0
=
q>0
qo>0
F
2
r
a
Kq
E
qqo



=
Cálculo do Campo Elétrico através da Lei de Coulomb

Potencial Elétrico
▪ Consideremos um campo elétrico originado por uma carga puntiforme Q.
▪ Define-se como potencial elétrico VA , num ponto A desse campo, o trabalho
realizado pela força elétrica, por unidade de carga, para deslocá-la desse
ponto A até o infinito.

Nestas condições, o potencial elétrico é dado por:
onde k0 é denominada constante eletrostática, e seu valor no SI é:
O potencial elétrico é uma grandeza escalar,
associado a cada ponto do campo elétrico,
ficando determinado apenas pelo seu valor
numérico.
Portanto, pode ser positivo ou negativo,
dependendo apenas do sinal da carga
criadora do campo elétrico.
1 Volt é o potencial
de um ponto que
fornece a carga de
1C, nele colocada,
uma energia de 1J.
Potencial Elétrico

Diferença de potencial
▪ Graças à força do seu campo eletrostático, uma carga
pode realizar trabalho ao deslocar outra carga por atração
ou repulsão.
▪ Essa capacidade de realizar trabalho é chamada potencial.
▪ Quando uma carga for diferente da outra, haverá entre
elas uma diferença de potencial (ddp - U).

Diferença de potencial (U)
• Definição: Trabalho realizado por uma força externa ao mover uma carga de
prova “qo> 0” de um ponto a outro em um campo elétrico.
• Para determinar a ddp entre dois pontos, A e B, imersos em um campo
elétrico, desloca-se q0 desde A até B, mantendo-a em equilíbrio (movimento
quase estático), e mede-se o trabalho realizado pelo agente que movimenta a
carga
o
AB
A
B
q
W
V
V =
−
ddp=Joule(J)/Coulomb(c)=volts(v)
A
qo:>0
B
E
q
Fe 0
=
F
E
U =

Diferença de potencial (U)
o
B
B
q
W
V 
=
◼ Convencionou-se que o potencial no infinito é zero.
◼ Tomando o ponto “A” como referência, VA=0, temos:
Onde:
W= trabalho que um agente externo deve realizar para trazer a
carga de prova “qo”, imersa em um campo elétrico, do infinito até
o ponto B;
VB= potencial elétrico do ponto B
0
=
A
V

Eletrodinâmica
O fluxo de elétrons em um condutor metálico em equilíbrio eletrostático (EE) é
aleatório, não possuindo, em média, nenhum deslocamento contínuo ao longo do
condutor (EE - o campo elétrico no interior do condutor é nulo)
Estuda o movimento das cargas elétricas
Para haver um fluxo de elétrons diferente de zero (corrente elétrica) é necessário
estabelecer um campo elétrico no interior do condutor (isso pode ser feito ligando uma
pilha nas extremidades do mesmo)
Pilha – ddp nas extremidades e,
conseqüentemente, vai produzir um
campo elétrico no interior do condutor:
o
AB
A
B
q
W
V
V =
−
U =

Movimento dos elétrons
Nos metais, os elétrons das últimas camadas são fracamente ligados a
seu núcleo atômico, podendo facilmente locomover-se pelo material.
Geralmente, este movimento é aleatório, ou seja, desordenado, não
seguindo uma direção privilegiada.

Quando o metal é submetido a uma diferença de potencial elétrico
(ddp), como quando ligado aos dois pólos de uma pilha ou bateria, os
elétrons livres do metal adquirem um movimento ordenado.

A esse movimento ordenado de elétrons damos o
nome de corrente elétrica.

Dependendo do comportamento das cargas elétricas
nos materiais, podemos classificá-los em:
1. Condutores: são os meios materiais nos quais há facilidade de
movimento de cargas elétricas, devido à presença de "elétrons livres". Ex: fio
de cobre, alumínio, etc.
2. Isolantes (dielétricos): são os meios materiais nos quais não há facilidade
de movimento de cargas elétricas. Ex: vidro, borracha, madeira seca, etc.
3. Semicondutores

Observações
Observação 1: A terra é condutora e por ser
extremamente grande, pode funcionar como uma
“fonte” (ou“consumidora”) inesgotável de elétrons
Observação 2: A natureza procura sempre se manter
em equilíbrio (doa elétrons em excesso)
“Indução funciona como uma fonte de energia elétrica”

Intensidade e Medida da Corrente Elétrica
A intensidade de corrente elétrica é dada por:
Onde :
Δq é a quantidade de carga que atravessa a secção reta
do condutor num determinado intervalo de tempo (Δt).

▪ A quantidade de carga não é igual ao número de elétrons que
atravessam a secção reta do condutor; pois |Δq| = n|e| (e é a
carga do elétron).
▪ No SI, a intensidade de corrente elétrica, medida em coulomb(C)
por segundo(s), é denominada ampère (A).
▪ 1Coulomb/segundo = 1C/s = 1A
▪ Na Corrente Contínua (CC), o sentido do campo elétrico E
permanece sempre o mesmo e o sentido de i também não se
altera.
Intensidade e Medida da Corrente Elétrica

• Convencionamos que o sentido da corrente é do movimento das
cargas positivas (corrente elétrica não e vetor é uma grandeza
escalar)
Nota: para existir uma corrente em um condutor, além de se
estabelecer uma campo elétrico no seu interior, é necessário uma
trajetória fechada ou circuito completo.
Corrente elétrica

Força Eletromotriz (F.E.M)
f.e.m. - é o agente externo que faz a corrente fluir do potencial mais
baixo para um mais elevado
Nota: apesar do nome, fisicamente a f.e.m. representa o trabalho por
unidade de carga realizado pelas forças da fonte, na transformação de
alguma forma de energia em energia elétrica
• Unidade:
volts
coulomb
joule
q
w
V =
=
=
=


Força Eletromotriz e circuito
• Fonte de força eletromotriz
Qualquer dispositivo capaz de manter uma diferença de potencial entre
os terminais de um condutor (bateria, gerador, etc.)
+ -
+ -
ddp
I
+

Energia e Potência em circuitos elétricos
• Considerando que uma carga “q” atravessa a caixa de “a”
para “b” sua energia potencial elétrica terá diminuído de:
W = q x Uab
Num intervalo de tempo “t”, a energia transferida para dentro
da caixa é:
a
b
+
-
v
I
i = q/t
P = i x Uab
➢Essa variação recebe o nome de Potência Elétrica

Energia e Potência em circuitos elétricos
• As quantidades “U” e “i” são geralmente funções do
tempo, neste caso escrevemos “U(t)” e “i(t)”.
• Assim, a potência “P” é também função do tempo.
• Algumas vezes é chamada de potência instantânea “P(t)”,
porque o seu valor é referente ao instante de tempo no
qual “U(t)” e “i(t)” são medidos.

Elementos dos Circuitos Elétricos
▪ Elementos Passivos: recebem energia do circuito ➔ a energia total
entregue a ele pelo resto do circuito é sempre positiva (energia
absorvida pelo elemento)
▪ Ex.: resistores, indutores, capacitores, transformadores, etc.
▪ Elementos Ativos: podemos dizer também que os ativos são
componentes que permitem ou uma amplificação ou uma
modificação fundamental em “i”, “U” e/ou potência.
▪ Ex.: Geradores, baterias e circuitos eletrônicos que requerem uma fonte de
alimentação (Amplificador operacional, circuitos integrados de uma forma geral)

Composição do circuito elétrico
Todo o circuito elétrico é constituído pelos seguintes componentes:
▪ Fonte de Alimentação ou gerador ( Eletrodinâmicos ou rotativos
=> Dínamos: produzem corrente contínua; Alternadores:Produzem
corrente alternada. Eletroquímicos => só produzem corrente
contínua);
▪ Condutores e isoladores elétricos;
▪ Aparelhos de proteção, comando e corte;
▪ Aparelhos de medida e contagem;
▪ Aparelho de regulação;
▪ Cargas.
Fonte Corrente Continua

Fonte elétrica
▪ As fontes elétricas são fundamentais na compreensão da
eletrodinâmica, pois elas que mantém a diferença de potencial (ddp)
necessária para a manutenção da corrente elétrica.
▪ Num circuito elétrico, a fonte elétrica é representada pelo símbolo
abaixo:
Símbolo de fonte elétrica no circuito.
O pólo positivo (+) representa o terminal cujo potencial
elétrico é maior. O pólo negativo (-) corresponde ao terminal
de menor potencial elétrico.

Resistores
▪ De onde provém o calor fornecido por aparelhos como ferro elétrico, torradeira,
chuveiro e secadora elétrica? Por que a lâmpada fica quente depois de acesa?
▪ Esse aquecimento acontece pela transformação da energia elétrica em calor,
fenômeno denominado efeito Joule, decorrente da colisão de elétrons da corrente
com outras partículas do condutor. Durante a colisão, a transformação de energia
elétrica em calor é integral.
▪ Condutores com essa característica são denominados resistores.

Resistência elétrica e Lei de Ohm
▪ A resistência elétrica é uma grandeza característica do resistor,
e mede a oposição que seus átomos oferecem à passagem da
corrente elétrica.
▪ Considere o resistor representado no trecho do circuito abaixo,
onde se aplica uma ddp U e se estabelece uma corrente de
intensidade i.

Lei de Ohm
▪ Define-se como resistência elétrica R do resistor o quociente da ddp
U aplicada pela corrente i que o atravessa.
R = U/i
A unidade de resistência elétrica no SI é ohm (Ω).
1ohm = 1Volt/1ampère
▪ O físico e professor universitário alemão Georges Simon Ohm (1787-
1857) verificou experimentalmente que para alguns condutores, o
quociente entre a ddp U e a correspondente intensidade i da corrente
elétrica é constante e que essa constante é a resistência R do
resistor.

A relação U=Ri se transformou na primeira lei da eletrodinâmica,
conhecida como Lei de Ohm. Todo resistor que obedece à Lei de Ohm é
denominado resistor ôhmico, cujo gráfico U x i é o seguinte:
Lei de Ohm

Circuito elétrico simples
▪ O sistema formado por um fio condutor com as extremidades
acopladas aos pólos de um gerador é considerado um circuito
elétrico simples, no qual a corrente elétrica se dá através do fio.
▪ No fio condutor os elétrons se deslocam do pólo negativo para o
pólo positivo. Nesse deslocamento há perda de energia elétrica,
devido a colisões dos elétrons com os átomos do material.

Circuito Elétrico Corrente Contínua (CC)

Potência elétrica e resistores
▪ Num chuveiro elétrico em funcionamento, que quantidade de energia
elétrica é transformada em calor por segundo? Será que tanto no
inverno quanto no verão essa quantidade é a mesma?
▪ Em Eletrodinâmica, a quantidade de energia transformada por
unidade de tempo é denominada potência elétrica.

A partir de P = U2/R pode-se entender
o que acontece no chuveiro elétrico
quando a chave é mudada da posição
de inverno para a de verão.
No inverno, a potência dissipada pelo
resistor do chuveiro deve ser maior que
no verão, portanto, como U é
constante, a resistência do chuveiro é
menor.
Observe que nesse caso circula pelo
resistor do chuveiro uma corrente
maior do que aquela que circula com a
chave na posição de verão.
Potência elétrica e resistores

Associação de resistores
Resistores em Série
Nesse tipo de associação, a corrente elétrica percorre todos os
resistores antes de retornar à tomada.

Resistência equivalente de um circuito em série
A introdução da resistência equivalente em um circuito não modifica
o valor da corrente elétrica, temos:
U=Ri
Sabendo-se que U = U1+ U2 + U3, temos:
Req .i = R1 .i + R2 .i+ R3 .i
Dividindo os membros da igualdade pela corrente i, temos:
Req = R1 + R2 + R3

Em geral, numa associação de resistores em série,
a resistência equivalente Req é igual à soma das
resistências individuais.
Resistência equivalente de um circuito em série

Resistores em paralelo
▪ Quando vários resistores estão associados em paralelo, a ddp entre
os terminais de cada resistor é a mesma e, conseqüentemente, a ddp
entre os terminais da associação também é a mesma.
▪ Nesse tipo de associação, os elétrons retornam à tomada cada vez
que passam por um resistor.

▪ De acordo com a 1ª Lei de Ohm, a corrente
que atravessa cada um dos resistores é
inversamente proporcional à respectiva
resistência.
▪ E a corrente total que atravessa o conjunto
de resistores em paralelo é igual à soma das
correntes que atravessam cada resistor
individualmente.
Resistores em paralelo

Resistência equivalente de um circuito em paralelo

CONDUTORES E ISOLADORES
▪ CONDUTOR: É todo o material que oferece reduzida resistência à passagem da
corrente elétrica. Exemplos: pratas, ouro e cobre.
▪ ISOLADOR: É todo o material que oferece grande resistência à passagem da
corrente elétrica. Exemplos: plástico, papel, madeira e verniz.
▪ O isolamento é conseguido através do revestimento do condutor.

APARELHOS DE PROTEÇÃO
▪ Têm por função proteger o circuito elétrico e as pessoas contra qualquer defeito.
Consideram-se defeitos no circuito tudo o que provoca alterações na circulação da
corrente elétrica ou que a influencia negativamente. Os defeitos mais usuais que
podemos encontrar numa instalação elétrica são:
Curto-circuito – Contato acidental entre o condutor positivo e negativo (corrente
contínua) ou entre a fase e o neutro (corrente alternada): efeito altamente
prejudicial.
Sobrecargas – Aumento da intensidade da corrente numa carga ou numa
instalação.
Fugas de corrente – Porção de corrente que sai fora do circuito, devido a
deficiências de isolamento (choque elétrico).

APARELHOS DE PROTEÇÃO
▪ Exemplos de dispositivos de proteção: fusíveis, disjuntores e conjunto de relés -
térmicos.
Disjuntor Fusível Relé - térmico

APARELHOS DE COMANDO E CORTE
A sua função é controlar o circuito elétrico, permitindo maior rentabilidade e eficácia
da corrente elétrica, tal como:
▪ Ligar e desligar circuitos;
▪ Comandar a ligação de vários receptores;
▪ Comando circuitos em diferente localização.
Exemplo de equipamentos comuns disponíveis no mercado: interruptor, comutador de
escada, comutador de lustre e regulador de intensidade luminosa.

APARELHOS DE MEDIDA
▪ Medem e controlam a variação das grandezas elétricas.
▪ Amperímetro – Intensidade da corrente;
▪ Voltímetro – Tensão elétrica;
▪ Wattímetro – Potência elétrica;
▪ Ohmímetro – Resistência elétrica;
▪ Multímetro – Todas as funções anteriores reunidas num único aparelho.

APARELHOS DE REGULAÇÃO
Regulam o valor da intensidade de corrente, da tensão, da potência e do fluxo
luminoso num determinado circuito. Podem ter as seguintes variantes.
▪ Regulação manual ou automática - Utiliza-se em casas particulares e salas de
cinema para poupar de energia e redução do fluxo de luz, durante a projeção de
filme, e aumento durante o intervalo.
▪ Regulação manual – Utilização em laboratório, para regular o valor da intensidade
de corrente no circuito e a tensão aplicada a carga.

RECEPTORES (CARGAS)
▪ Entende-se por receptor ou carga todo equipamento que absorve a energia,
produzindo trabalho. Na prática, as cargas são aparelhos que transformam a
energia elétrica em outra qualquer forma de energia.
▪ Os circuitos elétricos existem devido à necessidade de alimentar as cargas. A
variedade de carga existe, por sua vez, em função de transformação
energética que operam.

APARELHOS RECEPTORES (CARGAS) COMUNS
Para que se verifique a existência de corrente elétrica ou, se preferirmos, consumo de energia
elétrica, é preciso que a instalação disponha de equipamentos receptores, isto é, que “peçam”
fornecimento de energia à rede. Os receptores comuns a uma instalação elétrica típica são os
seguintes:
▪ Iluminação – Lâmpadas de incandescência (ou de filamento/resistência elétrica), lâmpadas
fluorescentes, lâmpadas de halogênio. Transformam energia elétrica em energia luminosa.
▪ Aquecimento – Irradiadores, ferros de engomar, fogões elétricos, torradeiras. Transformam
energia elétrica em energia calorífera;
▪ Força–motriz – Máquinas de lavar (roupa e louça), aspiradores, ventiladores, batedeiras.
Transformam energia elétrica em energia mecânica.
▪ Sinalização – Campainha, buzinas. Transformam energia elétrica em energia sonora.
▪ Eletroquímicos – Pilhas e acumuladores. Durante a carga transformam energia elétrica em
energia química e durante a descarga transformam energia química em energia elétrica.

EFEITOS A CORRENTE ELÉTRICA
Quanto há circulação de corrente, um ou mais efeitos fazem-se sentir
no circuito, tais como os seguintes:
▪ Calorífero (térmico) – Produzido devido ao choque entre os elétrons
em movimento e os átomos do material condutor. Quanto mais fino
for o condutor, maior é o número de choques e maior o
aquecimento.
▪ Luminoso – Emite radiações luminosas a partir do choque entre os
elétrons e os átomos do filamento das lâmpadas;
▪ Magnético – Consiste em provocar alterações de orientação em
material magnético.
▪ Químico – Decomposição da água em hidrogênio e oxigênio.

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