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Eletricidade Básica




CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA
                FÍSICA APLICADA
                ELETRICIDADE BÁSICA




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Eletricidade Básica




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Eletricidade Básica




           FÍSICA APLICADA
            ELETRICIDADE BÁSICA
          NESTOR CORTEZ SAAVEDRA FILHO




                   EQUIPE PETROBRAS
                  Petrobras / Abastecimento
UN´S: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP
                                                                             3


                        CURITIBA
                          2002
Eletricidade Básica
                                               Disciplina
                                             Física Aplicada

                                                  Módulo
                                            Eletricidade Básica

                                              Ficha Técnica

          Contatos com a Equipe da Repar:                            Antonio Razera Neto
      Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar       (Coordenador do Curso de Desenho Industrial)
          Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16                            Maurício Dziedzic
            83700-970 Araucária – Paraná                 (Coordenador do Curso de Engenharia Civil)
               Mario Newton Coelho Reis                               Júlio César Nitsch
                   (Coordenador Geral)                      (Coordenador do Curso de Eletrônica)
        Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717                Marcos Roberto Rodacoscki
          e-mail: marioreis@petrobras.com.br                (Coordenador do Curso de Engenharia
                                                                            Mecânica)
                        Uzias Alves                            Nestor Cortez Saavedra Filho
                 (Coordenador Técnico)                                        (Autor)
                    Tel.: (41) 641 2301                                Marcos Cordiolli
             e-mail: uzias@petrobras.com.br                    (Coordenador Geral do Projeto)
                    Décio Luiz Rogal                                   Iran Gaio Junior
                    Tel.: (41) 641 2295                     (Coordenação Ilustração, Fotografia e
             e-mail: rogal@petrobras.com.br                               Diagramação)
       Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva                  Carina Bárbara R. de Oliveira
                    Tel.: (41) 641 2433                          Juliana Claciane dos Santos
             e-mail: ledyc@petrobras.com.br               (Coordenação de Elaboração dos Módulos
                      Adair Martins                                       Instrucionais)
                    Tel.: (41) 641 2433                            Érica Vanessa Martins
             e-mail: adair@petrobras.com.br                            Iran Gaio Junior
                                                                  Josilena Pires da Silveira
       UnicenP – Centro Universitário Positivo                (Coordenação dos Planos de Aula)
                  Oriovisto Guimarães                              Luana Priscila Wünsch
                         (Reitor)                                  (Coordenação Kit Aula)
                    José Pio Martins                           Carina Bárbara R. de Oliveira
                      (Vice Reitor)                              Juliana Claciane dos Santos
                     Aldir Amadori                              (Coordenação Administrativa)
               (Pró-Reitor Administrativo)                         Claudio Roberto Paitra
                    Elisa Dalla-Bona                               Marline Meurer Paitra
                (Pró-Reitora Acadêmica)                                  (Diagramação)
            Maria Helena da Silveira Maciel                      Marcelo Gamaballi Schultz
        (Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação           Pedro de Helena Arcoverde Carvalho
                      Institucional)                                       (Ilustração)
                 Luiz Hamilton Berton                              Cíntia Mara R. Oliveira
        (Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa)                     (Revisão Ortográfica)
                  Fani Schiffer Durães                      Contatos com a equipe do UnicenP:
       (Pró-Reitora de Pós-Graduação e Pesquisa)          Centro Universitário do Positivo – UnicenP
                    Euclides Marchi                                Pró-Reitoria de Extensão
       (Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e         Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300
                    Sociais Aplicadas)                              81280-320 Curitiba PR
4          Helena Leomir de Souza Bartnik                             Tel.: (41) 317 3093
         (Coordenadora do Curso de Pedagogia)                         Fax: (41) 317 3982
                   Marcos José Tozzi                             Home Page: www.unicenp.br
         (Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e                e-mail: mcordiolli@unicenp.br
                      Tecnologias)                               e-mail: extensao@unicenp.br
Eletricidade Básica




Apresentação

     É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você.
     Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife-
renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de
você e de seu perfil empreendedor.
     Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o
Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada
pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos
que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.
Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos
de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc-
nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po-
dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um
processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado
pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da
Petrobras.
     Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras
fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar
seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na
Petrobras.

Nome:

Cidade:

Estado:

Unidade:


Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo.




                                                                                5
Eletricidade Básica




                                                        Sumário
    1    PRINCÍPIOS DA ELETRICIDADE ................................................................................. 7
         1.1 O que é Eletricidade? ................................................................................................ 7
         1.2 Processos de Eletrização........................................................................................... 8
         1.3 Interações entre cargas elétricas: força e campo elétrico ......................................... 11
         1.4 Trabalho e Potencial Elétrico ................................................................................. 12
         1.5 Corrente Elétrica ..................................................................................................... 13
         1.6 Força Eletromotriz .................................................................................................. 14
         1.7 Resistência Elétrica: Leis de Ohm .......................................................................... 14
         1.8 Associação de Resitores ......................................................................................... 16
         1.9 Leitura de Resistores – Código de Cores ............................................................... 16

    2    PRINCÍPIOS DE ELETROMAGNETISMO ................................................................. 18
         2.1 Magnetismo ............................................................................................................ 18
         2.2 Interação entre corrente elétrica e campo magnético: Eletromagnetismo .............. 19
         2.3 Cálculo da Intensidade do Campo Magnético ........................................................ 19
         2.4 Campos Magnéticos na Matéria ............................................................................. 21
         2.5 Fluxo Magnético ..................................................................................................... 22
         2.6 Indução Eletromagnética ........................................................................................ 23

    3    ELETROMAGNETISMO: APLICAÇÕES .................................................................... 25
         3.1 O Gerador de Corrente Alternada ........................................................................... 25
         3.2 Geradores Polifásicos ............................................................................................. 27
         3.3 Gerador de Corrente Contínua................................................................................ 28
         3.4 Corrente Alternada x Corrente Contínua ................................................................ 29
         3.5 Transformadores ..................................................................................................... 30
         3.6 Capacitores ............................................................................................................. 30
         3.7 Indutores ................................................................................................................. 32
         3.8 Capacitores, Indutores e Corrente Alternada .......................................................... 33
         3.9 Potência em Circuitos CA ...................................................................................... 34
         3.10 Circuitos Trifásicos ................................................................................................. 35

    4    COMPLEMENTOS ........................................................................................................ 37
         4.1 Medidas Elétricas ................................................................................................... 37
         4.2 Unidades de Medidas ............................................................................................. 39
6        EXERCÍCIOS ................................................................................................................. 40
Eletricidade Básica




           Princípios da
           Eletricidade                                                        1
                                                   de experiências feitas em 1906. Mas como este
1.1 O que é Eletricidade?
                                                   modelo ajuda nossa compreensão sobre a na-
     Embora os fenômenos envolvendo eletri-
                                                   tureza da eletricidade?
cidade fossem conhecidos há muito tempo (to-
                                                         Freqüentemente, falamos em “carga elé-
dos já devem ter ouvido falar da famosa expe-
                                                   trica”. O que vem a ser isto? Suponha que você
riência do americano Benjamin Franklin sol-
                                                   tem um corpo “carregado com carga negati-
tando pipa em um dia de tempestade), somen-
                                                   va”. Considerando que, as cargas que conhe-
te durante o século XIX, investigações, mais
                                                   cemos são aquelas representadas nos átomos,
científicas foram feitas. Faremos, então, uma
                                                   os prótons (positivos) e os elétrons (negativos),
breve discussão sobre os fenômenos elétricos.
                                                   então, um corpo com “carga negativa”, na ver-
     Hoje sabemos que a explicação da natu-
                                                   dade, é um corpo em cujos átomos há um maior
reza da eletricidade vem da estrutura da maté-
                                                   número de elétrons do que de prótons. Ou, de
ria, os átomos. Na figura 1, vemos um esboço
                                                   maneira contrária, outro corpo com carga po-
de um átomo dos mais simples, o de Lítio.
                                                   sitiva é aquele em que o número de elétrons é
Temos o núcleo deste átomo, que é composto
                                                   menor do que o número de prótons. Esta vari-
por dois tipos de partículas: os prótons, partí-
                                                   ação de cargas positivas para negativas em um
culas carregadas positivamente, e os nêutrons,
                                                   corpo é feita mais facilmente variando o nú-
que têm a mesma massa dos prótons, só que
                                                   mero de elétrons do corpo, já que como eles
não são partículas carregadas.
                                                   estão na periferia dos átomos, são mais facil-
                                                   mente removíveis.
                                                         Conceito de Carga Elétrica: Como con-
                                                   seqüência do que colocamos acima, toda car-
                                                   ga que aparece em um corpo é um múltiplo da
                                                   carga de cada elétron, uma vez que, para tor-
                                                   narmos um corpo negativamente carregado,
                                                   fornecemos a este 1 elétron, 2 elétrons, assim
                                                   por diante. Da mesma maneira, para tornar-
                                                   mos o corpo carregado positivamente, é ne-
                                                   cessário “arrancar” de cada átomo um elétron,
                                                   dois elétrons, etc. Este processo de variação
FIGURA 1                                           do número de elétrons dos átomos é chamado
                                                   de ionização. Um átomo cujos elétrons não
     Orbitando ao redor do núcleo temos par-       estejam em mesmo número de seus prótons é
tículas cerca de 1836 vezes mais leves que os      chamado de íon. Assim, de uma maneira ge-
prótons, os elétrons, que apresentam cargas        ral, toda carga Q pode ser calculada da seguinte
negativas de mesmo valor que as dos prótons.       forma:
Em seu estado natural, todo átomo tem o mes-
mo número de prótons e elétrons, ou seja, é                            Q = Ne
eletricamente neutro. Na verdade, a figura está
bem fora de escala para facilitar o desenho, já        Em que N é o número de elétrons forneci-
                                                                                                 7
que o diâmetro das órbitas dos elétrons varia      dos (no caso de carga negativa) ou retirados
entre 10 mil a 100 mil vezes o diâmetro do         (no caso de cargas positivas) do corpo e e, a
núcleo! O modelo da figura foi proposto pelo       chamada carga elétrica fundamental, que é a
físico inglês Ernest Rutherford, após uma série    carga presente em cada próton ou elétron.
Eletricidade Básica
         Trabalharemos com o Sistema Internacio-
    nal de Unidades (SI), mais conhecido como
    MKS (Metro, Kilograma, Segundo), para de-
    finirmos as unidades de medida das grande-
    zas físicas utilizadas em nossos estudos.

            Carga elétrica: Coulomb [Q] = C

         A carga elétrica fundamental, em Coulombs,
    vale aproximadamente 1,6 x 10-16 C. Este valor
    é muito pequeno! Daí temos que, para conse-
    guir cargas de 1 Coulomb, é necessária trans-
                                                          FIGURA 2.3 – Os panos de lã se repelem.
    ferência de vários elétrons entre corpos então,
    podemos concluir esta seção afirmando, então,              Isso acontece porque, ao esfregarmos a lã
    que os fenômenos elétricos são aqueles envol-         contra o vidro, os dois inicialmente neutros,
    vendo transferências de elétrons entre corpos.        provocamos uma transferência de elétrons do
    E em relação aos prótons? Há processos envol-         vidro para a lã. É um processo semelhante ao
    vendo os prótons especificamente, que são do          que acontece quando usamos um pente de plás-
    domínio da Física Nuclear, no entanto, tais even-     tico para pentear o cabelo. Uma questão funda-
    tos não fazem parte dos objetivos deste curso.        mental que podemos formular é porque lã e vi-
                                                          dro atraem-se e lã repele lã e vidro repele vi-
    1.2 Processos de Eletrização                          dro? O vidro perdeu elétrons, ficando carrega-
         Eletrização por Atrito: Podemos reali-           do positivamente, ao contrário da lã, que ao re-
    zar uma experiência simples utilizando um             ceber os elétrons, adquiriu carga negativa. Che-
    pano de lã e um bastão de vidro. Ao esfregar-         gamos, então, a uma lei básica da natureza:
    mos um no outro, podemos notar que o vidro
    atrai a lã e vice-versa (figura 2.1). Contudo, se           Cargas de mesmo sinal repelem-se,
    repetirmos a experiência com um conjunto                    cargas de sinais opostos atraem-se.
    idêntico ao acima e aproximarmos os dois bas-
    tões de vidro, notaremos que estes se repelem              Isto explica, em parte, a estrutura do áto-
    (figura 2.2), o mesmo acontecendo com os dois         mo, onde os prótons positivos atraem os elé-
    panos de lã (figura 2.3).                             trons negativos.
                                                               Condutores e Isolantes: Será que todo
                                                          material tem facilidade para que os elétrons
                                                          possam se mover, facilitando processos como
                                                          o descrito acima? Isto depende, na verdade,
                                                          da distribuição dos elétrons nos átomos que
                                                          constituem o material. Materiais em que os elé-
                                                          trons estão mais livres dos respectivos núcle-
                                                          os dos átomos são os condutores. De maneira
                                                          oposta, materiais em que os elétrons não po-
                                                          dem mover-se livremente, porque estão muito
    FIGURA 2.1 – O vidro e a lã se atraem.
                                                          presos aos núcleos, são os chamados isolan-
                                                          tes. Há, ainda, uma classe intermediária de ma-
                                                          teriais, os semicondutores, como o nome já
                                                          indica, materiais que podem conduzir eletrici-
                                                          dade em condições operacionais específicas,
                                                          que, porém, não serão nosso objeto de estudo
                                                          neste curso. Como exemplo de bons conduto-
                                                          res temos os metais como ferro, cobre, ouro.
8                                                         Isolantes conhecidos são a borracha, o vidro,
                                                          a cerâmica. A eletrização por atrito ocorre em
                                                          qualquer tipo dos materiais citados, ao passo
                                                          que as próximas duas que descreveremos ocor-
    FIGURA 2.2 – Os bastões de vidro e a lã se repelem.   rem principalmente em condutores.
Eletricidade Básica
     Um conceito importante dos materiais iso-              Este tipo de eletrização pode gerar um
lantes é o de rigidez dielétrica. Quando um iso-       choque elétrico. Isto é o que acontece quando
lante é submetido a uma tensão elétrica muito          tocamos uma tubulação metálica ou um veí-
grande, pode acontecer que ele permita a pas-          culo que está eletrizados. O contato do nosso
sagem de eletricidade. Quando isto acontece,           corpo com a superfície do veículo, por exem-
dizemos que aconteceu a ruptura de um                  plo, faz com que haja uma rápida passagem
dielétrico. A rigidez dielétrica fornece o valor       de cargas elétricas através do nosso corpo, daí
máximo da tensão elétrica que um isolante              aparecendo a sensação de choque elétrico.
suporta sem que sofra ruptura. A rigidez                    O “Efeito Terra”: A Terra, por ter dimen-
dielétrica de um isolante diminui com o au-            sões bem maiores que qualquer corpo que pre-
mento da espessura do isolante, da duração da          cisemos manipular, pode ser considerada um
aplicação da tensão elétrica e da temperatura.
                                                       grande “depósito” de elétrons. Se ligarmos
     Eletrização por contato: Supondo que              uma esfera carregada positivamente (figura 4a)
dois corpos condutores, como as duas esferas           à Terra, por meio de um fio, verificamos que
metálicas da figura 3.a. A esfera A já está car-       rapidamente ela perde sua eletrização, fican-
regada positivamente, enquanto a esfera B está         do neutra. Isto acontece devido à subida de
neutra. Se colocarmos as duas em contato, a            elétrons da Terra, que neutralizam a carga po-
tendência é que ambas atinjam uma situação de          sitiva da esfera. Da mesma maneira, ao ligar-
equilíbrio. Para que isso ocorra, a esfera B ten-      mos uma esfera de carga negativa, esta tam-
de a neutralizar A, através de uma passagem            bém perde sua carga, já que seus elétrons des-
de elétrons (cargas negativas) de B para A (fi-        cem para a Terra. Não esqueça que sempre ra-
gura 3b), até que as duas atinjam a mesma car-         ciocinamos em termos do movimento dos elé-
ga, pois, desta forma, nenhuma das duas esfe-          trons (cargas negativas), que, como já discuti-
ras “sentirá” a outra mais eletrizada. Assim, a        mos, por ocuparem a periferia dos átomos, têm
carga final de cada uma delas será a metade das
                                                       uma mobilidade maior que os prótons.
cargas iniciais do sistema (figura 3c), neste
exemplo, metade da carga inicial de A.
                                                                       Elétrons                  Elétrons




                                                       FIGURA 4a


FIGURA 3.a – A positivo e B neutro estão isolados e
afastados.                                                  Um efeito da eletrização por contato, que
                                                       leva a uma aplicação do efeito terra, é o possí-
                                                       vel surgimento de faíscas elétricas, o que em
                                                       uma refinaria de petróleo pode adquirir pro-
                                                       porções catastróficas. Nas baías onde é feito o
                                                       carregamento de combustíveis em caminhões,
                                                       estes podem estar carregados eletricamente e,
                                                       no momento da conexão do mangote ao cami-
FIGURA 3.b – Colocados em contato, durante breve       nhão, uma faísca entre eles pode detonar uma
intervalo de tempo, elétrons livres vão de B para A.   explosão, caso haja a presença de gases com-
                                                       bustíveis na área. Para minimizar este risco, o
                                                       caminhão é conectado ao solo (aterrado) an-
                                                       tes do início do bombeamento de combustí-
                                                       vel. Deste modo, o caminhão ficará com car-
                                                       ga neutra.
                                                                                                             9
                                                            Eletrização por Indução: Este tipo de
                                                       eletrização faz uso da atração de cargas de si-
FIGURA 3.c – Após o processo, A e B apresentam-se      nais opostos, como na seqüência mostrada na
eletrizados positivamente.                             figura 5.
Eletricidade Básica
                                                          A estrutura de um pára-raios consiste em
    1. Ao aproximarmos da esfera do                  uma haste metálica colocada no ponto mais
    eletroscópio um corpo eletrizado                 alto da estrutura a ser protegida. A extremida-
    negativamente, o eletroscópio sofre              de inferior da haste é conectada a um cabo
    indução eletrostática e as lâminas se
    abrem.                                           condutor, que desce pela estrutura e é aterrado
                                                     ao solo. Na extremidade superior da haste, te-
                                                     mos um terminal composto de materiais com
                          Lâminas de ferro           alto ponto de fusão, para suportar as altas tem-
                                                     peraturas provocadas pela passagem da des-
                                                     carga elétrica. O formato desta extremidade,
                                                     que é pontiagudo, faz uso de uma propriedade
    2. Ligando-se o eletroscópio à Terra,            dos condutores, o poder das pontas. Em um
    as lâminas se fecham, pois os                    condutor, a densidade de cargas é maior em
    elétrons escoam para a Terra.
                                                     regiões que contêm formato pontiagudo. Lá a
                                                     densidade de cargas é maior, bem como o cam-
                                                     po elétrico. Assim, por serem regiões de alto
                                                     campo elétrico, tais pontas favorecem a mobi-
                                                     lidade das cargas elétricas através delas. Se a
    3. Desfazendo-se a ligação com a                 nuvem carregada estiver acima da haste, nesta
    Terra e afastando-se o corpo
    eletrizado, o eletroscópio se eletriza           são induzidas cargas elétricas intensificando
    positivamente. Observe que,                      o campo elétrico na região entre a nuvem e a
    novamente, as lãminas se abrem.                  haste, produzindo assim uma descarga elétrica
                                                     através do pára-raios.
                                                                               Nuvem
    FIGURA 5

        Descargas Atmosféricas: Durante tem-
   pestades, raios e trovões ocorrem em abundân-
   cia. Como tais fenômenos envolvem descar-                  Isoladores
                                                                                       Haste metálica
   gas elétricas, é necessária a proteção das ins-
   talações de uma refinaria.
        O surgimento de raios em tempestades
   vem do fato de que as nuvens que as causam
   estão carregadas eletricamente. Assim, surgem
   campos elétricos entre partes destas nuvens,
   entre nuvens próximas e entre nuvens e o solo.
   Como o ar é isolante, é necessário o surgimento
   de um forte campo elétrico entre as nuvens e o
   solo, para que seja possível vencer a rigidez
   dielétrica do ar. Quando isto acontece, a cor-    FIGURA 5.1
   rente elétrica pode passar pelo ar, fazendo com       A construção de pára-raios é normatizada
   que haja a descarga elétrica da nuvem para o      pela Associação Brasileira de Normas Técni-
   solo, através do efeito terra. A luz que acom-    cas (ABNT), onde "o campo de proteção ofe-
   panha o raio, chamada de relâmpago, aparece       recido por uma haste vertical é aquele abran-
   por causa da ionização devido à passagem de       gido por um cone, tendo por vértice o ponto
   cargas elétricas pelo ar. Isto também gera um     mais alto do pára-raios, e cuja geratriz forma
   forte e rápido aquecimento, causando a expan-     um ângulo de 60o com a vertical". Tal arranjo
   são do ar e produzindo uma onda sonora de         está ilustrado na figura abaixo. Assim, vemos
   grande intensidade, que chamamos de trovão.       que a partir de um pára-raios de altura h, o
        Prevenção de Descargas Atmosféricas:         raio de proteção é dado por r = 3 h .
   Para evitar efeitos desastrosos das descargas
10 atmosféricas, é utilizado um aparato muito
                                                                                60o
                                                                           h
   popular chamado de pára-raios. Ele tem por
   finalidade oferecer um caminho mais eficien-                                       r= 3h
   te e seguro para as descargas elétricas, prote-
   gendo edificações, tubulações, redes elétricas,
   depósitos de combustível, etc.                    FIGURA 5.2
Eletricidade Básica
1.3 Interações entre cargas elétricas:            trário ao do campo elétrico que atua na região
                                                  em que ela se encontra (figura 7b).
força e campo elétrico                                       r   r
    Já vimos no exemplo da lã e do vidro que       se q > 0, F e E têm mesmo sentido (fig. 7a)
                                                             r   r
cargas elétricas sofrem atração ou repulsão        se q < 0, F e E têm sentidos opostos (fig. 7b)
                                                    r    r
dependendo do seu sinal. Uma expressão para        F e E têm sempre mesma direção.
o módulo da força entre elas é dada pela Lei
de Coulomb:

                Kq1q2
           F=         (F em Newtons)
                 d2
                                                  FIGURA 7a                      FIGURA 7b

                                                       Ainda a partir da equação acima, podemos
                                                  exprimir as unidades de medida do campo elé-
                                                  trico no Sistema Internacional de Unidades:
                                                               E = F/q ⇒ [E] = N/C
                                                       Por exemplo, se colocarmos uma distribui-
                                                  ção de cargas na presença de uma distribuição
                                                  de cargas na presença de um campo de 5 N/C
                                                  ele exercerá uma força de 5 Newtons em cada
                                                  Coulomb de carga.
                                                       Para representarmos graficamente o cam-
                                                  po elétrico, podemos recorrer ao desenho das
                                                  linhas de campo elétrico, que obedecem às
                                                  seguintes regras:
FIGURA 6                                               1. As linhas de campo elétrico começam
                                                          nas cargas positivas e terminam nas
     Sendo q 1 e q 2 , os valores das cargas              cargas negativas;
elétricas, K , a constante eletrostática               2. As linhas de campo elétrico nunca se
(K = 9 x 109 N.m2/C2) e d, a distância entre as           cruzam;
cargas.                                                3. A densidade de linhas de campo elétri-
     Podemos observar que esta força é trocada            co dá uma idéia da intensidade do cam-
entre as cargas mesmo no vácuo, ou seja, não              po elétrico: em uma região de alta den-
depende de um “meio” que faça com que uma                 sidade de linhas, temos um alto valor
carga “sinta” a presença da outra. Quem faz               do campo elétrico.
este papel é o Campo Elétrico, que é uma me-           De uma maneira geral, as linhas de cam-
dida da influência que uma carga elétrica exer-   po elétrico representam a trajetória de uma
ce ao seu redor. Quanto maior o valor de uma      carga positiva abandonada em repouso em um
carga elétrica, mais atração ou repulsão ela      campo elétrico pré-existente.
pode exercer sobre uma carga ao seu redor,
portanto, maior também o valor do seu campo
elétrico. Se colocarmos uma carga qo em uma
região do espaço onde existe um campo elé-
trico E, a relação entre a força que vai atuar
sobre esta carga e o campo elétrico é:
                      r    r
                     F=q0 E                       FIGURA 8.1                                    FIGURA 8.2


    Devemos ter cuidado com esta equação,
já que ela relaciona vetores! Se a carga qo for                                                                11
positiva, temos que F = qoE, ou seja, força e
campo tem o mesmo sentido (figura 7a). Do
contrário, se qo for negativa, F = –qoE, o que
significa que a força sobre qo tem sentido con-   FIGURA 8.3
Eletricidade Básica
     1.4 Trabalho e Potencial Elétrico                  é positivo, ou seja, a carga moveu-se esponta-
                                                        neamente. Daí temos que:
          Podemos lembrar de alguns conceitos que
     já estudamos em Mecânica e pensar da seguin-           • Cargas positivas movem-se para pon-
     te maneira: colocamos uma carga q em repou-              tos de menor potencial;
     so em uma região onde atua um campo elétri-            • Cargas negativas movem-se para pon-
     co. Este campo vai fazer com que aja na carga            tos de maior potencial.
     uma força de módulo F = qE. Como a partícu-            Lembrando que no SI a unidade de traba-
     la estava em repouso, pela 2.a Lei de Newton       lho e energia é o Joule (J), a unidade de dife-
     (F = ma), a força vai fazer com que esta partí-    rença de potencial é expressa em Volt (V):
     cula adquira uma aceleração, saindo do repou-
     so e por conseqüência, deslocando-se. Ora, já                    [∆V] = Volt = J/C
     sabemos que quando uma força provoca des-
     locamento em um corpo, dizemos então que               Interpretando esta unidade, temos, por
     ela realiza trabalho sobre este corpo. Como        exemplo, que uma diferença de potencial de
     lembramos também, energia é a capacidade           12 Volts significa que em uma distribuição de
     de realizar trabalho. Tendo em vista, então que,   cargas colocada em um campo elétrico este cam-
     o campo elétrico provocou o deslocamento da        po realiza um trabalho de 12 Joules sobre cada
     nossa carga q, realizando trabalho sobre a car-    Coulomb de carga.
     ga, concluir que o campo elétrico armazena             Desta definição de Volt podemos também
     energia.                                           medir o campo elétrico em outra combinação
          Como poderíamos medir que regiões do          de unidades do SI:
     campo elétrico fornecem a maior capacidade
     de realizar trabalho? Uma maneira seria me-                          [E] = V/m
     dir o próprio valor do campo elétrico. Quanto
     maior o valor do campo, maior a força que ele           A diferença de potencial é também cha-
                                                        mada de ddp ou Tensão. Uma ddp aparece
     pode exercer, maior também o trabalho reali-
                                                        entre dois corpos quando eles têm a tendência
     zado. Outra maneira, alternativa, é a que des-
                                                        de trocar cargas elétricas entre si.
     crevemos a seguir.                                      Na figura abaixo, o corpo A está carrega-
          Na figura 9, temos representado um cam-       do positivamente, portanto está com falta de
     po elétrico formado entre duas placas carrega-     elétrons. O corpo B tem carga negativa, estan-
     das com cargas de sinais opostos.                  do com excesso de elétrons. Se ligarmos os
                                                        dois ou os colocarmos em contato, haverá um
                                                        fluxo de elétrons de B para A, como já discu-
                                                        timos na eletrização por contato, até que o equi-
                                                        líbrio de cargas seja estabelecido. Quando isto
                                                        acontece, dizemos que existe uma diferença
                                                        de potencial (ddp) ou tensão entre os corpos
                                                        A e B. Podemos, agora, simplificar dizendo
                                                        que se há uma tensão entre dois corpos, ao
                                                        colocarmos os dois em contato (diretamente
                                                        ou por um fio), haverá uma movimentação de
     FIGURA 9
                                                        cargas entre eles, até que o equilíbrio seja es-
                                                        tabelecido, quando a ddp torna-se zero.
         Queremos deslocar a carga positiva Q do
     ponto A ao ponto B marcados na figura. Defi-
     nimos então a diferença de potencial entre os
     pontos A e B (VA– VB) como:

12                 ∆V = VA – VB = W/Q

        , em que W é o trabalho realizado pelo
     campo elétrico ao deslocar a carga de A até B.
     Como Q é positiva, se VA > VB, temos que W         FIGURA 10
Eletricidade Básica
1.5 Corrente Elétrica                                 Podemos fazer uma analogia com um caso
    Em um condutor, os elétrons livres, aque-    envolvendo a energia potencial gravitacional
                                                 que já conhecemos da mecânica. Na figura 13,
les que podem se mover devido a diferenças
de potencial, executam um movimento desor-       temos um fluxo de água da caixa mais alta para
                                                 a mais baixa devido à diferença de altura en-
denado através do condutor. Contudo, se este
condutor for utilizado para conectar dois cor-   tre as duas, ou seja, devido à diferença de po-
pos com uma diferença de potencial entre si,     tencial gravitacional. Assim, o fluxo de água
                                                 (que seria o análogo da nossa corrente elétri-
como na figura 11, haverá um fluxo de elé-
trons ordenados através do condutor, porque      ca), vai do maior potencial gravitacional (cai-
                                                 xa alta) para o menor potencial gravitacional
o corpo que está com carga negativa vai for-
necer elétrons para o corpo carregado positi-    (caixa baixa). A tubulação entre as caixas fa-
                                                 ria o papel do condutor através do qual flui a
vamente através do caminho formado pelo
condutor.                                        corrente elétrica.




FIGURA 11

    A este movimento ordenado de elétrons        FIGURA 13
através de um condutor sujeito a uma tensão,
chamamos de corrente elétrica. Como po-              Intensidade de corrente elétrica: Pode-
demos ver na figura 12, o movimento de car-      mos reparar que quanto mais carga passar de
gas se dá do corpo negativo (ou pólo negati-     um corpo para o outro, maior o fluxo de car-
vo) para o corpo (ou pólo) positivo. No en-      gas entre eles e, intuitivamente, maior a cor-
tanto, por um acidente histórico, foi atribuí-   rente elétrica entre estes corpos. Tomando
do à corrente o sentido do pólo positivo para    como base a figura 14, podemos definir a in-
o negativo, assim prevalecendo até hoje. É       tensidade de corrente elétrica, i, da seguinte
lógico que ao pensarmos em metais conduto-       maneira:
res como os do exemplo acima, este sentido,
embora adotado, está errado, mas em algu-
mas soluções iônicas, em baterias, por exem-
plo, este sentido coincide com o correto. Por
uma questão de uniformidade, vamos adotar
o sentido convencional da corrente em nosso
curso.
                                                 FIGURA 14




                                                                          ∆q
                                                                     i=
                                                                          ∆t

                                                 , em que ∆q é a quantidade de carga que passa
                                                 por uma seção transversal do condutor por in- 13
                                                 tervalo de tempo (∆t). Quanto maior a corren-
                                                 te elétrica, mais carga passa pela mesma se-
                                                 ção do condutor em um mesmo intervalo de
FIGURA 12                                        tempo. No sistema internacional de unidades,
Eletricidade Básica
     SI, definimos a unidade de medida da corren-            Como fontes de fem temos pilhas secas,
     te elétrica:                                        baterias, geradores, célula fotovoltáica, entre
                                                         outros.
                      Corrente: Ampère.                      Símbolos de fontes de fem:
                        [i] = A = C/s
                                                                           bateria ou geradores de corrente
          No momento, o conhecimento abordado já                           contínua
     nos dá uma idéia das grandezas envolvidas,
     porém, um pouco, retornaremos a definição de
                                                                           gerador de corrente alternada
     Ampère. Por exemplo: se uma corrente de 2 A                           (gerador eletromecânico)
     passa por um condutor, significa que se tomar-
     mos uma seção transversal à corrente, a cada
     segundo, passam 2 Coulombs de carga por ali.                          fonte regulável de tensão

     Se lembrarmos o pequeno valor da carga de um
     elétron (e = 1,6 x 10–19 C), imagine quantos elé-   FIGURA 16
     trons estão passando a cada instante! Então,
     cuidado: ao manipularmos circuitos ou apare-            Retomando nossa analogia com o exem-
     lhos elétricos, temos por vezes o hábito de esti-   plo anterior das caixas d'água, a fem faria o
     marmos o “perigo” associado apenas olhando          papel de uma bomba que levaria a água da
     para a tensão (220V, 110V, por exemplo), mas        caixa inferior de volta à caixa superior, man-
     da definição de corrente elétrica, mesmo uma        tendo assim um fluxo de água constante pelas
     baixa tensão pode ocasionar uma corrente alta,      tubulações.
     ou seja, o operador pode estar exposto a uma
     passagem de alta quantidade de cargas elétri-
     cas pelo seu corpo, e conseqüentemente, aos
     efeitos maléficos que isto pode ocasionar.

     1.6 Força Eletromotriz
          Partindo de nossa idéia inicial da origem
     da ddp, os dois corpos ligados por um condu-
     tor rapidamente atingiriam o equilíbrio de car-
     gas, fazendo com que a corrente elétrica entre
     eles cessasse. No entanto, em circuitos elétri-
     cos, não é isto o que observamos. Logo, preci-      FIGURA 17
     samos de um mecanismo que reponha as car-
     gas que foram deslocadas de um corpo para
     outro, mantendo assim a ddp constante, assim
     como a corrente elétrica entre os dois corpos.      1.7 Resistência Elétrica: Leis de Ohm
     Esse mecanismo é o que chamamos de Força                 Ao ligarmos um condutor metálico a uma
     Eletromotriz (fem), cuja unidade de medida          fonte de fem, circulará uma corrente elétrica
     também é o Volt (V).                                através dele. Em uma série de experiências
                                                         deste tipo, em 1827, George Simon Ohm veri-
                                                         ficou que se fosse variada a fem, a corrente
                                                         elétrica também variava. E mais: o quociente
                                                         entre a fem utilizada e a corrente medida era
                                                         constante:

                                                                        V1 V2
14                                                                         =    = ... = R
                                                                        i1   i2

                                                              Na fórmula acima, R é a Resistência Elé-
     FIGURA 15                                           trica do corpo por onde passa a corrente. Sua
Eletricidade Básica
unidade de medida é o Ohm, representado pela        , em que ρ é a resistividade, um parâmetro de-
letra grega Ω. Daí temos a 1.a Lei de Ohm:          pendente do material, medido em Ω.m. O in-
                                                    verso desta grandeza é chamada de condutivida-
                    V = Ri                          de do material, σ, cujas unidades são (Ω.m)–1. O
                                                    inverso da resistência é a condutância, medi-
, que é uma relação linear, ou seja, ao dobrar-     da em Ω–1 ou Siemens.
mos a ddp (V), a corrente (i) também dobrará,
e assim por diante. Resistências que não são            2) Temperatura do condutor: Quanto me-
alteradas ao variarmos a ddp são chamadas de               nor a temperatura, menor a agitação dos
resistências ôhmicas.                                      átomos que compõem o material, as-
     A explicação para o surgimento da resis-              sim, menos os átomos dificultam a pas-
tência elétrica mais uma vez reside na estrutu-            sagem da corrente elétrica. Deste com-
ra da matéria, a maneira como os átomos se                 portamento temos que a resistência elé-
arranjam no interior de um corpo. Como po-                 trica de um corpo depende de sua tem-
demos ver na figura 18, os elétrons percorrem              peratura. A relação entre resistência e
o condutor em um único sentido e, ao longo                 temperatura é dada por:
deste caminho, vão “esbarrando” no núcleo dos
outros átomos do material. Isto termina por                        R = Ro(1 + α∆T)
dificultar a passagem da corrente elétrica, sen-
do então a origem da resistência elétrica.          em que Ro é a resistência à temperatura To, ∆T
                                                    = (T – To) é a variação de temperatura a que o
                                                    corpo foi submetido e α é um parâmetro do
                                                    material do qual é feito o corpo, sendo medi-
                                                    do em oC–1.
                                                        No circuito ilustrado abaixo, temos uma
                                                    bateria (fonte de fem) ligada em série com uma
                                                    lâmpada comum, incandescente. A energia
                                                    fornecida pela bateria faz com que a corrente
FIGURA 18                                           circule pelo fio, acenda a lâmpada através do
                                                    Efeito Joule (transformação de energia elétri-
     Elementos que apresentam resistência elé-      ca em energia térmica e luminosa) e continue
trica são chamados de resistores, e são represen-   circulando, fechando assim o circuito. A po-
tados esquematicamente das maneiras abaixo:         tência dissipada por Efeito Joule é dada por:
            R                         R
                                                                       Pot = Ri2

FIGURA 19


    Parâmetros que influenciam na resis-
tência elétrica:

    1) Dimensões do condutor: Seja o condutor
       cilíndrico mostrado abaixo, de compri-
       mento L e seção transversal de área A. A
       resistência é calculada por:
                                                    FIGURA 21

                         ρL
                    R=                                  Sabemos que para uma dada bateria, não
                          A                         podemos acender uma infinidade de lâmpadas.
                                                    Isso acontece por causa da perda ou transfor-
                                                    mação de energia que ocorre nos resistores. 15
                                                    uma vez que a energia elétrica está sendo per-
                                                    dida, isto significa que a capacidade de reali-
                                                    zar trabalho pelo circuito também está dimi-
FIGURA 20                                           nuindo. De fato, um resistor não diminui a in-
Eletricidade Básica
     tensidade da corrente que passa por ele, mas         1.9 Leitura de Resistores – Código de
     provoca uma queda do potencial através dele
     dada pela Lei de Ohm (V = Ri). Assim, ao
                                                          Cores
     percorrermos o circuito, medimos uma queda                Há resistores dos mais diversos tipos e
     de potencial através dele por causa da resis-        valores de resistência. Ao escrevermos o va-
     tência de fios e equipamentos que fazem parte        lor de uma resistência, há algumas convenções
     do mesmo, quando completamos a volta no              a serem observadas.
     circuito, chegando ao outro pólo da fonte de              Alguns exemplos:
     fem (bateria, pilha, gerador), esta se encarre-          Resistência de 5 ohms: R1 = 5 Ω
     ga de “subir” o potencial novamente, para que
     o movimento das cargas possa continuar pelo              Resistência de 5,3 ohms: R2 = 5R3 Ω = 5R3
     circuito, mantendo a corrente elétrica. Por cau-         Resistência de 5300 ohms: R3 = 5k3 Ω = 5k3
     sa de efeitos como este, não podemos trans-
     portar correntes elétricas por grandes distân-            A colocação da letra R (Resistência) ou
     cias sem perdas nas linhas de transmissão. Por-      do prefixo k (quilo, que equivale 1000 unida-
     tanto, há todo um desenvolvimento técnico por        des) no lugar da vírgula é para evitar que uma
     trás da transmissão da energia, como a alta ten-     falha de impressão da vírgula possa ocasionar
     são de saída nas usinas geradoras e necessida-       a leitura errada da resistência.
     de de subestações que controlem a tensão da               Embora alguns resistores tragam impres-
     eletricidade a ser distribuída para uso              sos o valor da resistência, o código de cores é
     residencial e comercial.                             muito utilizado, já que em alguns casos os
                                                          resistores são tão pequenos que impossibilita-
                                                          riam a leitura de qualquer caractere impresso
     1.8 Associação de Resitores                          nele. A tabela abaixo representa o código:
                                                                       o         o          o         o
                                                           Cor        1. anel   2. anel    3. anel   4. anel
          Resistores em série
          A corrente que passa por cada um dos             Preto         –         0          x1         –
     resistores é a mesma, já que eles estão no mes-       Marrom        1         1         x10        1%
     mo ramo do circuito.                                  Vermelho      2         2        x102        2%
          Esquema:                                         Laranja       3         3        x103        3%
                                                           Amarelo       4         4        x104        4%
     A                                            B
                    R1                  R2                 Verde         5         5        x105         –
                                                           Azul          6         6        x106         –
                                                           Violeta       7         7           –         –
     VAB = V1 + V2         i = i1 = i 2   Req = R1 + R2
                                                           Cinza         8         8           –         –
                                                           Branco        9         9           –         –
          Resistores em paralelo                           Ouro          –         –        x10–1       5%
          A corrente divide-se pelos dois ramos do         Prata         –         –        x10–2     10%
     circuito, e a tensão entre os terminais dos           Sem cor       –         –           –      20%
     resistores é a mesma.
                                                              Tomemos como exemplo um resistor que
          Esquema:
                                                          possui os seguintes anéis coloridos:
                            i1
                           →
                            R1
     A      i                                   i    B
           →                                   →

                               R2                                                         Verde
                               →                                                          Azul
16                             i2                                                         Marrom
                                                                                          Prata
                                 1  1   1                 FIGURA 22
       VAB = V1 =V2 i = i1 + i2 R = R + R                     Para evitar equívocos como definir o 1o
                                 eq  1   2
                                                          anel pela esquerda ou pela direita, ele é sem-
Eletricidade Básica
pre o mais próximo das extremidades do
resistor. Na nossa figura, é o da esquerda, que
é verde. Para identificarmos o valor do resistor,
tomamos as duas primeiras cores em seqüên-
cia, no caso, verde e azul. Consultando a tabe-
la, temos 5 do verde e 6 do azul, 56.
     O terceiro anel é o multiplicador, que pode
ser um múltiplo (quilo, mega, etc) ou submúl-
tiplo (deci, centi) do valor obtido nos dois pri-
meiros anéis. No nosso exemplo, o terceiro
anel é marrom, cujo valor é 10. Assim, o valor
da resistência é 56 x 10 = 560 Ω.
     Finalmente, o quarto anel é a tolerância
no valor da resistência, ou seja, a margem de
erro admitida pelo fabricante. No nosso
resistor, o quarto anel é prata, dando uma tole-
rância de 10%. Assim, a leitura de nossa re-
sistência é:

             R = (560 ± 10%) Ω

     O que significa isto? Considerando-se que,
10% de 560 é 56, os valores possíveis para a
resistência estariam entre:

     560 – 56 = 504 Ω (valor mínimo).

     560 + 56 = 616 Ω (valor máximo).

              Anotações




                                                                          17
Eletricidade Básica




              Princípios de
            Eletromagnetismo
       Passaremos agora à discussão dos fenô-
                                                                                2
   menos necessários para a compreensão do fun-
   cionamento de geradores e circuitos de cor-
   rente alternada, que são os fenômenos que en-
   volvem a junção de eletricidade com magne-
   tismo. Faremos uma breve exposição dos fe-
   nômenos magnéticos mais simples, para de-
   pois abordarmos o eletromagnetismo propria-
   mente dito.                                       FIGURA 23


   2.1 Magnetismo                                         Interação entre imãs: Novamente aqui te-
                                                     mos um comportamento que lembra a eletri-
        Os fenômenos mais básicos do magne-
                                                     cidade: os imãs podem sofrer atração ou
   tismo, como a pedra magnetita (óxido de fer-      repulsão por outro imã, dependendo da posi-
   ro, Fe3O4) atrair o ferro, foram relatados des-   ção dos pólos. Pólos diferentes atraem-se, pó-
   de a Antiguidade na Ásia Menor. A magnetita       los iguais, repelem-se.
   é um imã natural, isto é, pode ser encontrado
   na natureza. Contudo, quase que a totalida-
   de dos imãs utilizados pelo homem são fei-
   tos industrialmente, podendo existir imãs
                                                     FIGURA 24.1
   temporários (feitos de ferro doce) e perma-
   nentes (feitos de ligas metálicas, geralmente
   contendo níquel ou cobalto). As proprieda-
   des magnéticas de um material também são
   definidas pela estrutura dos átomos que o
   compõem, embora de maneira mais sutil do
   que os fenômenos elétricos. Na verdade, cada
   átomo tem as suas propriedades magnéticas,        FIGURA 24.2
   que combinadas no todo, podem determinar
   se um corpo macroscópico apresentará este
                                                          Campo Magnético: Assim como cargas
   tipo de comportamento. Vamos em seguida
                                                     elétricas, os imãs exercem influência em regi-
   relatar algumas características básicas do
                                                     ões do espaço ao seu redor. Representamos
   magnetismo.                                       também as linhas de campo magnético, que
                                                     exibem as mesmas propriedades que as linhas
        Pólos Magnéticos: Assim como na ele-         de campo elétrico. Porém, neste caso, elas nas-
   tricidade temos as cargas positivas e negati-     cem no pólo norte e morrem no pólo sul.
   vas, no magnetismo, os equivalentes são o pólo
   norte e pólo sul. Tais pólos estão sempre
   posicionados nas extremidades de um imã. Os
18 pólos magnéticos sempre surgem aos pares,
   não sendo possível separá-los. Se partirmos um
   imã ao meio, o que teremos como resultado
   são dois imãs menores, cada um com os seus
   respectivos pólos norte e sul.                    FIGURA 25
Eletricidade Básica
   O campo magnético, representado por H,         uma corrente colocando limalha de ferro em
tem sua unidade de medida o Ampère por            um papel cujo plano é perpendicular ao fio.
metro no SI.                                      As linhas de campo são circunferências
                                                  centradas no fio. Quanto mais longe do fio,
                 [H] = A/m                        menor a intensidade do campo magnético.

2.2 Interação entre corrente elétrica e
campo magnético: Eletromagnetismo
     Experiência de Oersted
     No começo do século XIX, o físico dina-
marquês Hans C. Oersted fez uma experiên-         Vista em           Vista de           Vista lateral
cia envolvendo um circuito, percorrido por        perspectiva        cima
uma corrente elétrica, e uma bússola colocada     FIGURA 27
próxima ao circuito. Quando nenhuma corrente
percorria o circuito, a bússola permanecia ali-
nhada com o campo magnético terrestre. Po-             O físico francês André Marie Ampère es-
rém, ao fechar o circuito, com a corrente flu-    tudou campos magnéticos criados por corren-
indo através dele, o ponteiro da bússola orien-   tes e formulou uma regra para sabermos o sen-
tava-se de maneira perpendicular à corrente       tido das linhas de campo ao redor de fios. En-
elétrica.                                         volvemos o condutor com a nossa mão direi-
                     Bússola                      ta, o polegar acompanha o sentido da corrente
                                                  e os demais dedos o sentido das linhas de cam-
                                                  po magnético.




                                                  FIGURA 28


                                                  2.3 Cálculo da Intensidade do Campo
                                                  Magnético
FIGURA 26.1
                      Bússola                          Em torno de um condutor
                                                                          µoi
                                                                    H=
                                                                          2π r
                                                  , em que µo é a constante de permeabilidade
                                                  do vácuo, medida em Henry por metro (H/
                                                  m), i é a corrente que percorre o fio e r é a
                                                  distância radial medida a partir do meio do
                                                  fio.

                                                      No Centro de uma Espira
                                                      Neste caso a regra da mão direita é alte-
FIGURA 26.2                                       rada, o polegar indica o sentido do campo e
                                                  os demais dedos acompanham o sentido da
     Isto evidencia que uma corrente elétrica     corrente.
cria um campo magnético ao seu redor. Tal fato                                                           19
                                                                           µ oi
possibilita uma série de aplicações, como os                        H=
eletroímãs, discutidos a seguir.                                           2R
     Podemos observar as linhas de campo
magnético ao redor de um fio percorrido por       , em que R é o raio da espira.
Eletricidade Básica
                                                      te no seu interior. A intensidade deste campo
                                                      é dada por:

                                                                             µ o Ni
                                                                       H=
                                                                                l

                                                      , em que N é o número de espiras do solenóide
                                                      e l, o seu comprimento. No exterior do
                                                      solenóide, o campo é praticamente nulo.

     FIGURA 29                                             Força do Campo Magnético sobre um
                                                      fio com corrente
          No interior de um Solenóide (ou bobina)          Considerando que uma corrente elétrica
          Aqui a regra da mão direita é a mesma do    produz um campo magnético ao seu redor, se
     caso da espira. A superposição dos campos de     colocarmos este condutor percorrido por uma
     cada espira que compõe o solenóide produz        corrente em uma região que já contém um cam-
     um campo semelhante àquele de um dipolo          po magnético, teremos a interação entre estes
     magnético (figura 30). Por isso, o solenóide é   dois campos, o que já ocupa a região e o gera-
     bastante utilizado para a produção de            do pela corrente, ou seja, teremos uma força
     eletroímãs, colocando-se uma barra de ferro      magnética atuando sobre o fio condutor. A in-
     no interior do solenóide.                        tensidade desta força pode ser calculada como
                                                      se segue:

                                                                    Fm = H oil sen θ

                                                      , em que Ho é o valor do campo magnético
                                                      externo (não o causado pela corrente!), i é a
                                                      corrente elétrica, l o comprimento do condu-
                                                      tor e θ o ângulo entre a corrente e o campo
     FIGURA 30.1                                      magnético. Uma regra prática para sabermos
                                                      o sentido da força é a regra da mão direita,
                                                      onde o dedo indicador acompanha a corrente,
                                                      o dedo médio (perpendicular ao indicador) está
                                                      com o campo externo e o polegar fornece a
                                                      direção e o sentido da força magnética.



     FIGURA 30.2




     FIGURA 30.3


20
         Considerando o solenóide com um com-
     primento bem maior que o seu diâmetro (tipi-
     camente 10 ou mais vezes maior), podemos
     simplificar que o campo magnético é constan-     FIGURA 31
Eletricidade Básica
                                                    2.4 Campos Magnéticos na Matéria
                                                        Comentamos de maneira rapida, anterior-
                                                    mente acima que as propriedades magnéti-
                                                    cas são fruto da distribuição eletrônica dos
FIGURA 31a                                          elétrons ao redor do núcleo. De fato, uma
                                                    conclusão fundamental da seção anterior é
Forças entre dois fios condutores paralelos         que cargas elétricas em movimento (corren-
    O resultado descrito a seguir é uma conse-      te elétrica) geram ao redor de si um campo
qüência do tópico anterior. Como cada corren-       magnético. No átomo, o que temos são os
te gera um campo ao seu redor, se colocarmos        elétrons, cargas negativas, circulando ao re-
dois fios condutores, um ao lado do outro, cada     dor do núcleo. Assim, para idealizarmos o
um “sentirá” o campo criado pelo seu vizinho,       que acontece, eles atuam como correntes em
sofrendo então uma força devido à presença do       circuitos fechados, como no caso da espira
campo gerado pelo fio que está ao seu lado.         de corrente que comentamos. Assim, a com-
                                                    binação dos campos gerados por cada um
                                                    dos elétrons é que pode determinar se o áto-
                                                    mo como um todo é que vai ter proprieda-
                                                    des magnéticas ou não, conforme esquema
                                                    da figura abaixo. Este modelo foi proposto
                                                    por Ampère, e ficou conhecido por “corren-
                                                    tes amperianas”, pode ser encarado como
                                                    boa aproximação em casos mais simples.
FIGURA 32                                           Hoje em dia a explicação fechada para o
                                                    magnetismo vem da Física Quântica, que
     Se aplicarmos as regras da mão direita nas     recorre a conceitos novos como “spin” dos
ilustrações acima, podemos verificar que fios
                                                    elétrons, dentre outros conhecimentos.
percorridos por correntes paralelas de mesmo
sentido sofrem atração. Já fios percorridos por
correntes paralelas, mas de sentido contrário,
sofrem repulsão. A intensidade da força trocada
pelos dois fios é dada pela fórmula seguinte:

                       µ o i1i2l
                Fm =      ⋅
                       2π r
                                                    FIGURA 33
     Aqui i1 e i2 são as intensidades de corrente
de cada um dos fios, l o comprimento dos fios            As expressões que passamos anteriormen-
e r a distância entre eles.                         te para cálculos de campos magnéticos são para
                                                    cálculo de campos no vácuo, ou, aproximada-
    Nota: A definição de Ampère.                    mente, no ar. Quando um corpo material en-
    A definição que passamos de Ampère an-          contra-se na presença de um campo magnético,
 teriormente (A = C/s) foi utilizada durante        ele pode responder de várias maneiras a este
 muito tempo. Contudo, por questões práti-          campo. O ferro, por exemplo, torna-se magne-
 cas, de facilidade de medição para definir-        tizado. Já o plástico não sofre nenhuma altera-
 se um padrão, em 1946 foi dada uma nova            ção aparente. Assim, vamos definir a Indução
 definição de Ampère:                               Magnética, B, cuja unidade no sistema interna-
    “Um ampére é a corrente que mantida em          cional (SI) é o Tesla (T).
 dois condutores retilíneos e paralelos, sepa-
 rados por uma distância de um metro no                                [B] = T
 vácuo, produz entre esses condutores uma
 força de 2,0 x 10-7N por metro de compri-              Este campo é que vai surgir dentro dos
                                                                                                          21
 mento de fio”.                                     materiais quando sujeitos a um campo exter-
    Assim, o Ampère passa a ser uma gran-           no. Portanto, a Indução Magnética é o campo
 deza básica do SI e o Coulomb, sua deriva-         magnético efetivo em um determinado meio
 da (C = A.s).
Eletricidade Básica
     material. Podemos imaginar a relação entre               te neutros, como o ar e o vácuo. O co-
     os dois campos, B e H, com base nas figuras              bre é aproximadamente amagnético.
     abaixo:                                                • Diamagnéticos: µr < 1. Materiais que
                                                              exibem magnetização contrária a do
                                                              campo externo aplicado.
                                                            • Paramagnéticos: µr > 1. A permeabili-
                                                              dade não depende do campo externo, é
                                                              constante, e o aumento do campo in-
                                                              terno no material não é muito grande.
     FIGURA 34.1                                            • Ferromagnéticos: µr >>1. São os ma-
                                                              teriais que exibem maior magnetização,
                                                              sendo, portanto, os mais aplicados em
                                                              escala industrial. Sua permeabilidade
                                                              magnética depende do campo aplica-
     FIGURA 34.2
                                                              do, em um fenômeno denominado
         Se mergulharmos um pedaço de ferro doce              histerese magnética.
     em um campo magnético, os campos gerados
     pelos elétrons (lembre-se das correntes ampe-      2.5 Fluxo Magnético
     rianas!) dentro do ferro orientam-se a favor do         Quando representamos as linhas de campo
     campo externo H. Assim, o campo efetivo (B)        magnético de um solenóide nos parágrafos aci-
     dentro do ferro aumenta, ao passo que o cam-       ma, notamos que elas são linhas de campo fe-
     po nas imediações do lado de fora do ferro di-     chadas. Isso significa que o número de linhas de
     minui. A relação matemática entre B e H é dada     campo dentro e fora do solenóide é o mesmo,
     pela permeabilidade magnética, µ:                  embora as linhas estejam mais concentradas no
                                                        interior do solenóide (campo mais intenso) do
                                  B                     que no exterior. Um parâmetro para medir a con-
                           µ=                           centração das linhas em uma determinada região
                                  H                     é o fluxo magnético. Ele é definido em termos
                                                        da intensidade de um campo magnético atraves-
         A permeabilidade magnética é uma gran-         sando uma superfície, bem como a orientação
     deza característica de cada material e indica a    do campo em relação a esta superfície. A ex-
     aptidão deste material em reforçar um campo        pressão para calcular o fluxo magnético é:
     magnético externo. O valor de m para o vácuo
     (e como boa aproximação, o ar) é dado por:                         Φ = B.A.cosθ

                      µo = 4π x 10-7 H/m                , em que B é a intensidade do campo magnéti-
                                                        co na região, A é a área da superfície que é
          A unidade de permeabilidade magnética no      atravessada pelo campo, e θ é o ângulo forma-
     SI, Henry por metro, H/m, é definida desta ma-     do pelo campo magnético e a direção perpen-
     neira por análise dimensional, já que B e H,       dicular ao plano da superfície. Três situações
     apesar de serem ambos campos magnéticos, não       para fluxos diferentes para o mesmo campo
     têm as mesmas unidades de medida. Esse valor       magnético estão ilustradas abaixo:
     é tomado como referência para outros materi-
     ais, através da permeabilidade relativa, µr, que
     é um parâmetro adimensional:

                                  µ
                           µr =
                                  µo
                                                        FIGURA 35
22       Assim, de acordo com o seu valor de per-          No sistema internacional, medimos fluxo
     meabilidade relativa, os materiais podem ser       magnético por Weber:
     classificados como:
         • Amagnéticos: µr = 1. Materiais que não                          [Φ]= Wb
             são magnetizados, são magneticamen-
Eletricidade Básica
2.6 Indução Eletromagnética                       , em que ∆Φ é a variação do fluxo magnético
     Os Físicos são movidos várias vezes pela     em um certo intervalo de tempo ∆t e N é o
busca de simetrias na natureza. Um exemplo        número de espiras através das quais o fluxo
disto foi a descoberta da indução eletromagné-    está variando. Na nossa discussão acima, N =
tica pelo inglês Michael Faraday em 1831. Ao      1. Quanto maior for o número de espiras, mai-
observar a experiência de Oersted, em que uma     or o valor da fem induzida.
corrente elétrica conseguia gerar um campo            Uma aplicação elementar da Lei de
magnético, desvia não o ponteiro da bússola,      Faraday é o gerador linear ilustrado abaixo:
Faraday questionava se o inverso poderia acon-
tecer, ou seja, um campo magnético gerar uma
corrente elétrica. Vários experimentos foram
feitos, sem se obter provas da dedução anteri-
or. Foi que Faraday, ao realizar o experimento
descrito abaixo, terminou por corroborar suas
idéias.




FIGURA 36
                                                  FIGURA 37
     Faraday observou que o galvanômetro (ins-
trumento para medir correntes pequenas) só acu-        Os dois fios condutores que fecham o cir-
sava a passagem de corrente no circuito do lado   cuito com a barra AB, também condutora, que
direito no momento em que ele ligava ou desli-    está sendo puxada com velocidade V em uma
gava a chave do circuito do lado esquerdo da      região com campo magnético constante. Ao
figura. Contudo, não era medida corrente pela     puxarmos a barra, obviamente, o valor do cam-
direita quando a chave permanecia ligada. Re-     po magnético permanece constante. Será então
cordando o que já comentamos em outra seção,      que não mediremos corrente no amperímetro
na esquerda da figura, quando a chave perma-      colocado entre os condutores? A Lei de Faraday
nece ligada, passa corrente pelo solenóide da     nos diz que a variação do fluxo é que causa o
esquerda, que gera dentro do solenóide (e no      surgimento de uma fem induzida. Quando pu-
pedaço de ferro dentro dele) um campo magné-      xamos a barra, a área retangular dentro do cir-
tico constante. Do outro lado, devido ao núcleo   cuito que está sendo atravessada pelo campo
de ferro comum, aparece também um campo           está aumentando, logo, o fluxo do campo mag-
magnético no solenóide à direita da figura. A     nético também está aumentando, o que provo-
conclusão de Faraday foi que não é a presença     ca o surgimento de uma fem no circuito, pro-
do campo magnético que provoca corrente,          vocando a circulação de uma corrente. Vamos
e sim a variação do fluxo do campo magnéti-       encontrar uma expressão para a fem induzida.
co! Ao ligarmos ou desligarmos a chave do cir-    O fluxo magnético será:
cuito, o campo está variando até o seu valor
máximo ou diminuindo do máximo até zero.
                                                                 Φ = B . A . cos θ
Enquanto há variação do fluxo do campo mag-
nético no ferro, há corrente induzida no outro
lado. Lembremos que para mantermos uma                 Aqui A é a área onde está passando cam-
corrente em um condutor, precisamos de uma        po magnético dentro da espira, A = l . x. O
fem no circuito. Com isso, o enunciado da Lei     ângulo θ é formado pela direção perpendicu-
de Faraday pode ser escrito como:                 lar ao plano da espira e o campo B, logo θ = 0o
                                                  e cosθ = 1. Como o fluxo inicial era nulo (não
 “Toda vez que um condutor estiver sujeito        havia área na espira), pela Lei de Faraday, te-
  a uma variação de fluxo magnético, nele         mos para o módulo da fem induzida:
   aparece uma fem induzida, enquanto o
           fluxo estiver variando.”
                                                                         Blx                            23
    Matematicamente, a expressão da Lei de                      ε =1 .       = Blv
Faraday é:                                                               ∆t
                          ∆Φ
                 ε = −N                           , sendo x/∆t nada mais do que a velocidade
                          ∆t                      média do condutor que está sendo puxado.
Eletricidade Básica
    Sentido da corrente induzida: Lei de Lenz          paradas de equipamentos críticos para o pro-
        Precisamos agora explicar o porquê do          cesso produtivo de uma refinaria. Não pode-
    sinal negativo na Lei de Faraday. Tal interpre-    mos nos esquecer, ainda, que equipamentos
    tação é dada pela Lei de Lenz, enunciada pela      que contêm baterias, como os já citados, po-
    primeira vez pelo físico russo Heinrich Lenz:      dem provocar pequenas faíscas entre os con-
                                                       tatos das baterias e dos aparelhos, o que pode
        “Os efeitos da fem induzida opõem-se           ser extremamente perigoso na presença de ga-
             às causas que a originaram”               ses inflamáveis!

       Podemos visualizar este enunciado obser-
    vando a figura abaixo:                                          Anotações



    FIGURA 38.1                  FIGURA 38.2


        Na figura 38.1, temos um imã aproximan-
   do-se de uma espira conectada a um circuito,
   inicialmente sem corrente. Pela Lei de Lenz,
   como é o pólo norte que está se aproximando
   da espira, esta deve reagir criando um pólo
   norte voltado para o imã, de modo a se opor à
   aproximação deste, que provoca o aumento do
   fluxo do campo magnético. Usando a regra da
   mão direita para espiras, é fácil verificar que o
   observador da figura vai medir uma corrente
   induzida no sentido anti-horário na espira. Já
   na figura 38.2, estamos, agora, afastando o
   mesmo imã. Assim, a espira ira “criar” um pólo
   sul de modo a tentar atrair o imã, evitando o
   seu afastamento. Novamente, a regra da mão
   direita para espiras verifica que, para o obser-
   vador, a espira agora terá uma corrente
   induzida no sentido horário.
        Em instalações elétricas industriais, a
   indução eletromagnética pode ocorrer entre os
   cabos de força, por onde passam correntes al-
   tas, e os cabos de instrumentação, com cor-
   rentes relativamente baixas. O campo magné-
   tico variável dos cabos de força induz uma
   corrente nos cabos de instrumentação, causan-
   do erros de leitura em instrumentos sensíveis,
   como sensores e medidores, podendo, em al-
   guns casos, até queimá-los. Para evitar tais
   problemas, os cabos de força são instalados
   separadamente dos cabos de instrumentação.
24      Da mesma maneira, o uso de equipamen-
   tos eletrônicos, como notebooks e telefones
   celulares, podem gerar campos eletromagné-
   ticos capazes de causar erros de leituras nos
   instrumentos de campo, o que poderia causar
Eletricidade Básica




     Eletromagnetismo:
         Aplicações
     Nos capítulos anteriores, vimos de forma
                                                                               3
                                                   Na verdade, são várias as espiras que constitu-
simplificada os fenômenos elétricos, magné-        em um enrolamento chamado de armadura. Os
ticos e os dois combinados no eletromagnetis-      terminais da armadura são soldados aos anéis
mo, para que pudéssemos entender o funcio-         chamados de coletores. Encostadas nos anéis
namento e as características de instrumentos,      coletores estão as escovas (feitas geralmente de
equipamentos e máquinas presentes no nosso         grafita), que fazem o contato elétrico, entregan-
cotidiano. Nesta parte de aplicações do curso,     do então a fem e corrente induzidas a um cir-
vamos ver como os fenômenos eletromagné-           cuito. Embora tenhamos colocado pólos de imãs
ticos levaram ao funcionamento e as caracte-       para simplificar a figura, na prática, o campo
rísticas de geradores, motores elétricos, trans-   magnético em que está imersa a armadura é pro-
formadores, dentre outros que são tão comuns       duzido por eletroímãs dispostos na carcaça do
em nossos trabalhos.                               motor, o chamado estator. O enrolamento no
                                                   estator é chamado de bobina de excitação de
3.1 O Gerador de Corrente Alternada                campo, a qual é alimentada por uma fonte de
                                                   corrente contínua (CC). Um corte mais deta-
    Logo após o desenvolvimento da Lei da
                                                   lhado deste motor pode ser visto na figura 40:
Indução, o próprio Faraday idealizou um mo-
delo de gerador que produzisse energia elétri-
ca de uma maneira mais eficiente e duradoura
do que as pilhas e baterias eletrolíticas de até
então. O modelo original de gerador de Faraday
tem em grande parte as características de um
gerador moderno como o que ilustramos es-
quematicamente abaixo.


                                                   FIGURA 40

                                                       1. Estator
                                                       2. Bobina de excitação de campo
                                                       3. Ranhuras que acomodam as bobinas de
                                                          excitação no estator
                                                       4. Eixo da armadura
                                                       5. Armadura
                                                        Alguns geradores (e motores) têm esta
                                                   montagem invertida: as bobinas de excitação
                                                   de campo estão no lugar da armadura e estas é
FIGURA 39                                          que são postas para girar. As espiras que com-
     Este tipo de gerador, também chamado de       põem a armadura estão no estator, e sentem a
alternador, produz uma tensão alternada, ge-       variação de fluxo magnético devido ao movi-
rando portanto uma corrente alternada, que         mento de rotação das bobinas de excitação. 25
discutiremos posteriormente. Na figura 39,         Fisicamente, os dois sistemas são equivalen-
temos uma bobina colocada entre os pólos de        tes. Esta “montagem invertida” é utilizada em
um imã, ou seja, ela está imersa no campo          geradores trifásicos, dos quais falaremos pos-
magnético compreendido entre os dois pólos.        teriormente.
Eletricidade Básica
          O funcionamento do alternador pode ser                       Na figura 43 vamos acompanhar uma re-
     explicado assim: um eixo está ligado às arma-                volução completa de uma espira para compre-
     duras, colocando o conjunto a girar. Quando as               endermos porque a fem induzida (e por con-
     espiras da armadura começam a girar dentro do                seqüência a corrente) são geradas de forma
     campo magnético, há uma variação de fluxo                    alternada.
     magnético através das espiras, já que a orienta-
     ção destas em relação ao campo magnético está
     mudando continuamente. Pelas Leis de Faraday
     e Lenz, uma corrente é induzida na armadura,
     com os coletores jogando esta corrente no cir-                                          θ = 0o → sen θ = 0 → ε = 0
     cuito elétrico onde elas serão utilizadas. Isso              Posição 1
     nada mais é que a conversão de energia mecâ-
     nica em elétrica. Nas hidrelétricas, uma roda
     de pás acoplada ao eixo do alternador, gira com                                       θ = 90o → sen θ = 1 → ε = Vm
     a passagem da água e gera eletricidade. Nas
     termoelétricas, a água é aquecida em caldeiras,              Posição 2
     o vapor resultante passa por uma turbina. O eixo
     da turbina está acoplado ao alternador, gerando
                                                                                           θ = 180o → sen θ = 0 → ε = 0
     eletricidade também.
                                                                  Posição 3




                                                                                         θ = 270o → sen θ = –1 → ε = Vm

                                                                  Posição 4



                                                                                           θ = 360o → sen θ = 0 → ε = 0

                                                                  Posição 5

                                                                  FIGURA 43 – Geração de 1 ciclo de tensão CA com um
     FIGURA 41 – A rotação da armadura pode ser obtida através    alternador de uma única espira.
     da energia potencial do desnível de uma queda mediante uma
     turbina.                                                          Assim, temos o formato de uma onda se-
                                                                  noidal para a tensão e corrente alternadas. Va-
         A expressão da fem induzida em um ge-                    mos agora definir alguns parâmetros usuais no
     rador é derivada daquela que encontramos para                trato das correntes alternadas ou (CA). Pode-
     o gerador linear. Apenas devemos lembrar que                 mos começar reescrevendo a expressão para a
     a velocidade v naquela expressão é a compo-                  fem CA como
     nente da velocidade perpendicular (vt) ao cam-
     po magnético, já que a componente paralela                                  ε(t) = Vmsen(ωt)
     não sofre influência do campo. Assim, obser-
     vando α na figura 42 e sua relação com as ve-                , em que ω é a chamada freqüência angular da
     locidades. Assim, temos que:                                 rotação da armadura, que se relaciona com a
                                                                  freqüência propriamente dita (f, que é medida
                                                                  em ciclos por segundo, ou Hertz),

                                                                                  ω = 2πf = 2π/T

                                                                  , sendo T, o período da rotação (medido em
                                                                  segundos), ou seja, o tempo necessário para a
26                                                                tensão completar um ciclo.
                                                                      Vm é o valor máximo da tensão gerada,
                                                                  que pode ser escrito como:
     FIGURA 42

                     ε = Blvt = Blv sen θ                                           Vm = NωBA
Eletricidade Básica
     De acordo com as notações que estamos             As tensões induzidas εA e εB são escritas como:
utilizando, N é o número de espiras, B é o va-     εA(t) = Vmsen(ωt) e εB(t) = Vmsen(ωt – 90o)
lor do campo magnético e A é a área da cada
espira da armadura (supostas todas iguais).
                                                   Gerador Trifásico
     A corrente elétrica CA gerada pode ser
                                                        Neste caso, temos 3 bobinas dispostas na ar-
obtida da Lei de Ohm, V = Ri, porém, R aqui
                                                   madura igualmente espaçadas. Logo, o espaça-
denota a resistência elétrica de todo o circuito
                                                   mento entre elas é de 120o, ou um terço de volta
a que esta fonte CA está ligada. Assim,
                                                   após a bobina A, B completa seu ciclo, e dois
               ε Vm                                terços de volta após (240o), C finalmente com-
     i(t) =     =   sen(ωt) = i m sen(ωt)          pleta o ciclo. As tensões induzidas são dadas por:
               R R
                                                   εA(t) = Vmsen(ωt) εB(t) = Vmsen(ωt – 120o)
     Um parâmetro importante no estudo de
correntes e tensões alternadas são os valores                 εC(t) = Vmsen(ωt – 240o)
eficazes ou RMS da tensão e corrente. O va-            Abaixo vemos um modelo simplificado de
lor RMS de uma corrente elétrica é aquele que      gerador trifásico e a representação gráfica das
equivale ao de uma corrente contínua que, em       diferenças de fase que relacionam as tensões.
um intervalo de tempo igual ao período da
corrente CA, ao passar por um resistor dissi-
pa a mesma quantidade de energia. Os valo-
res RMS de corrente e tensão são dados por:
                im                      Vm
      irms =                  ε rms =
                  2                      2

3.2 Geradores Polifásicos
    Um sistema polifásico é constituído por duas
ou mais tensões iguais geradas no mesmo dis-
positivo. Estas tensões são iguais, apenas estão
defasadas uma em relação a outra. Vamos ver os
dois exemplos mais simples a seguir.               FIGURA 45

Gerador Bifásico                                        A máquina apresentada na figura acima é
     A rotação de um par de bobinas perpen-        teórica, diversas limitações práticas impedem
diculares entre si no campo magnético do ge-       a sua utilização. Atualmente, como já comen-
rador acarreta a geração de duas tensões iguais,   tamos, o campo é que gira enquanto o rola-
mas defasadas de um quarto de rotação entre        mento trifásico fica no estator. A vantagem
si. Isso porque, quando a bobina A da figura       disto é que como são geradas tensões da or-
abaixo completa uma volta (um período da           dem de 10 kV ou mais, esta tensão elevada
tensão alternada induzida), a bobina B passa       não precisa passar pelos anéis coletores e es-
pelo mesmo ponto após um quarto de volta           covas, bastando fazer a tomada da tensão ge-
do eixo do gerador. Como uma volta comple-         rada através de um circuito ligado diretamen-
ta corresponde a 360o e um quarto de volta a       te no estator. Na figura abaixo, vemos um cor-
90o, dizemos então que estas ondas estão de-       te esquemático deste tipo de gerador:
fasadas, ou possuem uma fase de 90o.




                                                                                                           27



FIGURA 44                                          FIGURA 46
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
Eletricidade básica
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  • 1. Eletricidade Básica CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA FÍSICA APLICADA ELETRICIDADE BÁSICA 1
  • 3. Eletricidade Básica FÍSICA APLICADA ELETRICIDADE BÁSICA NESTOR CORTEZ SAAVEDRA FILHO EQUIPE PETROBRAS Petrobras / Abastecimento UN´S: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP 3 CURITIBA 2002
  • 4. Eletricidade Básica Disciplina Física Aplicada Módulo Eletricidade Básica Ficha Técnica Contatos com a Equipe da Repar: Antonio Razera Neto Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar (Coordenador do Curso de Desenho Industrial) Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16 Maurício Dziedzic 83700-970 Araucária – Paraná (Coordenador do Curso de Engenharia Civil) Mario Newton Coelho Reis Júlio César Nitsch (Coordenador Geral) (Coordenador do Curso de Eletrônica) Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717 Marcos Roberto Rodacoscki e-mail: marioreis@petrobras.com.br (Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica) Uzias Alves Nestor Cortez Saavedra Filho (Coordenador Técnico) (Autor) Tel.: (41) 641 2301 Marcos Cordiolli e-mail: uzias@petrobras.com.br (Coordenador Geral do Projeto) Décio Luiz Rogal Iran Gaio Junior Tel.: (41) 641 2295 (Coordenação Ilustração, Fotografia e e-mail: rogal@petrobras.com.br Diagramação) Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva Carina Bárbara R. de Oliveira Tel.: (41) 641 2433 Juliana Claciane dos Santos e-mail: ledyc@petrobras.com.br (Coordenação de Elaboração dos Módulos Adair Martins Instrucionais) Tel.: (41) 641 2433 Érica Vanessa Martins e-mail: adair@petrobras.com.br Iran Gaio Junior Josilena Pires da Silveira UnicenP – Centro Universitário Positivo (Coordenação dos Planos de Aula) Oriovisto Guimarães Luana Priscila Wünsch (Reitor) (Coordenação Kit Aula) José Pio Martins Carina Bárbara R. de Oliveira (Vice Reitor) Juliana Claciane dos Santos Aldir Amadori (Coordenação Administrativa) (Pró-Reitor Administrativo) Claudio Roberto Paitra Elisa Dalla-Bona Marline Meurer Paitra (Pró-Reitora Acadêmica) (Diagramação) Maria Helena da Silveira Maciel Marcelo Gamaballi Schultz (Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação Pedro de Helena Arcoverde Carvalho Institucional) (Ilustração) Luiz Hamilton Berton Cíntia Mara R. Oliveira (Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa) (Revisão Ortográfica) Fani Schiffer Durães Contatos com a equipe do UnicenP: (Pró-Reitora de Pós-Graduação e Pesquisa) Centro Universitário do Positivo – UnicenP Euclides Marchi Pró-Reitoria de Extensão (Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300 Sociais Aplicadas) 81280-320 Curitiba PR 4 Helena Leomir de Souza Bartnik Tel.: (41) 317 3093 (Coordenadora do Curso de Pedagogia) Fax: (41) 317 3982 Marcos José Tozzi Home Page: www.unicenp.br (Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e e-mail: mcordiolli@unicenp.br Tecnologias) e-mail: extensao@unicenp.br
  • 5. Eletricidade Básica Apresentação É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife- renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de você e de seu perfil empreendedor. Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria. Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc- nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po- dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da Petrobras. Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na Petrobras. Nome: Cidade: Estado: Unidade: Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo. 5
  • 6. Eletricidade Básica Sumário 1 PRINCÍPIOS DA ELETRICIDADE ................................................................................. 7 1.1 O que é Eletricidade? ................................................................................................ 7 1.2 Processos de Eletrização........................................................................................... 8 1.3 Interações entre cargas elétricas: força e campo elétrico ......................................... 11 1.4 Trabalho e Potencial Elétrico ................................................................................. 12 1.5 Corrente Elétrica ..................................................................................................... 13 1.6 Força Eletromotriz .................................................................................................. 14 1.7 Resistência Elétrica: Leis de Ohm .......................................................................... 14 1.8 Associação de Resitores ......................................................................................... 16 1.9 Leitura de Resistores – Código de Cores ............................................................... 16 2 PRINCÍPIOS DE ELETROMAGNETISMO ................................................................. 18 2.1 Magnetismo ............................................................................................................ 18 2.2 Interação entre corrente elétrica e campo magnético: Eletromagnetismo .............. 19 2.3 Cálculo da Intensidade do Campo Magnético ........................................................ 19 2.4 Campos Magnéticos na Matéria ............................................................................. 21 2.5 Fluxo Magnético ..................................................................................................... 22 2.6 Indução Eletromagnética ........................................................................................ 23 3 ELETROMAGNETISMO: APLICAÇÕES .................................................................... 25 3.1 O Gerador de Corrente Alternada ........................................................................... 25 3.2 Geradores Polifásicos ............................................................................................. 27 3.3 Gerador de Corrente Contínua................................................................................ 28 3.4 Corrente Alternada x Corrente Contínua ................................................................ 29 3.5 Transformadores ..................................................................................................... 30 3.6 Capacitores ............................................................................................................. 30 3.7 Indutores ................................................................................................................. 32 3.8 Capacitores, Indutores e Corrente Alternada .......................................................... 33 3.9 Potência em Circuitos CA ...................................................................................... 34 3.10 Circuitos Trifásicos ................................................................................................. 35 4 COMPLEMENTOS ........................................................................................................ 37 4.1 Medidas Elétricas ................................................................................................... 37 4.2 Unidades de Medidas ............................................................................................. 39 6 EXERCÍCIOS ................................................................................................................. 40
  • 7. Eletricidade Básica Princípios da Eletricidade 1 de experiências feitas em 1906. Mas como este 1.1 O que é Eletricidade? modelo ajuda nossa compreensão sobre a na- Embora os fenômenos envolvendo eletri- tureza da eletricidade? cidade fossem conhecidos há muito tempo (to- Freqüentemente, falamos em “carga elé- dos já devem ter ouvido falar da famosa expe- trica”. O que vem a ser isto? Suponha que você riência do americano Benjamin Franklin sol- tem um corpo “carregado com carga negati- tando pipa em um dia de tempestade), somen- va”. Considerando que, as cargas que conhe- te durante o século XIX, investigações, mais cemos são aquelas representadas nos átomos, científicas foram feitas. Faremos, então, uma os prótons (positivos) e os elétrons (negativos), breve discussão sobre os fenômenos elétricos. então, um corpo com “carga negativa”, na ver- Hoje sabemos que a explicação da natu- dade, é um corpo em cujos átomos há um maior reza da eletricidade vem da estrutura da maté- número de elétrons do que de prótons. Ou, de ria, os átomos. Na figura 1, vemos um esboço maneira contrária, outro corpo com carga po- de um átomo dos mais simples, o de Lítio. sitiva é aquele em que o número de elétrons é Temos o núcleo deste átomo, que é composto menor do que o número de prótons. Esta vari- por dois tipos de partículas: os prótons, partí- ação de cargas positivas para negativas em um culas carregadas positivamente, e os nêutrons, corpo é feita mais facilmente variando o nú- que têm a mesma massa dos prótons, só que mero de elétrons do corpo, já que como eles não são partículas carregadas. estão na periferia dos átomos, são mais facil- mente removíveis. Conceito de Carga Elétrica: Como con- seqüência do que colocamos acima, toda car- ga que aparece em um corpo é um múltiplo da carga de cada elétron, uma vez que, para tor- narmos um corpo negativamente carregado, fornecemos a este 1 elétron, 2 elétrons, assim por diante. Da mesma maneira, para tornar- mos o corpo carregado positivamente, é ne- cessário “arrancar” de cada átomo um elétron, dois elétrons, etc. Este processo de variação FIGURA 1 do número de elétrons dos átomos é chamado de ionização. Um átomo cujos elétrons não Orbitando ao redor do núcleo temos par- estejam em mesmo número de seus prótons é tículas cerca de 1836 vezes mais leves que os chamado de íon. Assim, de uma maneira ge- prótons, os elétrons, que apresentam cargas ral, toda carga Q pode ser calculada da seguinte negativas de mesmo valor que as dos prótons. forma: Em seu estado natural, todo átomo tem o mes- mo número de prótons e elétrons, ou seja, é Q = Ne eletricamente neutro. Na verdade, a figura está bem fora de escala para facilitar o desenho, já Em que N é o número de elétrons forneci- 7 que o diâmetro das órbitas dos elétrons varia dos (no caso de carga negativa) ou retirados entre 10 mil a 100 mil vezes o diâmetro do (no caso de cargas positivas) do corpo e e, a núcleo! O modelo da figura foi proposto pelo chamada carga elétrica fundamental, que é a físico inglês Ernest Rutherford, após uma série carga presente em cada próton ou elétron.
  • 8. Eletricidade Básica Trabalharemos com o Sistema Internacio- nal de Unidades (SI), mais conhecido como MKS (Metro, Kilograma, Segundo), para de- finirmos as unidades de medida das grande- zas físicas utilizadas em nossos estudos. Carga elétrica: Coulomb [Q] = C A carga elétrica fundamental, em Coulombs, vale aproximadamente 1,6 x 10-16 C. Este valor é muito pequeno! Daí temos que, para conse- guir cargas de 1 Coulomb, é necessária trans- FIGURA 2.3 – Os panos de lã se repelem. ferência de vários elétrons entre corpos então, podemos concluir esta seção afirmando, então, Isso acontece porque, ao esfregarmos a lã que os fenômenos elétricos são aqueles envol- contra o vidro, os dois inicialmente neutros, vendo transferências de elétrons entre corpos. provocamos uma transferência de elétrons do E em relação aos prótons? Há processos envol- vidro para a lã. É um processo semelhante ao vendo os prótons especificamente, que são do que acontece quando usamos um pente de plás- domínio da Física Nuclear, no entanto, tais even- tico para pentear o cabelo. Uma questão funda- tos não fazem parte dos objetivos deste curso. mental que podemos formular é porque lã e vi- dro atraem-se e lã repele lã e vidro repele vi- 1.2 Processos de Eletrização dro? O vidro perdeu elétrons, ficando carrega- Eletrização por Atrito: Podemos reali- do positivamente, ao contrário da lã, que ao re- zar uma experiência simples utilizando um ceber os elétrons, adquiriu carga negativa. Che- pano de lã e um bastão de vidro. Ao esfregar- gamos, então, a uma lei básica da natureza: mos um no outro, podemos notar que o vidro atrai a lã e vice-versa (figura 2.1). Contudo, se Cargas de mesmo sinal repelem-se, repetirmos a experiência com um conjunto cargas de sinais opostos atraem-se. idêntico ao acima e aproximarmos os dois bas- tões de vidro, notaremos que estes se repelem Isto explica, em parte, a estrutura do áto- (figura 2.2), o mesmo acontecendo com os dois mo, onde os prótons positivos atraem os elé- panos de lã (figura 2.3). trons negativos. Condutores e Isolantes: Será que todo material tem facilidade para que os elétrons possam se mover, facilitando processos como o descrito acima? Isto depende, na verdade, da distribuição dos elétrons nos átomos que constituem o material. Materiais em que os elé- trons estão mais livres dos respectivos núcle- os dos átomos são os condutores. De maneira oposta, materiais em que os elétrons não po- dem mover-se livremente, porque estão muito FIGURA 2.1 – O vidro e a lã se atraem. presos aos núcleos, são os chamados isolan- tes. Há, ainda, uma classe intermediária de ma- teriais, os semicondutores, como o nome já indica, materiais que podem conduzir eletrici- dade em condições operacionais específicas, que, porém, não serão nosso objeto de estudo neste curso. Como exemplo de bons conduto- res temos os metais como ferro, cobre, ouro. 8 Isolantes conhecidos são a borracha, o vidro, a cerâmica. A eletrização por atrito ocorre em qualquer tipo dos materiais citados, ao passo que as próximas duas que descreveremos ocor- FIGURA 2.2 – Os bastões de vidro e a lã se repelem. rem principalmente em condutores.
  • 9. Eletricidade Básica Um conceito importante dos materiais iso- Este tipo de eletrização pode gerar um lantes é o de rigidez dielétrica. Quando um iso- choque elétrico. Isto é o que acontece quando lante é submetido a uma tensão elétrica muito tocamos uma tubulação metálica ou um veí- grande, pode acontecer que ele permita a pas- culo que está eletrizados. O contato do nosso sagem de eletricidade. Quando isto acontece, corpo com a superfície do veículo, por exem- dizemos que aconteceu a ruptura de um plo, faz com que haja uma rápida passagem dielétrico. A rigidez dielétrica fornece o valor de cargas elétricas através do nosso corpo, daí máximo da tensão elétrica que um isolante aparecendo a sensação de choque elétrico. suporta sem que sofra ruptura. A rigidez O “Efeito Terra”: A Terra, por ter dimen- dielétrica de um isolante diminui com o au- sões bem maiores que qualquer corpo que pre- mento da espessura do isolante, da duração da cisemos manipular, pode ser considerada um aplicação da tensão elétrica e da temperatura. grande “depósito” de elétrons. Se ligarmos Eletrização por contato: Supondo que uma esfera carregada positivamente (figura 4a) dois corpos condutores, como as duas esferas à Terra, por meio de um fio, verificamos que metálicas da figura 3.a. A esfera A já está car- rapidamente ela perde sua eletrização, fican- regada positivamente, enquanto a esfera B está do neutra. Isto acontece devido à subida de neutra. Se colocarmos as duas em contato, a elétrons da Terra, que neutralizam a carga po- tendência é que ambas atinjam uma situação de sitiva da esfera. Da mesma maneira, ao ligar- equilíbrio. Para que isso ocorra, a esfera B ten- mos uma esfera de carga negativa, esta tam- de a neutralizar A, através de uma passagem bém perde sua carga, já que seus elétrons des- de elétrons (cargas negativas) de B para A (fi- cem para a Terra. Não esqueça que sempre ra- gura 3b), até que as duas atinjam a mesma car- ciocinamos em termos do movimento dos elé- ga, pois, desta forma, nenhuma das duas esfe- trons (cargas negativas), que, como já discuti- ras “sentirá” a outra mais eletrizada. Assim, a mos, por ocuparem a periferia dos átomos, têm carga final de cada uma delas será a metade das uma mobilidade maior que os prótons. cargas iniciais do sistema (figura 3c), neste exemplo, metade da carga inicial de A. Elétrons Elétrons FIGURA 4a FIGURA 3.a – A positivo e B neutro estão isolados e afastados. Um efeito da eletrização por contato, que leva a uma aplicação do efeito terra, é o possí- vel surgimento de faíscas elétricas, o que em uma refinaria de petróleo pode adquirir pro- porções catastróficas. Nas baías onde é feito o carregamento de combustíveis em caminhões, estes podem estar carregados eletricamente e, no momento da conexão do mangote ao cami- FIGURA 3.b – Colocados em contato, durante breve nhão, uma faísca entre eles pode detonar uma intervalo de tempo, elétrons livres vão de B para A. explosão, caso haja a presença de gases com- bustíveis na área. Para minimizar este risco, o caminhão é conectado ao solo (aterrado) an- tes do início do bombeamento de combustí- vel. Deste modo, o caminhão ficará com car- ga neutra. 9 Eletrização por Indução: Este tipo de eletrização faz uso da atração de cargas de si- FIGURA 3.c – Após o processo, A e B apresentam-se nais opostos, como na seqüência mostrada na eletrizados positivamente. figura 5.
  • 10. Eletricidade Básica A estrutura de um pára-raios consiste em 1. Ao aproximarmos da esfera do uma haste metálica colocada no ponto mais eletroscópio um corpo eletrizado alto da estrutura a ser protegida. A extremida- negativamente, o eletroscópio sofre de inferior da haste é conectada a um cabo indução eletrostática e as lâminas se abrem. condutor, que desce pela estrutura e é aterrado ao solo. Na extremidade superior da haste, te- mos um terminal composto de materiais com Lâminas de ferro alto ponto de fusão, para suportar as altas tem- peraturas provocadas pela passagem da des- carga elétrica. O formato desta extremidade, que é pontiagudo, faz uso de uma propriedade 2. Ligando-se o eletroscópio à Terra, dos condutores, o poder das pontas. Em um as lâminas se fecham, pois os condutor, a densidade de cargas é maior em elétrons escoam para a Terra. regiões que contêm formato pontiagudo. Lá a densidade de cargas é maior, bem como o cam- po elétrico. Assim, por serem regiões de alto campo elétrico, tais pontas favorecem a mobi- lidade das cargas elétricas através delas. Se a 3. Desfazendo-se a ligação com a nuvem carregada estiver acima da haste, nesta Terra e afastando-se o corpo eletrizado, o eletroscópio se eletriza são induzidas cargas elétricas intensificando positivamente. Observe que, o campo elétrico na região entre a nuvem e a novamente, as lãminas se abrem. haste, produzindo assim uma descarga elétrica através do pára-raios. Nuvem FIGURA 5 Descargas Atmosféricas: Durante tem- pestades, raios e trovões ocorrem em abundân- cia. Como tais fenômenos envolvem descar- Isoladores Haste metálica gas elétricas, é necessária a proteção das ins- talações de uma refinaria. O surgimento de raios em tempestades vem do fato de que as nuvens que as causam estão carregadas eletricamente. Assim, surgem campos elétricos entre partes destas nuvens, entre nuvens próximas e entre nuvens e o solo. Como o ar é isolante, é necessário o surgimento de um forte campo elétrico entre as nuvens e o solo, para que seja possível vencer a rigidez dielétrica do ar. Quando isto acontece, a cor- FIGURA 5.1 rente elétrica pode passar pelo ar, fazendo com A construção de pára-raios é normatizada que haja a descarga elétrica da nuvem para o pela Associação Brasileira de Normas Técni- solo, através do efeito terra. A luz que acom- cas (ABNT), onde "o campo de proteção ofe- panha o raio, chamada de relâmpago, aparece recido por uma haste vertical é aquele abran- por causa da ionização devido à passagem de gido por um cone, tendo por vértice o ponto cargas elétricas pelo ar. Isto também gera um mais alto do pára-raios, e cuja geratriz forma forte e rápido aquecimento, causando a expan- um ângulo de 60o com a vertical". Tal arranjo são do ar e produzindo uma onda sonora de está ilustrado na figura abaixo. Assim, vemos grande intensidade, que chamamos de trovão. que a partir de um pára-raios de altura h, o Prevenção de Descargas Atmosféricas: raio de proteção é dado por r = 3 h . Para evitar efeitos desastrosos das descargas 10 atmosféricas, é utilizado um aparato muito 60o h popular chamado de pára-raios. Ele tem por finalidade oferecer um caminho mais eficien- r= 3h te e seguro para as descargas elétricas, prote- gendo edificações, tubulações, redes elétricas, depósitos de combustível, etc. FIGURA 5.2
  • 11. Eletricidade Básica 1.3 Interações entre cargas elétricas: trário ao do campo elétrico que atua na região em que ela se encontra (figura 7b). força e campo elétrico r r Já vimos no exemplo da lã e do vidro que se q > 0, F e E têm mesmo sentido (fig. 7a) r r cargas elétricas sofrem atração ou repulsão se q < 0, F e E têm sentidos opostos (fig. 7b) r r dependendo do seu sinal. Uma expressão para F e E têm sempre mesma direção. o módulo da força entre elas é dada pela Lei de Coulomb: Kq1q2 F= (F em Newtons) d2 FIGURA 7a FIGURA 7b Ainda a partir da equação acima, podemos exprimir as unidades de medida do campo elé- trico no Sistema Internacional de Unidades: E = F/q ⇒ [E] = N/C Por exemplo, se colocarmos uma distribui- ção de cargas na presença de uma distribuição de cargas na presença de um campo de 5 N/C ele exercerá uma força de 5 Newtons em cada Coulomb de carga. Para representarmos graficamente o cam- po elétrico, podemos recorrer ao desenho das linhas de campo elétrico, que obedecem às seguintes regras: FIGURA 6 1. As linhas de campo elétrico começam nas cargas positivas e terminam nas Sendo q 1 e q 2 , os valores das cargas cargas negativas; elétricas, K , a constante eletrostática 2. As linhas de campo elétrico nunca se (K = 9 x 109 N.m2/C2) e d, a distância entre as cruzam; cargas. 3. A densidade de linhas de campo elétri- Podemos observar que esta força é trocada co dá uma idéia da intensidade do cam- entre as cargas mesmo no vácuo, ou seja, não po elétrico: em uma região de alta den- depende de um “meio” que faça com que uma sidade de linhas, temos um alto valor carga “sinta” a presença da outra. Quem faz do campo elétrico. este papel é o Campo Elétrico, que é uma me- De uma maneira geral, as linhas de cam- dida da influência que uma carga elétrica exer- po elétrico representam a trajetória de uma ce ao seu redor. Quanto maior o valor de uma carga positiva abandonada em repouso em um carga elétrica, mais atração ou repulsão ela campo elétrico pré-existente. pode exercer sobre uma carga ao seu redor, portanto, maior também o valor do seu campo elétrico. Se colocarmos uma carga qo em uma região do espaço onde existe um campo elé- trico E, a relação entre a força que vai atuar sobre esta carga e o campo elétrico é: r r F=q0 E FIGURA 8.1 FIGURA 8.2 Devemos ter cuidado com esta equação, já que ela relaciona vetores! Se a carga qo for 11 positiva, temos que F = qoE, ou seja, força e campo tem o mesmo sentido (figura 7a). Do contrário, se qo for negativa, F = –qoE, o que significa que a força sobre qo tem sentido con- FIGURA 8.3
  • 12. Eletricidade Básica 1.4 Trabalho e Potencial Elétrico é positivo, ou seja, a carga moveu-se esponta- neamente. Daí temos que: Podemos lembrar de alguns conceitos que já estudamos em Mecânica e pensar da seguin- • Cargas positivas movem-se para pon- te maneira: colocamos uma carga q em repou- tos de menor potencial; so em uma região onde atua um campo elétri- • Cargas negativas movem-se para pon- co. Este campo vai fazer com que aja na carga tos de maior potencial. uma força de módulo F = qE. Como a partícu- Lembrando que no SI a unidade de traba- la estava em repouso, pela 2.a Lei de Newton lho e energia é o Joule (J), a unidade de dife- (F = ma), a força vai fazer com que esta partí- rença de potencial é expressa em Volt (V): cula adquira uma aceleração, saindo do repou- so e por conseqüência, deslocando-se. Ora, já [∆V] = Volt = J/C sabemos que quando uma força provoca des- locamento em um corpo, dizemos então que Interpretando esta unidade, temos, por ela realiza trabalho sobre este corpo. Como exemplo, que uma diferença de potencial de lembramos também, energia é a capacidade 12 Volts significa que em uma distribuição de de realizar trabalho. Tendo em vista, então que, cargas colocada em um campo elétrico este cam- o campo elétrico provocou o deslocamento da po realiza um trabalho de 12 Joules sobre cada nossa carga q, realizando trabalho sobre a car- Coulomb de carga. ga, concluir que o campo elétrico armazena Desta definição de Volt podemos também energia. medir o campo elétrico em outra combinação Como poderíamos medir que regiões do de unidades do SI: campo elétrico fornecem a maior capacidade de realizar trabalho? Uma maneira seria me- [E] = V/m dir o próprio valor do campo elétrico. Quanto maior o valor do campo, maior a força que ele A diferença de potencial é também cha- mada de ddp ou Tensão. Uma ddp aparece pode exercer, maior também o trabalho reali- entre dois corpos quando eles têm a tendência zado. Outra maneira, alternativa, é a que des- de trocar cargas elétricas entre si. crevemos a seguir. Na figura abaixo, o corpo A está carrega- Na figura 9, temos representado um cam- do positivamente, portanto está com falta de po elétrico formado entre duas placas carrega- elétrons. O corpo B tem carga negativa, estan- das com cargas de sinais opostos. do com excesso de elétrons. Se ligarmos os dois ou os colocarmos em contato, haverá um fluxo de elétrons de B para A, como já discu- timos na eletrização por contato, até que o equi- líbrio de cargas seja estabelecido. Quando isto acontece, dizemos que existe uma diferença de potencial (ddp) ou tensão entre os corpos A e B. Podemos, agora, simplificar dizendo que se há uma tensão entre dois corpos, ao colocarmos os dois em contato (diretamente ou por um fio), haverá uma movimentação de FIGURA 9 cargas entre eles, até que o equilíbrio seja es- tabelecido, quando a ddp torna-se zero. Queremos deslocar a carga positiva Q do ponto A ao ponto B marcados na figura. Defi- nimos então a diferença de potencial entre os pontos A e B (VA– VB) como: 12 ∆V = VA – VB = W/Q , em que W é o trabalho realizado pelo campo elétrico ao deslocar a carga de A até B. Como Q é positiva, se VA > VB, temos que W FIGURA 10
  • 13. Eletricidade Básica 1.5 Corrente Elétrica Podemos fazer uma analogia com um caso Em um condutor, os elétrons livres, aque- envolvendo a energia potencial gravitacional que já conhecemos da mecânica. Na figura 13, les que podem se mover devido a diferenças de potencial, executam um movimento desor- temos um fluxo de água da caixa mais alta para a mais baixa devido à diferença de altura en- denado através do condutor. Contudo, se este condutor for utilizado para conectar dois cor- tre as duas, ou seja, devido à diferença de po- pos com uma diferença de potencial entre si, tencial gravitacional. Assim, o fluxo de água (que seria o análogo da nossa corrente elétri- como na figura 11, haverá um fluxo de elé- trons ordenados através do condutor, porque ca), vai do maior potencial gravitacional (cai- xa alta) para o menor potencial gravitacional o corpo que está com carga negativa vai for- necer elétrons para o corpo carregado positi- (caixa baixa). A tubulação entre as caixas fa- ria o papel do condutor através do qual flui a vamente através do caminho formado pelo condutor. corrente elétrica. FIGURA 11 A este movimento ordenado de elétrons FIGURA 13 através de um condutor sujeito a uma tensão, chamamos de corrente elétrica. Como po- Intensidade de corrente elétrica: Pode- demos ver na figura 12, o movimento de car- mos reparar que quanto mais carga passar de gas se dá do corpo negativo (ou pólo negati- um corpo para o outro, maior o fluxo de car- vo) para o corpo (ou pólo) positivo. No en- gas entre eles e, intuitivamente, maior a cor- tanto, por um acidente histórico, foi atribuí- rente elétrica entre estes corpos. Tomando do à corrente o sentido do pólo positivo para como base a figura 14, podemos definir a in- o negativo, assim prevalecendo até hoje. É tensidade de corrente elétrica, i, da seguinte lógico que ao pensarmos em metais conduto- maneira: res como os do exemplo acima, este sentido, embora adotado, está errado, mas em algu- mas soluções iônicas, em baterias, por exem- plo, este sentido coincide com o correto. Por uma questão de uniformidade, vamos adotar o sentido convencional da corrente em nosso curso. FIGURA 14 ∆q i= ∆t , em que ∆q é a quantidade de carga que passa por uma seção transversal do condutor por in- 13 tervalo de tempo (∆t). Quanto maior a corren- te elétrica, mais carga passa pela mesma se- ção do condutor em um mesmo intervalo de FIGURA 12 tempo. No sistema internacional de unidades,
  • 14. Eletricidade Básica SI, definimos a unidade de medida da corren- Como fontes de fem temos pilhas secas, te elétrica: baterias, geradores, célula fotovoltáica, entre outros. Corrente: Ampère. Símbolos de fontes de fem: [i] = A = C/s bateria ou geradores de corrente No momento, o conhecimento abordado já contínua nos dá uma idéia das grandezas envolvidas, porém, um pouco, retornaremos a definição de gerador de corrente alternada Ampère. Por exemplo: se uma corrente de 2 A (gerador eletromecânico) passa por um condutor, significa que se tomar- mos uma seção transversal à corrente, a cada segundo, passam 2 Coulombs de carga por ali. fonte regulável de tensão Se lembrarmos o pequeno valor da carga de um elétron (e = 1,6 x 10–19 C), imagine quantos elé- FIGURA 16 trons estão passando a cada instante! Então, cuidado: ao manipularmos circuitos ou apare- Retomando nossa analogia com o exem- lhos elétricos, temos por vezes o hábito de esti- plo anterior das caixas d'água, a fem faria o marmos o “perigo” associado apenas olhando papel de uma bomba que levaria a água da para a tensão (220V, 110V, por exemplo), mas caixa inferior de volta à caixa superior, man- da definição de corrente elétrica, mesmo uma tendo assim um fluxo de água constante pelas baixa tensão pode ocasionar uma corrente alta, tubulações. ou seja, o operador pode estar exposto a uma passagem de alta quantidade de cargas elétri- cas pelo seu corpo, e conseqüentemente, aos efeitos maléficos que isto pode ocasionar. 1.6 Força Eletromotriz Partindo de nossa idéia inicial da origem da ddp, os dois corpos ligados por um condu- tor rapidamente atingiriam o equilíbrio de car- gas, fazendo com que a corrente elétrica entre eles cessasse. No entanto, em circuitos elétri- cos, não é isto o que observamos. Logo, preci- FIGURA 17 samos de um mecanismo que reponha as car- gas que foram deslocadas de um corpo para outro, mantendo assim a ddp constante, assim como a corrente elétrica entre os dois corpos. 1.7 Resistência Elétrica: Leis de Ohm Esse mecanismo é o que chamamos de Força Ao ligarmos um condutor metálico a uma Eletromotriz (fem), cuja unidade de medida fonte de fem, circulará uma corrente elétrica também é o Volt (V). através dele. Em uma série de experiências deste tipo, em 1827, George Simon Ohm veri- ficou que se fosse variada a fem, a corrente elétrica também variava. E mais: o quociente entre a fem utilizada e a corrente medida era constante: V1 V2 14 = = ... = R i1 i2 Na fórmula acima, R é a Resistência Elé- FIGURA 15 trica do corpo por onde passa a corrente. Sua
  • 15. Eletricidade Básica unidade de medida é o Ohm, representado pela , em que ρ é a resistividade, um parâmetro de- letra grega Ω. Daí temos a 1.a Lei de Ohm: pendente do material, medido em Ω.m. O in- verso desta grandeza é chamada de condutivida- V = Ri de do material, σ, cujas unidades são (Ω.m)–1. O inverso da resistência é a condutância, medi- , que é uma relação linear, ou seja, ao dobrar- da em Ω–1 ou Siemens. mos a ddp (V), a corrente (i) também dobrará, e assim por diante. Resistências que não são 2) Temperatura do condutor: Quanto me- alteradas ao variarmos a ddp são chamadas de nor a temperatura, menor a agitação dos resistências ôhmicas. átomos que compõem o material, as- A explicação para o surgimento da resis- sim, menos os átomos dificultam a pas- tência elétrica mais uma vez reside na estrutu- sagem da corrente elétrica. Deste com- ra da matéria, a maneira como os átomos se portamento temos que a resistência elé- arranjam no interior de um corpo. Como po- trica de um corpo depende de sua tem- demos ver na figura 18, os elétrons percorrem peratura. A relação entre resistência e o condutor em um único sentido e, ao longo temperatura é dada por: deste caminho, vão “esbarrando” no núcleo dos outros átomos do material. Isto termina por R = Ro(1 + α∆T) dificultar a passagem da corrente elétrica, sen- do então a origem da resistência elétrica. em que Ro é a resistência à temperatura To, ∆T = (T – To) é a variação de temperatura a que o corpo foi submetido e α é um parâmetro do material do qual é feito o corpo, sendo medi- do em oC–1. No circuito ilustrado abaixo, temos uma bateria (fonte de fem) ligada em série com uma lâmpada comum, incandescente. A energia fornecida pela bateria faz com que a corrente FIGURA 18 circule pelo fio, acenda a lâmpada através do Efeito Joule (transformação de energia elétri- Elementos que apresentam resistência elé- ca em energia térmica e luminosa) e continue trica são chamados de resistores, e são represen- circulando, fechando assim o circuito. A po- tados esquematicamente das maneiras abaixo: tência dissipada por Efeito Joule é dada por: R R Pot = Ri2 FIGURA 19 Parâmetros que influenciam na resis- tência elétrica: 1) Dimensões do condutor: Seja o condutor cilíndrico mostrado abaixo, de compri- mento L e seção transversal de área A. A resistência é calculada por: FIGURA 21 ρL R= Sabemos que para uma dada bateria, não A podemos acender uma infinidade de lâmpadas. Isso acontece por causa da perda ou transfor- mação de energia que ocorre nos resistores. 15 uma vez que a energia elétrica está sendo per- dida, isto significa que a capacidade de reali- zar trabalho pelo circuito também está dimi- FIGURA 20 nuindo. De fato, um resistor não diminui a in-
  • 16. Eletricidade Básica tensidade da corrente que passa por ele, mas 1.9 Leitura de Resistores – Código de provoca uma queda do potencial através dele dada pela Lei de Ohm (V = Ri). Assim, ao Cores percorrermos o circuito, medimos uma queda Há resistores dos mais diversos tipos e de potencial através dele por causa da resis- valores de resistência. Ao escrevermos o va- tência de fios e equipamentos que fazem parte lor de uma resistência, há algumas convenções do mesmo, quando completamos a volta no a serem observadas. circuito, chegando ao outro pólo da fonte de Alguns exemplos: fem (bateria, pilha, gerador), esta se encarre- Resistência de 5 ohms: R1 = 5 Ω ga de “subir” o potencial novamente, para que o movimento das cargas possa continuar pelo Resistência de 5,3 ohms: R2 = 5R3 Ω = 5R3 circuito, mantendo a corrente elétrica. Por cau- Resistência de 5300 ohms: R3 = 5k3 Ω = 5k3 sa de efeitos como este, não podemos trans- portar correntes elétricas por grandes distân- A colocação da letra R (Resistência) ou cias sem perdas nas linhas de transmissão. Por- do prefixo k (quilo, que equivale 1000 unida- tanto, há todo um desenvolvimento técnico por des) no lugar da vírgula é para evitar que uma trás da transmissão da energia, como a alta ten- falha de impressão da vírgula possa ocasionar são de saída nas usinas geradoras e necessida- a leitura errada da resistência. de de subestações que controlem a tensão da Embora alguns resistores tragam impres- eletricidade a ser distribuída para uso sos o valor da resistência, o código de cores é residencial e comercial. muito utilizado, já que em alguns casos os resistores são tão pequenos que impossibilita- riam a leitura de qualquer caractere impresso 1.8 Associação de Resitores nele. A tabela abaixo representa o código: o o o o Cor 1. anel 2. anel 3. anel 4. anel Resistores em série A corrente que passa por cada um dos Preto – 0 x1 – resistores é a mesma, já que eles estão no mes- Marrom 1 1 x10 1% mo ramo do circuito. Vermelho 2 2 x102 2% Esquema: Laranja 3 3 x103 3% Amarelo 4 4 x104 4% A B R1 R2 Verde 5 5 x105 – Azul 6 6 x106 – Violeta 7 7 – – VAB = V1 + V2 i = i1 = i 2 Req = R1 + R2 Cinza 8 8 – – Branco 9 9 – – Resistores em paralelo Ouro – – x10–1 5% A corrente divide-se pelos dois ramos do Prata – – x10–2 10% circuito, e a tensão entre os terminais dos Sem cor – – – 20% resistores é a mesma. Tomemos como exemplo um resistor que Esquema: possui os seguintes anéis coloridos: i1 → R1 A i i B → → R2 Verde → Azul 16 i2 Marrom Prata 1 1 1 FIGURA 22 VAB = V1 =V2 i = i1 + i2 R = R + R Para evitar equívocos como definir o 1o eq 1 2 anel pela esquerda ou pela direita, ele é sem-
  • 17. Eletricidade Básica pre o mais próximo das extremidades do resistor. Na nossa figura, é o da esquerda, que é verde. Para identificarmos o valor do resistor, tomamos as duas primeiras cores em seqüên- cia, no caso, verde e azul. Consultando a tabe- la, temos 5 do verde e 6 do azul, 56. O terceiro anel é o multiplicador, que pode ser um múltiplo (quilo, mega, etc) ou submúl- tiplo (deci, centi) do valor obtido nos dois pri- meiros anéis. No nosso exemplo, o terceiro anel é marrom, cujo valor é 10. Assim, o valor da resistência é 56 x 10 = 560 Ω. Finalmente, o quarto anel é a tolerância no valor da resistência, ou seja, a margem de erro admitida pelo fabricante. No nosso resistor, o quarto anel é prata, dando uma tole- rância de 10%. Assim, a leitura de nossa re- sistência é: R = (560 ± 10%) Ω O que significa isto? Considerando-se que, 10% de 560 é 56, os valores possíveis para a resistência estariam entre: 560 – 56 = 504 Ω (valor mínimo). 560 + 56 = 616 Ω (valor máximo). Anotações 17
  • 18. Eletricidade Básica Princípios de Eletromagnetismo Passaremos agora à discussão dos fenô- 2 menos necessários para a compreensão do fun- cionamento de geradores e circuitos de cor- rente alternada, que são os fenômenos que en- volvem a junção de eletricidade com magne- tismo. Faremos uma breve exposição dos fe- nômenos magnéticos mais simples, para de- pois abordarmos o eletromagnetismo propria- mente dito. FIGURA 23 2.1 Magnetismo Interação entre imãs: Novamente aqui te- mos um comportamento que lembra a eletri- Os fenômenos mais básicos do magne- cidade: os imãs podem sofrer atração ou tismo, como a pedra magnetita (óxido de fer- repulsão por outro imã, dependendo da posi- ro, Fe3O4) atrair o ferro, foram relatados des- ção dos pólos. Pólos diferentes atraem-se, pó- de a Antiguidade na Ásia Menor. A magnetita los iguais, repelem-se. é um imã natural, isto é, pode ser encontrado na natureza. Contudo, quase que a totalida- de dos imãs utilizados pelo homem são fei- tos industrialmente, podendo existir imãs FIGURA 24.1 temporários (feitos de ferro doce) e perma- nentes (feitos de ligas metálicas, geralmente contendo níquel ou cobalto). As proprieda- des magnéticas de um material também são definidas pela estrutura dos átomos que o compõem, embora de maneira mais sutil do que os fenômenos elétricos. Na verdade, cada átomo tem as suas propriedades magnéticas, FIGURA 24.2 que combinadas no todo, podem determinar se um corpo macroscópico apresentará este Campo Magnético: Assim como cargas tipo de comportamento. Vamos em seguida elétricas, os imãs exercem influência em regi- relatar algumas características básicas do ões do espaço ao seu redor. Representamos magnetismo. também as linhas de campo magnético, que exibem as mesmas propriedades que as linhas Pólos Magnéticos: Assim como na ele- de campo elétrico. Porém, neste caso, elas nas- tricidade temos as cargas positivas e negati- cem no pólo norte e morrem no pólo sul. vas, no magnetismo, os equivalentes são o pólo norte e pólo sul. Tais pólos estão sempre posicionados nas extremidades de um imã. Os 18 pólos magnéticos sempre surgem aos pares, não sendo possível separá-los. Se partirmos um imã ao meio, o que teremos como resultado são dois imãs menores, cada um com os seus respectivos pólos norte e sul. FIGURA 25
  • 19. Eletricidade Básica O campo magnético, representado por H, uma corrente colocando limalha de ferro em tem sua unidade de medida o Ampère por um papel cujo plano é perpendicular ao fio. metro no SI. As linhas de campo são circunferências centradas no fio. Quanto mais longe do fio, [H] = A/m menor a intensidade do campo magnético. 2.2 Interação entre corrente elétrica e campo magnético: Eletromagnetismo Experiência de Oersted No começo do século XIX, o físico dina- marquês Hans C. Oersted fez uma experiên- Vista em Vista de Vista lateral cia envolvendo um circuito, percorrido por perspectiva cima uma corrente elétrica, e uma bússola colocada FIGURA 27 próxima ao circuito. Quando nenhuma corrente percorria o circuito, a bússola permanecia ali- nhada com o campo magnético terrestre. Po- O físico francês André Marie Ampère es- rém, ao fechar o circuito, com a corrente flu- tudou campos magnéticos criados por corren- indo através dele, o ponteiro da bússola orien- tes e formulou uma regra para sabermos o sen- tava-se de maneira perpendicular à corrente tido das linhas de campo ao redor de fios. En- elétrica. volvemos o condutor com a nossa mão direi- Bússola ta, o polegar acompanha o sentido da corrente e os demais dedos o sentido das linhas de cam- po magnético. FIGURA 28 2.3 Cálculo da Intensidade do Campo Magnético FIGURA 26.1 Bússola Em torno de um condutor µoi H= 2π r , em que µo é a constante de permeabilidade do vácuo, medida em Henry por metro (H/ m), i é a corrente que percorre o fio e r é a distância radial medida a partir do meio do fio. No Centro de uma Espira Neste caso a regra da mão direita é alte- FIGURA 26.2 rada, o polegar indica o sentido do campo e os demais dedos acompanham o sentido da Isto evidencia que uma corrente elétrica corrente. cria um campo magnético ao seu redor. Tal fato 19 µ oi possibilita uma série de aplicações, como os H= eletroímãs, discutidos a seguir. 2R Podemos observar as linhas de campo magnético ao redor de um fio percorrido por , em que R é o raio da espira.
  • 20. Eletricidade Básica te no seu interior. A intensidade deste campo é dada por: µ o Ni H= l , em que N é o número de espiras do solenóide e l, o seu comprimento. No exterior do solenóide, o campo é praticamente nulo. FIGURA 29 Força do Campo Magnético sobre um fio com corrente No interior de um Solenóide (ou bobina) Considerando que uma corrente elétrica Aqui a regra da mão direita é a mesma do produz um campo magnético ao seu redor, se caso da espira. A superposição dos campos de colocarmos este condutor percorrido por uma cada espira que compõe o solenóide produz corrente em uma região que já contém um cam- um campo semelhante àquele de um dipolo po magnético, teremos a interação entre estes magnético (figura 30). Por isso, o solenóide é dois campos, o que já ocupa a região e o gera- bastante utilizado para a produção de do pela corrente, ou seja, teremos uma força eletroímãs, colocando-se uma barra de ferro magnética atuando sobre o fio condutor. A in- no interior do solenóide. tensidade desta força pode ser calculada como se segue: Fm = H oil sen θ , em que Ho é o valor do campo magnético externo (não o causado pela corrente!), i é a corrente elétrica, l o comprimento do condu- tor e θ o ângulo entre a corrente e o campo FIGURA 30.1 magnético. Uma regra prática para sabermos o sentido da força é a regra da mão direita, onde o dedo indicador acompanha a corrente, o dedo médio (perpendicular ao indicador) está com o campo externo e o polegar fornece a direção e o sentido da força magnética. FIGURA 30.2 FIGURA 30.3 20 Considerando o solenóide com um com- primento bem maior que o seu diâmetro (tipi- camente 10 ou mais vezes maior), podemos simplificar que o campo magnético é constan- FIGURA 31
  • 21. Eletricidade Básica 2.4 Campos Magnéticos na Matéria Comentamos de maneira rapida, anterior- mente acima que as propriedades magnéti- cas são fruto da distribuição eletrônica dos FIGURA 31a elétrons ao redor do núcleo. De fato, uma conclusão fundamental da seção anterior é Forças entre dois fios condutores paralelos que cargas elétricas em movimento (corren- O resultado descrito a seguir é uma conse- te elétrica) geram ao redor de si um campo qüência do tópico anterior. Como cada corren- magnético. No átomo, o que temos são os te gera um campo ao seu redor, se colocarmos elétrons, cargas negativas, circulando ao re- dois fios condutores, um ao lado do outro, cada dor do núcleo. Assim, para idealizarmos o um “sentirá” o campo criado pelo seu vizinho, que acontece, eles atuam como correntes em sofrendo então uma força devido à presença do circuitos fechados, como no caso da espira campo gerado pelo fio que está ao seu lado. de corrente que comentamos. Assim, a com- binação dos campos gerados por cada um dos elétrons é que pode determinar se o áto- mo como um todo é que vai ter proprieda- des magnéticas ou não, conforme esquema da figura abaixo. Este modelo foi proposto por Ampère, e ficou conhecido por “corren- tes amperianas”, pode ser encarado como boa aproximação em casos mais simples. FIGURA 32 Hoje em dia a explicação fechada para o magnetismo vem da Física Quântica, que Se aplicarmos as regras da mão direita nas recorre a conceitos novos como “spin” dos ilustrações acima, podemos verificar que fios elétrons, dentre outros conhecimentos. percorridos por correntes paralelas de mesmo sentido sofrem atração. Já fios percorridos por correntes paralelas, mas de sentido contrário, sofrem repulsão. A intensidade da força trocada pelos dois fios é dada pela fórmula seguinte: µ o i1i2l Fm = ⋅ 2π r FIGURA 33 Aqui i1 e i2 são as intensidades de corrente de cada um dos fios, l o comprimento dos fios As expressões que passamos anteriormen- e r a distância entre eles. te para cálculos de campos magnéticos são para cálculo de campos no vácuo, ou, aproximada- Nota: A definição de Ampère. mente, no ar. Quando um corpo material en- A definição que passamos de Ampère an- contra-se na presença de um campo magnético, teriormente (A = C/s) foi utilizada durante ele pode responder de várias maneiras a este muito tempo. Contudo, por questões práti- campo. O ferro, por exemplo, torna-se magne- cas, de facilidade de medição para definir- tizado. Já o plástico não sofre nenhuma altera- se um padrão, em 1946 foi dada uma nova ção aparente. Assim, vamos definir a Indução definição de Ampère: Magnética, B, cuja unidade no sistema interna- “Um ampére é a corrente que mantida em cional (SI) é o Tesla (T). dois condutores retilíneos e paralelos, sepa- rados por uma distância de um metro no [B] = T vácuo, produz entre esses condutores uma força de 2,0 x 10-7N por metro de compri- Este campo é que vai surgir dentro dos 21 mento de fio”. materiais quando sujeitos a um campo exter- Assim, o Ampère passa a ser uma gran- no. Portanto, a Indução Magnética é o campo deza básica do SI e o Coulomb, sua deriva- magnético efetivo em um determinado meio da (C = A.s).
  • 22. Eletricidade Básica material. Podemos imaginar a relação entre te neutros, como o ar e o vácuo. O co- os dois campos, B e H, com base nas figuras bre é aproximadamente amagnético. abaixo: • Diamagnéticos: µr < 1. Materiais que exibem magnetização contrária a do campo externo aplicado. • Paramagnéticos: µr > 1. A permeabili- dade não depende do campo externo, é constante, e o aumento do campo in- terno no material não é muito grande. FIGURA 34.1 • Ferromagnéticos: µr >>1. São os ma- teriais que exibem maior magnetização, sendo, portanto, os mais aplicados em escala industrial. Sua permeabilidade magnética depende do campo aplica- FIGURA 34.2 do, em um fenômeno denominado Se mergulharmos um pedaço de ferro doce histerese magnética. em um campo magnético, os campos gerados pelos elétrons (lembre-se das correntes ampe- 2.5 Fluxo Magnético rianas!) dentro do ferro orientam-se a favor do Quando representamos as linhas de campo campo externo H. Assim, o campo efetivo (B) magnético de um solenóide nos parágrafos aci- dentro do ferro aumenta, ao passo que o cam- ma, notamos que elas são linhas de campo fe- po nas imediações do lado de fora do ferro di- chadas. Isso significa que o número de linhas de minui. A relação matemática entre B e H é dada campo dentro e fora do solenóide é o mesmo, pela permeabilidade magnética, µ: embora as linhas estejam mais concentradas no interior do solenóide (campo mais intenso) do B que no exterior. Um parâmetro para medir a con- µ= centração das linhas em uma determinada região H é o fluxo magnético. Ele é definido em termos da intensidade de um campo magnético atraves- A permeabilidade magnética é uma gran- sando uma superfície, bem como a orientação deza característica de cada material e indica a do campo em relação a esta superfície. A ex- aptidão deste material em reforçar um campo pressão para calcular o fluxo magnético é: magnético externo. O valor de m para o vácuo (e como boa aproximação, o ar) é dado por: Φ = B.A.cosθ µo = 4π x 10-7 H/m , em que B é a intensidade do campo magnéti- co na região, A é a área da superfície que é A unidade de permeabilidade magnética no atravessada pelo campo, e θ é o ângulo forma- SI, Henry por metro, H/m, é definida desta ma- do pelo campo magnético e a direção perpen- neira por análise dimensional, já que B e H, dicular ao plano da superfície. Três situações apesar de serem ambos campos magnéticos, não para fluxos diferentes para o mesmo campo têm as mesmas unidades de medida. Esse valor magnético estão ilustradas abaixo: é tomado como referência para outros materi- ais, através da permeabilidade relativa, µr, que é um parâmetro adimensional: µ µr = µo FIGURA 35 22 Assim, de acordo com o seu valor de per- No sistema internacional, medimos fluxo meabilidade relativa, os materiais podem ser magnético por Weber: classificados como: • Amagnéticos: µr = 1. Materiais que não [Φ]= Wb são magnetizados, são magneticamen-
  • 23. Eletricidade Básica 2.6 Indução Eletromagnética , em que ∆Φ é a variação do fluxo magnético Os Físicos são movidos várias vezes pela em um certo intervalo de tempo ∆t e N é o busca de simetrias na natureza. Um exemplo número de espiras através das quais o fluxo disto foi a descoberta da indução eletromagné- está variando. Na nossa discussão acima, N = tica pelo inglês Michael Faraday em 1831. Ao 1. Quanto maior for o número de espiras, mai- observar a experiência de Oersted, em que uma or o valor da fem induzida. corrente elétrica conseguia gerar um campo Uma aplicação elementar da Lei de magnético, desvia não o ponteiro da bússola, Faraday é o gerador linear ilustrado abaixo: Faraday questionava se o inverso poderia acon- tecer, ou seja, um campo magnético gerar uma corrente elétrica. Vários experimentos foram feitos, sem se obter provas da dedução anteri- or. Foi que Faraday, ao realizar o experimento descrito abaixo, terminou por corroborar suas idéias. FIGURA 36 FIGURA 37 Faraday observou que o galvanômetro (ins- trumento para medir correntes pequenas) só acu- Os dois fios condutores que fecham o cir- sava a passagem de corrente no circuito do lado cuito com a barra AB, também condutora, que direito no momento em que ele ligava ou desli- está sendo puxada com velocidade V em uma gava a chave do circuito do lado esquerdo da região com campo magnético constante. Ao figura. Contudo, não era medida corrente pela puxarmos a barra, obviamente, o valor do cam- direita quando a chave permanecia ligada. Re- po magnético permanece constante. Será então cordando o que já comentamos em outra seção, que não mediremos corrente no amperímetro na esquerda da figura, quando a chave perma- colocado entre os condutores? A Lei de Faraday nece ligada, passa corrente pelo solenóide da nos diz que a variação do fluxo é que causa o esquerda, que gera dentro do solenóide (e no surgimento de uma fem induzida. Quando pu- pedaço de ferro dentro dele) um campo magné- xamos a barra, a área retangular dentro do cir- tico constante. Do outro lado, devido ao núcleo cuito que está sendo atravessada pelo campo de ferro comum, aparece também um campo está aumentando, logo, o fluxo do campo mag- magnético no solenóide à direita da figura. A nético também está aumentando, o que provo- conclusão de Faraday foi que não é a presença ca o surgimento de uma fem no circuito, pro- do campo magnético que provoca corrente, vocando a circulação de uma corrente. Vamos e sim a variação do fluxo do campo magnéti- encontrar uma expressão para a fem induzida. co! Ao ligarmos ou desligarmos a chave do cir- O fluxo magnético será: cuito, o campo está variando até o seu valor máximo ou diminuindo do máximo até zero. Φ = B . A . cos θ Enquanto há variação do fluxo do campo mag- nético no ferro, há corrente induzida no outro lado. Lembremos que para mantermos uma Aqui A é a área onde está passando cam- corrente em um condutor, precisamos de uma po magnético dentro da espira, A = l . x. O fem no circuito. Com isso, o enunciado da Lei ângulo θ é formado pela direção perpendicu- de Faraday pode ser escrito como: lar ao plano da espira e o campo B, logo θ = 0o e cosθ = 1. Como o fluxo inicial era nulo (não “Toda vez que um condutor estiver sujeito havia área na espira), pela Lei de Faraday, te- a uma variação de fluxo magnético, nele mos para o módulo da fem induzida: aparece uma fem induzida, enquanto o fluxo estiver variando.” Blx 23 Matematicamente, a expressão da Lei de ε =1 . = Blv Faraday é: ∆t ∆Φ ε = −N , sendo x/∆t nada mais do que a velocidade ∆t média do condutor que está sendo puxado.
  • 24. Eletricidade Básica Sentido da corrente induzida: Lei de Lenz paradas de equipamentos críticos para o pro- Precisamos agora explicar o porquê do cesso produtivo de uma refinaria. Não pode- sinal negativo na Lei de Faraday. Tal interpre- mos nos esquecer, ainda, que equipamentos tação é dada pela Lei de Lenz, enunciada pela que contêm baterias, como os já citados, po- primeira vez pelo físico russo Heinrich Lenz: dem provocar pequenas faíscas entre os con- tatos das baterias e dos aparelhos, o que pode “Os efeitos da fem induzida opõem-se ser extremamente perigoso na presença de ga- às causas que a originaram” ses inflamáveis! Podemos visualizar este enunciado obser- vando a figura abaixo: Anotações FIGURA 38.1 FIGURA 38.2 Na figura 38.1, temos um imã aproximan- do-se de uma espira conectada a um circuito, inicialmente sem corrente. Pela Lei de Lenz, como é o pólo norte que está se aproximando da espira, esta deve reagir criando um pólo norte voltado para o imã, de modo a se opor à aproximação deste, que provoca o aumento do fluxo do campo magnético. Usando a regra da mão direita para espiras, é fácil verificar que o observador da figura vai medir uma corrente induzida no sentido anti-horário na espira. Já na figura 38.2, estamos, agora, afastando o mesmo imã. Assim, a espira ira “criar” um pólo sul de modo a tentar atrair o imã, evitando o seu afastamento. Novamente, a regra da mão direita para espiras verifica que, para o obser- vador, a espira agora terá uma corrente induzida no sentido horário. Em instalações elétricas industriais, a indução eletromagnética pode ocorrer entre os cabos de força, por onde passam correntes al- tas, e os cabos de instrumentação, com cor- rentes relativamente baixas. O campo magné- tico variável dos cabos de força induz uma corrente nos cabos de instrumentação, causan- do erros de leitura em instrumentos sensíveis, como sensores e medidores, podendo, em al- guns casos, até queimá-los. Para evitar tais problemas, os cabos de força são instalados separadamente dos cabos de instrumentação. 24 Da mesma maneira, o uso de equipamen- tos eletrônicos, como notebooks e telefones celulares, podem gerar campos eletromagné- ticos capazes de causar erros de leituras nos instrumentos de campo, o que poderia causar
  • 25. Eletricidade Básica Eletromagnetismo: Aplicações Nos capítulos anteriores, vimos de forma 3 Na verdade, são várias as espiras que constitu- simplificada os fenômenos elétricos, magné- em um enrolamento chamado de armadura. Os ticos e os dois combinados no eletromagnetis- terminais da armadura são soldados aos anéis mo, para que pudéssemos entender o funcio- chamados de coletores. Encostadas nos anéis namento e as características de instrumentos, coletores estão as escovas (feitas geralmente de equipamentos e máquinas presentes no nosso grafita), que fazem o contato elétrico, entregan- cotidiano. Nesta parte de aplicações do curso, do então a fem e corrente induzidas a um cir- vamos ver como os fenômenos eletromagné- cuito. Embora tenhamos colocado pólos de imãs ticos levaram ao funcionamento e as caracte- para simplificar a figura, na prática, o campo rísticas de geradores, motores elétricos, trans- magnético em que está imersa a armadura é pro- formadores, dentre outros que são tão comuns duzido por eletroímãs dispostos na carcaça do em nossos trabalhos. motor, o chamado estator. O enrolamento no estator é chamado de bobina de excitação de 3.1 O Gerador de Corrente Alternada campo, a qual é alimentada por uma fonte de corrente contínua (CC). Um corte mais deta- Logo após o desenvolvimento da Lei da lhado deste motor pode ser visto na figura 40: Indução, o próprio Faraday idealizou um mo- delo de gerador que produzisse energia elétri- ca de uma maneira mais eficiente e duradoura do que as pilhas e baterias eletrolíticas de até então. O modelo original de gerador de Faraday tem em grande parte as características de um gerador moderno como o que ilustramos es- quematicamente abaixo. FIGURA 40 1. Estator 2. Bobina de excitação de campo 3. Ranhuras que acomodam as bobinas de excitação no estator 4. Eixo da armadura 5. Armadura Alguns geradores (e motores) têm esta montagem invertida: as bobinas de excitação de campo estão no lugar da armadura e estas é FIGURA 39 que são postas para girar. As espiras que com- Este tipo de gerador, também chamado de põem a armadura estão no estator, e sentem a alternador, produz uma tensão alternada, ge- variação de fluxo magnético devido ao movi- rando portanto uma corrente alternada, que mento de rotação das bobinas de excitação. 25 discutiremos posteriormente. Na figura 39, Fisicamente, os dois sistemas são equivalen- temos uma bobina colocada entre os pólos de tes. Esta “montagem invertida” é utilizada em um imã, ou seja, ela está imersa no campo geradores trifásicos, dos quais falaremos pos- magnético compreendido entre os dois pólos. teriormente.
  • 26. Eletricidade Básica O funcionamento do alternador pode ser Na figura 43 vamos acompanhar uma re- explicado assim: um eixo está ligado às arma- volução completa de uma espira para compre- duras, colocando o conjunto a girar. Quando as endermos porque a fem induzida (e por con- espiras da armadura começam a girar dentro do seqüência a corrente) são geradas de forma campo magnético, há uma variação de fluxo alternada. magnético através das espiras, já que a orienta- ção destas em relação ao campo magnético está mudando continuamente. Pelas Leis de Faraday e Lenz, uma corrente é induzida na armadura, com os coletores jogando esta corrente no cir- θ = 0o → sen θ = 0 → ε = 0 cuito elétrico onde elas serão utilizadas. Isso Posição 1 nada mais é que a conversão de energia mecâ- nica em elétrica. Nas hidrelétricas, uma roda de pás acoplada ao eixo do alternador, gira com θ = 90o → sen θ = 1 → ε = Vm a passagem da água e gera eletricidade. Nas termoelétricas, a água é aquecida em caldeiras, Posição 2 o vapor resultante passa por uma turbina. O eixo da turbina está acoplado ao alternador, gerando θ = 180o → sen θ = 0 → ε = 0 eletricidade também. Posição 3 θ = 270o → sen θ = –1 → ε = Vm Posição 4 θ = 360o → sen θ = 0 → ε = 0 Posição 5 FIGURA 43 – Geração de 1 ciclo de tensão CA com um FIGURA 41 – A rotação da armadura pode ser obtida através alternador de uma única espira. da energia potencial do desnível de uma queda mediante uma turbina. Assim, temos o formato de uma onda se- noidal para a tensão e corrente alternadas. Va- A expressão da fem induzida em um ge- mos agora definir alguns parâmetros usuais no rador é derivada daquela que encontramos para trato das correntes alternadas ou (CA). Pode- o gerador linear. Apenas devemos lembrar que mos começar reescrevendo a expressão para a a velocidade v naquela expressão é a compo- fem CA como nente da velocidade perpendicular (vt) ao cam- po magnético, já que a componente paralela ε(t) = Vmsen(ωt) não sofre influência do campo. Assim, obser- vando α na figura 42 e sua relação com as ve- , em que ω é a chamada freqüência angular da locidades. Assim, temos que: rotação da armadura, que se relaciona com a freqüência propriamente dita (f, que é medida em ciclos por segundo, ou Hertz), ω = 2πf = 2π/T , sendo T, o período da rotação (medido em segundos), ou seja, o tempo necessário para a 26 tensão completar um ciclo. Vm é o valor máximo da tensão gerada, que pode ser escrito como: FIGURA 42 ε = Blvt = Blv sen θ Vm = NωBA
  • 27. Eletricidade Básica De acordo com as notações que estamos As tensões induzidas εA e εB são escritas como: utilizando, N é o número de espiras, B é o va- εA(t) = Vmsen(ωt) e εB(t) = Vmsen(ωt – 90o) lor do campo magnético e A é a área da cada espira da armadura (supostas todas iguais). Gerador Trifásico A corrente elétrica CA gerada pode ser Neste caso, temos 3 bobinas dispostas na ar- obtida da Lei de Ohm, V = Ri, porém, R aqui madura igualmente espaçadas. Logo, o espaça- denota a resistência elétrica de todo o circuito mento entre elas é de 120o, ou um terço de volta a que esta fonte CA está ligada. Assim, após a bobina A, B completa seu ciclo, e dois ε Vm terços de volta após (240o), C finalmente com- i(t) = = sen(ωt) = i m sen(ωt) pleta o ciclo. As tensões induzidas são dadas por: R R εA(t) = Vmsen(ωt) εB(t) = Vmsen(ωt – 120o) Um parâmetro importante no estudo de correntes e tensões alternadas são os valores εC(t) = Vmsen(ωt – 240o) eficazes ou RMS da tensão e corrente. O va- Abaixo vemos um modelo simplificado de lor RMS de uma corrente elétrica é aquele que gerador trifásico e a representação gráfica das equivale ao de uma corrente contínua que, em diferenças de fase que relacionam as tensões. um intervalo de tempo igual ao período da corrente CA, ao passar por um resistor dissi- pa a mesma quantidade de energia. Os valo- res RMS de corrente e tensão são dados por: im Vm irms = ε rms = 2 2 3.2 Geradores Polifásicos Um sistema polifásico é constituído por duas ou mais tensões iguais geradas no mesmo dis- positivo. Estas tensões são iguais, apenas estão defasadas uma em relação a outra. Vamos ver os dois exemplos mais simples a seguir. FIGURA 45 Gerador Bifásico A máquina apresentada na figura acima é A rotação de um par de bobinas perpen- teórica, diversas limitações práticas impedem diculares entre si no campo magnético do ge- a sua utilização. Atualmente, como já comen- rador acarreta a geração de duas tensões iguais, tamos, o campo é que gira enquanto o rola- mas defasadas de um quarto de rotação entre mento trifásico fica no estator. A vantagem si. Isso porque, quando a bobina A da figura disto é que como são geradas tensões da or- abaixo completa uma volta (um período da dem de 10 kV ou mais, esta tensão elevada tensão alternada induzida), a bobina B passa não precisa passar pelos anéis coletores e es- pelo mesmo ponto após um quarto de volta covas, bastando fazer a tomada da tensão ge- do eixo do gerador. Como uma volta comple- rada através de um circuito ligado diretamen- ta corresponde a 360o e um quarto de volta a te no estator. Na figura abaixo, vemos um cor- 90o, dizemos então que estas ondas estão de- te esquemático deste tipo de gerador: fasadas, ou possuem uma fase de 90o. 27 FIGURA 44 FIGURA 46