Aula 1 - Introdução, Regras e Datas Circuitos de Corrente ...eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te144 aula 01... · Circuitos de Corrente Contínua (CC) Pela Lei de Joule, a energia

Eletricidade Aplicada (TE144)

Aula 1 - Introdução, Regras e DatasCircuitos de Corrente Contínua (CC)

PROF. DR . SEBA ST IÃO R I BE I RO JÚN I OR

Fev-2020 Slide 1

Objetivos

• O aluno, ao final do semestre letivo, irá adquirir os conceitosbásicos de eletricidade aplicada no que tange o conhecimento dosprincipais componentes e equipamentos elétricos, podendo seraplicados em projeto de equipamentos e instalação elétrica, redede distribuição interna da edificação, suas característicasconstrutivas e operacionais, sistemas de proteção de instalaçãoelétrica e de seus usuários.

Fev-2020 Slide 2

Contexto

Disponível em: <http://www.metalfabrication.com.pt/>.Acesso em 22 Out. 2014.

Fev-2020 Slide 3

Ementa

• 1. Carga e matéria. Carga elétrica, Condutores e isolantes,Conservação de carga.

• 2. Unidades de medida. Tensão, corrente, potência, Medidoresde potência

• 3. Corrente alternada e corrente contínua• 4. Circuitos monofásicos e trifásicos• 5. Projeto de instalações elétricas• 6. Proteção elétrica SPDA• 7. Luminotécnica• 8. Instalação de motores elétricos• 9. Racionalização de energia

Fev-2020 Slide 4

Bibliografia

[1] CREDER, H. Instalações Elétricas, 15ª Edição. LTC, 2013. 440 p.

[2] IRWIN, J.D. Análise Básica de Circuitos Para Engenharia, 10ª Edição. LTC, 2013. 700 p.

[3] Projeto de Instalações Elétricas Prediais - Domingos Leite Lima Filho - Editora Érica

[4] Instalações Elétricas - Ademaro A. M. Cotrin - Makron Books

[5] FILHO, J. Mamede, Instalações Elétricas Industriais.

Complementares

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.

NTC – Normas técnicas COPEL

Fev-2020 Slide 5

Avaliações

Primeira Prova: 30/04/2020 , Peso 100%

Segunda Prova: 18/06/2020, Peso 100%

Exame Final: 09/07/2020

Fev-2020 Slide 6

Avaliações

Duas avaliações individuais escritas, sem consulta.

A nota final será a média aritmética das notas obtidas nas duas avaliações.

A frequência dos alunos será verificada pelo professor a cada aula.

O número máximo de faltas permitidas é de 25% da carga horária da disciplina

Fev-2020 Slide 7

Aulas

Fev-2020 Slide 8

Material das Aulas

Disponíveis no seguinte site:

http://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/

Fev-2020 Slide 9

http://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/

Professor

Contato: [email protected]

Permanência: Departamento de Engenharia elétrica (Prédio PK –Gabinete 17)

Graduação em Tecnologia em Eletrotécnica

Mestrado e Doutorado em Engenharia Elétrica e informatica:

Análise de materiais dielétricos, ensaios destrutivos e não-destrutivos,desenvolvimento de instrumentação, desenvolvimento de ferramentascomputacionais e ensaios em laboratório de baixa e alta tensão

Fev-2020 Slide 10

mailto:[email protected]

Eletricidade Aplicada

CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE

CIRCUITOS DE CORRENTE CONTÍNUA (CC)

Fev-2020 Slide 11

Circuitos de Corrente Contínua (CC)

O estudo de circuitos de corrente contínua parte-se dos seguintes conceitos básicos:

• Eletrostática• Eletrodinâmica

Definindo-se as seguintes grandezas:• Corrente• Diferença de potencial• Potência• Energia elétrica

Fev-2020 Slide 12


Estrutura Atômica

Fev-2020 Slide 13


As leis da eletricidade originaram-se a partir do final do século XVIII. Inicialmente foi identificada na

estrutura atômica a existência de cargas elétricas com polaridade positiva ou negativa e, foi verificado,

ainda, que cargas elétricas de polaridades iguais se repelem e, cargas elétricas de polaridades diferentes

se atraem.

Estrutura Atômica

Fev-2020 Slide 14


• Todo átomo é composto de partículas subatômicas que possuem cargas elétricas, denominadas prótons (carga positiva) e elétrons (carga negativa).

• Existem ainda partículas sem carga que juntamente com os prótons compõem o núcleo do átomo, chamadas nêutrons

• Os elétrons se distribuem em órbitas (camadas) em torno do núcleo

Estrutura Atômica

Fev-2020 Slide 15


• Cargas de mesmo sinal se repelem enquanto que cargas de sinais diferentes se atraem.

• Em um átomo estável, o número de elétrons é igual ao de prótons (carga estável).

• Se um elétron recebe energia o suficiente, externa, como o calor, ele pode romper a força de atração do próton e se tornar um elétron livre.

Estrutura Atômica

Fev-2020 Slide 16


Estrutura Atômica

SANTANA, A. C. (2016)

Fev-2020 Slide 17


Lei de Coulomb e Potencial Elétrico

Fev-2020 Slide 18


Em 1785, Coulomb avaliou a força de atração, ou repulsão, entre duas cargas pontuais como sendo:


Fev-2020 Slide 19


Pode-se escrever que:

Onde E1 constitui o campo elétrico provocado pela carga q1, e é dado em Volt/m (V/m)


Fev-2020 Slide 20


O campo elétrico E1 como a força F são grandezas vetoriais, para cargas positivas e negativas.

Vetores de campo elétrico e força


Fev-2020 Slide 21


Desta forma o trabalho, W, realizado pela carga q2 ao ser deslocada desde um ponto muito distante (∞) até a distância r de q1 como sendo:


Fev-2020 Slide 22


O potencial elétrico ou tensão elétrica, Vr, é uma grandeza escalar, definida como sendo o trabalho W por unidade de carga (q2), ou seja:


Fev-2020 Slide 23


Desta forma o potencial elétrico, independe da carga q2. Assim, a partir deste conceito, podemos calcular o trabalho para deslocar a carga q2 de uma posição de A até B, como sendo:


Fev-2020 Slide 24


Podemos definir que a diferença de potencial (d.d.p. ou tensão) VBA = VB – VA entre os pontos A e B, consiste no trabalho (por unidade de carga) para se deslocar uma carga de A até B.


Fev-2020 Slide 25


A tensão elétrica é medida pelo voltímetro que também está presente no conjunto do multímetro mas pode ser encontrado individualmente.

Podem ser digital ou analógico.

Osciloscópios também permitem ler o módulo e frequência de uma tensão elétrica.


Fev-2020 Slide 26



Fev-2020 Slide 27



• O termo CC virou sinônimo de funções invariáveis com o tempo, Tensão CC é aquela que mantém inalterado o módulo e a polaridade.

• O termo CA virou sinônimo de funções que variam de forma senoidal, Tensão CA é aquela que cuja forma de onda é cíclica e se assemelha a uma senóide.

Fev-2020 Slide 28


Condutores e Isolantes (Dielétricos)

Fev-2020 Slide 29


Em materiais condutores como o cobre, uma pequena quantidadede energia é o suficiente para se liberar muitos elétrons.

Já em materiais isolantes como a borracha, os elétrons livres sósão gerados com altíssima quantidade de energia

Condutores e Isolantes

Fev-2020 Slide 30


Condutores e Isolantes


Fev-2020 Slide 31


Corrente Contínua

Fev-2020 Slide 32


• Os elétrons livres são partículas carregadas, responsáveis pelacorrente elétrica em um fio condutor de eletricidade

• Na ausência de um campo elétrico externo, o fluxo de cargalíquido em um condutor é nulo em qualquer direção (não hácorrente)

Corrente

Fev-2020 Slide 33


Corrente


Fev-2020 Slide 34


• Quando se liga uma bateria (pilha), a uma lâmpada com um fio condutor temos um fluxo de elétrons na direção do terminal positivo da bateria (atração)

• A diferença de potencial da bateria (d.d.p. ou tensão) provoca o movimento ordenado das cargas

• Apesar disso, convencionou-se por questões históricas que o movimento das cargas se dá do terminal positivo para o negativo (saindo do positivo)

• A unidade da corrente elétrica é o Ampére (A).

Corrente

Fev-2020 Slide 35


Nisto a intensidade de corrente elétrica (i) que atravessa uma superfície, comoa quantidade de carga elétrica que atravessa a superfície por unidade detempo.

Assim a corrente será dada por:

Corrente

Fev-2020 Slide 36


Corrente

Fev-2020 Slide 37


Corrente

Fev-2020 Slide 38


• A medição da corrente deve ser feita em série com a carga, observando-se o correto posicionamento das pontas de prova no multímetro

• A corrente contínua é aquela que mantém o sentido e o móduloinalterados no decorrer do tempo

• A corrente alternada é aquela que tem seu sentido e módulo variados no decorrer do tempo.

Corrente

Fev-2020 Slide 39


Corrente

Fev-2020 Slide 40


Lei de Joule e Resistência Elétrica

Fev-2020 Slide 41


A circulação de corrente elétrica em um condutor provoca o seu aquecimento, pela sua “resistência” à passagem da corrente elétrica.

A Lei de Joule estabelece que a energia, W, transformada em calor, ou dissipada, é dada por:


Fev-2020 Slide 42


Assim, a potência dissipada por efeito Joule pode ser dada por:


Se a corrente for função do tempo i = i(t), então a potência instantânea será

p(t) = R i2 (t) e, para um tempo t, a energia dissipada será

Fev-2020 Slide 43


A resistência elétrica R depende, basicamente, das características geométricas e do material do condutor.

Para um condutor cilíndrico, tem-se:


Fev-2020 Slide 44



Resistividade elétrica

Fev-2020 Slide 45


Pode-se definir, ainda, a condutância, G, e a condutividade do material, σ, como sendo o inverso da resistência e da resistividade, respectivamente.


Fev-2020 Slide 46


Lei de Ohm

Fev-2020 Slide 47


Pela Lei de Joule, a energia dissipada num condutor percorrido por uma corrente constante I é dada por:

Lei de Ohm

Ora, a energia pode ser também avaliada como sendo o trabalho para levar a carga q entre os dois pontos extremos do condutor, que pode ser dada por:

𝑊 = 𝑅. 𝐼2 . 𝑡 = 𝑅. 𝐼. 𝐼. 𝑡

𝐼. 𝑡 = 𝑞

𝑊 = 𝑅. 𝐼. 𝑞

Sendo

tem-se

onde V é a diferença de potencial entre esses pontos.

𝑊 = 𝑉. 𝑞

Fev-2020 Slide 48


Igualando as expressões para cálculo da energia dissipada no condutor:

Lei de Ohm

resulta para a diferença de potencial o valor:

• onde V é a d.d.p. (ou tensão) entre os extremos do condutor• a expressão será válida sempre que a resistência R for constante

𝑊 = 𝑅. 𝐼. 𝑞 = 𝑉. 𝑞

𝑉 = 𝑅. 𝐼

Fev-2020 Slide 49


A resistência elétrica de um condutor é variável com sua temperatura. O mesmo acontece para a resistividade elétrica do material.

Variação da Resistência com a Temperatura

Variação da resistividade com a temperaturaFev-2020 Slide 50


A resistividade de um material em função da temperatura é dada por:


Para o caso do cobre tem-se:

Para o caso do alumínio tem-se:

Fev-2020 Slide 51


• A resistência de um condutor aumenta com sua temperatura.

• Caso a resistência de um condutor seja conhecida a uma dada temperatura, definisse a resistência com a temperatura final, aplicando a fórmula da correção da resistência em função da temperatura.

• Como as resistências dos condutores são conhecidas à 20 C, pode-se demonstrar que a resistência de um condutor em uma temperatura diferente de 20 C pode ser calculada.


Fev-2020 Slide 52


Correção de resistência através da seguinte equação:


Rtf = R20ºC [ 1 + α ( tf – 20 )]

Rtf = Resistência do condutor a uma temperatura diferente de 20 ºC

R20ºC = Resistência do condutor à 20 ºC

α = Coeficiente de temperatura do condutor

α cobre = 0,00393 ºC-1

α alumínio = 0,00403 ºC-1

tf = Temperatura final do condutor.

Fev-2020 Slide 53


Força Eletromotriz (f.e.m.)

Fev-2020 Slide 54


• A tensão é a pressão elétrica que causa a circulação de corrente. A tensão é também conhecida como força eletro motriz ou diferença de potencial elétrico. Todos estes termos se referem à força que coloca cargas em movimento.

• A diferença de potencial (ddp) é o termo que melhor descreve o fenômeno, porque uma tensão é uma diferença de energia potencial que existe entre dois pontos.

• Toda energia é energia potencial ou energia cinética.

• A energia cinética se refere à energia em movimento, energia realizando trabalho, ou energia sendo convertida em outra forma de energia.


Fev-2020 Slide 55


• A energia potencial é a energia em repouso. • Esta energia pode ser conservada por longos períodos de tempo e é capaz de realizar

trabalho quando são proporcionadas as condições exatas para convertê-la em outra forma de energia.

• Quando está sendo transformada, ela é convertida em energia cinética.

• Ex.:A água armazenada em um lago de uma usina hidrelétrica possui energia potencial devido às forças gravitacionais, quando liberada essa força entra em movimento, tornando-se a energia em trabalho ou energia cinética.


Fev-2020 Slide 56


A força eletromotriz consiste na energia convertida em energia elétrica por unidade de carga, isto é:


Fev-2020 Slide 57


• Sabe-se que um gerador elétrico converte energia de alguma forma para energia elétrica.

• Uma pilha, por exemplo, converte energia química em energia elétrica. A força eletromotriz E nos terminais do gerador, constitui a tensão ou d.d.p. necessária à circulação de corrente, suprindo a energia que o circuito requerer.

• A potência fornecida pelo gerador ao circuito pode ser calculada por:


Fev-2020 Slide 58

REVISÃO

C I R C U I TO S D E C O R R E N T E C O N T Í N U A ( C C )

E S T R U T U R A ATÔ M I C A

L E I D E C O U LO M B E P OT E N C I A L E L É T R I C O

C O N D U TO R E S E I S O L A N T E S

C O R R E N T E C O N T Í N U A

L E I D E J O U L E E R E S I S T Ê N C I A E L É T R I C A

L E I D E O H M

VA R I A Ç Ã O D A R E S I S T Ê N C I A C O M A T E M P E R AT U R A

F O R Ç A E L E T R O M OT R I Z ( F. E . M . )

Fev-2020 59

Documents

Aula 1 - Introdução, Regras e Datas Circuitos de Corrente ...eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te144 aula 01... · Circuitos de Corrente Contínua (CC) Pela Lei de Joule, a energia