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Eletricidade Básica

2 Eletricidade Básica

Eletricidade Básica

CURITIBA 2002

Petrobras / Abastecimento UNS: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP

Eletricidade Básica Disciplina

Física Aplicada

Módulo Eletricidade Básica

Ficha Técnica

UnicenP – Centro Universitário Positivo

Oriovisto Guimarães

(Reitor)

José Pio Martins

(Vice Reitor) Aldir Amadori

(Pró-Reitor Administrativo)

Elisa Dalla-Bona

(Pró-Reitora Acadêmica)

Maria Helena da Silveira Maciel

(Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação

Institucional)

Luiz Hamilton Berton

(Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa)

Fani Schiffer Durães

(Pró-Reitora de Pós-Graduação e Pesquisa)

Euclides Marchi

(Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e

Sociais Aplicadas)

Helena Leomir de Souza Bartnik

(Coordenadora do Curso de Pedagogia)

Marcos José Tozzi

(Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnologias)

Antonio Razera Neto

(Coordenador do Curso de Desenho Industrial)

Maurício Dziedzic

(Coordenador do Curso de Engenharia Civil)

Júlio César Nitsch

(Coordenador do Curso de Eletrônica)

Marcos Roberto Rodacoscki

(Coordenador do Curso de Engenharia

Mecânica)

Nestor Cortez Saavedra Filho

(Autor)

Marcos Cordiolli

(Coordenador Geral do Projeto)

Iran Gaio Junior

(Coordenação Ilustração, Fotografia e

Diagramação)

Carina Bárbara R. de Oliveira

Juliana Claciane dos Santos

(Coordenação de Elaboração dos Módulos

Instrucionais)

Érica Vanessa Martins

Iran Gaio Junior

Josilena Pires da Silveira

(Coordenação dos Planos de Aula)

Luana Priscila Wünsch (Coordenação Kit Aula)

Carina Bárbara R. de Oliveira

Juliana Claciane dos Santos (Coordenação Administrativa)

Claudio Roberto Paitra Marline Meurer Paitra

(Diagramação)

Marcelo Gamaballi Schultz

Pedro de Helena Arcoverde Carvalho

(Ilustração)

Cíntia Mara R. Oliveira

(Revisão Ortográfica)

Contatos com a equipe do UnicenP:

Centro Universitário do Positivo – UnicenP

Pró-Reitoria de Extensão

Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300 81280-320 Curitiba PR

Tel.: (41) 317 3093 Fax: (41) 317 3982

Home Page: w.unicenp.br e-mail: mcordiolli@unicenp.br e-mail: extensao@unicenp.br

Contatos com a Equipe da Repar:

Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar

Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16 83700-970 Araucária – Paraná

Mario Newton Coelho Reis

(Coordenador Geral)

Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717 e-mail: marioreis@petrobras.com.br

Uzias Alves

(Coordenador Técnico)

Tel.: (41) 641 2301 e-mail: uzias@petrobras.com.br

Décio Luiz Rogal Tel.: (41) 641 2295 e-mail: rogal@petrobras.com.br

Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva

Tel.: (41) 641 2433 e-mail: ledyc@petrobras.com.br

Adair Martins

Tel.: (41) 641 2433 e-mail: adair@petrobras.com.br

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Apresentação

É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, diferenciação 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 técnico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não podem 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.

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Estado: Unidade:

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

Eletricidade Básica

1 PRINCÍPIOS DA ELETRICIDADE7
1.1 O que é Eletricidade?7
1.2 Processos de Eletrização8
1.3Interações entre cargas elétricas: força e campo elétrico1
1.4 Trabalho e Potencial Elétrico12
1.5 Corrente Elétrica13
1.6 Força Eletromotriz14
1.7 Resistência Elétrica: Leis de Ohm14
1.8 Associação de Resitores16
1.9Leitura de Resistores – Código de Cores16
2 PRINCÍPIOS DE ELETROMAGNETISMO18
2.1 Magnetismo18
2.2Interação entre corrente elétrica e campo magnético: Eletromagnetismo19
2.3 Cálculo da Intensidade do Campo Magnético19
2.4 Campos Magnéticos na Matéria21
2.5 Fluxo Magnético2
2.6 Indução Eletromagnética23
3 ELETROMAGNETISMO: APLICAÇÕES25
3.1 O Gerador de Corrente Alternada25
3.2 Geradores Polifásicos27
3.3 Gerador de Corrente Contínua28
3.4 Corrente Alternada x Corrente Contínua29
3.5 Transformadores30
3.6 Capacitores30
3.7 Indutores32
3.8 Capacitores, Indutores e Corrente Alternada3
3.9 Potência em Circuitos CA34
3.10 Circuitos Trifásicos35
4 COMPLEMENTOS37
4.1 Medidas Elétricas37
4.2 Unidades de Medidas39

Sumário EXERCÍCIOS ................................................................................................................. 40

Eletricidade Básica

1.1 O que é Eletricidade?

Embora os fenômenos envolvendo eletricidade fossem conhecidos há muito tempo (todos já devem ter ouvido falar da famosa experiência do americano Benjamin Franklin soltando pipa em um dia de tempestade), somente durante o século XIX, investigações, mais científicas foram feitas. Faremos, então, uma breve discussão sobre os fenômenos elétricos.

Hoje sabemos que a explicação da natureza da eletricidade vem da estrutura da matéria, os átomos. Na figura 1, vemos um esboço de um átomo dos mais simples, o de Lítio. Temos o núcleo deste átomo, que é composto por dois tipos de partículas: os prótons, partículas carregadas positivamente, e os nêutrons, que têm a mesma massa dos prótons, só que não são partículas carregadas.

FIGURA 1

1Princípios da Eletricidade de experiências feitas em 1906. Mas como este modelo ajuda nossa compreensão sobre a natureza da eletricidade?

Freqüentemente, falamos em “carga elétrica”. O que vem a ser isto? Suponha que você tem um corpo “carregado com carga negativa”. Considerando que, as cargas que conhecemos são aquelas representadas nos átomos, os prótons (positivos) e os elétrons (negativos), então, um corpo com “carga negativa”, na verdade, é um corpo em cujos átomos há um maior número de elétrons do que de prótons. Ou, de maneira contrária, outro corpo com carga positiva é aquele em que o número de elétrons é menor do que o número de prótons. Esta variação de cargas positivas para negativas em um corpo é feita mais facilmente variando o número de elétrons do corpo, já que como eles estão na periferia dos átomos, são mais facilmente removíveis.

Conceito de Carga Elétrica: Como conseqüência do que colocamos acima, toda carga que aparece em um corpo é um múltiplo da carga de cada elétron, uma vez que, para tornarmos um corpo negativamente carregado, fornecemos a este 1 elétron, 2 elétrons, assim por diante. Da mesma maneira, para tornarmos o corpo carregado positivamente, é necessário “arrancar” de cada átomo um elétron, dois elétrons, etc. Este processo de variação do número de elétrons dos átomos é chamado de ionização. Um átomo cujos elétrons não estejam em mesmo número de seus prótons é chamado de íon. Assim, de uma maneira geral, toda carga Q pode ser calculada da seguinte forma:

Q = Ne

Em que N é o número de elétrons fornecidos (no caso de carga negativa) ou retirados (no caso de cargas positivas) do corpo e e, a chamada carga elétrica fundamental, que é a carga presente em cada próton ou elétron.

Orbitando ao redor do núcleo temos partículas cerca de 1836 vezes mais leves que os prótons, os elétrons, que apresentam cargas negativas de mesmo valor que as dos prótons. Em seu estado natural, todo átomo tem o mesmo número de prótons e elétrons, ou seja, é eletricamente neutro. Na verdade, a figura está bem fora de escala para facilitar o desenho, já que o diâmetro das órbitas dos elétrons varia entre 10 mil a 100 mil vezes o diâmetro do núcleo! O modelo da figura foi proposto pelo físico inglês Ernest Rutherford, após uma série

Eletricidade Básica

FIGURA 2.1 – O vidro e a lã se atraem.

Trabalharemos com o Sistema Internacional de Unidades (SI), mais conhecido como MKS (Metro, Kilograma, Segundo), para definirmos as unidades de medida das grandezas 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 conseguir cargas de 1 Coulomb, é necessária transferência de vários elétrons entre corpos então, podemos concluir esta seção afirmando, então, que os fenômenos elétricos são aqueles envolvendo transferências de elétrons entre corpos. E em relação aos prótons? Há processos envolvendo os prótons especificamente, que são do domínio da Física Nuclear, no entanto, tais eventos não fazem parte dos objetivos deste curso.

1.2 Processos de Eletrização

Eletrização por Atrito: Podemos realizar uma experiência simples utilizando um pano de lã e um bastão de vidro. Ao esfregarmos um no outro, podemos notar que o vidro atrai a lã e vice-versa (figura 2.1). Contudo, se repetirmos a experiência com um conjunto idêntico ao acima e aproximarmos os dois bastões de vidro, notaremos que estes se repelem (figura 2.2), o mesmo acontecendo com os dois panos de lã (figura 2.3).

Isso acontece porque, ao esfregarmos a lã contra o vidro, os dois inicialmente neutros, provocamos uma transferência de elétrons do vidro para a lã. É um processo semelhante ao que acontece quando usamos um pente de plástico para pentear o cabelo. Uma questão fundamental que podemos formular é porque lã e vidro atraem-se e lã repele lã e vidro repele vidro? O vidro perdeu elétrons, ficando carregado positivamente, ao contrário da lã, que ao receber os elétrons, adquiriu carga negativa. Chegamos, então, a uma lei básica da natureza:

Cargas de mesmo sinal repelem-se, cargas de sinais opostos atraem-se.

Isto explica, em parte, a estrutura do átomo, onde os prótons positivos atraem os elétrons 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 elétrons estão mais livres dos respectivos núcleos dos átomos são os condutores. De maneira oposta, materiais em que os elétrons não podem mover-se livremente, porque estão muito presos aos núcleos, são os chamados isolantes. Há, ainda, uma classe intermediária de materiais, os semicondutores, como o nome já indica, materiais que podem conduzir eletricidade em condições operacionais específicas, que, porém, não serão nosso objeto de estudo neste curso. Como exemplo de bons condutores temos os metais como ferro, cobre, ouro. 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-

rem principalmente em condutores.FIGURA 2.2 – Os bastões de vidro e a lã se repelem.

FIGURA 2.3 – Os panos de lã se repelem.

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Um conceito importante dos materiais isolantes é o de rigidez dielétrica. Quando um isolante é submetido a uma tensão elétrica muito grande, pode acontecer que ele permita a passagem de eletricidade. Quando isto acontece, dizemos que aconteceu a ruptura de um dielétrico. A rigidez dielétrica fornece o valor máximo da tensão elétrica que um isolante suporta sem que sofra ruptura. A rigidez dielétrica de um isolante diminui com o aumento da espessura do isolante, da duração da aplicação da tensão elétrica e da temperatura.

FIGURA 3.a – A positivo e B neutro estão isolados e afastados.

Eletrização por contato: Supondo que dois corpos condutores, como as duas esferas metálicas da figura 3.a. A esfera A já está carregada positivamente, enquanto a esfera B está neutra. Se colocarmos as duas em contato, a tendência é que ambas atinjam uma situação de equilíbrio. Para que isso ocorra, a esfera B tende a neutralizar A, através de uma passagem de elétrons (cargas negativas) de B para A (figura 3b), até que as duas atinjam a mesma carga, pois, desta forma, nenhuma das duas esferas “sentirá” a outra mais eletrizada. Assim, a carga final de cada uma delas será a metade das cargas iniciais do sistema (figura 3c), neste exemplo, metade da carga inicial de A.

FIGURA 3.b – Colocados em contato, durante breve intervalo de tempo, elétrons livres vão de B para A.

FIGURA 3.c – Após o processo, A e B apresentam-se eletrizados positivamente.

Este tipo de eletrização pode gerar um choque elétrico. Isto é o que acontece quando tocamos uma tubulação metálica ou um veículo que está eletrizados. O contato do nosso corpo com a superfície do veículo, por exemplo, faz com que haja uma rápida passagem de cargas elétricas através do nosso corpo, daí aparecendo a sensação de choque elétrico.

O “Efeito Terra”: A Terra, por ter dimensões bem maiores que qualquer corpo que precisemos manipular, pode ser considerada um grande “depósito” de elétrons. Se ligarmos uma esfera carregada positivamente (figura 4a) à Terra, por meio de um fio, verificamos que rapidamente ela perde sua eletrização, ficando neutra. Isto acontece devido à subida de elétrons da Terra, que neutralizam a carga positiva da esfera. Da mesma maneira, ao ligarmos uma esfera de carga negativa, esta também perde sua carga, já que seus elétrons descem para a Terra. Não esqueça que sempre raciocinamos em termos do movimento dos elétrons (cargas negativas), que, como já discutimos, por ocuparem a periferia dos átomos, têm uma mobilidade maior que os prótons.

FIGURA 4a Elétrons Elétrons

Um efeito da eletrização por contato, que leva a uma aplicação do efeito terra, é o possível surgimento de faíscas elétricas, o que em uma refinaria de petróleo pode adquirir proporções 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 caminhão, uma faísca entre eles pode detonar uma explosão, caso haja a presença de gases combustíveis na área. Para minimizar este risco, o caminhão é conectado ao solo (aterrado) antes do início do bombeamento de combustível. Deste modo, o caminhão ficará com carga neutra.

Eletrização por Indução: Este tipo de eletrização faz uso da atração de cargas de sinais opostos, como na seqüência mostrada na figura 5.

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1. Ao aproximarmos da esfera do eletroscópio um corpo eletrizado negativamente, o eletroscópio sofre indução eletrostática e as lâminas se abrem.

2. Ligando-se o eletroscópio à Terra, as lâminas se fecham, pois os elétrons escoam para a Terra.

3. Desfazendo-se a ligação com a Terra e afastando-se o corpo eletrizado, o eletroscópio se eletriza positivamente. Observe que, novamente, as lãminas se abrem.

Lâminas de ferro

FIGURA 5

A estrutura de um pára-raios consiste em uma haste metálica colocada no ponto mais alto da estrutura a ser protegida. A extremidade inferior da haste é conectada a um cabo condutor, que desce pela estrutura e é aterrado ao solo. Na extremidade superior da haste, temos um terminal composto de materiais com alto ponto de fusão, para suportar as altas temperaturas provocadas pela passagem da descarga elétrica. O formato desta extremidade, que é pontiagudo, faz uso de uma propriedade dos condutores, o poder das pontas. Em um condutor, a densidade de cargas é maior em regiões que contêm formato pontiagudo. Lá a densidade de cargas é maior, bem como o campo elétrico. Assim, por serem regiões de alto campo elétrico, tais pontas favorecem a mobilidade das cargas elétricas através delas. Se a nuvem carregada estiver acima da haste, nesta são induzidas cargas elétricas intensificando o campo elétrico na região entre a nuvem e a haste, produzindo assim uma descarga elétrica através do pára-raios.

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