08 Eletricidade Básica, Notas de estudo de Engenharia Aeronáutica

Baixe 08 Eletricidade Básica e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Aeronáutica, somente na Docsity! 8-1 CAPÍTULO 8 ELETRICIDADE BÁSICA INTRODUÇÃO Qualquer pessoa envolvida com manu- tenção de aeronaves está ciente do crescente uso da eletricidade nos sistemas modernos, e reco- nhece a importância do mecânico compreender os princípios da eletricidade. A eletricidade, hoje, é extensamente usada nos sistemas de aeronaves, salientando a importância de um fundamento sólido de eletri- cidade para técnicos de célula e moto- propulsão. No estudo da física, a teoria do elétron foi introduzida para explicar a natureza essenci- al da estrutura da matéria. Um exame mais detalhado desta teoria é necessário para explicar o comportamento do elétrons, bem como sua aplicação no estudo da eletricidade básica. MATÉRIA A matéria pode ser definida como algo que possui massa (peso) e ocupa espaço. Logo, matéria é alguma coisa que existe. Ela pode existir em forma de sólidos, líquidos ou gases. A menor partícula de matéria, em qual- quer estado ou forma que existe, possui sua i- dentidade, é chamada de molécula. Substâncias compostas por apenas um único tipo de átomo são chamadas de elemen- tos, entretanto a maioria das substâncias existentes na natureza são compostas, isto é, são combinações de dois ou mais tipos de átomos. Água, por exemplo, é um composto de dois áto- mos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Uma molécula de água é ilustrada na figura 8-1. Ela não teria mais características de água, se fosse composta por um átomo de hi- drogênio e dois átomos de oxigênio. O átomo O átomo é considerado a parte constitu- tiva básica de toda matéria. É a menor partícula possível em que um elemento pode ser dividido conservando, ainda, suas propriedades quími- cas. Em sua forma mais simples, consiste em um ou mais elétrons, orbitando velozmente em torno de um centro ou núcleos, também na mai- oria dos átomos. O átomo não é visível, mesmo que colo- cássemos 200.000 deles lado a lado numa linha de uma polegada, ainda assim não poderíamos vê-los. Apesar disso, grandes conhecimentos sobre seu comportamento são obtidos através de testes e experiências. O átomo mais simples é o de hidrogênio, que é formado por um elétron girando em torno de um próton, conforme mostrado na figura 8- 2. Um átomo mais completo é o do oxigênio (veja figura 8-3), que consiste de oito elétrons girando em duas órbitas diferentes, em torno de um núcleo formado por oito prótons e oito neu- trons. Um elétron representa a carga elétrica negativa básica e, além disso, não pode ser divi- dido. Alguns elétrons são mais fortemente liga- dos ao núcleo do seu átomo do que outros, e giram em órbitas imaginárias mais fechadas e próximas do núcleo, enquanto outros orbitam seus núcleos mais livremente e distantes. Estes últimos são chamados elétrons "livres", porque podem ficar livres com facili- dade da atração positiva dos prótons (núcleo) para formar o fluxo de elétrons num circuito elétrico. Figura 8-1 Uma molécula de água. Os neutrons, no núcleo, não possuem carga elétrica. Eles não são positivos nem nega- tivos, mas são iguais aos prótons em tamanho e peso. Como um próton pesa aproximadamente 1.845 vezes mais do que um elétrons, o peso total de um átomo é determinado através da 8-2 quantidade de prótons e neutrons existentes no seu núcleo. O peso do elétron não é considerado. Na verdade a natureza da eletricidade não pode ser definida claramente, porque não se tem certeza se o elétron é uma carga negativa desprovida de massa (peso) ou uma partícula de matéria com carga negativa. A eletricidade é melhor compreendida pelo seu comportamento, que se baseia no papel da carga transportada pelo átomo. Quando a carga positiva total dos prótons, no núcleo, se equilibra com a carga total negativa dos elétrons em órbita, em torno do núcleo, diz-se que o á- tomo possui carga neutra. Se um átomo tem escassez de elétrons, ou carga negativa, ele está carregado positiva- mente, e é chamado de íon positivo. Se ele pos- sui um excesso de elétrons, diz-se que está car- regado negativamente, e é chamado de íon negativo. Figura 8-2 Átomo de hidrogênio. Transferência de elétrons Em condição de carga neutra, um átomo tem um elétron para cada próton existente no núcleo. Deste modo, o número de elétrons atre- lados ao átomo configurarão os vários elemen- tos, variando de 1, no caso do hidrogênio, até 92 para o urânio. Os elétrons girando em torno do núcleo percorrem órbitas, chamadas camadas. Cada ca- mada pode conter um certo número máximo de elétrons e, se tal quantidade for excedida, os elétrons excedentes serão obrigados a se transfe- rirem para a camada mais alta (em relação ao núcleo), ou mais externa. A camada mais próxima do núcleo pode conter no máximo dois elétrons. A segunda ca- mada não mais do que oito elétrons; a terceira, dezoito elétrons; a quarta, trinta e dois; etc. En- tretanto, é preciso observar que em alguns áto- mos, grandes e complexos, os elétrons podem estar dispostos nas camadas mais externas antes que algumas camadas internas estejam comple- tas. Figura 8-3 Átomo de Oxigênio. ELETRICIDADE ESTÁTICA A eletricidade é normalmente definida como sendo estática ou dinâmica. Como todos os elétrons são parecidos, tais palavras não des- crevem de fato os diferentes tipos de eletricida- de, distinguem, mais precisamente, elétrons em repouso ou em movimento. A palavra estática significa "estacioná- ria" ou "em repouso", e se refere à deficiência ou excesso de elétrons. Inicialmente pensava-se que eletricidade estática era eletricidade em repouso, porque a energia elétrica produzida por fricção não teria movimento. Uma experiência simples, como passar um pente seco no cabelo, produz estalidos, indi- cando ocorrência de descarga estática, consis- tindo, pois na transferência de elétrons para o pente, como resultado da fricção. A descarga é causada pelo rápido movi- mento na direção oposta (do pente para o cabe- lo), para equilibrar as cargas eventualmente. No escuro, há possibilidade de se enxergar peque- nas centelhas correspondentes a essas descargas. A eletricidade estática tem pouca utili- dade prática e, freqüentemente, causa proble- mas. É difícil de controlar, e descarrega rapida- mente. 8-5 Usando um detetor eletrostático, é possí- vel mostrar que a carga é distribuída uniforme- mente sobre toda a superfície do disco. Desde que o disco de metal proporcione resistência uniforme em todos os pontos de sua superfície, a repulsão mútua dos elétrons resul- tará numa distribuição equilibrada sobre toda a superfície. Um outro exemplo, mostrado na figura 8-10, refere-se à carga em uma esfera oca. Ape- sar da esfera ser feita de material condutor, a carga é distribuída uniformemente por toda a su- perfície externa. Figura 8-8 Campo em torno de dois corpos carregados positivamente. A superfície interna é completamente neutra. Esse fenômeno é usado para proteger os operadores dos grandes geradores estáticos VAN DE GRAAFF. A área de proteção para os operadores é dentro da grande esfera, onde são gerados mi- lhões de volts. Figura 8-9 Distribuição uniforme da carga em um disco metálico. A distribuição de carga num objeto de forma irregular é diferente da que ocorre no caso de um objeto de forma regular. A figura 8- 11 mostra que a carga em objetos, deste modo, não é distribuída uniformemente. A maior con- centração de carga dá-se nas extremidades, ou áreas de curvatura mais acentuada. Figura 8-10 Carga em uma esfera oca. Os efeitos da eletricidade estática devem ser considerados na operação e manutenção de aeronaves. A interferência estática nos sistemas de comunicação, e a carga estática criada pelo mo- vimento da aeronave através da massa de ar, são exemplos dos problemas ocasionados pela ele- tricidade estática. Peças da aeronave precisam ser "unidas" ou ligadas entre si para prover um caminho de baixa resistência (ou fácil) para a descarga está- tica, e o equipamento rádio precisa ser blindado. Cargas estáticas precisam ser considera- das no reabastecimento da aeronave para preve- nir possível ignição do combustível e, é neces- sário aterrar a estrutura da aeronave, tanto atra- vés de pneus condutores de estática, como atra- vés de fiação de aterramento. Figura 8-11 Carga em objetos de diferentes formatos. 8-6 FORÇA ELETROMOTRIZ O fluxo de elétrons de um ponto negati- vo para um positivo é chamado de corrente elé- trica; essa corrente flui por causa de uma dife- rença na pressão elétrica entre dois pontos. Se um excesso de elétrons com carga ne- gativa ocorre no final de um condutor, e uma deficiência de elétrons com carga positiva em outro, ocorre um campo eletrostático entre as duas cargas. Os elétrons são repelidos do ponto car- regado negativamente, e são atraídos pelo ponto carregado positivamente. O fluxo de elétrons de uma corrente elé- trica pode ser comparado ao fluxo d'água entre dois tanques interligados, quando existir dife- rença de pressão entre eles. A figura 8-12 mostra que o nível d'água no tanque “A” é mais alto do que no tanque “B”. Se a válvula que interliga os tanques for aberta, a água fluirá do tanque “A” para o tan- que “B”, até que o nível da água se torne igual em ambos os tanques. É importante observar que não foi a pressão no tanque “A” que causou o fluxo d'á- gua, mas foi a diferença de pressão entre os tan- ques que o fez. Quando a água nos dois tanques está no mesmo nível, o fluxo cessa, porque não existe diferença de pressão ente eles. Figura 8-12 Diferença de pressão. Essa comparação ilustra o princípio que causa o movimento dos elétrons, quando um caminho é disponível, de um ponto onde há ex- cesso a outro onde há escassez de elétrons. A força que provoca este movimento é a diferença potencial em entrega elétrica entre os dois pontos. Essa força é chamada de pressão elétrica ou diferença potencial ou força eletro- motriz. A força eletromotriz, abreviada f.e.m.., provoca corrente (elétrons) em um caminho ou circuito elétrico. A unidade de medida prática da f.e.m. ou diferença de potencial é o VOLT. O símbolo para f.e.m. é a letra maiúscula "E". Se a pressão d'água no tanque “A” da figura 8-12 é 10 p.s.i. e no tanque “B” é de 2 p.s.i., existe uma diferença de 8 p.s.i.. Simi- larmente, pode-se dizer que uma força eletromo- triz de 8 volts existe entre dois pontos elétricos. Como a diferença potencial é medida em volts, a palavra "voltagem" pode também ser usada para nomear quantidade de diferença potencial. Assim, é correto dizer que a voltagem da bateria de certa aeronave é 24 volts, ou seja, uma outra maneira de indicar que a diferença potencial de 24 volts existe entre dois pontos conectados por um condutor. Fluxo de corrente A corrente elétrica é formada por elé- trons em movimento. Essa corrente é normal- mente referida como "corrente" ou "fluxo de corrente", não importando a quantidade de elé- trons em deslocamento. Quando o fluxo ocorre numa direção apenas, é chamado de corrente contínua. Poste- riormente, no estudo dos fundamentos de eletri- cidade, a corrente que se inverte periodicamente será discutida. Agora, será abordada apenas a corrente contínua. Como uma corrente elétrica consiste de variada quantidade de elétrons, é importante saber o número de elétrons fluindo num circuito em determinado tempo. A carga acumulada de 6,28 bilhões de bilhões de elétrons é chamada de um Coulomb. Quando esta quantidade de elétrons flui através de um determinado ponto em um circui- to, é dito que um ampère de corrente passa por ele. O fluxo de corrente é medido em ampères ou partes de ampères, por um instru- mento chamado amperímetro. O símbolo empregado para representar corrente em fórmulas ou esquemas é a letra mai- úscula "I", que representa a intesidade do fluxo de corrente. Figura 8-13 Movimento dos elétrons. 8-7 O impulso dos elétrons livres não deve ser confundido com o conceito de fluxo de cor- rente que diz respeito à velocidade da luz. Quando uma voltagem é aplicada em um circuito, os elétrons livres percorrem pequena distância até colidirem com átomos. Essas coli- sões, normalmente, deslocam outros elétrons livres de seus átomos, e esses elétrons se movi- mentam na direção do terminal positivo do con- dutor, colidindo com outros átomos, assim des- locando-se com relativa e reduzida razão de velocidade. Para se compreender o efeito de veloci- dade quase instantânea da corrente elétrica, bas- ta uma visualização do longo tubo repleto de bolas de aço, conforme mostrado na figura 8-13. Pode-se ver que cada bola introduzida na extremidade de entrada do tubo, que representa um condutor, causará imediatamente a expulsão da bola que estiver posicionada na extremidade oposta. Desta forma, se o tubo for suficiente- mente comprido, esse efeito ainda poderá ser observado como instantâneo. RESISTÊNCIA A propriedade de um condutor de eletri- cidade que limita ou restringe o fluxo de corren- te elétrica é chamada de resistência. É necessá- rio pressão elétrica para superar essa resistência, que nada mais é do que a força de atração man- tendo os elétrons em suas órbitas. Os materiais usados na fabricação de condutores, usualmente na forma de fios extrudados, são materiais que oferecem diminuta resistência ao fluxo de cor- rente. Embora fios de qualquer medida ou va- lor de resistência possam ser usados, a palavra "condutor", normalmente, se refere a materiais que oferecem baixa resistência ao fluxo de cor- rente, e a palavra isolador nomeia materiais que oferecem alta resistência para a corrente elétri- ca. Não existe distinção completamente de- finida entre condutores, sob condições adequa- das, todos os tipos de material conduzem algu- ma corrente. Materiais oferecendo alguma resistência para o fluxo de corrente, intercalados com os melhores condutores e os piores (isoladores), são, às vezes, referidos como "semicondutores" e encontram sua melhor aplicação no campo dos transistores. Os melhores condutores são mate- riais, principalmente metais, que possuem um grande número de elétrons livres; contrariamen- te, isolantes são materiais possuindo poucos elétrons livres. Os melhores condutores são prata, cobre, ouro e alumínio, mas materiais não-métalicos, como o carbono e a água podem ser usados co- mo condutores. Materiais como borracha, vidro, cerâmi- ca, sendo maus condutores, são normalmente usados como isoladores. O fluxo de corrente em alguns desses materiais é tão pequeno, que nem é considerado. A unidade empregada para medir resis- tência é chamada Ohm. O símbolo desta unida- de é a letra grega ÔMEGA (). Nas fórmulas matemáticas a letra "R", refere-se a resistência. A resistência de um con- dutor, e a voltagem aplicada a ele determinam a quantidade de ampères (corrente) fluindo atra- vés desse condutor. Assim, 1 Ohm de resistên- cia limitará o fluxo de corrente em 1 ampère, num condutor ao qual seja aplicada a voltagem de 1 volt. Fatores que afetam a resistência Dentre os quatro fatores mais importan- tes que afetam a resistência de um condutor, um dos mais considerados é o tipo de material do condutor. Foi destacado que certos metais são co- mumente usados como condutores por causa da abundância de elétrons livres em suas órbitas externas. O cobre é considerado o melhor material condutor disponível, tendo em vista que um fio de cobre com determinado diâmetro oferece menor resistência ao fluxo de corrente do que um fio de alumínio com o mesmo diâmetro. En- tretanto o alumínio é mais leve do que cobre e, por esta razão o alumínio é freqüentemente uti- lizado, quando o fator peso é importante. Um segundo fator de resistência é o comprimento do condutor. Quanto mais com- prido, maior a sua resistência. A figura 8-14 apresenta dois condutores de diferentes comprimentos. Se 1 volt de pres- são elétrica for aplicado através das duas extre- midades do condutor que tem 1 pé (304,799 mm) de comprimento e a resistência ao movi- 8-10 Fonte de força A fonte de força ou força aplicada, para um circuito pode ser qualquer uma das fontes comuns de f.e.m., como uma fonte mecânica (gerador), uma fonte química (bateria), uma fonte fotoelétrica (luz) ou uma fonte térmica (calor). A figura 8-18 ilustra dois símbolos es- quemáticos referentes a um gerador. A maior parte dos componentes elétricos possui apenas um símbolo; entretanto, no caso do gerador e de outros, mais de um símbolo foi criado para representar um mesmo componente elétrico. Esses símbolos são muito parecidos em desenho. A figura 8-18 ilustra que os dois símbo- los para um gerador são tão parecidos que a chance para confusão é mínima. Figura 8-17 Componentes de um circuito re- presentados por símbolos. Uma outra fonte comum para a voltagem aplicada a um circuito é a bateria, uma fonte de força química. A figura 8-19 mostra símbolos para uma bateria de célula única e uma bateria de três células. Figura 8-18 Símbolos para um gerador de cor- rente contínua. Referente a símbolos de baterias, usados em diagramas esquemáticos, são verdadeiras as seguintes afirmativas (ver figura 8-19). 1. A linha vertical mais curta representa o ter- minal negativo. 2. A linha vertical mais longa é o terminal po- sitivo. 3. As linhas horizontais representam os condu- tores conectados aos terminais. 4. Cada célula de uma bateria tem um terminal negativo e um positivo. Figura 8-19 Símbolos para baterias de uma e de três células. Pilhas secas, como as usadas em lanter- nas, são chamadas de pilhas primárias. As bate- rias de acumuladores maiores, contendo várias células primárias são chamadas de pilhas secun- dárias. O símbolo esquemático para pilha primá- ria é mostrado na figura 8-20. Figura 8-20 Símbolo esquemático de uma pilha seca. A bola central é o terminal positivo e o círculo que a envolve é o terminal negativo. Figura 8-21 Diagrama esquemático e símbolos de pilhas conectadas em série. 8-11 Quando há necessidade de mais de 1,5v são conectadas células em série, ou seja, o ter- minal negativo de cada uma é ligado ao positivo da célula seguinte, conforme mostrado em "A" da figura 8-21. A voltagem fica então igual à soma das voltagens de cada uma das células. Como a mesma corrente flui através das sucessivas células, a corrente que a bateria pode suprir é igual a capacidade de corrente de uma única célula. Assim, uma bateria composta por células em série proporciona uma voltagem maior, mas não uma maior capacidade de cor- rente. Para obter um maior fluxo de corrente que uma célula é capaz de suprir, as células são ligadas em paralelo. A corrente total disponível é igual à soma das correntes individuais de cada célula, entretanto, a voltagem é a mesma de uma única célula. Para ligar células em paralelo todos os terminais positivos são conectados entre si, e todos os terminais negativos da mesma forma. Na letra “A”da figura 8-22 é mostrado um dia- grama esquemático de células ligadas em para- lelo. E na letra “B” da mesma figura é ilustra- do o símbolo usado para representar este grupo de células conectadas em paralelo. Cada célula precisa ter a mesma volta- gem; caso contrário, uma célula com maior vol- tagem forçará corrente através das células de menor voltagem. Figura 8-22 Pilhas conectadas em paralelo. Um outro modo de combinar células é conectá-las em série-paralelo. Desta maneira, mostrada na figura 8-23, dois grupos de células (série) são conectados em paralelo. Essa arrumação fornece tanto maior vol- tagem como maior saída de corrente. Figura 8-23 Arranjo de pilhas em série e em paralelo. Condutor Outra necessidade básica de um circuito é o condutor, ou fio, interligando os diversos componentes elétricos. É sempre representado em diagramas esquemáticos como uma linha. A figura 8-24 ilustra dois símbolos diferentes usa- dos para indicar fios (condutores) que se cruzam mas não estão conectados. Embora ambos os símbolos possam ser usados, o símbolo mostrado em "B" da figura 8- 24 é encontrado mais freqüentemente, por ser menos provável de ser interpretado erroneamen- te. Figura 8-24 Cruzamento de fios não conectados. A figura 8-25 ilustra os dois diferentes símbolos usados para representar fios conecta- dos entre si. Ambos os símbolos podem ser usados, entretanto é importante que não haja conflito com o símbolo escolhido para representar fios não conectados. Por exemplo, se o símbolo es- colhido para fios não conectados for o mostrado em "A" da figura 8-24, o símbolo para fios in- 8-12 terligados tem que ser o mostrado em "A" da figura 8-25. Figura 8-25 Fios conectados. Um componente encontrado em todos os circuitos práticos é o fusível. Este é uma segu- rança ou dispositivo de proteção usado para prevenir danos aos condutores e componentes do circuito, sob fluxo excessivo de corrente. O símbolo esquemático para representar o fusível é mostrado na figura 8-26. Figura 8-26 Símbolo esquemático de um fusí- vel. Um outro símbolo encontrado num es- quema de circuito básico é o que representa uma chave (interruptor), mostrado na figura 8-27. Figura 8-27 Símbolos de interruptores abertos e fechados. O símbolo para chave aberta é mostrado em "A" da figura 8-27, e em "B" simboliza a chave fechada, fazendo parte de um circuito existem inúmeros tipos diferentes de chaves, mas estes símbolos podem representar todas, exceto as mais complexas.A figura 8-28 ilustra o símbolo para "terra" (massa) ou o ponto de referência comum em um circuito. Este é o pon- to de referência do qual a maior parte das volta- gens são medidas. Este ponto é normalmente considerado como o de potencial zero. Figura 8-28 Símbolo do ponto de referência de massa, terra ou comum. Às vezes, os medidores, para fluxo de corrente ou voltagem são conectados tempora- riamente a determinados circuitos e, em outros, aparecem como componentes permanentes. Na figura 8-29, os símbolos para amperímetro e voltímetro são utilizados em um circuito sim- ples. É importante que tais componentes sejam conectados de modo correto. Figura 8-29 Símbolos de amperímetro e de voltímetro. O amperímetro, que mede fluxo de cor- rente, é sempre ligado em série com a fonte de força e as resistências do circuito. O voltímetro, que mede voltagem através de um componente do circuito, é sempre ligado em paralelo com tal componente, nunca em série. Resistores O último dos requisitos básicos de com- ponentes de um circuito completo pode ser a- grupado sob o simples título de resistência, que num circuito prático aparece sob a forma de qualquer dispositivo elétrico, como um motor ou uma lâmpada que utilize energia elétrica e tenha alguma função utilitária. Por outro lado, a resistência de um circuito pode surgir na forma de resistores, cuja finalidade seja limitar o fluxo de corrente. 8-15 Um resistor codificado para tolerância de 5% não pode ser maior ou menor do que 5% que o valor indicado pelo código de cores. O código de cores (ver figura 8-38) é constituído de um grupo de cores, números e valores de tolerância. Cada cor é representada por um número e, na maioria dos casos, pelo valor de tolerância. Quando o código de cores é usado pelo sistema "end-to-center-band", o resistor é normalmente marcado com faixas coloridas a partir de uma das extremidades do seu corpo. A cor do corpo, ou básica do resistor, nada tem a ver com o código de cores e em hi- pótese alguma indica valor de resistência. Para prevenir confusões, o corpo jamais terá a mes- ma cor das faixas, indicando valor de resistên- cia. Quando é utilizado o sistema "end-to- center band", o resistor será marcado através de três ou quatro faixas, a primeira faixa de cor (mais próxima à extremidade do resistor) indi- cará o primeiro dígito no valor numérico de resistência. Esta faixa jamais será de cor doura- da ou prateada. A segunda faixa de cor (figura 8-39) in- dicará sempre o segundo dígito do valor ôhmi- co. Ela nunca será de cor dourada ou prate- ada. A terceira faixa de cor indica o número de zeros a serem adicionados ao primeiro e se- gundo dígitos. Exceto nos seguintes casos: Figura 8-39 Marcação da ponta para o centro. Figura 8-40 Exemplo de código de cores de resistor. Figura 8-41 Exemplo de código de cores de resistor. Figura 8-42 Resistor com 2% de tolerância. Figura 8-43 Resistor com a terceira faixa preta. Figura 8-44 Resistor com a terceira faixa dou- rada. Figura 8-45 Resistor com a terceira faixa prate- ada. Figura 8-46 Resistor codificado pelo sistema “Ponto e cor na ponta”. 8-16 1. Se a terceira faixa é dourada, os dois primei- ros dígitos têm de ser multiplicados por 10%. 2. Se a terceira faixa é prateada, os dois pri- meiros dígitos têm de ser multiplicados por 1%. Se houver uma quarta faixa colorida, ela é usada como multiplicador para percentual de tolerância, conforme indicado na tabela de códi- go de cores da figura 8-38. Se houver a quarta faixa, a tolerância fica entendida como sendo de 20%. A figura 8-39 ilustra as regras para leitu- ra do valor de um resistor marcado pelo sistema "end-to-center band". Este resistor é marcado com três faixas coloridas, que têm precisam ser lidas no sentido da extremidade para o centro. Estes são os valores que serão obtidos: Cor Valor Numéri- co Significação 1ª faixa-vermelha 2 1º digito 2ª faixa-verde 5 2º digito 3ª faixa-amarela 4 Nº de zeros a adicionar Não há quarta faixa de cor, logo a tole- rância é entendida como sendo de 20%. 20% de 250.000 = 50.000. Como a tolerância é mais ou menos, re- sistência máxima = 250.000 + 50.000 = 300.000 ohms; resistência mínima = 250.000 - 50.000 = 200.000 ohms. A figura 8-40 contém um resistor com outro conjunto de cores, este código de resistor pode ser lido da seguinte forma: A resistência é de 86.000 + 10% ohms. A resistência máxima é 94.600 OHMS, e a re- sistência mínima é 77.400 ohms. Como um outro exemplo, a resistência ou resistor na figura 8-41 é 960 + 5% ohms. A resistência máxima é 1.008 ohms, e a resistência mínima é 912 ohms. Às vezes as necessidades do circuito de- terminam que a tolerância precisa ser menor do que 20%. A figura 8-42 mostra um exemplo de resistor com 2% de tolerância. O valor de resis- tência dele é 2.500 + 2% ohms. A resistência máxima é 2.550 ohms, e a resistência mínima é 2.450 ohms. A figura 8-43 contém o exemplo de um resistor com a terceira faixa na cor preta. O valor numérico correspondente à cor preta é "zero", e a terceira faixa indica a quanti- dade de zeros a adicionar aos primeiros alga- rismos. Neste caso, nenhum zero deve ser adi- cionado. Então, o valor de resistência é 10 + 1% ohms. A resistência máxima e 10,1 ohms e a resistência mínima e 9,9 ohms. Existem duas exceções para a regra que estabelece a terceira cor, como indicativa da quantidade de zeros, a agregarem-se aos dois primeiros algarismos. A primeira destas exceções é ilustrada na figura 8-44. Quando a terceira faixa é dourada, ela indica que os dois primeiros dígitos têm que ser multiplicados por 10%. O valor deste resistor é: 10 x 0,10 + 2% = 1 + 0,02 ohms Quando a terceira faixa é prateada, como é o caso na figura 8-45, os dois primeiros dígi- tos precisam ser multiplicados por 1%. O valor do resistor é 0,45 + 10% ohms. Sistema "body-end-dot" Hoje, este sistema é raramente utilizado. Em poucos exemplos poderá ser explanado. A localização das cores tem o seguinte significa- do: Cor do corpo ... 1º dígito do valor ôh- mico Cor da extre- midade ... 2º dígito do valor ôh- mico Cor do ponto ... nº de zeros a adicionar Se apenas uma extremidade do resistor é colorida, isto indica o segundo dígito do valor do resistor, e a tolerância será de 20% . Os outros dois valores de tolerância são dourado (5%) e prateado (10%). A extremidade oposta do resistor será colorida para indicar tolerância diferente de 20%. A figura 8-46 mostra um resistor codifi- cado pelo sistema "body-end-dot". Os valores são os seguintes: 8-17 Corpo 1º dígito 2 Extremidade 2º dígito 5 Ponto Nº de zeros 0000 (4) O valor do resistor é 250.000 + 20% ohms. A tolerância é entendida como sendo de 20%, porque um segundo ponto não é utilizado. Se a mesma cor é usada mais de uma vez, o corpo, a extremidade e o ponto podem ser todos da mesma cor, ou apenas dois desses ele- mentos podem ter a mesma cor; mas o código de cores é usado da mesma maneira. Por exem- plo, um resistor de 33.000 ohms será inteira- mente na cor laranja. LEI DE OHM A lei mais importante aplicável ao estu- do da eletricidade é a lei de Ohm. Esta lei, que delineia o relacionamento entre voltagem cor- rente e resistência, em um circuito elétrico, foi estabelecida pelo físico alemão George Simon Ohm (1787-1854). Ela se aplica a todos os circuitos de cor- rente contínua, e pode também ser aplicada a circuitos de corrente alternada, de maneira mo- dificada (estudada, adiante, neste texto). As experiências de Ohm mostraram que o fluxo de corrente num circuito elétrico é dire- tamente proporcional à intensidade da voltagem aplicada ao circuito. Em outras palavras, esta lei estabelece que o aumento de voltagem corres- ponde ao aumento de corrente, e à diminuição da voltagem corresponde a diminuição da cor- rente. Poderia ser acrescentado que essa rela- ção é verdadeira somente se a resistência no circuito permanece constante, pois, se a resis- tência muda, a corrente também se modifica. A lei de Ohm pode ser expressa através da seguinte equação: I = E R onde "I" é corrente em ampères, "E" é a diferen- ça de potencial medida em volts, e "R" é a resis- tência medida em ohms (designada pela letra grega ômega, cujo símbolo é Ω). Se qualquer dupla desses três valores for conhecida, o terceiro valor pode ser obtido por simples transposição algébrica. O circuito mostrado na figura 8-47 con- tém uma fonte de força de 24 volts, e uma resis- tência de 30 OHMS. Se um amperímetro for inserido no circuito, conforme mostrado na figu- ra 8-47, a intensidade da corrente fluindo no circuito pode ser lida diretamente. Admitindo-se que um amperímetro não esteja disponível, a intensidade da corrente pode ser determinada por meio da lei de Ohm, da seguinte forma: I = E R I = 24V 3 I = 8 amperes Ω Alguns aspectos da figura 8-47, que são típicos de todos os circuitos elétricos apresenta- dos de modo esquemático, deverão ser revistos. A pressão elétrica, ou diferença de po- tencial aplicada ao circuito é representada no esquema pelo símbolo de bateria. O sinal nega- tivo é colocado próximo de um lado para indicar o terminal negativo da fonte ou bateria. O lado oposto é marcado com o símbolo +. Setas são, às vezes, usadas para indicar a direção do fluxo de corrente do terminal negati- vo através dos fios condutores e outros disposi tivos do circuito, para o terminal positivo da fonte. Figura 8-47 Circuito elétrico demonstrando a Lei de Ohm. A figura 8-48 mostra que os valores da voltagem e da corrente são conhecidos. Para encontrar a quantidade de resistência no circui- to, a lei de Ohm pode ser transposta para resol- ver o valor de "R". Mudando a fórmula bási- ca I = E/R para R = E/I, e substituindo os valo- res conhecidos na equação, R = 24 volt/ 8 ampères = 3 Ohms, ou 3. Figura 8-48 Circuito com resistência desconhe- cida. 8-20 Esta equação pode ser transposta para determinar qualquer dos três elementos do cir- cuito, desde que os outros dois sejam conheci- dos. Desta forma, se a potência elétrica é lida diretamente em um wattímetro e a voltagem é medida com um voltímetro, a intensidade da corrente (I) fluindo no circuito pode ser deter- minada pela transposição da equação básica para I = P E Similarmente, a voltagem (E) pode ser encontrada pela transposição da fórmula básica para E = P/I. Como alguns dos valores usados para determinar a potência distribuída em um circuito são os mesmos usados na lei de Ohm, é possível substituir os valores da lei de Ohm por valores equivalentes na fórmula de potência elétrica. Na lei de Ohm, I = E/R. Se o valor E/R é substituído por I, na fórmula de potência, fica P = I x E; P = E X E R ; ou P = E R 2 Esta equação, P = E2/R, ilustra que a potência elétrica em watts, distribuída por um circuito, varia diretamente com o quadrado da voltagem aplicada, e inversamente com a resis- tência do circuito. O watt é nomenclatura proveniente de James Watt, o inventor do motor a vapor. Watt concebeu uma experiência para medir a força de um cavalo, com o propósito de encontrar um meio de medir a potência de seu motor a vapor. Um cavalo-vapor é necessário para mover 33.000 libras, num espaço de 1 pé, em 1 minuto. Como potência é a razão de trabalho realizado, é equivalente ao trabalho dividido pelo tempo. Daí a fórmula: P = 33.000 lb / pes 60s (1min) ou P = 550 lb/pés/s A potência elétrica pode ser avaliada de maneira similar. Por exemplo, um motor elétri- co especificado como sendo de 1 Hp, corres- ponde a 746 watts de energia elétrica. Entre- tanto, o watt é uma unidade de força relativa- mente pequena. O kilowatt, que é mais comum, é igual a 1000 watts. Na medição de quantidade de energia e- létrica consumida é usado o kilowatt/hora. Por exemplo, se uma lâmpada de 100 watts consome energia por 20 horas, ela usou 2.000 watts/hora, ou 2 kilowatts/hora de energia elétrica. A potência elétrica, que é perdida na for- ma de calor quando a corrente flui através de al- gum dispositivo elétrico, é freqüentemente cha- mada de potência dissipada (perdida). Tal calor é normalmente dissipado no ar, ao redor, e não tem nenhuma utilidade, exceto quando usado para aquecimento. Como todos os condutores possuem al- guma resistência, os circuitos são projetados para reduzir essas perdas. Com referência, de novo, à fórmula bá- sica de potência elétrica, P = I x E, é possível substituir os valores da lei de Ohm por “E”, na fórmula de potência, para obter a formulação que reflete diretamente as perdas de potência em uma resistência. P = I x E; E = I x R Substituindo o valor da lei de Ohm por “E” ( I x E), na fórmula de potência, P = I x I x R Simplificando, teremos: P = I2 R Desta equação, pode ser visto que a po- tência em watts num circuito varia de acordo com o quadrado da corrente (I), e diretamente com a resistência do circuito (Ω). Finalmente, a potência distribuída por um circuito pode ser expressa como uma junção de corrente e resistência, por transposição da equação de potência P = I2 R, logo, I P R 2 = e, extraindo a raiz quadrada na equação O símbolo para chave aberta é mostrado em "A" da figura 8-27, e em "B" simboliza a chave fe- 8-21 chada, fazendo parte de um circuito existem inúmeros tipos diferentes de chaves, mas estes símbolos podem representar todas, exceto as mais complexas. I P R = Assim, a corrente relativa a 500 watts, com carga (resistência) de 100 ohms é a seguin- te: I P R = = 500 100 = 2.24 ampères. Figura 8-53 Resumo das equações básicas u- sando volts, ampères, Ohms e watts. As equações derivadas da Lei de Ohm e a fórmula básica de potência elétrica não reve- lam tudo a respeito do comportamento de circui- tos. Elas apenas indicam a relação numérica en- tre o volt, ampère, ohm e watt. A figura 8-53 apresenta um resumo de todas as transposições possíveis dessas fórmu- las, em um círculo com 12 segmentos. CIRCUITOS DE CORRENTE CONTÍNUA EM SÉRIE O circuito em série é o mais elementar dos circuitos elétricos. Todos os demais tipos de circuitos são elaborações ou combinações de circuito em série. A figura 8-54 é um exemplo de um circuito em série simples, e é um circuito porque proporciona um caminho completo para o fluxo do terminal negativo para o positivo da bateria. É um circuito em série porque existe caminho único para a corrente fluir, conforme indicam as setas mostrando a direção do movi- mento de elétrons. Também é chamado de circuito em série, porque a corrente tem que passar através dos componentes (a bateria e o resistor), um depois do outro, ou "em série". Figura 8-54 Circuito em série. O circuito mostrado na figura 8-55 con- tém os componentes básicos requeridos por qualquer circuito: uma fonte de força (bateria), uma carga ou resistência limitadora de corrente (resistor) e um condutor (fio). A maioria dos circuitos práticos contém no mínimo dois outros itens: um dispositivo de controle (interruptor) e um dispositivo de segu- rança (fusível). Com todos os cinco componentes no cir- cuito, este apareceria conforme mostrado na figura 8-55, que é um circuito em série de cor- rente contínua. Figura 8-55 Circuito DC em série. Num circuito de corrente-contínua, a corrente flui em uma direção, do terminal nega- tivo da bateria através do interruptor (que preci- sa estar fechado), percorrendo a resistência de carga e o fusível, chegando à bateria, nova- mente, através do terminal positivo. Para discutir o comportamento da cor- rente elétrica num circuito em série de corrente contínua, a figura 8-56 foi redesenhada na figu- 8-22 ra 8-57, agora incluindo três amperímetros e dois resistores. Como o amperímetro mede a intensidade do fluxo de corrente, três são colo- cados ao longo do circuito para medição em pontos distintos. Figura 8-56 Fluxo de corrente em um circuito em série. Com o interruptor fechado para comple- tar o circuito, todos os três amperímetros indica- rão a mesma intensidade de corrente. Esta é uma importante característica de todos os circuitos em série: não importa quantos componentes se- jam incluídos no circuito em série, a corrente será a mesma em qualquer ponto do circuito. Embora seja verdade que um aumento na quan- tidade de componentes de um circuito aumen- tará a resistência para o fluxo de corrente, ainda assim, o valor da corrente fluindo pelo circuito será o mesmo em todos os pontos. Na figura 8-56, a corrente através do re- sistor R1 é chamada de I1 e a corrente através de resistor R2 é chamada de I2 . Se a corrente total no circuito é IT, a fórmula demonstrando o fluxo de corrente é: IT = I1 = I2 Se o número de resistores é aumentado por cinco, a fórmula será: IT = I1 = I2 = I3 = I4 = I5 Sem indicar a quantidade de corrente fluindo, será sempre verdadeiro que a corrente, através de qualquer resistor, será a mesma que fluirá através de qualquer dos outros resistores. A figura 8-57 é um circuito em série contendo duas resistências. Para determinar a quantidade de fluxo de corrente neste circuito é necessário saber o valor da resistência ou oposi- ção ao fluxo. Assim, a segunda característica dos circuitos em série é: a resistência total num circuito em série é a soma de cada uma das re- sistências do circuito. Mostrada como fórmula, fica: RT = R1 + R2 Figura 8-57 Circuito em série com dois resisto- res. Na figura 8-57, temos o seguinte: RT = R1 (5 Ω) + R2 (10 Ω), ou RT = 5 + 10 = 15 Ω A resistência total do circuito na figura 8-57 é de 15 ohms. É importante lembrar que se o circuito fosse alterado com a inclusão de 10, 20 ou mesmo 100 resistores, a resistência total ainda seria a soma de todas as resistências sepa- radas. Também é verdadeiro que há uma certa resistência interna na própria bateria, bem co- mo, no fusível e na chave (interruptor). Estes pequenos valores de resistência não serão con- siderados na determinação dos valores de fluxo de corrente num circuito. A fórmula da lei de ohm para encontrar a corrente é I = E/R. Sendo a voltagem da bateria de 30 volts e a resistência total do circuito 15 ohms, a equação fica: I = 30V 15 2 amperes Ω = O fluxo de corrente é de 2 ampères (às vezes a palavra ampères é abeviada por amp) e o valor da corrente é o mesmo em toda parte do circuito. Para avaliar que efeito uma mudança na resistência terá sobre o fluxo de corrente quando a voltagem permanece constante, a resistência 8-25 da pelo valor do resistor e a quantidade de fluxo de corrente. A polaridade (sinal) da queda de volta- gem é determinada pela direção de fluxo de corrente. Por exemplo, observando as polarida- des da força eletromotriz aplicada (f.e.m.) e a queda de voltagem, são observados conforme mostrado na figura 8-60. A F.E.M. aplicada provoca o fluxo de elétrons através da oposição oferecida pelas resistências. Figura 8-60 Polaridade da queda de voltagem. A queda de voltagem de um lado a outro em cada resistência é consequentemente oposta em polaridade a da F.E.M. aplicada. Observa-se que o lado de cada resistor, onde a corrente en- tra é assinalado como negativo. Figura 8-61 Circuito demonstrando a Lei de Kirchhoff: (A) lei da corrente e (B) lei da voltagem. A figura 8-61 (A) mostra uma parte de um circuito que ilustra a lei da corrente de Kirc- hhoff. A corrente, fluindo através do resistor R1,tem uma intensidade de quatro ampères; flu- indo através de resistor R3, tem uma magnitude de um ampère, e está fluindo através da mesma junção que a corrente através de R1. Usando a lei da corrente de Kirchhoff, é possível determinar quanta corrente está fluindo através de R2 ,e se está fluindo para ou da jun- ção comum. Isto é expresso na forma de equa- ção como: I1 + I2 + I3= 0 Substituindo os valores de corrente na equação, fica: 4 + I2 + (-1) = 0 I2 = 1 + 4 I2 = 5 -4 + (-1) + 5 = 0 A lei da corrente de Kirchhoff encontra uma aplicação mais ampla nos mais complexos circuitos em paralelo ou série-paralelo. A figura 8-61 (B) é um circuito de cor- rente contínua em série, que está sendo usado para demonstrar a lei da voltagem de Kirchhoff. A resistência total é a soma de R1, R2 e R3, igual a 30 ohms. Sendo a voltagem aplicada 30 volts, a corrente fluindo no circuito é de 1 ampère. En- tão, as quedas de voltagem através de R1, R2 e R3 são 5 volts, 10 volts e 15 volts, respectiva- mente. A soma das quedas de voltagem é igual à voltagem aplicada, 30 volts. Este circuito também pode ser resolvido, usando-se as polaridades das voltagens e mos- trando que a soma algébrica das voltagens é zero. Quando trocando o fluxo de corrente, se o sinal (+) for encontrado primeiro, considerar as voltagens positivas; se for (-) considerar negati- vas. Partindo da bateria e indo na direção do fluxo de corrente (conforme indicado pelas se- tas) a seguinte equação pode ser formada: Voltagem Total (ET)= +30-5-10-15 ET = 0 O ponto de início e a polaridade, no cir- cuito, são arbitrários, é uma questão de escolher para cada circuito. 8-26 CIRCUITO DE CORRENTE CONTÍNUA EM PARALELO Um circuito em que duas ou mais resis- tências elétricas, ou cargas, são conectadas atra- vés da mesma fonte de voltagem é um circuito em paralelo, desde que exista mais de um cami- nho para o fluxo de corrente - quanto maior a quantidade de caminhos paralelos, menor oposi- ção para o fluxo de elétrons da fonte se ob- servará. Num circuito em série, a adição de resis- tências aumenta a oposição ao fluxo de corrente. Os requisitos mínimos para um circuito em pa- ralelo são os seguintes: 1. uma fonte de força. 2. condutores. 3. uma resistência ou carga para cada caminho da corrente. 4. dois ou mais caminhos para o fluxo de cor- rente. A figura 8-62 mostra um circuito em pa- ralelo com três caminhos para o fluxo de corren- te. Os pontos A, B, C e D são conectados ao mesmo condutor e ao mesmo potencial elétrico. De um modo similar, os pontos E, F, G e H estão ligados à mesma fonte. Desde que a voltagem aplicada apareça entre os pontos A e E, a mesma voltagem estaria aplicada entre os pontos B e F, C e G e D e H. Daí, quando os resistores são conectados em paralelo através da mesma fonte de volta- gem, cada resistor tem a mesma voltagem apli- cada, entretanto as correntes através dos resis- tores podem diferir entre si, dependendo dos valores dos resistores. A voltagem num circuito em paralelo pode ser expressa da seguinte for- ma: ET = E1 = E2 = E3 onde ET é a voltagem aplicada, E1 é a voltagem através de R1 , E2 é a voltagem através de R2e E3 é a voltagem através de R3 . (Figura 8-62). Figura 8-62 Circuito em paralelo. A corrente num circuito em paralelo di- vide-se entre as várias derivações, de modo que dependa da resistência encontrada em cada uma delas (ver figura 8-63). A ramificação contendo um menor valor de resistência terá um maior fluxo de corrente do que uma outra onde se encontre uma resis- tência maior. A lei da corrente de Kirchhoff estabelece que a corrente fluindo em direção a um ponto é igual à corrente fluindo deste mesmo ponto em diante. Então, o fluxo de corrente num circuito pode ser expresso matematicamente assim: IT = I1 + I2 + I3 onde IT é a corrente total e I1 , I2 , I3 são as cor- rentes através de R1 , R2 , R3, respectivamente. A lei de Kirchhoff e a de Ohm podem ser aplicadas para achar o fluxo total de corrente no circuito mostrado na figura 8-63. O fluxo de corrente através do braço contendo a resistência R1 é: I E R1 1 6 15 0 4= = = , amps A corrente através de R2 é I 2 2 6 25 0 24= = =E R amps, amps A corrente através de R3 é I 3 3 6 12 = = = E R 0,5 amps A corrente total, IT, é IT = I1 + I2 + I3 IT + 0,4 amps + 0,24 amps + 0,5 amps IT = 1,14 amps Num circuito em paralelo, IT = I1 + I2 + I3. Pela lei de Ohm, as seguintes equações po- dem ser obtidas: I E R I E R I E R eI E RT T T = = = =, ,1 1 1 2 2 2 3 3 3 Substituindo estes valores na equação para corrente total: E R E R E R E R T T = + +1 1 2 2 3 3 8-27 Num circuito em paralelo ET = E1 = E2 =E3. Conseqüentemente: E R E R E R E RT = + + 1 2 3 Dividindo tudo por E, temos: 1 1 1 1 1 2 3R R R RT = + + Essa equação é a fórmula recíproca para encontrar a resistência total ou equivalente de um circuito em paralelo. Resolvendo para RT, é uma outra maneira de derivar a equação. R R R R T = + + 1 1 1 1 1 2 3 Uma análise da equação para resistência total em um circuito em paralelo mostra que RT é sempre menor do que a menor resistência num circuito em paralelo. Assim, um resistor de 10 ohms, um de 20 ohms e um de 40 ohms conec- tados em paralelo têm a resistência total inferior a 10 ohms. Se existirem apenas dois resistores num circuito em paralelo, a fórmula recíproca é: 1 1 1 1 2R R RT = + Simplificando, fica: R R R R RT = + 1 2 1 2 Figura 8-63 Fluxo de corrente no circuito em paralelo. Essa fórmula simplificada pode ser utili- zada quando duas resistências estão em parale- lo. Um outro método pode ser empregado para qualquer número de resistores em paralelo, se seus valores forem iguais entre si. O valor de um resistor é dividido pela quantidade de resis- tores em paralelo para determinar a resistência total. Em expressão matemática, fica: R R NT = Onde RT é a resistência total, R é resis- tência de um resistor, e N é o número de resisto- res. CIRCUITOS EM SÉRIE-PARALELO A maior parte dos circuitos em equipa- mentos elétricos são circuitos em série ou em paralelo. Figura 8-64 Circuito em série-paralelo. São, normalmente, circuitos combina- dos, isto é, em série-paralelo, o que consiste em grupos de resistores em paralelo conectados em série com outros resistores. A figura 8-64 mos- tra um exemplo deste tipo de circuito. Os requisitos para um circuito em série- paralelo são os seguintes: 1. fonte de força (bateria) 2. condutores (fios) 3. carga (resistências) 4. mais de um caminho para o fluxo de corren- te 5. um controle (interruptor) 6. dispositivo de segurança (fusível) Embora os circuitos em série-paralelo possam parecer extremamente complexos, a mesma regra usada para circuitos em série e paralelo pode ser empregadas para simplificá- los e resolvê-los. O método mais fácil de lidar 8-30 DIVISORES DE VOLTAGEM Os divisores de voltagem são dispositi- vos que possibilitam obter mais de uma volta- gem de uma única fonte de força. Um divisor de voltagem normalmente consiste de um resistor ou resistores ligados em série, com contatos móveis ou fixos e dois con- tatos de terminais fixos. Como a corrente flui através do resistor, voltagens diferentes podem ser obtidas entre os contatos. Um divisor de voltagem típico é mos- trado na figura 8-72. Uma carga é qualquer dispositivo que consome corrente. Uma carga alta significa um grande dreno de corrente. Juntamente com a corrente consumida por várias cargas, existe certa quantidade consumida pelo próprio divisor de voltagem. Isto é conhecido como corrente "drenada". Figura 8-72 Circuito divisor de tensão Para se entender como um divisor de voltagem trabalha, examina-se cuidadosamente a figura 8-73, e observa-se o seguinte: Figura 8-73 Típico divisor de voltagem. Cada carga consome uma dada quanti- dade de corrente: I1, I2, I3. Em adição às corren- tes de carga, alguma corrente drenada (IB) flui. A corrente It é tirada da fonte de força e é igual à soma de todas as correntes. A voltagem em cada ponto é medida com base em um ponto comum. Vê-se que este ponto comum é o ponto no qual a corrente total (It) divide-se em correntes separadas (I1, I2, e I3). Cada parte do divisor de voltagem tem uma diferente corrente fluindo em si. A distribu- ição da corrente é a seguinte: Através de R1 - corrente drenada (IB) Através de R2 - IB + I1 Através de R3 - IB + I1 + I2 A voltagem através de cada resistor do divisor de voltagem é: 90 volts em R1 60 volts em R2 50 volts em R3 O circuito divisor de voltagem, discutido até agora, tinha um lado da fonte de força (bate- ria) ligada na massa (terra). Na figura 8-74 ponto comum de referên- cia (símbolo de "terra") foi mudado para outro ponto do divisor de voltagem. Figura 8-74 Voltagem positiva e negativa em um divisor de voltagem. A queda de voltagem através de R1 são 20 volts; todavia, desde que o ponto “A” seja ligado a um ponto no circuito que seja do mes- mo potencial que o lado negativo da bateria, a voltagem entre o ponto “A” e o ponto de refe- rência sâo de 20 volts negativos. Considerando os resistores R2 e R3 ligados ao lado positivo da bateria, as voltagens entre o ponto de referência e o ponto “B” ou “C” são positivas. 8-31 Um método simples para determinar voltagens negativas e positivas é conseguido por meio das seguintes regras: (1) se a corrente en- tra numa resistência fluindo a partir do ponto de referência, a queda de voltagem através desta resistência é positiva em relação ao ponto de referência; (2) se a corrente flui de uma resis- tência na direção do ponto de referência, a que- da de voltagem através desta resistência é nega- tiva em relação ao ponto de referência. É a localização do ponto de referência que determina se uma voltagem é negativa ou positiva. Traçar o fluxo de corrente é um meio de determinar a polaridade da voltagem. A figura 8-75 mostra o mesmo circuito, com indicação das polaridades das quedas de voltagem e dire- ção do fluxo de corrente. Figura 8-75 Fluxo de corrente através de um divisor de voltagem. A corrente flui do lado negativo da bate- ria para R1. O ponto “A” tem o mesmo potencial que o terminal negativo da bateria, desde que seja desconsiderada a desprezível resistência do próprio condutor (fiação); contudo os 20 volts da fonte são necessários para forçar a corrente através de R1 ,e esta queda de 20 volts tem a polaridade indicada. Afirmando, de outro modo, existem apenas 80 volts de pressão elétrica pre- sentes no circuito no lado "terra" de R1. Quando a corrente alcança o ponto “B”, 30 volts a mais foram empregados para movi- mentar os elétrons através de R2 e, de forma similar, os restantes 50 volts são usados por R3. Mas as voltagens através de R2 e R3 são positi- vas, desde que estejam acima da do ponto "ter- ra". Figura 8-76 Divisor de voltagem com mudança do “terra”. A figura 8-76 mostra o divisor de volta- gem usado anteriormente. As quedas de volta- gens através dos resistores são as mesmas: con- tudo o ponto de referência ("terra") foi mudado. A voltagem entre o "terra" e o ponto “A” é ago- ra de 100 volts negativos, ou seja, a voltagem aplicada. A voltagem entre o "Terra" e o ponto “B” é de 80 volts negativos, e a voltagem entre o "Terra" e o ponto “C” é de 50 volts negativos. REOSTATOS E POTENCIÔMETROS Os divisores de voltagem, discutidos até então são resistores de valores variados, através dos quais são desenvolvidas diversas quedas de voltagem. Os reostatos e os potenciômetros são resistores variáveis que são, às vezes, usados em conexão com os divisores de voltagem. Um reostato é um resistor variável usado para variar a quantidade de corrente fluindo num circuito. Figura 8-77 Reostato. 8-32 O reostato é representado esquematica- mente como uma resistência de dois terminais com um braço de contato corrediço. A figura 8- 77 mostra um reostato conectado em série com uma resistência comum, num circuito em série. Conforme o braço deslizante se mover do ponto “A” para o ponto “B”, a quantidade de resistência do reostato (AB) é aumentada. Como a resistência do reostato e a resistência fixa es- tão em série, a resistência total no circuito tam- bém aumenta e a corrente diminui. Por outro lado, se o braço deslizante é movido na direção de ponto “A”, a resistência total diminui e a corrente, no circuito, aumenta. O potenciômetro é um resistor variável que possui três terminais. As duas extremidades e o braço corrediço são ligados num circuito. Um potenciômetro é usado para variar a quantidade de voltagem num circuito, e é um dos controles mais comuns usados em equipa- mentos elétricos e eletrônicos. Alguns exemplos são os controles de volume nos receptores de rádio e o controle de brilho em aparelhos de televisão. Em “A” da figura 8-78, um potenciôme- tro é usado para obter uma voltagem variável de uma fonte de voltagem para aplicar a uma carga elétrica. A voltagem aplicada à carga é a volta- gem entre os pontos “B” e “C”. Quando o braço deslizante é movido para o ponto “A”, a totali- dade da voltagem é aplicada ao dispositivo elé- trico (carga); quando o braço é movido para o ponto “C”, a voltagem aplicada à carga é zero. O potenciômetro torna possível a aplicação de qualquer voltagem entre zero e a voltagem total à carga. A corrente fluindo através do circuito da figura 8-78 deixa o terminal negativo da bateria e se divide, uma parte fluindo através de um setor do potenciômetro (ponto C para B) e a outra parte através da carga. Ambas as partes combinam-se no ponto “B” e fluem através do restante do potenciômetro (ponto B para A) re- tornando ao terminal positivo da bateria. Em “B” da figura 8-78 são mostrados um potenciômetro e o seu símbolo esquemático. Na escolha da resistência de um poten- ciômetro é preciso considerar a quantidade de corrente demandada pela carga, bem como a que flui através do potenciômetro considerando todos os ajustes possíveis do braço deslizante. A energia da corrente através do potenciômetro é dissipada em forma de calor. É importante man- ter esta corrente dissipada tão pequena quanto possível, empregando resistência do potenciô- metro tão grande quanto praticável. Na maioria dos casos, a resistência do potenciômetro pode ser muitas vezes superior à resistência da carga. Reostatos e potenciômetros são construí- dos com uma resistência circular, sobre a qual se move um braço corrediço. Figura 8-78 Potenciômetro. A resistência pode ser distribuída de modo variado, e o método empregado determina a classificação linear ou logarítimica. O tipo linear proporciona uma resistên- cia normalmente distribuída sobre sua extensão, enquanto o logarítimico varia a razão entre o aumento da resistência e o espaço percorrido pelo braço deslizante. Como exemplo, podemos dizer que num reostato linear, meio curso do braço deslizante corresponde à metade da resis- tência total entre uma extremidade e o cursor, enquanto no caso do logarítimico, meio curso corresponde à um décimo (ou qualquer fração desejada) da resistência total, entre uma extre- midade e o cursor. Prefixos para unidades de medidas elétricas Em qualquer sistema de medidas, um conjunto de unidades simples não é normalmen- te suficiente para todos os cálculos envolvidos em manutenção e reparos elétricos. Peqenas distâncias, por exemplo, podem ser medidas em centímetros, mas grandes distâncias são mais 8-35 Figura 8-83 Arranjo das moléculas em uma peça de material magnético. Esses imãs moleculares, cada qual pos- sui um campo magnético, mas no estado des- magnetizado as moléculas estão desarrumadas ao longo da barra de ferro. Se uma força magnetizadora for aplicada em tal barra, como por exemplo, fricção com a magnetita, os imãs moleculares alinhar-se-ão conforme o campo magnético induzido. Isto é ilustrado em B da figura 8-83. Em semelhante configuração, os campos magnéticos dos imãs combinaram para produzir o campo total da barra magnetizada. Quando manuseando um imã, evita-se aplicação direta de calor e pancadas, ou deixá-lo cair. O aquecimento ou choque repentino causará desalinhamento das moléculas, resultando em enfraquecimento de seu poder magnético. Quando um imã é estocado, dispositivos conhecidos como armaduras de proteção ("kee- per bars") são instalados para proporcionar um caminho fácil para o fluxo de linhas de um pólo a outro. Isto favorece a conservação das molé- culas no seu alinhamento norte-sul. A presença da força do campo magné- tico em torno de um imã pode ser melhor de- monstrada através da experiência ilustrada na fi- gura 8-84. Uma folha de material transparente, tal como vidro ou plástico, é colocada sobre um imã (barra), e a limalha de ferro é salpicada va- garosamente sobre esta cobertura transparente, na qual se vai batendo levemente para que a limalha desenhe o contorno do campo magnéti- co, formando linhas entre os dois pólos do imã. Figura 8-84 Demonstrando um campo magné- tico por meio de limalhas de ferro. Conforme mostrado, o campo de um imã é formado por muitas forças individuais, que aparecem como linhas na demonstração com limalhas de ferro. Embora não se trate de "linhas" no sen- tido comum, essa palavra é usada para descrever a particular natureza das forças separadas, cons- tituindo o campo magnético como um todo. Es- sas linhas de força também são mencionadas como fluxo magnético. Elas são forças indivi- duais e separadas, tendo em vista que uma linha jamais cruza outra. Em verdade, elas de fato se repelem. Elas se mantêm paralelas, umas com as outras, e assemelham-se a estrias de borracha estendidas, que são mantidas no lugar em torno da barra pela força magnetizadora interna do imã. A demonstração com limalhas de ferro mostra ainda que o campo magnético de um imã, é concentrado em suas extremidades. Essas áreas de concentração do fluxo são chamadas de pólos norte e sul do imã. Existe um limite para o número de linhas de força que constituem o fluxo de um imã de determinado tamanho. Quando uma força mag- netizadora é aplicada a um pedaço de material 8-36 magnético, atinge uma situação em que não é possível indução ou introdução de nenhuma linha de força a mais, diz-se que o material está saturado. As características do fluxo magnético podem ser demonstradas pelos contornos dos modelos de fluxo de duas barras de imã com os pólos iguais aproximados, conforme mostrado na figura 8-85. Figura 8-85 Pólos iguais se repelem. Os pólos iguais se repelem porque as linhas de força não se cruzam. Conforme as setas sobre as linhas indicam, as linhas se evi- tam percorrendo caminhos paralelos, onde os campos se aproximam, causando a repulsão entre os imãs. Invertendo-se a posição de um dos imãs, a atração entre pólos diferentes pode ser de- monstrada, conforme mostrado na figura 8-86. Como os pólos diferentes são aproxima- dos um do outro, as linhas de força mudam seu percurso; e a maior parte do fluxo deixando o polo norte de um dos imãs entra no pólo sul de outro imã. A tendência de repulsão entre as linhas de força é indicada pelo arqueamento de fluxo no intervalo entre os dois imãs. Figura 8-86 Pólos opostos se atraem. Ainda para demonstrar que as linhas de força não se cruzarão, um imã em barra e outro em ferradura podem ser posicionados para mos- trar um campo magnético semelhante ao da fi- gura 8-87. Os campos dos dois imãs não combi- nam, mas se reformulam num modelo de fluxo distorcido. Figura 8-87 Desviando linhas de fluxo. Duas barras de imãs podem ser segura- das com as mãos para a demonstração das ações de atração e repulsão entre si. Estas experiências estão ilustradas na figura 8-88. Figura 8-88 Atração e repulsão dos pólos de um imã. A figura 8-89 ilustra uma outra caracte- rística dos imãs. Se uma barra de imã for corta- da ou quebrada em pedaços, cada um deles ime- diatamente se torna um imã, com um pólo norte e um pólo sul. Este aspecto sustenta a teoria de que cada molécula é um imã, posto que cada divisão sucessiva de um imã produz ainda mais imãs. Figura 8-89 Pólos magnéticos de pedaços de imãs. Considerando que as linhas de força magnética formam um contínuo enlace, elas constituem um circuito magnético. É impossível dizer onde, no imã, elas se originam ou se inici- am. Arbitrariamente, é entendido que todas as linhas de força deixam o pólo norte de qualquer imã e entram pelo pólo sul. 8-37 Não existe nenhum isolador conhecido para o fluxo magnético, ou linhas de força, por- que elas atravessarão todos os materiais. Entre- tanto, descobriu-se que elas atravessarão alguns materiais mais facilmente que outros. Então é possível blindar certa áreas, como instrumentos, dos efeitos do fluxo, circundando-as com um material que ofereça um caminho mais fácil para as linhas de força. A figura 8-90 mostra um instrumento protegido por um revestimento de ferro-doce, que oferece diminuta resistência ao fluxo mag- nético. As linhas de força seguem o caminho mais fácil, de maior permeabilidade, e são guia- das externamente em relação ao instrumento. Figura 8-90 Escudo magnético. Materiais como ferro-doce e outros me- tais ferrosos são considerados de alta permeabi- lidade, que é o grau de facilidade com que o fluxo magnético pode penetrar num material. A escala de permeabilidade é baseada no vácuo perfeito, considerando-se a razão de um. O ar e outros materiais não magnéticos são tão aproximados do vácuo que também são considerados como tendo razão de um. Os me- tais não ferrosos tendo permeabilidade maior do que um, tais com níquel e cobalto, são chama- dos de paramagnéticos, enquanto o termo ferro- magnético é atribuído ao ferro e suas ligas, que têm a mais alta permeabilidade. Qualquer substância, a exemplo do bis- muto, tendo permeabilidade menor do que um, é considerada diamagnética. A relutância (medida de oposição para as linhas de força atravessarem um material) pode ser comparada à resistência de um circuito elé- trico. A relutância do ferro-doce, por exemplo, é muito menor do que a do ar. A figura 8-91 de- monstra que um pedaço de ferro-doce, colocado perto do campo de um imã, pode distorcer as linhas de força, que seguem então o caminho de relutância mais baixa através do pedaço de fer- ro. Figura 8-91 Efeito de uma substância magnéti- ca. O circuito magnético pode ser compara- do, sob muitos pontos de vista, a um circuito elétrico. A força magnetomotriz (f.m.m.) pro- porcionando linhas de força num circuito mag- nético pode ser comparada à força eletromotriz ou pressão elétrica de um circuito elétrico. A f.m.m. é medida em gilberts, simboli- zada pela letra maiúscula "F". O símbolo para a intensidade das linhas de força, ou fluxo, é a letra grega PHI (∅) e a unidade de intensidade de campo é o gauss. Uma linha de força indivi- dual, chamada um Maxwell, numa área de um centímetro quadrado produz uma intensidade de campo de um gauss. Usando-se relutância preferivelmente à permeabilidade, a lei para circuitos magnéticos pode ser estabelecida: uma força magnetomotriz de um gilbert proporcionará um Maxwell, ou linha de força, atuando num material quando a relutância do material é igual a um. Tipos de imãs Existem imãs naturais e artificiais. Como os imãs naturais ou magnetitas não têm uso prá- tico, todos os imãs considerados neste estudo são artificiais ou produzidos pelo homem. Os imãs artificiais podem, então, ser classificados como imãs permanentes que con- servam seu magnetismo muito tempo após ser removida a fonte magnetizadora de imãs tempo- rários, que rapidamente perdem a maior parte do seu magnetismo quando a força de magnetiza- ção é removida. Aço duro tem sido usado ao longo do tempo para imãs permanentes, mas imãs até 8-40 tado que as linhas tenham movimento circular em torno do condutor. Embora as linhas de força tendem a agir numa ou noutra direção, elas não estão cir- culando ao redor do condutor. Desde que a corrente flui do negativo para o positivo, muitas ilustrações indicam a direção da corrente com uma pinta que simboli- za a extremidade do condutor para onde os elé- trons estão fluindo, e um sinal de (+) na extre- midade de onde a corrente flui. Isto é ilustrado na figura 8-97. Figura 8-97 Direção da corrente fluindo de um condutor. Quando um fio é enrolado num "loop", e uma corrente elétrica flui através dele, a regra da mão esquerda permanece válida, conforme mostrado na figura 8-98. Figura 8-98 Campo magnético em torno de um condutor com uma volta. Se o fio é enrolado em duas voltas, mui- tas linhas de força se tornam largas suficiente- mente para incluir as duas voltas. As linhas de força circularão na mesma direção por fora das duas voltas (veja a figura 8- 99). Figura 8-99 Campo magnético em torno de um condutor com duas voltas. Quando um fio tem muitas voltas é cha- mado de bobina. As linhas de força formam um modelo através de todos os "loops" (voltas), ocasionando alta concentração de linhas de flu- xo no centro da bobina (veja a figura 8-100). Figura 8-100 Campo magnético de uma bobina. Em uma bobina feita de voltas de um condutor, muitas linhas de força se dissipam entre as voltas da bobina. Colocando-se uma barra de ferro-doce no interior da bobina, as linhas de força concentrar-se-ão em seu centro, já que o ferro-doce tem maior permeabilidade de que o ar (ver figura 8-101). Figura 8-101 Eletroimã. Esta combinação de um núcleo de ferro numa bobina é chamada de eletroímã, já que os pólos da bobina possuem as características de um imã de barra. A adição do núcleo de ferro- doce produz dois resultados. Primeiro, aumenta o fluxo magnético. Segundo, as linhas de fluxo são mais altamente concentradas. 8-41 Quando uma corrente contínua flui atra- vés da bobina, o núcleo se torna magnetizado com a mesma polaridade (localização de pólos norte e sul) que a bobina teria sem o núcleo. Se a corrente for revertida, a polaridade também se reverterá. A polaridade do eletroímã é determinada pela regra da mão esquerda, da mesma maneira que a polaridade da bobina sem o núcleo é de- terminada. Se a bobina for mantida na mão esquer- da, de forma que os dedos se curvem em torno da bobina na direção do fluxo de elétrons (me- nos para mais), o polegar apontará na direção do pólo norte. (veja figura 8-102). Figura 8-102 Regra da mão esquerda aplicada à bobina. A intensidade do campo magnético de um eletroímã pode ser aumentada, tanto pelo fluxo de corrente, quanto pelas voltas de fio. Dobrando o fluxo de corrente, dobra-se, apro- ximadamente, a intensidade do campo magnéti- co. De modo similar, dobrando-se o número de voltas de fio, dobra-se a força do campo magnético. Finalmente, o tipo de metal do nú- cleo também influi na intensidade do campo do eletroimã. Uma barra de ferro-doce é atraída por ambos os pólos de um imã permanente e, da mesma forma, é atraída por uma bobina condu- zindo corrente. Conforme mostrado na figura 8-103, as linhas de força estendem-se através do ferro- doce, magnetizando-o por indução, puxando a barra de ferro na direção da bobina. Se a barra estiver livre para se mover, ela será atraída para o interior da bobina, para uma posição próxima do centro, onde o campo é mais forte. Figura 8-103 Solenóide com núcleo de ferro. Eletroímãs são usados em instrumentos elétricos, motores, geradores, relés e outros dis- positivos. Alguns dispositivos eletromagnéticos funcionam sob o princípio de que um núcleo de ferro, conservado fora do centro de uma bobina será puxado imediatamente para a posição cen- tral, quando a bobina é energizada. Este princípio é usado no solenóide, também conhecido como chave-solenóide ou relé, no qual o núcleo de ferro é mantido fora do centro por pressão de mola, e é atraído quando a bobina é energizada. A aplicação de solenóide é mostrada na figura 8-104, onde aparece um relé solenóide. Quando o interruptor da cabine é ligado, o enro- lamento puxa o núcleo (chave) para baixo, com- pletando o circuito do motor. Figura 8-104 Uso de solenóide em um circuito. 8-42 Como o relé solenóide aciona um circui- to de baixa corrente, elimina fiação de alta am- peragem na cabine da aeronave. O imã tipo "solenoid-and-plunger" em vários formatos é amplamente utilizado para abrir circuitos de segurança (circuit breakers) automaticamente, quando a carga da corrente se torna excessiva e opera válvulas "magnetic- breakers" e muitos outros dispositivos. O eletroímã tipo armadura também tem ampla utilização. Para este tipo de imã, a bobina é enrolada sobre o núcleo de ferro e isolada des- te, que não se move. Quando a corrente flui a- través da bobina, o núcleo de ferro se torna magnetizado e causa a atração da armadura de ferro articulada, localizada próxima do eletroi- mã. Estes imãs são usados em campainhas, relés, "circuit breakers" , aparelhos telefônicos e muitos outros dispositivos. BATERIAS DE ACUMULADORES Existem duas fontes de energia elétrica numa aeronave: (1) o gerador, que converte energia mecânica em energia elétrica, e (2) a ba- teria, que converte energia química em energia elétrica. Durante a operação normal do motor, a energia elétrica é obtida do gerador acoplado ao eixo do motor. A bateria de acumuladores é usada como fonte auxiliar, quando o gerador está inativo. Quando os geradores estão operando em velocidade baixa, o suprimento de energia elé- trica para a aeronave é mantido pela bateria, perdendo parte da energia nela estocada. Duran- te o vôo, o gerador carrega a bateria por grande período de tempo, e reestabelece a energia quí- mica. Chumbo-ácido e níquel-cádmio são tipos de baterias de acumuladores geralmente em uso. BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO Essas baterias são usadas em aeronaves e são similares às de automóveis. As células ou elementos de uma bateria são conectados em série. Cada célula possui placas positivas de peróxido de chumbo, placas negativas de chum- bo esponjoso e o eletrólito (água e ácido sulfúri- co). Descarregando, a energia química esto- cada na bateria, transforma-se em energia elétri- ca; carregando a energia elétrica fornecida à bateria, é transformada em energia química e estocada. É possível recarregar uma bateria mui- tas vezes, antes dela se estragar definitivamente. Constituição da célula de chumbo-ácido Os componentes de uma típica célula de chumbo-ácido são mostrados na figura 8-105. Cada placa consiste de uma armação chamada grade, feita de chumbo e antimônio, no qual o material ativo (chumbo esponjoso ou peróxido de chumbo) é fixado. As placas negativas e positivas (1) da figura 8-105 são montadas, de forma que cada placa positiva fique entre duas placas negativas. Assim, a última placa em cada célula é negativa. Entre as placas existem separadores porosos (7) que evitam o contato entre as placas negativas e positivas, que significaria curto-circuito na célu- la. Os separadores têm frisos verticais no lado, faceando a placa positiva. Esta construção per- mite que o eletrólito circule livremente em torno das placas. Adicionalmente, proporciona um caminho para que os sedimentos se acomodem no fundo da célula. Figura 8-105 Construção de uma célula chum- bo-ácido. Cada elemento (ou célula) é selado com um revestimento de borracha dura, com termi- 8-45 Fatores agindo sobre a vida das baterias Muitos fatores causam a deterioração de uma bateria e encurtam sua vida útil. Isto inclui sobrecarga que provoca excesso de sulfatação, e carga e descarga muito rápidas resultando em superaquecimento das placas e desprendimento do material ativo. O acúmulo de material liberado, por sua vez, causa curto-circuito entre as placas, resul- tando em descarga interna. Uma bateria que permaneça com carga baixa, ou descarregada por longo período de tempo, pode ficar perma- nentemente danificada. Métodos de teste para baterias de chumbo- ácido A situação de carga de uma bateria de acumuladores depende das condições dos seus materiais ativos, basicamente das placas. Entre- tanto, a condição de carga da bateria é indicada pela densidade do eletrólito, que é verificada pelo uso de um densímetro. O densímetro comumente usado consiste em um pequeno tubo de vidro mais pesado na extremidade inferior, que flutua em posição vertical dentro de uma seringa, como mostrado na figura 8-109. Dentro do tubo existe uma es- cala na faixa de 1.100 a 1.300. Figura 8-109 Densímetro (Leitura do peso espe- cífico). Quando o densímetro está sendo usado, uma quantidade suficiente de eletrólito é sugada para o interior da seringa, e o tubo flutua indi- cando na escala a densidade de eletrólito. Quan- to mais denso o eletrólito mais alto flutua o tu- bo, dentro da faixa indicada. Numa bateria nova, totalmente carrega- da, o eletrólito é, aproximadamente, 30% de ácido e 70% de água (por volume), e é 1300 vezes mais pesado do que a água pura. Durante o processo de descarga, a solução (eletrólito) torna-se menos densa e seu peso específico en- tre 1.300 e 1.275 indica boa condição de carga; entre 1.275 e 1.240, condição média; entre 1.240 e 1.200, baixa condição de carga. As baterias de aeronaves são, geral- mente, de baixa capacidade, e sujeitas a grandes cargas. Os valores específicos para as condições de carga são ao contrário, altos. Testes com densímetro são feitos perio- dicamente em todas as baterias de acumuladores instaladas em aeronaves. Uma bateria de aero- nave com cerca de 50% da carga é considerada com necessidade imediata de recarga, devido a alta demanda de energia. Quando testando uma bateria com densí- metro, a temperatura do eletrólito deve ser con- siderada porque o peso específico varia com a mudança de temperatura. Nenhuma correção é necessária quando a temperatura se encontra na faixa de 21ºC a 32ºC, porque a variação é considerada desprezí- vel. Quando a temperatura estiver acima de 32ºC ou abaixo de 21ºC é necessário aplicar fator de correção. Alguns densímetros são equi- pados com escala de correção internamente. Outros densímetros implicam no uso de tabelas de correção fornecidas pelo fabricante. O peso específico de uma célula só é confiável se, nada além de água destilada, tiver sido adicionado ao eletrólito para reposição de perda normal por evaporação. As leituras do densímetro devem ser rea- lizadas sempre antes da adição de água destila- da, numca depois. Isto decorre da possibilidade de a água adicionada não se encontrar ainda perfeitamente misturada com o eletrólito, cau- sando assim leitura falsa. É necessário extremo cuidado quando realizando o teste com densímetro em uma bate- ria ácida, porque o eletrólito (ácido sulfúrico) pode queimar roupas, e também a pele. No caso do contato da pele com a solução é necessário 8-46 lavar o local com bastante água, e aplicar bicar- bonato de sódio. Métodos de carga em baterias chumbo-ácido Uma bateria de acumuladores pode ser recarregada pela aplicação de corrente contínua através da bateria, na direção oposta a de des- carga da corrente. A voltagem usada precisa ser superior a da bateria sem carga, por causa de sua resistência interna. Por exemplo, no caso de uma bateria de 12 elementos (células), comple- tamente carregada, com aproximadamente 26.4 volts (12 x 2.2 volts), são necessários 28 volts para carregá-la. Esta voltagem maior é necessária por causa da queda de voltagem interna provocada pela resistência interna da bateria. Daí a volta- gem de carga para uma bateria chumbo-ácido ter que ser igual a sua voltagem sem carga mais a queda de RI no interior da bateria (produto da corrente de carga e da resistência interna). Figura 8-110 Métodos de carregamento de baterias As baterias são carregadas tanto pelo método de corrente-constante quanto pelo de voltagem-constante (letra A da figura 8-110), um moto-gerador ajustado com voltagem cons- tante, regulada, força a corrente através da bate- ria. Nesse método a corrente inicial do processo é alta, mas diminui automaticamente 1 ampère, quando a bateria está completamente carregada. O método de voltagem constante requer menos tempo e supervisão do que o método de corrente constante. No método de corrente-constante (letra B da figura 8-110), a corrente se mantém quase constante durante o processo completo de recar- ga. Esse método exige um tempo maior para carregar completamente a bateria, e necessita de acompanhamento para evitar sobrecarga, à me- dida que o processo avança para o final. Na aeronave, a bateria de acumuladores é carregada por corrente contínua do sistema do gerador. Esse método corresponde ao de volta- gem-constante, já que a voltagem de gerador é mantida constante pelo regulador de voltagem. Quando uma bateria está sendo carrega- da, é produzida uma certa quantidade de hidro- gênio e oxigênio. Como se trata de uma combi- nação de gases explosiva é importante adotar medidas de prevenção contra ignição desta mis- tura. As tampas de ventilação devem ser a- frouxadas e conservadas no lugar; evitar cha- mas, centelhas e outros pontos de ignição nas proximidades. Antes de se conectar e desconec- tar uma bateria, em carga, desliga-se sempre a energia, por meio de uma chave remota. BATERIAS DE NÍQUEL-CÁDMIO As baterias de níquel-cádmio existem já há bastante tempo, passando a ser amplamente usadas com o crescimento da aviação comercial e executiva à jato. As vantagens desse tipo de bate- ria eram bem conhecidas, porém seu custo inici- al era elevado em relação à bateria chumbo- ácido. O aumento no uso de baterias de níquel- cádmio (freqüentemente chamadas de "ni-cad") evoluiu a partir de reconhecimento de seu longo tempo de vida, e também seu baixo custo de manutenção. Adicionalmente, esse tipo de bateria re- quer pequeno tempo de recarga, é de excelente confiabilidade e boa capacidade de partida. 8-47 Constituição da célula de níquel-cádmio Conforme as de tipo chumbo-ácido, a célula é o elemento básico da bateria de níquel-cádmio. A célula consiste em placas positivas e negativas, separadores, eletrólito, suspiros e reservatório ("container"). As placas positivas são feitas de uma chapa porosa, sobre a qual é depositado hidró- xido de níquel. As placas negativas são feitas de chapas semelhantes, sobre a qual é depositado hidróxido de cádmio. Em ambos os casos a chapa porosa é obtida pela fusão de pequenos grãos de níquel, formando uma fina malha (tela). Após se depositar os materiais ativos e positivos sobre as placas, elas são cortadas no tamanho adequado. Uma barra de níquel é então soldada no canto de cada placa, que passa a formar um conjunto com as barras soldadas em terminais apropriados. As placas são separadas uma das outras por uma faixa contínua de plás- tico poroso. O eletrólito usado nas baterias de níquel- cádmio é uma solução de 30% de hidróxido de potássio (KOH) em água destilada. O peso es- pecífico do eletrólito situa-se entre 1.240 e 1.300 à temperatura ambiente. Nenhuma mu- dança considerável ocorre no eletrólito durante a descarga. Daí não ser possível determinar as condições de carga da bateria pelo teste de peso específico do eletrólito. O nível de eletrólito deve ser mantido logo acima da parte superior das placas. Funcionamento da célula de níquel-cádmio Quando uma corrente de carga é aplica- da a uma bateria de níquel-cádmio, as placas negativas perdem oxigênio e começam a forma- ção de cádmio metálico. O material ativo das placas positivas se torna mais altamente oxidados. Esse processo persiste enquanto a corrente de carga é aplicada, ou até que todo o oxigênio seja removido da placa negativa, e somente o cádmio permaneça. Próximo do final do ciclo de carga as cé- lulas emitem gás. Isto também ocorrerá se a célula estiver com sobrecarga. Esse gás surge da decomposição da água do eletrólito, em hidro- gênio nas placas negativas e oxigênio nas placas positivas. A voltagem, e também a temperatura, determinam quando ocorrerá a emissão de gás. Um pouco da água será consumida, por menor que seja a emissão de gás, até que a bateria este- ja completamente carregada. A ação química é revertida durante a descarga. As placas positivas lentamente liberam oxigênio, que é reabsorvido pelas placas negati- vas. Esse processo resulta na conversão de e- nergia química em energia elétrica. Durante a descarga as placas absorvem certa quantidade de eletrólito. Durante a recarga o nível do eletrólito aumenta, e quando comple- tamente recarregada, o eletrólito estará no seu mais alto nível. Por conseguinte, só se deve adi- cionar água quando a bateria estiver totalmente carregada. Baterias de níquel-cádmio e chumbo- ácido são normalmente intercambiáveis. Quan- do substituindo uma bateria ácida por níquel- cádmio, o compartimento da bateria deve ser limpo e enxugado, e precisa estar livre de qual- quer resíduo de ácido da antiga bateria. O com- partimento deve ser lavado e neutralizado com amônia ou solução de ácido bórico, e após com- pletamente seco, ser pintado com um verniz resistente aos álcalis. Manutenção de baterias de níquel-cádmio Existem diferenças significantes nos cuidados requeridos pelas baterias de níquel- cádmio em relação à baterias ácidas. Os pontos mais importantes a serem observados são os seguintes: (1) É necessário prover área separada para esto- cagem e manutenção das baterias níquel-cá- dmio, porque seu eletrólito é quimicamente incompatível com o ácido sulfúrico usado nas baterias ácidas, cujas emanações podem contaminar o eletrólito da bateria de níquel- cádmio. Esta precaução deve incluir os e- quipamentos, como ferramentas e seringas. Com efeito, toda e qualquer precaução deve ser adotada para afastar qualquer conteúdo ácido do local onde se lida com baterias de níquel-cádmio. (2) O eletrólito (hidróxido de potássio) utilizado nas baterias de níquel-cádmio é extrema- mente corrosivo. Para manipular e trabalhar em baterias é necessário usar óculos de pro- teção, luvas e avental de borracha. Adequa- dos meios de lavagem são necessários para o 8-50 corrente muito alta. A maioria dos fios utiliza- dos em circuitos elétricos de aeronaves são con- sideravelmente mais finos, e sua capacidade de conduzir corrente é bastante limitada. A espessura do fio utilizado em determi- nado circuito é estabelecida pela quantidade de corrente que se espera fluir sob condições nor- mais de funcionamento. Qualquer fluxo de corrente excessivo, como no caso de curto direto, causaria uma rá- pida geração de calor. Se o excessivo fluxo de corrente causado por um curto for desprezado, o calor continuará aumentando até ocorrer uma ruptura. É possível que apenas o fio derreta sem causar maiores da- nos, entretanto existe a possibilidade de resultar em danos maiores. O aquecimento nos fios pode torrar ou queimar sua isolação e outros fios próximos, ocasionando mais curtos. Na presença de vaza- mentos de óleo ou combustível, pode ocorrer incêndio. Para proteger os sistemas elétricos de ae- ronaves de danos ou falhas, causados por cor- rente excessiva, vários tipos de dispositivos de proteção são instalados nos sistemas. Fusíveis ("circuit-breakers") e protetores térmicos são utilizados para estes propósitos. Dispositivos de proteção de circuito, conforme implícito no nome, têm um propósito comum - proteger as unidades e facção no cir- cuito. Alguns são destinados, primariamente, para proteger a fiação e abrir o circuito, inter- rompendo o fluxo de corrente, no caso de sobre- carga. Outros são destinados a proteger a unida- de no circuito, interrompendo o fluxo de entrada na unidade, quando esta apresenta-se excessi- vamente aquecida. Fusíveis Um fusível é uma tira de metal que fun- dirá sob excessivo fluxo de corrente, já que seu limite de condução é cuidadosamente pré- determinado. O fusível é instalado no circuito de for- ma que toda a corrente flua através dele. Em sua maioria, eles são feitos de uma liga de estanho e bismuto. Existem outros, que são chamados de limitadores de corrente; estes são usados prima- riamente para seccionar um circuito de aerona- ve. Um fusível funde-se e interrompe o cir- cuito quando a corrente excede a capacidade proporcionada por ele, mas um limitador de corrente suportará uma considerável sobrecarga, por um certo período de tempo. Como o fusível é destinado a proteger o circuito, é de suma importância que sua capaci- dade venha a coincidir com as necessidades do circuito em que seja usado. Quando um fusível é substituído é preci- so consultar instruções aplicáveis do fabricante para certificar-se quanto ao tipo correto de ca- pacidade. Os fusíveis são instalados em dois tipos de suportes na aeronave: "Plug-in holders”, usados para fusíveis pequenos e de baixa capa- cidade; "Clip" é o tipo usado para fusíveis de grande capacidade e limitadores de corrente. Quebra-circuitos (Circuit breakers) Um quebra-circuito ("circuit breakers") é destinado a interromper o circuito e o fluxo de corrente quando a amperagem exceder um valor pré-determinado. É comumente usado no lugar de um fusível e pode, às vezes, eliminar a ne- cessidade de um interruptor. Um quebra-circuito difere de um fusível no fato de interromper rápido o circuito e poder ser religado, enquanto que um fusível funde e precisa ser substituído. Existem vários tipos de quebra-circuitos, em geral, utilizáveis em sistemas de aeronaves. Um é o tipo magnético. Quando flui excessiva corrente, produz-se força eletromagnética sufi- ciente para movimentar uma pequena armadura que dispara o "breaker". Um outro tipo é a chave de sobrecarga térmica, que consiste de uma lâmina bimetálica, que, quando sofre sobrecarga de corrente se curva sobre a alavanca da chave provocando sua abertura. A maior parte dos quebra-circuitos de- vem ser religados com a mão. Quando é religa- do, se as condições de sobrecarga ainda existi- rem, ele desligar-se-á novamente, prevenindo danos ao circuito. Protetores térmicos Um protetor térmico, ou chave, é usado para proteger um motor. É destinado para abrir o circuito automaticamente, sempre que a tem- peratura do motor tornar-se excessivamente alta. 8-51 Há duas posições: aberto e fechado. O uso mais comum para uma chave térmica é im- pedir um superaquecimento do motor. Se algum defeito de um motor causar superaquecimento, a chave térmica interromperá o circuito intermi- tentemente. Uma chave térmica contém um disco bimetálico, ou lâmina, que se curva e corta o circuito quando ele aquece. Isto ocorre porque um dos metais se dilata mais do que o outro, quando submetidos à mesma temperatura. Quando a lâmina ou disco esfria, os metais se contraem, retornando à posição original e fe- chando o circuito. Dispositivos de controle As unidades nos circuitos elétricos de uma aeronave não são todas destinadas a operar contínua ou automaticamente. A maioria delas é concebida para operar durante certas ocasiões, sob certas condições, para excecutar funções bastante definidas. Existem muitas maneiras de controlar tais operações ou funcionamento. Tanto uma chave ou um relé, ou ambos, podem ser in- cluídos no circuito, com este propósito. CHAVES OU INTERRUPTORES As chaves controlam o fluxo de corrente na maioria dos circuitos elétricos de aeronaves. Uma chave é usada para ligar, desligar ou mu- dar o fluxo de corrente num circuito. A chave em cada circuito deve ser capaz de suportar a corrente normal, e tem que ter a isolação ade- quada para a voltagem do circuito. Figura 8-112 Chaves de um pólo, para circuito simples, do tipo faca e do tipo “toggle”. Chaves-facas são raramente usadas em aeronaves. Elas servem, aqui, de referência para melhor compreensão do funcionamento das chaves "toggle", que funcionam à semelhança das chaves-facas, mas suas partes móveis são embutidas. São mais utilizadas em aeronaves do que qualquer outro tipo de chave. Chaves "toggle", bem como alguns ou- tros tipos, são designadas pelo número de pólos, cursos e posições que tenham. Um desses pólos está no braço móvel ou contactor. Figura 8-113 Chaves de um pólo, para dois circuitos, do tipo faca e do tipo “toggle”. Figura 8-114 Chaves bipolares para circuito simples, do tipo faca e do tipo “toggle”. O número de pólos é igual ao número de circuitos, ou caminhos para a corrente através dos contatos da chave. O número de posições é o número de lu- gares ou contatos de descanso, que fecham ou abrem um ou mais circuitos. Uma chave bipolar que pode completar dois circuitos, um por vez em cada pólo, é uma chave bipolar de duas posições. Ambas, uma faca e outra “toggle”, estão ilustradas com esta caracteristica na figura 8-115. Figura 8-115 Chaves bipolares de duas posi- ções, do tipo faca e do tipo “tog- gle” . 8-52 As representações esquemáticas para as chaves mais comumente usadas são mostradas na figura 8-116. Figura 8-116 Representação esquemática de chaves ou interruptores típicos. Uma chave "toggle" que se mantém na posição "OFF" (desligada) por ação de mola, e precisa ser segurada na posição "ON" (ligada) é uma chave de contato momentâneo de duas po- sições. Uma que venha a ficar em repouso em qualquer das duas posições, abrindo o circuito de um lado e fechando do outro, é uma chave de duas posições. Uma chave “toggle”,que venha a ficar em repouso em qualquer das três posições, é uma chave de três posições. Há chaves que permanecem abertas, exceto quando pressionadas na posição fechada. Outras que permanecem fechadas, exceto quan- do pressionadas na posição aberta. Ambos os tipos funcionam por pressão de mola, e retor- nam à posição normal imediatamente após se- rem liberadas. Chaves “push-button” São chaves que tem um contato estacio- nário e um contato móvel, que é fixado no botão de apertar. O "push-button" é em si mesmo um iso- lador ou é isolado do contato. Esta chave é à pressão de mola, e desti- nada a contatos momentâneos. Microinterruptores (“microswitches") Um microinterruptor fechará ou abrirá um circuito com um movimento muito pequeno do dispositivo de acionamento (1/16" ou me- nos). Isto é o que dá o nome a este tipo de cha- ve, já que micro significa pequeno. Figura 8-117 Vista em corte de um microinter- ruptor. Microinterruptores são normalmente chaves “push-button”. Eles são usados princi- palmente como chaves de controle para prover acionamento automático de trens de pouso, mo- tores-atuadores e similares. O diagrama na figura 8-117 mostra um microswitch em seção transversal fechado, e ilustra como opera. Quando o pistão de acio- namento é pressionado, a mola e o contato mó- vel são empurrados, abrindo os contatos e o circuito. Chaves de seleção giratória Uma chave de seleção giratória substitui várias chaves. Conforme mostrado na figura 8- 118, quando o botão de uma chave é girado, ela abre um circuito e fecha outro. Chaves de igni- ção e de seleção de voltímetros são exemplos típicos desse tipo de chave. Figura 8-118 Chave de seleção giratória. 8-55 ao efeito magnético, somente este tipo será dis- cutido em detalhes. Medidor d’Arsonval O mecanismo básico de um medidor de C.C. é conhecido como D'Arsonval porque foi empregado pela primeira vez pelo cientista fran- cês, D'Arsonval, para fazer medição elétrica. Este tipo de mecanismo é um dispositivo medi- dor de corrente, que é empregado em ampe- rímetros, voltímetros e ohmímetros. Basicamente, ambos, amperímetro e vol- tímetro são instrumentos medidores de corrente. A principal diferença é a maneira pela qual cada um é conectado no circuito. O ohmímetro, que é basicamente um medidor de corrente, difere dos outros dois (vol- tímetro e amperímetro), porque contém a sua própria fonte de força e outros circuitos auxilia- res. Amperímetro O amperímetro D'Arsonval é um instru- mento destinado à medição da corrente contínua fluindo num circuito, e consiste das seguintes partes: um imã permanente, um elemento mó- vel, mancal e um estojo que inclui terminais, um mostrador e parafusos. Cada parte e suas funções serão aborda- das a seguir. O imã permanente fornece o campo magnético, que reagirá, provocado pelo elemen- to móvel. O elemento móvel é montado de tal for- ma, que fica livre para girar quando energizado pela corrente que irá medir, através de um pon- teiro que se movimenta sobre uma escala cali- brada, e é fixado no elemento móvel. Um mecanismo de bobina móvel é mos- trado na figura 8-121. O elemento de controle é uma mola, ou molas, cuja função principal é manter uma posi- ção inicial do ponteiro, e retorná-lo à posição de descanso. Em geral, duas molas são usadas; elas são enroladas em direções opostas para com- pensar a expansão e contração do material, de- vido à variação de temperatura. Figura 8-121 Elemento de bobina móvel com ponteiro e molas. As molas são feitas de material não- magnético e conduzem corrente para a bobina móvel em alguns medidores. O elemento móvel consiste de um eixo 4para conduzir a bobina móvel ou outro elemen- to móvel (figura 8-121). Os pivôs pontiagudos são montados em contato com rubis polidos, ou mancais de vidro muito claro, para que o elemento móvel possa girar com pouca fricção. Um outro tipo de montante foi concebi- do, em que as pontas de pivô são invertidas e os mancais ficam dentro do conjunto da bobina móvel, conforme mostrado na figura 8-122. Os mancais são pedras preciosas alta- mente polidas, tais como safiras ou pedras sinté- ticas, ou ainda, vidro muito rígido. Tais pedras são normalmente arredonda- das e têm uma cavidade cônica, na qual os pivôs giram. São ajustadas em porcas roscadas que permitem regulagem. Isto limita a área de conta- to das superfícies e proporciona um mancal que, quando operando seco, certamente tem menor fricção constante do que qualquer outro tipo conhecido. O estojo protege os movimentos do ins- trumento, bem como contra danos e exposição. Também tem visor para observação do ponteiro sobre a escala. 8-56 Figura 8-122 Método de montagem dos elemen- tos móveis. O mostrador tem impressas as informa- ções, como: escala, unidades de medida e mo- dos de uso. Os terminais são feitos de material com pequeníssima resistência elétrica. Sua fun- ção é conduzir a corrente necessária através de medidor ou daquilo que será medido. Funcionamento da indicação do medidor As unidades maiores são montadas con- forme mostrado na figura 8-123. É observado que a parte da bobina do elemento móvel está no campo magnético do imã permanente. Figura 8-123 Movimento do medidor. No sentido de entender como o medidor trabalha, admite-se que a bobina do elemento móvel está colocado no campo magnético, como mostrado na figura 8-124. Figura 8-124 Efeito de uma bobina num campo magnético. A bobina é fixada pelo pivô, e é capaz de girar para os dois lados dentro do campo mag- nético provocado pelo imã. Quando a bobina é conectada em um circuito, a corrente flui atra- vés dela na direção indicada pelas setas, e pro- voca um campo magnético por dentro. Este campo tem a mesma polaridade que os pólos adjacentes do imã. A internação dos dois campos causa a rotação da bobina para uma posição de alinhamento dos campos. Esta força de rotação (torque) é propor- cional à interação entre os pólos iguais da bobi- na e do imã e, por conseguinte, à quantidade do fluxo de corrente na bobina. Como resultado, um ponteiro fixado na bobina indicará a quantidade de corrente fluindo no circuito, movendo-se através de uma escala graduada. Dentro do que acaba de ser exposto, ob- serva-se que qualquer torque suficiente para superar a inércia e a fricção das partes móveis, provoca a rotação da bobina até que os campos se alinhem. Esta deflexão descontrolada causaria lei- turas de corrente incorretas. Então são utilizadas duas molas para evitar movimentos de retorno da bobina. O valor da corrente fluindo através da bobina determina a força rotativa dela mesma. Quando a força rotativa fica igual a de oposição das molas, a bobina pára, e o ponteiro indica a leitura da corrente sobre a escala graduada. 8-57 Em alguns medidores as molas são feitas de material condutor, e fazem a corrente passar pela bobina. Para obter uma rotação no sentido dos ponteiros do relógio, o pólo norte do imã per- manente e o correspondente da bobina precisam ser adjacentes. A corrente fluindo através da bobina deve, então, ser sempre na mesma dire- ção. O mecanismo D’Arsonval pode ser utili- zado somente para medições de C.C., e a correta polaridade deve ser observada. Se a corrente fluir na direção errada, através da bobina, o pon- teiro deflexionará no sentido anti-horário e dani- ficará o ponteiro. Como o movimento da bobina é direta- mente proporcional ao fluxo de corrente através dela, a escala é normalmente linear. Amortecimento No sentido de que as leituras do medidor são mais rápidas e exatas, é desejável que o ponteiro móvel ultrapasse sua correta posição apenas um pouco, e venha a se estabilizar após não mais do que uma ou duas oscilações. O termo “damping” é aplicado a méto- dos usados para estabilizar o ponteiro de um medidor elétrico, quando ele se movimenta du- rante a medição. O “damping” (amortecimento) pode ser obtido por meios elétricos, mecânicos ou ambos combinados. Amortecimento elétrico Um método comum de “damping” por meios elétricos é enrolar a bobina sobre uma armação de alumínio. Como a bobina se movi- menta no campo de um imã permanente, surgi- rão correntes parasitas na armação de alumínio. O campo magnético produzido por tais correntes se opõem ao movimento da bobina. O ponteiro, então, oscilará pouco, estabilizando-se mais rapidamente na marcação. Amortecimento mecânico O amortecimento a ar (“Air damping”) é um método comumente empregado por meios mecânicos. Conforme mostrado na figura 8-125, a palheta é fixada no eixo do elemento móvel, ficando no interior de uma câmara de ar. Figura 8-125 Amortecedor a ar. O movimento do eixo é retardado por causa da resistência que o ar oferece à palheta. O efetivo amortecimento é obtido, se a palheta movimenta-se bem próximo às paredes da câ- mara. Sensibilidade do medidor A sensibilidade de um medidor é expres- sa como a quantidade de corrente necessária para dar a deflexão total na escala. Adicionalmente, a sensibilidade pode ser expressa como o número de milivolts fluindo através do medidor sob fluxo de corrente na escala total. Esta queda de voltagem é obtida pela multiplicação da escala total pela resistência do mecanismo do medidor. Se tiver uma resistência de 50 ohms e demandar 1 miliampère (ma) para leitura da escala total, pode ser designado como um medi- dor de 0-1 miliampère e 50 milivolts. Extensão da faixa de um amperímetro Um mecanismo de miliamperímetro 0-1 pode ser usado para medir correntes maiores do que 1 ma, desde que se coloque um resistor em paralelo com ele. O resistor é, então, chamado de “shunt” (derivação) porque permite o desvio de uma parte da corrente por fora do instrumento, es- tendendo a faixa do amperímetro. Um desenho esquemático de um medi- dor com um “shunt” é mostrado na figura 8-126. 8-60 Os cuidados a serem observados quando se usa um multímetro são resumidos a seguir: 1. Sempre conectar o amperímetro em série com o elemento do qual a corrente será medida. 2. Nunca conectar um amperímetro através de uma fonte de voltagem, como bateria ou gerador. Lembrar que a resistência de um amperímetro, particularmente nas faixas mais altas, é extremamente baixa, e que qualquer voltagem, mesmo um volt ou mais, pode causar alta corrente através do medidor, danificando-o. 3. Utilizar faixa larga o suficiente para manter a deflexão abaixo do máximo da escala. Antes de medir uma corrente, ter idéia sobre sua magnitude. Em seguida, selecionar uma faixa larga o suficiente, ou começar pela faixa mais alta e ver diminuindo até achar a faixa correta. As leituras mais precisas são obtidas, apro- ximadamente, no meio curso de defle- xão. Muitos miliamperímetros têm sido danificados pela tentativa de medir ampères. Portanto, certifique-se no mos- trador e chave de seleção quanto à posi- ção em uso, e escolha a escala correta antes de conectar o medidor num circui- to. 4. Observar a polaridade correta ao conec- tar o medidor num circuito. A corrente deve fluir na bobina numa direção defi- nida para mover o indicador obrigatori- amente para a parte superior da escala. A corrente invertida por causa de conexão incorreta no circuito resulta em deflexão invertida, e freqüentemente provoca em- penamento da agulha do medidor. Evitar ligações incorretas, observando as mar- cas de polaridade no medidor. VOLTÍMETROS O medidor D’Arsonval pode ser usado tanto como amperímetro ou como voltímetro (figura 8-133). Então, um amperímetro pode ser convertido em voltímetro, colocando-se uma resistência em série com a bobina do medidor, e medindo-se a corrente que flui através dele. Em outras palavras, um voltímetro é um instrumento medidor de corrente, destinado a indicar volta- gem pela medição do fluxo de corrente através de uma resistência de valor conhecido. Figura 8-133 Diagrama simplificado de um voltímetro. Variadas faixas de voltagens podem ser obtidas pela adição de resistores em série com a bobina do medidor. Nos instrumentos de faixa baixa esta resistência é montada dentro do esto- jo juntamente com o mecanismo D’Arsonval, e normalmente, consiste de fio resistivo de baixo coeficiente térmico que é enrolado tanto em carretéis como bases de cartão. No caso de faixas mais elevadas de vol- tagem, a resistência em série pode ser conectada externamente. Quando isto é feito, a unidade que contém a resistência é comumente chamada de multiplicador. Extensão de faixa do voltímetro O valor das resistências, em série, é de- terminada em função da corrente necessária para deflexão total (“full-scale”) de medidor, e pela faixa de voltagem a ser medida. Já que a corrente através do circuito do medidor é diretamente proporcional à voltagem aplicada, a escala do medidor pode ser calibrada em volts para uma resistência fixa em série. 8-61 Figura 8-134 Esquema de um voltímetro de várias faixas. Por exemplo, suponhamos que o medi- dor básico (microamperímetro) seja transforma- do num voltímetro com leitura máxima (full- scale) de 1 volt. A resistência da bobina do medidor bási- co de 100 ohms e 0,0001 ampère (100 microampères) provocará a deflexão total. A resistência total, R, da bobina do medidor e a resistência em série será: R = E I = = 1 0 0001 10 000 , . ohms e a resistência em série sozinha é de: R S = 10.000 - 100 = 9.900 ohms Os voltímetros de faixa múltipla (multi- range) utilizam um mecanismo de medição com as resistências necessárias conectadas em série, como medidor por dispositivo de comutação adequada. Um voltímetro “multirange” com três faixas com a faixa de 1 volt é: R = E I = =1 100 0 01, megohms 100 100 = 1 megohm 1000 100 = 10 megohms Os voltímetros de faixa múltipla, como os amperímetros de faixa múltipla, são usados freqüentemente. Eles são fisicamente muito parecidos com os amperímetros; seus multiplicadores são localizados dentro do medidor com chaves ade- quadas ou posições de ajuste dos terminais na parte externa do medidor, para seleção das fai- xas (ver figura 8-135). Figura 8-135 Típico voltímetro de várias faixas. Os instrumentos de medição de voltagem são conectados em paralelo com um circuito. Se o valor aproximado da voltagem a ser medida não é conhecido, é melhor, conforme recomen- dado para o amperímetro, iniciar com a faixa mais alta do voltímetro, e ir abaixando a faixa progressivamente até atingir a leitura adequada. Em muitos casos o voltímetro não é um instrumento com a indicação central do zero. Por isso é necessário observar a polaridade ao conectá-lo num circuito, da mesma forma prati- cada quando usando um amperímetro de C.C. O terminal positivo de um voltímetro é sempre conectado no terminal positivo da fonte, e o terminal negativo ao terminal negativo da fonte, quando a voltagem desta está sendo me- dida. Na figura 8-136 um voltímetro é ligado corretamente num circuito para medir a queda de voltagem em um resistor. A chave de função está ajustada na posição “volts de C.C.”, e a chave de faixa está colocada na posição “50 volts”. 8-62 Figura 8-136 Multímetro conectado para medir a queda de voltagem de um circui- to. A função de um voltímetro é indicar a diferença potencial entre dois pontos em um circuito. Quando um voltímetro é conectado atra- vés de um circuito, ele o desvia. Se o voltímetro tiver baixa resistência, puxará uma quantidade apreciável de corrente. A efetiva resistência do circuito diminui- rá, e a leitura da voltagem, conseqüentemente, diminuirá também. Quando são feitas medições de voltagem em circuitos de alta resistência é necessário usar voltímetro de alta resistência para prevenir a ação de desvio do medidor. O efeito é menos notável em circuitos de baixa resistência porque o efeito de desvio é menor. Sensibilidade do voltímetro A sensibilidade de um voltímetro é dada em ohms por volt (Ω/E), e é determinada pela divisão da resistência (Rm) do medidor mais a resistência em série (Rs) pela voltagem máxima da escala em volts. Assim, E RRadesensibilid sm += Isto é o mesmo que dizer que a sensibili- dade é igual ao inverso da corrente (em ampères), que é, ampèresohmsvoltsvolts ohmsadesensibilid 1 / 1 === Daí, a sensibilidade de um instrumento de 100 microampères ser o inverso de 0,0001 ampères ou 10.000 ohms por volt. A sensibilidade de um voltímetro pode ser aumentada, aumentando-se a intensidade do imã permanente, usando-se materiais mais leves no elemento móvel, e usando-se mancal de pe- dra de safira para suportar a bobina móvel. Precisão do voltímetro A precisão de um medidor é geralmente expressa em porcentagem. Por exemplo, um medidor com uma precisão de 1% indicará um valor dentro de 1% do valor correto. O que significa que, se o valor correto são 100 unidades, a indicação do medidor pode ser algo dentro da faixa de 99 a 101 unidades. OHMÍMETROS Dois instrumentos são comumente usa- dos para testar continuidade ou para medir a resistência de um circuito ou elemento do cir- cuito. Estes instrumentos são o ohmímetro e o megômetro. O ohmímetro é amplamente usado para medir resistência e testar os circuitos elétricos e os dispositivos. Sua faixa normalmente estende-se a al- guns megohms. O megômetro é largamente usado para medir resistência de isolação, tal como a resis- tência entre enrolamentos e a estrutura do ma- quinário, e para medir isolação de cabos, isola- dores e embuchamentos. Sua faixa pode se es- tender a mais de 1.000 megohms. Quando medindo resistências muito altas desta natureza, não é necessário achar o valor exato da resistência, mas saber se a isolamento se encontra abaixo ou acima de determinado padrão. Quando há necessidade de precisão, al- gum tipo de circuito-fonte é usado. Ohmímetro em série Um esquema simplificado de um ohmí- metro é mostrado na figura 8-137. “E” é a fonte de voltagem; R1 é o resistor variável usado para ajustar o zero de medidor; R2 é o resistor fixo usado para limitar a corrente no medidor; “A” e “B” são terminais de teste através dos quais é colocada a resistência a ser medida. 8-65 As bobinas “A” e “B” são montadas so- bre o membro móvel, com uma relação angular fixa entre si, e estão livres para girar como uma unidade num campo magnético. A bobina “B” tensiona o ponteiro no sentido anti-horário e a bobina “A”, no sentido horário. As bobinas são montadas sobre um suporte leve, móvel, que é fixado por pivô em mancal de pedra preciosa e livre para mover-se no eixo “O”. A bobina “A” é conectada em série com R3 e a resistência desconhecida, Rx, a ser medi- da. A combinação em série da bobina A, R3 e Rx é conectada entre as escovas (+) e (-) do ge- rador de C.C. A bobina “B” é conectada em série com R2 , e esta combinação também é conectada a- través do gerador. Não há mola de limitação sobre o membro móvel da parte do instrumento do megômetro. Quando o gerador não está em funcio- namento, o ponteiro flutua livremente e pode ficar em repouso em qualquer posição na escala. Se os terminais estiverem abertos, não flui corrente na bobina “A”, e a corrente na bo- bina “B” controla sozinha a movimentação do elemento móvel. A bobina “B” toma uma posi- ção oposta à abertura do núcleo (já que o núcleo não pode mover-se e a bobina “B” pode) e o ponteiro indica infinito na escala. Quando uma resistência é conectada entre os terminais, flui corrente na bobina “A”, tendendo a mover o ponteiro no sentido horário. Ao mesmo tempo, a bobina “B” tende a movi- mentar o ponteiro no sentido anti-horário. Por conseguinte o elemento móvel, composto por ambas as bobinas e o ponteiro, vem a se estabi- lizar numa posição em que as duas forças se equilibram. Tal posição depende do valor da resistência externa que controla a magnitude relativa da corrente da bobina “A”. A posição do elemento móvel é inde- pendente da voltagem, porque mudanças na voltagem afetam ambas as bobinas, A e B. Se for fechado o circuito, em “curto”, os terminais e o ponteiro são zerados, porque a corrente em “A” é relativamente grande. O ins- trumento não é danificado sob tais circunstân- cias porque a corrente é limitada por R3. Existem dois tipos de megômetro nor- mais: o tipo variável e o de pressão-constante. O primeiro tem a velocidade dependente da rapi- dez com que o eixo manual é girado; e o segun- do utiliza um governador centrífugo, ou embre- agem. O governador torna-se efetivo quando a velocidade de operação excede àquela em que sua voltagem permanece constante. ANÁLISE E PESQUISA DE DEFEITO EM CIRCUITO BÁSICO Análise e pesquisa de defeito “Trouble- shooting” é um processo de localização de mal funcionamento ou pane num circuito. As se- guintes definições servem como um guia na discussão do “troubleshooting”: (1) “Curto-circuito”- um caminho de baixa resistência. Pode ser através de uma fonte de força ou entre os lados de um circuito. Nor- malmente provoca alto fluxo de corrente que causa queima ou danifica os condutores ou componentes. (2) Circuito aberto - um circuito não completo ou contínuo. (3) Continuidade - o estado de ser contí- nuo ou conectado junto; refere-se a um circuito não-aberto. (4) Descontinuidade - o oposto de conti- nuidade, indicando que o circuito está interrom- pido. A figura 8-141 inclui alguns dos elemen- tos de circuitos abertos. Em “A” da figura 8- 141, a extremidade de um condutor separou-se do terminal da bateria. Este tipo de defeito abre o circuito e interrompe o fluxo de corrente. Um outro tipo de defeito que causa interrupção do circuito é um resistor queimado, mostrado na letra “B” da figura 8-141. Figura 8-141 Causas comuns de abertura de circuitos. 8-66 Quando um resistor é sobrecarregado o valor de sua resistência modifica-se e, se o fluxo de corrente é suficientemente grande, ela pode se queimar e abrir o circuito. Em “C”, “D” e “E” da figura 8-141, mais três causas prováveis de circuitos abertos são mostrados. As interrupções mostradas podem ser localizadas por inspeção visual, entretanto mui- tos circuitos abertos não podem ser vistos. Neste caso, deve ser usado um medidor. O circuito mostrado na figura 8-142 des- tina-se a ocasionar fluxo de corrente através de uma lâmpada, entretanto, por causa de um resis- tor aberto, a lâmpada deixará de acender. Para localizar tal interrupção pode-se utilizar um voltímetro ou amperímetro. Figura 8-142 Um circuito aberto. Se um voltímetro for conectado através da lâmpada, conforme mostrado na figura 8- 143, a leitura será zero volts. Já que não existe corrente fluindo no circuito por causa do resis- tor aberto, não há queda de voltagem através da lâmpada. Isto ilustra uma regra de “troubleshoo- ting” que deve ser relembrada: “quando um vol- tímetro é conectado através de um componente bom (sem defeito), num circuito aberto, o vol- tímetro indicará zero.” Figura 8-143 Voltímetro através de uma lâmpa- da em um circuito aberto. Depois, o voltímetro é conectado através do resistor aberto, conforme mostrado na figura 8-144. O voltímetro fechou o circuito por fora do resistor queimado, permitindo o fluxo de corrente. A corrente fluirá do terminal negativo da bateria através da chave, passando pelo vol- tímetro e pela lâmpada, retornando ao terminal positivo da bateria. Todavia, a resistência do voltímetro é tão grande que apenas uma peque- na corrente flui no circuito. A corrente é muito baixa para acender a lâmpada, mas o voltímetro mostrará a voltagem da bateria. Figura 8-144 Voltímetro através de um resistor em um circuito aberto. Um outro detalhe importante de “trou- bleshooting” a ser relembrado é: quando um voltímetro é colocado através de um componen- te aberto num circuito em série, marcará a vol- tagem aplicada, ou da bateria. Este tipo de defeito do circuito aberto pode também ser pesquisado com uso de ohmí- metro. Quando um ohmímetro é usado, o com- ponente a ser testado deve ser isolado e a fonte de força ser removida do circuito. Neste caso, conforme mostrado na figura 8-145, estes requi- sitos podem ser conseguidos, desligando-se a chave do circuito. O ohmímetro é “zerado”e colocado através (em paralelo) da lâmpada. Neste circuito, algum valor de resistência é marcado. Figura 8-145 Usando um ohmímetro para testar um componente do circuito. Aberto 8-67 Isto ilustra um outro ponto de pesquisa de pane: quando um ohmímetro é conectado apropriadamente através de um componente do circuito, e uma leitura de resistência é obtida, o componente tem continuidade e não está aberto. Quando o ohmímetro é conectado atra- vés de um resistor aberto, como mostrado na figura 8-146, indica resistência infinita ou uma descontinuidade. Figura 8-146 Usando um ohmímetro para loca- lizar uma abertura em um compo- nente do circuito. Uma interrupção num circuito em série interromperá o fluxo de corrente. Um “curto- circuito” causará o efeito oposto. Um “curto” num circuito em série produz um fluxo de cor- rente maior do que o normal. Alguns exemplos de “curtos”, como mostrado na figura 8-147, são dois fios desen- capados se tocando, dois terminais de um resis- tor ligados entre si, etc. Daí, um “curto” pode ser descrito como o contato de dois condutores de um circuito através de uma resistência muito baixa. Figura 8-147 Causas mais comuns de curtos- circuitos. Na figura 8-148, um circuito se destina a acender uma lâmpada. Um resistor é colocado no circuito para limitar o fluxo de corrente. Se o resistor ficar “em curto”, conforme mostrado na ilustração, o fluxo de corrente aumentará e a lâmpada tornar-se-á mais brilhante. Se a volta- gem aplicada se tornar excessiva, a lâmpada pode queimar, mas neste caso, o fusível protetor da lâmpada abre primeiro. Figura 8-148 Resistor em curto circuito. Normalmente, um “curto-circuito” oca- sionará um circuito aberto, abrindo o fusível ou queimando um componente. Mas, em alguns circuitos, como aquele ilustrado na figura 8-149 pode haver resistores adicionais que não permi- tem que um resistor “em curto” aumente a cor- rente suficientemente para abrir o fusível ou queimar componente. Desta forma, com um resistor “em curto”, o circuito ainda funcionará, desde que a potência dissipada pelos demais resistores não exceda a capacidade de fusível. Figura 8-149 Um curto circuito que não inter- rompe o circuito. Para localizar o resistor em curto en- quanto o circuito está em funcionamento, pode- se usar um voltímetro. Quando ele é conectado através de qualquer resistor sem curto, uma par- te da voltagem aplicada será indicada pelo vol- tímetro. Quando conectado através de um resis- tor em curto, o voltímetro marcará zero. O resistor em curto mostrado na figura 8-150 pode ser localizado com um ohmímetro. Primeiro a chave é desligada para isolar os componentes do circuito. Na figura 8-150, este 8-70 Se uma interrupção ocorre na parte em paralelo de um circuito em série-paralelo, con- forme mostrado na figura 8-156, parte do circui- to continuará a funcionar. Neste caso, a lâmpada continuará acesa, mas seu brilho diminuirá, já que a resistência total do circuito aumentou e a corrente diminuiu. Se uma interrupção acontece na deriva- ção contendo a lâmpada, conforme mostrado na figura 8-157, o circuito continuará a funcionar com a resistência aumentada e a corrente dimi- nuída, mas a lâmpada não acenderá. Figura 8-157 Uma lâmpada queimada em um circuito em série-paralelo. Para explanar como o voltímetro e o ohmímetro podem ser usados para pesquisar circuitos em série-paralelo, o circuito mostrado na figura 8-158 foi assinalado em vários pontos. Conectando-se um voltímetro entre os pontos A e D, a bateria e a chave podem ser testados quanto a interrupção. Conectando-se o voltímetro entre os pontos A e B pode-se testar a queda de voltagem através de R1. Figura 8-158 Usando um voltímetro para pes- quisar panes em um circuito em série-paralelo. Esta queda de voltagem é uma parte da volta- gem aplicada. Também, se R1 for interrompido, a leitura entre B e D será zero. O condutor entre o terminal positivo da bateria e o ponto “E”, bem como o fusível, po- dem ser testados quanto à continuidade, com a colocação do voltímetro entre os pontos A e E. Se o condutor ou o fusível estiver aberto, o vol- tímetro indicará zero. Se a lâmpada estiver acendendo, é óbvio que não há interrupção na ramificação em que ela se encontra, e o voltímetro poderia ser usado para detectar uma interrupção na ramificação contendo R2, desde que a lâmpada L1, seja re- movida do circuito. Pesquisar defeito na parte em série de um circuito em série-paralelo não apresenta dificuldade, mas na parte em paralelo podem ser obtidas leituras (marcações) enganosas. Um ohmímetro pode ser usado para pes- quisar este mesmo circuito. Com a chave aberta, a parte em série do circuito pode ser testada colocando-se as pontas de teste do ohmímetro entre os pontos A e B. Se R1 ou o condutor esti- ver aberto, o ohmímetro marcará infinito; se não estiver aberto, o valor do resistor será indicado pelo instrumento. Entre os ponto D e E, o fusível e o con- dutor podem ser testados quanto à continuidade, mas a parte em paralelo de circuito requer cui- dados a fim de evitar medições equivocadas. Para testar entre os pontos B e E, a ramificação deve ser desconectada num desses pontos, e enquanto um deles estiver aberto, a derivação contendo a lâmpada pode ser testada com um ohmímetro. Um “curto” na parte em série de um cir- cuito em série-paralelo provoca diminuição na resistência total, que causará aumento da cor- rente total. No circuito mostrado na figura 8-159, a resistência total é 100 ohms e a corrente total é 2 ampères. Se R1 entra em “curto”, a resistência total muda, para 50 ohms e a corrente total do- bra para 4 ampères. Figura 8-159 Encontrando um curto-circuito em um circuito em série-paralelo. No circuito mostrado, isto provocaria a queima de fusível, mas se o fusível fosse de 5 8-71 ampères o circuito permaneceria funcionando. O resultado poderia ser o mesmo se R1 ou R3 tivesse entrado em “curto”. A resistência total, em todo caso, cairia para 50 ohms. Disto, pode ser afirmado que, quando ocorre um “curto”num circuito em sé- rie-paralelo, a resistência total diminuirá e a corrente total aumentará. Um “curto”, normal- mente causará uma interrupção no circuito, seja queimando o fusível ou danificando um compo- nente do circuito. E, no caso de uma interrup- ção, um “curto” num circuito em série-paralelo pode ser detectado tanto com um ohmímetro quanto com um voltímetro. CORRENTE ALTERNADA E VOLTAGEM A corrente alternada tem substituído largamente a corrente contínua nos sistemas de energia comercial, por uma série de motivos. Pode ser transmitida a longas distâncias mais rápida e economicamente do que a corrente con- tínua, já que as voltagens de C.A. podem ser aumentadas ou diminuídas por meio de trans- formadores. Porquanto, mais e mais unidades estão sendo operadas eletricamente em aeronaves; a demanda de energia é tal, que consideráveis vantagens podem ser obtidas pelo uso de C.A. Peso e espaço podem ser economizados, já que os equipamentos de C.A., especialmente os mo- tores, são menores e mais simples do que os dispositivos de C.C. Na maior parte dos motores de C.A. não são necessárias escovas, e o problema de comutação em altitude elevada é eliminado. “Circuit-breakers” opera satisfatoriamente sob carga num sistema de C.A. em altitudes eleva- das, enquanto que o centelhamento é mais in- tenso nos sistemas C.C., obrigando a trocas fre- qüentes de “circuit-breakers”. Finalizando, a maior parte das aerona- ves, usando sistema de corrente contínua de 24 volts, têm equipamentos específicos que reque- rem certa quantidade de corrente alternada com 400 ciclos. C.A e C.C. comparadas Muitos dos princípios, características e efeitos da corrente alternada são similares aos da corrente contínua. Também existem diferen- ças que ainda serão explanadas. A corrente contínua flui constantemente, numa única direção com uma polaridade cons- tante. Modifica a intensidade somente quando o circuito é aberto ou fechado, conforme mostrado na forma de onda de C.C., na figura 8-160. A corrente alternada muda de direção a intervalos regulares, aumenta em valor a razão definida, de zero à máxima intensidade positiva e diminui até zero. Formas de ondas C.A. e C.C. são compa- radas na figura 8-160. Figura 8-160 Curvas de voltagem de C.C. e de C.A. Posto que a corrente alternada muda constantemente a intensidade e direção, dois efeitos que não ocorrem nos circuitos de C.C., ocorrem nos de C.A. São eles a reatância indu- tiva e a reatância capacitiva. Ambos serão dis- cutidos adiante, neste capítulo. Princípios do gerador Após a descoberta de que uma corrente elétrica fluindo cria um campo magnético em torno do condutor, havia considerável especula- ção científica sobre a possibilidade de um cam- 8-72 po magnético poder criar um fluxo de corrente num condutor. Em 1831, o cientista inglês Michael Fa- raday demonstrou que isto poderia ser realizado. Esta descoberta é a base do funcionamento do gerador, que assinalou o início da “Era da Ele- tricidade”. Para mostrar como uma corrente elétrica pode ser criada por um campo magnéti- co, uma demonstração semelhante à ilustrada na figura 8-161 pode ser usada. Várias voltas de um condutor são enroladas em torno de um mio- lo cilíndrico, e as extremidades do condutor são conectadas juntas, para formar um circuito com- pleto que inclui um galvanômetro. Se um imã simples em barra for inserido no cilindro, pode-se observar que o galvanôme- tro deflexiona da sua posição zero numa direção (A da figura 8-161). Quando o imã está imóvel dentro de ci- lindro, o galvanômetro mostra uma leitura zero, indicando que não há corrente fluindo (B da figura 8-161). Figura 8-161 Induzindo um fluxo de corrente. Em “C” da figura 8-161, o galvanômetro indica um fluxo de corrente na direção oposta, quando o imã é puxado do cilindro. Os mesmos resultados podem ser obtidos conservando-se o imã imóvel e movendo-se o cilindro sobre o imã, indicando que uma corren- te flui quando há o movimento relativo entre a bobina de fio e o campo magnético. Estes resultados obedecem a uma lei estabelecida pelo cientista alemão Heinrich Lenz. A Lei de Lenz estabelece que a corrente induzida causada pelo movimento relativo de um condutor e um campo magnético sempre flui de acordo com a direção em que seu campo magnético se opõe ao movimento. Quando um condutor é movido através de um campo magnético, conforme mostrado na figura 8-162, uma força eletromotriz (f.e.m.) é induzida no condutor. Figura 8-162 Induzindo uma F.E.M. em um condutor. 8-75 Na posição 2, o condutor move-se per- pendicularmente ao fluxo e corta o número má- ximo de linhas de força, proporcionando a indu- ção da voltagem máxima. O condutor, movendo-se além da posi- ção 2, corta uma quantidade decrescente de li- nhas de força a cada instante, e a voltagem in- duzida diminui. Na posição 3, o condutor completou meia revolução e novamente move-se paralelo às linhas de força, e não há indução de voltagem no condutor. Como o condutor “A” passa pela posição 3, a direção da voltagem se inverte, já que o condutor “A” move-se, agora, para baixo, cor- tando o fluxo na posição oposta. O condutor “A” movendo-se através do pólo sul, diminui gradualmente a voltagem in- duzida, na direção negativa, até que na posição 4 o condutor mova-se perpendicularmente ao fluxo novamente, e seja gerada a voltagem ne- gativa máxima. Da posição 4 para a 5, a voltagem indu- zida decresce gradualmente até que atinja o va- lor zero, e o condutor e a onda estejam prontos para começar um outro ciclo. A curva mostrada na posição 5 é chama- da de onda senoidal. Representa a polaridade e intensidade dos valores instantâneos das volta- gens geradas. A linha base horizontal é dividida em graus, ou tempo, e a distância vertical acima ou abaixo da linha base representa o valor da vol- tagem em cada ponto particular, na rotação do enrolamento (loop). Ciclo e freqüência Sempre que uma voltagem ou corrente passam por uma série de mudanças, retorna ao ponto de partida e, então, reinicia a mesma série de mudanças, a série é chamada ciclo. O ciclo é representado pelo símbolo (~). No ciclo de voltagem mostrado na figura 8-167, a voltagem aumenta de zero ao valor positivo máximo e cai para zero; então, aumenta para o valor máximo negativo e novamente cai a zero. Neste ponto, está em condições de iniciar nova série. Existem duas alterações num ciclo com- pleto, a positiva e a negativa. Cada qual é meio ciclo. Figura 8-167 Freqüência em ciclos por segundo. O número de vezes, em que cada ciclo ocorre num período de tempo, é chamado de freqüência. A freqüência de uma corrente elétri- ca ou voltagem indica o número de vezes em que um ciclo se repete em 1 segundo. Num gerador, a voltagem e a corrente passam por um ciclo completo de valores, cada vez que um enrolamento ou condutor passa sob o pólo norte e o pólo sul do imã. O número de ciclos para cada revolução de enrolamento ou condutor é igual ao de pares de pólos. A freqüência, então, é igual ao número de ci- clos em uma revolução, multipli- cado pelo número de revoluções por segundo. Expresso em equação fica: F = N de polos x r.p.m. 60 o 2 onde P/2 é o número de pares de pólos e r.p.m./60 o número de revoluções por segundo. Se num gerador de 2 pólos, o condutor é girado a 3.600 r.p.m., as revoluções por segundo são: r.p.s = 3600 60 = 60 revoluções por segundo Como existem 2 pólos, P/2 é igual a 1 e a fre- qüência é de 60 c.p.s.. Num gerador de 4 pólos, com uma velo- cidade do induzido de 1.800 r.p.m., substitui-se na equação: 8-76 F = P 2 x r.p.m. 60 F = 4 2 x1800 60 2 x 30= F = 60 c.p.s. A par da freqüência e ciclagem, a volta- gem e a corrente alternada também têm uma característica chamada “fase”. Num circuito alimentado por um alter- nador, deve haver uma certa relação de fase entre a voltagem e a corrente para que o circuito funcione eficientemente. Tal relação não so- mente deve haver num sistema alimentado por dois ou mais alternadores, mas também entre as voltagens e correntes individuais. Dois circuitos separados podem ser comparados pelas caracte- rísticas de fase de cada um. Quando duas ou mais ondas senóides passam por 0º e 180º simultaneamente, e alcan- çam seus picos, existe uma condição “em fase”, conforme mostrado na figura 8-168. Os valores de pico (magnitudes) não têm que ser os mesmos para que a condição em fase exista. Figura 8-168 Condição “em fase” da corrente e da voltagem. Quando as ondas senóides passam por 0º e 180º em tempos diferentes, uma condição “fo- ra-de-fase” existe, conforme mostrado na figura 8-169. Na medida em que as duas ondas senói- des estão fora de fase, elas são indicadas pelo número de graus elétricos entre os picos corres- pondentes das ondas senóides. Na figura 8-169, a corrente e a voltagem estão 30º fora de fase. Figura 8-169 Condição de “fora de fase” da corrente e da voltagem. Valores de corrente alternada Existem três valores de corrente alterna- da que precisam ser considerados. São eles: instantâneo, máximo e efetivo. Um valor instantâneo de voltagem ou corrente é a voltagem induzida ou corrente flu- indo em qualquer momento. A onda senóide é uma série destes valores. O valor instantâneo da voltagem varia de zero em 0º, para máximo a 90º, volta a zero a 180º, vai para o máximo na direção oposta em 270º e a zero novamente em 360º. Qualquer ponto de uma onda senóide é considerado um valor instantâneo de voltagem. O valor máximo é o instantâneo mais alto. O mais elevado valor positivo isolado o- corre quando a voltagem da onda senóide está a 90 graus, e o valor negativo isolado mais alto ocorre quando está a 270 graus. Estes são cha- mados valores máximos. O valor máximo é 1,41 vezes o valor efetivo (ver figura 8-170). Figura 8-170 Valores efetivos e máximos de voltagem. O valor efetivo da corrente alternada é o mesmo valor da corrente contínua, que possa produzir um igual efeito térmico. O valor efeti- vo é menor do que o valor máximo, sendo igual a 0,707 vezes o valor máximo. Então, os 110 8-77 volts oferecidos para consumo doméstico (rede) é apenas 0,707 do valor máximo dessa fonte. A voltagem máxima é aproximadamente 155 volts (110 x 1,41 = 155 volts - máximo). No estudo da corrente alternada, quais- quer valores dados para corrente ou voltagem são entendidos como sendo valores efetivos, a não ser que seja especificado em contrário e, na prática, somente os valores efetivos de voltagem e corrente são usados. Desta forma, voltímetros de corrente alternada e também os amperímetros medem o valor efetivo. INDUTÂNCIA Quando uma corrente alternada flui nu- ma bobina de fio, a elevação e queda do fluxo de corrente, primeiro numa direção e depois na outra, provocam uma expansão e colapso do campo magnético em torno da bobina, na qual é induzida uma voltagem em direção oposta à voltagem aplicada, e que se opõe a qualquer mudança na corrente alternada (ver figura 8- 171). Figura 8-171 Circuito de CA contendo indu- tância. A voltagem induzida é chamada de força contra-eletromotriz (f.c.e.m.), já que se opõe à voltagem aplicada. Esta propriedade de uma bobina que se opõe ao fluxo de corrente através de si mesma é chamada de indutância. A indutância de uma bobina é medida em henrys. Em qualquer bobina, a indutância depende de vários fatores, principalmente o nú- mero de espiras, a área de seção transversal da bobina e seu núcleo. Um núcleo de material magnético aumenta grandemente a indutância da bobina. É indispensável lembrar, entretanto, que um fio reto também tem indutância, ainda que pequena, se comparada a de um fio enrolado (bobina). Motores de C.A., relés e transformado- res contribuem com indutância num circuito. Praticamente todos os circuitos de C.A. possu- em elementos indutivos. O símbolo para indutância, em fórmulas, é a letra “L”. A indutância é medida em Henrys (abreviado h). Figura 8-172 Vários tipos de indutores. Um indutor (bobina) tem uma indutância de 1 Henry se uma f.e.m. de 1 volt é induzida, quando a corrente através do indutor está mu- dando à razão de 1 ampère por minuto. Entre- tanto, o Henry é uma unidade grande de indu- tância e é usada com indutores relativamente grandes, possuindo núcleos de ferro. A unidade usada para pequenos induto- res de núcleo de ar é o milihenry (mh). Para indutores de núcleo de ar ainda menores, a uni- dade de indutância é o microhenry (Mh). A figura 8-172 mostra alguns dos vários tipos de indutores, juntamente com seus símbo- los. 8-80 ra o circuito esteja interrompido pelo intervalo entre as placas do capacitor. Entretanto, existe corrente somente enquanto ocorre carga e des- carga, e este período de tempo é muito curto. Não pode ocorrer nenhum movimento ininterrupto de corrente contínua através de um capacitor. Um capacitor bom bloqueará a cor- rente contínua (não a C.C. pulsativa) e permitirá a passagem dos efeitos da corrente alternada. A carga de eletricidade que pode ser colocada num capacitor é proporcional à volta- gem aplicada e à capacitância do capacitor (condensador). A capacitância depende da área total das placas, da espessura do dielétrico e da composição do dielétrico. Se uma folha fina de baquelite (preen- chida com mica) for substituída por ar entre as placas de um capacitor, por exemplo, a capaci- tância será aumentada cerca de cinco vezes. Qualquer carga produzida por voltagem aplicada e mantida no limite por um isolador (dielétrico) cria um campo dielétrico. Uma vez que o campo seja criado, tende a opor-se a qualquer mudança de voltagem que poderia afetar sua situação original. Todos os circuitos possuem alguma capacitância, mas a menos que possuam algum capacitor, ela é des- considerada. Dois condutores, chamados eletrodos ou placas, separados por um não-condutor (dielé- trico) formam um capacitor simples. As placas podem ser feitas de cobre, de estanho ou de a- lumínio. Freqüentemente elas são feitas de folha (metais comprimidos em finas folhas capazes de serem enroladas). O dielétrico pode ser ar, vidro, mica, ou eletrólito, feito de uma película de óxido, mas o tipo usado determinará o total da voltagem que pode ser aplicada e a quantidade de energia que pode ser acumulada. Os materiais dielétricos têm estruturas atômicas diferentes e apresentam quantidades diferentes de átomos para o campo eletrostático. Todos os materiais dielétricos são com- parados ao vácuo e recebem uma classificação numérica de valor de acordo com a razão de capacidade entre eles. O número atribuído a um material é ba- seado na mesma área e espessura em relação ao vácuo Os números usados para expressar essa razão são chamados constantes dielétricas, e são representados pela letra “K”. A tabela na figura 8-178 apresenta o valor de “K” para alguns ma- teriais usados. Material K (Constante dielétrica) Ar 1.0 Resina 2.5 Papel de amianto 2.7 Borracha dura 2.8 Papel seco 3.5 Isolantita 3.5 Vidro comum 4.2 Quartzo 4.5 Mica 4.5 a 7.5 Porcelana 5.5 Vidro cristal 7.0 Vidro ótico 7.9 Figura 8-178 Constantes Dielétricas. Se uma fonte de corrente contínua é substituída por bateria, o capacitor atua um pou- co diferente do que ocorre com corrente contí- nua. Quando é usada a corrente alternada num circuito (figura 8-179), a carga das placas modifica-se constantemente. Isto significa que a eletricidade deve fluir primeiro de “Y”, no sen- tido horário, para “X”, depois, de “X”, no senti- do anti-horário, para “Y”, depois, de “Y”, no sentido horário, para “X”, e assim por diante. Figura 8-179 Capacitor num Circuito CA. Embora nenhuma corrente flua através do isolador entre as placas do capacitor, ela flui constantemente no restante do circuito, entre “X” e “Y”. Num circuito em que existe somente ca- pacitância, a corrente precede a voltagem, ao passo que num circuito onde exista somente indutância, a corrente retarda-se frente a volta- gem. A unidade de medida de capacitância é o farad, para o qual o símbolo é a letra “f”. O fa- 8-81 rad é muito grande para uso prático e a unidade geralmente usada é o microfarad (µf), um mili- onésimo do farad, e o micro-microfarad (µµf), um micronésimo do microfarad. Tipos de capacitores Os capacitores podem ser divididos em dois grupos: fixos e variáveis. Os capacitores fixos que têm, aproximadamente, capacitância constante, podem ser divididos de acordo com o tipo de dielétrico usado nas seguintes classes: papel, óleo, mica e capacitores eletrolíticos. Os capacitores de cerâmica são também usados em alguns circuitos. Quando conectando capacitores eletrolí- ticos num circuito, a correta polaridade tem que ser observada. Capacitores de papel podem ter um terminal marcado “ground” (terra), signifi- cando que este terminal está ligado à folha ex- terna. Normalmente, a polaridade não tem que ser observada em capacitores de papel, óleo, mica ou cerâmica. Capacitores de papel As placas dos capacitores de papel são tiras de folha de metal, separadas por papel en- cerado (figura 8-180). A capacitância dos capa- citores de papel está na faixa de 200 µµf a al- guns µf. As tiras de folha e as de papel são enro- ladas juntas, para formar um cartucho cilíndrico, que é então selado com cera para afastar a umi- dade e prevenir corrosão e vazamento. Figura 8-180 Capacitor de papel. Duas pontas de metal são soldadas às placas. Cada uma estendendo-se para cada lado do cilindro. O conjunto é incluído tanto numa cobertura de papelão quanto numa capa de plás- tico moldado duro (uma ou outra). Os capacitores tipo banheira “bathtub” são capacitores de papel em cartuchos hermeti- camente fechados em capas metálicas. A capa freqüentemente serve como um terminal comum para vários capacitores incluídos, mas quando não é um terminal, a capa serve como uma blin- dagem contra interferência elétrica (figura 8- 181). Figura 8-181 Capacitor de papel tipo banheira. Capacitores a óleo Em transmissores de radar e rádio, altas voltagens, suficientes para causar centelhamen- to ou ruptura em dielétricos de papel, são muitas vezes empregadas. Conseqüentemente, nestas aplicações, capacitores que usam óleo ou papel impregnado com óleo, como material dielétrico são preferi- dos. Os capacitores deste tipo são considera- velmente mais caros do que os capacitores co- muns de papel e o seu uso é, em geral, restrito a equipamentos de transmissão de rádio e radar. Figura 8-182 Capacitor de óleo Capacitores de mica O capacitor fixo de mica é feito de pla- cas de folha de metal, que são separadas por folhas de mica formando o dielétrico. O conjun- to inteiro é coberto com plástico moldado, que evita a umidade. 8-82 Figura 8-183 Capacitores de mica. A mica é um excelente dielétrico que su- porta maiores voltagens do que o papel, sem permitir centelhamento entre as placas. Os valo- res normais dos capacitores de mica variam de aproximadamente 50 µµf a cerca de 0.02 µf. Capacitores de mica são mostrados na figura 8- 183 . Capacitores eletrolíticos Para capacitâncias maiores do que al- guns microfarads, as áreas das placas dos capa- citores de mica ou papel precisam se tornar mui- to grandes. Então, neste caso, normalmente são em- pregados capacitores eletrolíticos, que permitem grandes capacitâncias em pequenos tamanhos físicos. Sua faixa de valores abrange de 1 a cer- ca de 1.500 microfarads. Diferentemente dos outros tipos, os capacitores eletrolíticos são ge- ralmente polarizados e podem ser submetidos apenas à voltagem contínua ou voltagem contí- nua pulsativa, embora um tipo especial de capa- citor eletrolítico seja feito para uso em motores. O capacitor eletrolítico é amplamente utilizado em circuitos eletrônicos e consiste em duas placas de metal, separadas por um eletróli- to. O eletrólito em contato com o terminal nega- tivo, tanto na forma líquida ou pastosa, inclui o terminal negativo. O dielétrico é uma película de óxido extremamente fina depositada sobre o eletrodo positivo do capacitor. O eletrodo positivo é uma folha de alumínio dobrada para obtenção de máxima área. O capacitor é submetido a processo de modelagem durante a fabricação, quando uma corrente é passada através dele. O fluxo de cor- rente resulta no depósito de fina cobertura de óxido sobre a placa de alumínio. O espaço justo dos eletrodos positivo e negativo aumenta relativamente o alto valor de capacitância, mas permite maior possibilidade de interrupção de voltagem e vazamento de elé- trons de um eletrodo para o outro. Dois tipos de capacitores eletrolíticos são usados: (1) eletrolítico úmido; e (2) eletrolí- tico seco. No primeiro, o eletrólito é um líquido e o invólucro deve ser à prova de vazamento. Este tipo deve sempre ser montado na posição vertical. O eletrólito do eletrolítico seco é uma pasta num separador feito de um material absor- vente como gaze ou papel. O separador não- somente conserva o eletrólito no lugar mas tam- bém previne possibilidade de “curto-circuito” entre as placas. Capacitores eletrolíticos secos são feitos tanto na forma cilíndrica quanto re- tangular, e podem ser cobertos com papelão ou metal. Já que o eletrólito não pode derramar, os capacitores secos podem ser montados em qual- quer posição conveniente. Capacitores eletrolí- ticos são mostrados na figura 8-184. Figura 8-184 Capacitores eletrolíticos. Capacitores em paralelo e em série Os capacitores podem ser combinados em paralelo ou em série, para dar valores equi- valentes, que podem ser tanto a soma dos valo- res individuais (em paralelo) ou um valor menor do que a menor capacitância (em série). A figu- ra 8-185 mostra as ligações em série e em para- lelo. 8-85 Problema: Um circuito em série é concebido, em que a voltagem utilizada seja 110 volts a 60 c.p.s. e a capacitância de um condensador seja 80 µf. Achar a reatância capacitiva e o fluxo de corrente. Solução: Para encontrar a reatância capacitiva, a equação X c = 1/2 π fc é usada. Primeiro, a capa- citância, 80 µf, é convertida para farads, divi- dindo-se 80 por 1.000,000, já que 1 milhão de microfarads é igual a 1 farad. Este quociente é igual a 0,000080 farad. Substituindo na equa- ção, X x 60 x 0,000080c = 1 6 28, X c = 33 2, ohms de reatância Encontra-se o fluxo de corrente: I = E Xc = = 110 33 2 3 31 , , ampères Reatâncias capacitivas em série e em paralelo Quando capacitores são conectados em série, a reatância é igual à soma das reatâncias individuais. Então, (XC)t = ( Xc )1 + ( Xc )2 A reatância total dos capacitores conectados em paralelo é encontrada da mesma forma que a resistência total é calculada num circuito em paralelo: ( ) ( ) ( ) ( ) X X X X c t c c 2 c = + + 1 1 1 1 1 3 Fase de corrente e voltagem em circuito rea- tivo Quando corrente e voltagem cruzam o zero e alcançam o valor máximo ao mesmo tempo, diz-se que estão “em fase”(“A” da figura 8-187). Se a corrente e a voltagem passam pelo zero e atingem o valor máximo em tempos dife- rentes, são ditas “fora de fase”. Num circuito contendo apenas indutân- cia, a corrente alcança um valor máximo depois da voltagem, atrasando-se em 90 graus ou um quarto de ciclo em relação à voltagem (“B” da figura 8-187). Num circuito contendo apenas capacitância, a corrente alcança seu valor má- ximo, e adianta-se em relação à voltagem por 90 graus ou um quarto de ciclo (“C” da figura 8- 187). Para a corrente se atrasar ou adiantar em relação à voltagem num circuito, depende da intensidade da resistência, indutância e capaci- tância no circuito. Figura 8-187 Fase de corrente e voltagem. LEI DE OHM PARA CIRCUITOS DE C.A. As regras e equações para circuitos de C.C. aplicam-se a circuitos de C.A. somente quando os circuitos contêm resistências, como no caso de lâmpadas ou elementos térmicos. Para que se use valores efetivos de voltagem e corrente em circuitos de C.A., o efeito de indu- tância e capacitância com resistência precisa ser considerado. O efeito combinado de resistência, rea- tância indutiva e reatância capacitiva forma a oposição total ao fluxo de corrente num circuito de C.A. Tal oposição é chamada de impedância, e é representada pela letra “Z”. A unidade de medida para a impedância é o ohm. Circuitos de C.A. em série Se um circuito de C.A. consiste de resis- tência apenas, o valor da impedância é o mesmo que o da resistência e a lei de Ohm para um cir- cuito de C.A., I = E/Z é exatamente a mesma como para um circuito de C.C. Na figura 8-188, está ilustrado um cir- cuito em série, contendo uma lâmpada com re- sistência de 11 ohms conectada através de uma fonte. Para encontrar quanta corrente fluirá, se forem aplicados 110 volts C.C., e quanta corren- te fluirá se forem aplicados 110 volts C.A., os seguintes exemplos são resolvidos: 8-86 I = E R v 11 = = 110 10 Ω ampères c.c. I = E Z v 11 = = 110 10 Ω ampères c.a. Figura 8-188 Circuito em série. Quando um circuito de C.A. contém resistência e também indutância ou capacitân- cia, a impedância, “Z”, não é a mesma que a resistência, “R”. A impedância é a oposição total do circuito para o fluxo de corrente. Num circuito de C.A., esta oposição consiste de resistência e reatância indutiva ou capacitiva, ou elementos de ambas. A resistência e a reatância não podem ser somadas diretamente, mas podem ser consi- deradas duas forças agindo em ângulos retos entre si. Assim sendo, a relação entre resistência, reatân- cia e impedância pode ser ilustrada por um tri- ângulo retângulo (mostrado na figura 8-189). A fórmula para achar a impedân- cia, ou total oposição ao fluxo de corrente num circuito de C.A. pode ser obtida pelo uso de lei dos triângulos-retângulos, chamada de teorema de Pitágoras, aplicável a qualquer triângulo re- tângulo. Ela estabelece que o quadrado da hipo- tenusa é igual a soma dos quadrados dos catetos. Figura 8-189 Triângulo de impedância. Assim, o valor de qualquer lado de um triângulo retângulo pode ser encontrado se os dois outros lados forem conhecidos. Se um cir- cuito de C.A. contiver resistência e indutância, como mostrado na figura 8-190, a relação entre os lados pode ser determinada assim: Z2 = R2 + X L 2 A raiz quadrada de ambos os lados da equação Z = R2 + X L 2 Esta fórmula pode ser usada para determinar a impedância, quando os valores da reatância indutiva e da resistência são conhecidos. Ela pode ser modificada para resolver impedância em circuitos contendo reatância capacitiva e resistência, substituindo-se X L 2 por X C , na fórmula. Em circuitos contendo resistência com reatâncias capacitivas e indutivas juntas, as rea- tâncias podem ser combinadas, mas por causa dos seus efeitos opostos no circuito, elas são combinadas por subtração: X = X L - X C ou X = X C - X L (o menor é sempre subtraído do maior) Na figura 8-190, um circuito em série, com resistência e indutância conectadas em sé- rie é ligado a uma fonte de 110 volts com 60 ciclos por segundo. O elemento resistivo é uma lâmpada, com resistência de 6 ohms, e o ele- mento indutivo é uma bobina com indutância de 0,021 Henry. Qual é o valor da impedância e a corrente através da lâmpada e da bobina? Figura 8-190 Circuito contendo resistência e indutância. 8-87 Solução: Primeiro, a reatância indutiva da bobina é calculada: X L = 2π x f x L X L = 6.28 x 60 x 0,021 X L = 8 ohms de reatância indutiva Depois, é calculada a impedância total: Z = R2 + X L 2 Z = 62 + 82 Z = 36 + 64 Z = 100 Z = 10 ohms de impedância. Em seguida, o fluxo de corrente I = E Z = =110 10 11 ampères de corrente. A queda de voltagem através da resis- tência (EXL) é ER = I x R ER = 11 x 6 = 66 volts A queda da voltagem através da indutância (EXL) é EXL = I x XL EXL = 11 x 8 = 88 volts A soma das duas voltagens é maior do que a voltagem da fonte. Isto decorre do fato de as duas voltagens estarem fora de fase e, assim sendo, representam de per si a voltagem máxi- ma. Se a voltagem, no circuito, for medida com um voltímetro, ela será de aproximadamente 110 volts a voltagem da fonte. Isto pode ser provado pela equação E = (E R )2 + (EXL)2 E = 662 + 882 E = 4356 + 7744 E = 12.100 E = 110 volts Na figura 8-191 é ilustrado um circuito em série, no qual um capacitor de 200 Mf está conectado em série com uma lâmpada de 10 ohms. Qual é o valor da impedância, do fluxo de corrente e da queda de voltagem através da lâmpada? Figura 8-191 Circuito contendo resistência e capacitância. Solução: Primeiro, a capacitância é convertida de Mf para farads. Já que 1 milhão de microfarads é igual a 1 farad, então 200 0 000200 Mf = 200 1.000.000 = , farads X f Cc = 1 2 π X x 60 x 0,000200 farads c = 1 6 28, 07536,0 1Xc == = 13Ω de reatância capacitiva Para encontrar a impedância, Z = R2 + X C 2 Z = 102 + 132 Z = 100 + 169 Z = 269 Z = 16.4 ohms de reatância capacitiva Para encontrar a corrente, I = E Z = =110 16 4 6 7 , , ampères A queda de voltagem na lâmpada é 8-90 Se o valor da resistência for pequeno ou consistir somente de resistência nos condutores, o valor do fluxo de corrente pode tornar-se mui- to elevado. Num circuito, onde o indutor e ca- pacitor estejam em série e a freqüência seja a de ressonância, o circuito é referido como “em ressonância”, neste caso, um circuito ressonante em série. O símbolo para a freqüência ressonan- te é F n . Se, na freqüência de ressonância, a rea- tância indutiva for igual à reatância capacitiva, então teremos: X X ou 2 f L = 1 2 f CL C = π π Dividindo-se ambos os termos por 2 fL, F ) LCn 2 2= 1 2( π Extraindo-se a raiz quadrada de ambos os ter- mos: F LCn = 1 2 π Onde F n é a freqüência ressonante em ciclos por segundo, “C” é a capacitância em farads e “L” é a indutância em henrys. Com essa fórmula, a freqüência em que um capacitor e um indutor serão ressonantes pode ser determinada. Para encontrar a reatância indutiva do circuito, usa-se: X L = 2 ( π ) fL A fórmula de impedância usada num circuito de C.A. em série, precisa ser modifica- da para aplicar-se a um circuito em paralelo. 22 L L XR XRZ + = Figura 8-195 Circuito ressonante em paralelo. Para resolver cadeias paralelas de indutância e reatores capacitivos, usa-se: X = X X X X L C L C+ Para resolver cadeias paralelas com re- sistência capacitiva e indutância, usa-se: Z = R X X X X R X R X L C L 2 C 2 L C+ −( ) 2 Como na freqüência de ressonância X L cancela X O , a corrente pode tornar-se muito alta, dependendo do valor de resistência. Em casos assim, a queda de voltagem através do indutor ou capacitor será, muitas vezes, mais alta do que a voltagem aplicada. Num circuito ressonante em paralelo (figura 8-195), as reatâncias são iguais, e cor- rentes idênticas fluirão através da bobina e do capacitor. Como a reatância indutiva faz a corrente através da bobina retardar-se em 90 graus em relação à voltagem, e a reatância capacitiva faz a corrente através do capacitor adiantar-se em 90 graus em ralação à voltagem, as duas corren- tes ficam defasadas em 180 graus. O efeito de anulação dessas correntes significaria que nenhuma corrente fluiria do gerador, e a combinação em paralelo do indutor e do capacitor aparentaria uma impedância infi- nita. Na prática, nenhum circuito semelhante é possível, já que algum valor de resistência está sempre presente e o circuito em paralelo, às vezes, chamado circuito tanque, atua como uma impedância muito alta; ele também é chamado de circuito anti-ressonante, já que seu efeito no circuito é oposto ao do circuito série-ressonante, no qual a impedância é muito baixa. Potência em circuitos de C.A. Num circuito de C.C. a potência é obtida pela equação P = EI (watts = volts x ampères). Daí, se 1 ampère de corrente flui num circuito com uma voltagem de 200 volts, a potência é de 200 watts. O produto de volts pelos ampères é a po- tência verdadeira em um circuito. 8-91 Num circuito de A.C., um voltímetro indica a voltagem efetiva e um amperímetro indica a corrente efetiva. Figura 8-196 Fator de potência em um circuito de CA. O produto dessas duas leituras é chama- do de potência aparente. Somente o circuito de C.A. é formado de resistência, e a potência apa- rente é igual à potência real (verdadeira) como mostrado na figura 8-196.. Quando há capacitância ou indutância no circuito, a corrente e a voltagem não estão exa- tamente em fase, e a potência verdadeira é me- nor do que a potência aparente. A potência verdadeira é obtida por meio de um wattímetro. A proporção entre a potência verdadeira e a aparente é chamada de fator de potência e é expressa em unidades percentuais. Na forma de equação, a relação é: FP= Fator de Potência FP = 100 x Watts (potencia verdadeira) volts x amperes (potencia aparente) Problema: Um motor de C.A. de 220 volts toma 50 ampères de uma linha, mas um wattímetro na linha mostra que somente 9.350 watts são toma- dos pelo motor. Qual é a potência aparente e o fator de potência? Solução: Potência aparente = volts x ampères = 220 x 50 = 11000 watts ou volt - ampères aparente) (potenciaVA 100 x a) verdadeir(potencia Watts=FP = = =9350 x 100 11000 85 ou 85% TRANSFORMADORES Um transformador modifica o nível de voltagem, aumentando-o ou diminuindo-o como necessário. Ele consiste em duas bobinas eletri- camente independentes, que são dispostas de tal forma que o campo magnético em torno de uma das bobinas atravessa também a outra bobina. Quando uma voltagem alternada é apli- cada a (através de) uma bobina, o campo mag- nético variável formado em torno dela cria uma voltagem alternada na outra bobina por indução mútua. Um transformador também pode ser u- sado com C.C. pulsativa, mas voltagem C.C. pura não pode ser usada, já que apenas uma voltagem variável cria o campo magnético vari- ável, que é a base do processo de indução mú- tua. Um transformador consiste de três partes básicas, conforme mostrado na figura 8-197. São elas: um núcleo de ferro, que proporciona um circuito de baixa relutância para as linhas de força magnética; um enrolamento primário, que recebe a energia elétrica da fonte de voltagem aplicada; um enrolamento secundário, que rece- be energia elétrica, por indução, do enrolamento primário. Figura 8-197 Transformador com núcleo de ferro. 8-92 O primário e o secundário deste trans- formador de núcleo fechado são enrolados sobre um núcleo fechado, para obter o máximo efeito indutivo entre as duas bobinas. Existem duas classes de transfor- madores: (1) transformadores de voltagem, usa- dos para aumentar ou diminuir voltagens; e (2) transformadores de corrente, usados em circui- tos de instrumentos. Nos transformadores de voltagem, as bobinas primárias são ligadas em paralelo com a fonte de voltagem, conforme mostrado na figura 8-198, letra “A”. Os enrolamentos primários dos trans- formadores de corrente são ligados em série no circuito primário (“B” da figura 8-198). Dos dois tipos, o transformador de voltagem é o mais comum. Existem muitos tipos de transformadores de voltagem. A maioria deles é de transforma- dores de aumento ou diminuição. O fator que determina um ou outro tipo é a proporção de espiras, que é a relação entre o número de espiras do enrolamento primário e do secundário. Figura 8-198 Transformador de voltagem e de corrente. Por exemplo, a proporção de espiras do transformador de redução mostrado em “A” da figura 8-199 é 5 por 1, tendo em vista que o primário possui cinco vezes mais espiras do que o secundário. O transformador de elevação mostrado em “B” da figura 8-199 tem uma razão de espi- ras de 1 por 4. Considerando-se 100% de eficiência, a proporção entre a voltagem de entrada e a de saída de um transformador é a mesma que a do número de espiras no primário e secundário. Figura 8-199 Transformadores de redução e de elevação. Assim, quando 10 volts são aplicados ao primário do transformador mostrado em “A” da figura 8-199, dois volts são induzidos no secun- dário. Se 10 volts forem aplicados ao primário do transformador mostrado na letra “B” da figu- ra 8-199, a voltagem nos terminais do secundá- rio será 40 volts. É impossível construir um transformador com 100% de eficiência, porque não são todas as linhas de força do primário que conseguem cortar a bobina do secundário. Uma certa quan- tidade de fluxo magnético vaza do circuito mag- nético. O grau de eficiência como o fluxo do primário, que é aproveitado no secundário, é chamado de “coeficiente de acoplamento”. Por exemplo, se for concebido que o primário de um transformador desenvolve 10.000 linhas de força, mas apenas 9.000 pas- sam através do secundário, o coeficiente de a- coplamento seria 9 ou, dito de outra maneira, o transformador teria 90% de eficiência. Quando uma voltagem de C.A. é ligada através dos terminais do primário de um trans- formador, fluirá uma corrente alternada, ocor- rendo auto-indução de uma voltagem na bobina do primário, a qual será oposta e aproximada- mente igual à voltagem aplicada. Bobina primária 10 voltas Bobina Primária 2 voltas Bobina Secundária 2 voltas Bobina Secundária 8 voltas A B 8-95 formadores estão sujeitos à perdas do “ferro” e do “cobre”. A perda do “cobre” é causada pela resistência do condutor, envolvendo as espiras da bobina. Existem dois tipos de perdas do “fer- ro”, chamados perda por histerese e perda por “Eddy current”. A primeira, é a energia elétrica requerida para magnetizar o núcleo do transformador, mudando de direção juntamente com a voltagem alternada aplicada. A segunda, é provocada por correntes elétricas (Eddy current) induzidas no núcleo do transformador pelas variações dos campos mag- néticos. Para reduzir as perdas por “Eddy cur- rent” os núcleos são feitos de camadas lamina- das com isolação, que reduzem a circulação de correntes induzidas. Potência em transformadores Como um transformador não adiciona nenhuma eletricidade ao circuito, mas mera- mente modifica ou transforma a eletricidade que já existe nele, de uma voltagem noutra, a quan- tidade total de energia no circuito permanece a mesma. Se fosse possível construir um transfor- mador perfeito, não haveria perda de força nele; a energia seria transferida sem eliminação, de uma voltagem noutra. Já que a potência é o produto da volta- gem pela amperagem, um aumento da voltagem pelo transformador resultará numa diminuição da corrente e vice-versa. Não pode haver maior potência no lado do secundário de um transfor- mador do que existir no lado do primário. O produto de ampères vezes volts permanece o mesmo. A transmissão de força por longas dis- tâncias é realizada por meio de transformadores. Na fonte de força a voltagem é elevada para reduzir a perda na linha durante a transmissão. No ponto de utilização, a voltagem é reduzida, já que não é praticável o uso de alta voltagem para operar motores, luzes ou outros aparelhos elétricos. Ligação de transformadores em circuitos de C.A. Antes de estudar as várias maneiras de ligar transformadores em circuitos de C.A., as diferenças entre circuitos monofásicos e trifási- cos precisam ser claramente entendidas. Num circuito monofásico, a voltagem é gerada por uma bobina alternadora. Esta volta- gem monofásica pode ser obtida de um alterna- dor monofásico ou de uma fase de um alterna- dor trifásico, conforme será abordado adiante, no estudo de geradores de C.A. Num circuito trifásico, três voltagens são geradas por um alternador com três bobinas distintas, ocorrendo que as três voltagens gera- das são iguais mas atingem seus valores máxi- mos em tempos diferentes. Em cada fase do gerador trifásico com 400 ciclos, um ciclo é gerado a cada 1/400 segundos. Em sua rotação, o pólo magnético cruza uma bobina e gera uma voltagem máxima, um terço de ciclo (1/1200 segundos), depois ele cruza uma outra bobina e gera nela uma alta voltagem. Isto ocasiona voltagens máximas ge- radas nas três bobinas, sempre separadas um terço de ciclo (1/1200 segundos). Os geradores trifásicos primitivos eram ligados às suas cargas com seis fios e todos eles conduziam corrente. Posteriormente, experiências provaram que o gerador forneceria mais força com as bo- binas conectadas, de tal modo que somente três fios eram necessários para as três fases, confor- me mostrado na figura 8-204. Figura 8-204 Gerador de três fases usando três condutores. O uso de três fios é padrão para trans- missão de força trifásica, atualmente. O retorno de corrente de qualquer uma bobina do alterna- dor flui, voltando através dos outros dois fios no circuito trifásico. Os motores trifásicos e outras cargas trifásicas são ligados com suas bobinas ou ele- mentos de carga colocados de tal forma que 8-96 requerem três linhas para disponibilização de força. Os transformadores que são usados para elevação de voltagem ou redução, num circuito trifásico, são ligados eletricamente de modo que a força é fornecida para o primário e tomada do secundário pelo sistema trifásico padrão. Entretanto, transformadores monofásicos e lâmpadas e motores monofásicos podem ser ligados através de uma das fases do circuito trifásico, conforme mostrado na figura 8-205. Figura 8-205 Transformador de redução usan- do sistema bifásico. Quando cargas monofásicas são ligadas em circuitos trifásicos, as cargas são distribuí- das igualmente pelas três fases para balancear as três bobinas do gerador. Um outro uso do transformador é o mo- nofásico com várias tomadas no secundário. Com este tipo de transformador, a voltagem pode ser diminuída para prover várias voltagens de trabalho, conforme mostrado na figura 8-206. Figura 8-206 Tomadas do secundário de um transformador. Um transformador, com tomada central alimentando um motor de 220 volts, acompa- nhado de quatro lâmpadas de 110 volts, é mos- trado na figura 8-207. O motor é ligado através do transforma- dor integral, e as lâmpadas são ligadas da toma- da central para uma das extremidades do trans- formador com esta ligação somente a metade da saída do secundário é usada. Figura 8-207 Transformador de redução usan- do sistema trifásico. Este tipo de ligação do transfor- mador é amplamente usado em aeronaves por causa das combinações de voltagens, que podem ser obtidas de um transformador. Várias voltagens podem ser tomadas do enrolamento secundário do transformador, colo- cando-se tomadas (durante a fabricação) em vários pontos ao longo dos enrolamentos secun- dários. Os valores variados de voltagem podem ser obtidos utilizando-se qualquer dupla de to- madas, ou uma tomada e qualquer das extremi- dades do enrolamento secundário. Transformadores para circuitos trifásicos podem ser ligados em qualquer uma das várias combinações das ligações “ípsilon (y) e delta (∆)”. A ligação usada depende dos requisitos para o transformador. Quando a ligação ípsilon é usada em transformadores trifásicos, um quarto fio ou neutro pode ser usado. O fio neutro liga equi- pamentos monofásicos ao transformador. As voltagens (115v) entre qualquer uma das linhas trifásicas e o fio neutro podem ser usadas por dispositivos como lâmpadas ou motores mono- fásicos. Todos os quatro fios, em combinação podem fornecer energia de 208 volts, trifásica, para funcionamento de equipamentos trifásicos, tais como motores trifásicos ou retificadores. Quando apenas equipamento trifásico é usado, o fio terra pode ser omitido. Isto permite um sis- tema trifásico de três fios, conforme ilustrado na figura 8-208. 8-97 Figura 8-208 Primário e secundário com liga- ção ípsilon (Y). A figura 8-209 mostra o primário e o secundário com ligação delta. Com este tipo de ligação, o transformador tem a mesma saída de voltagem da voltagem de linha. Entre quaisquer das duas fases, a volta- gem é 240 volts. Neste tipo de ligação, os fios A, B e C podem fornecer 240 volts de força trifásica para operação de equipamentos trifási- cos. Figura 8-209 Primário e secundário com ligação delta. O tipo de ligação usado para bobinas primárias, pode ou não, ser o mesmo usado para bobinas secundárias. Por exemplo, o primário pode ser uma ligação delta e o secundário uma ligação ípsilon. Isso é chamado de ligação delta-ípsilon de transformador. Outras combinações são del- ta-delta, ípsilon-delta e ípsilon-ípsilon. Análise e pesquisa de panes em transforma- dores Existem ocasiões em que um transfor- mador precisa ser testado quanto a interrupções e “curtos” e, é muitas vezes, necessário deter- minar se um transformador é de elevação ou redução. Um enrolamento aberto pode ser locali- zado por meio de um ohmímetro, conforme mostrado na figura 8-210. Ligado conforme demonstrado, o ohmímetro marcaria resistência infinita. Se não houvesse interrupção na bobina, ele indicaria o valor de resistência do fio da bobina. Também o primário, quanto o secundá- rio, podem ser testados da mesma maneira. Figura 8-210 Testando quanto ao rompimento do enrolamento de um transfor- mador. O ohmímetro pode também ser usado para testar enrolamentos “em curto”, conforme demonstrado na figura 8-211, entretanto, este método não é preciso. Se, por exemplo, o trans- formador tendo 500 espiras, e uma resistência de 2 ohms estivesse com 5 espiras “em curto”, a resistência seria reduzida, aproximadamente 1,98 ohms, que não seria o suficiente para ser lido no ohmímetro. Figura 8-211 Testando quanto a “curto” no enrolamento de transformadores. Neste caso, a voltagem de entrada pode ser aplicada ao primário para permitir medição da voltagem de saída no secundário. Se a volta- gem no secundário for baixa pode ser concluído que o transformador tenha alguns enrolamentos “em curto”, e ele deva ser substituído. Se a vol-