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Instalação Elétrica sem Segredos
Introdução
A energia elétrica é, sem dúvida, um dos maiores bens essenciais de que atualmente
podemos dispor.
Os avanços tecnológicos dos últimos séculos se mostraram de extrema importância
para a sociedade moderna. Equipamentos eletroeletrônicos, como computador,
televisão, aparelhos de som, condicionadores de ar, aquecedores e diversos outros
equipamentos só existem graças à energia elétrica.
A descoberta das cargas elétricas por Tales de Mileto, na Grécia antiga, foi
fundamental para a evolução tecnológica dos tempos modernos e hoje já não
conseguimos mais imaginar nossa vida sem a energia eléctrica, pois é ela que ilumina
nossos lares, movimenta nossos eletrodomésticos, permite o funcionamento dos
aparelhos eletrônicos e aquece nosso banho.
Por outro lado, a eletricidade quando mal empregada, pode trazer alguns riscos e
prejuízos como: choques, curtos-circuitos, aquecimento dos condutores, causadores
de tantos incêndios, queima prematura de equipamentos, perdas elétricas na rede e
até o aumento do consumo involuntariamente.
A melhor forma de convivermos em harmonia com a eletricidade é conhecê-la,
tirando-lhe o maior proveito e desfrutando de todo o seu conforto com a máxima
segurança.
O objetivo deste curso é fornecer, em linguagem simples, as informações mais
importantes relativas a eletricidade e seu emprego em instalações elétricas, quais
seus principais componentes, como dimensioná-los e escolhê-los.
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Capítulo 1 – Noções Gerais sobre Eletricidade
1.1 - Energia
Energia é a capacidade de produzir trabalho e ela pode se apresentar sob várias
formas:
• Energia térmica;
• Energia mecânica;
• Energia elétrica;
• Energia química;
• Energia atômica, etc.
Uma das mais importantes características da energia é a possibilidade de sua
transformação de uma forma para outra. Por exemplo: a energia térmica pode ser
convertida em energia mecânica (motores de combustão interna), energia química em
energia elétrica (pilhas), etc. Entretanto, na maioria das formas em que a energia se
apresenta, ela não pode ser transportada, ela tem que ser utilizada no mesmo local em
que é produzida.
1.2 – Energia Elétrica
A energia elétrica é uma forma de energia que pode ser transportada com maior
facilidade, pois bastam termos condutores (fios) que conseguimos levá-la de um local
para outro. Para chegar a nossas casas, nas ruas, no comércio, etc... ela percorre um
longo caminho a partir do ponto onde é gerada.
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A energia elétrica passa por 3 principais etapas:
Geração: A energia elétrica é produzida a partir da rotação de um eixo de uma turbina
que movimenta um gerador. Esta rotação é causada por diferentes fontes, como por
exemplo, a força da água (hidrelétrica), a força do vapor (termoelétrica) que pode ter
origem na queima do carvão ou óleo combustível, na fissão do urânio (nuclear) e ainda
com a força dos ventos (eólica). Temos ainda a geração de energia através de painéis
fotovoltaicos que convertem a luz solar em energia elétrica.
Fontes geradoras de energia elétrica (hidrelétrica, eólica e fotovoltaica)
Transmissão: As usinas hidroelétricas nem sempre se situam próximas aos centros
consumidores de energia elétrica. Por isso, é preciso transportar a energia elétrica
produzida nas usinas até os locais de consumo: cidades, indústrias, propriedades
rurais, etc. Para viabilizar o transporte de energia elétrica, são construídas as
Subestações elevadoras de tensão e as Linhas de Transmissão.
Torres de transmissão
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Distribuição: Nas cidades são construídas as subestações transformadoras, cuja função
é baixar a tensão do nível de transmissão (muito alto), para o nível de distribuição. A
Rede de Distribuição recebe a energia elétrica em um nível de tensão adequado à sua
distribuição por toda a cidade, porém, inadequada para sua utilização imediata para a
maioria dos consumidores. Assim, os transformadores instalados nos postes das
cidades fornecem a energia elétrica diretamente para as residências, para o comércio
e outros locais de consumo, no nível de tensão (127/220 Volts, por exemplo),
adequado à utilização.
Distribuição – Subestação, Linhas de distribuição e Transformador
1.3 – História Cronológica da Eletricidade
Ao longo do tempo, a eletricidade foi marcada pela evolução técnica e pelos
desenvolvimentos científicos, estendendo-se a diversos campos da ciência e a
inúmeras aplicações práticas.
A palavra Eletricidade provém do latim electricus, que significa literalmente “produzido
pelo âmbar por fricção”. Este termo tem as suas origens na palavra grega para âmbar
elektron.
O filósofo grego, Tales de Mileto, ao esfregar um pedaço de âmbar numa pele de
carneiro, observou que este atraía pedaços de palha.
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Em 1600 William Gilbert estudando esses fenômenos, verificou que outros corpos
possuíam a mesma propriedade do âmbar. Designou-os com o nome latino “elétrica”.
A partir de 1729, Stephen Gray descobriu a condução da eletricidade, distinguindo
entre condutores e isolantes elétricos, bem como, da indução eletrostática.
Benjamin Franklin descobriu em 1750 que, os relâmpagos são o mesmo que descargas
elétricas e inventou o para-raios.
Charles Augstin de Coulomb publicou em 1785, estudos sobre medição das forças de
atração e repulsão entre dois corpos eletrizados (Lei de Coulomb).
Em 1788 James Watt construiu a primeira máquina a vapor. Esse invento que
impulsionou a 1ª Revolução Industrial. Em sua homenagem, foi dado o seu nome à
unidade de potência elétrica: Watt (W).
Foi fundado na Inglaterra em 1799, o Royal Institution of Great Britain que ajudou o
campo de investigação da eletricidade e magnetismo.
Também em 1799, Alessandro Volta provou que a eletricidade podia ser produzida
utilizando metais diferentes separados por uma solução salina. Volta utilizou discos de
cobre e zinco separados por feltro embebido em ácido sulfúrico para produzir este
efeito. Alessandro Volta explicou a experiência de Luigi Aloísio Galvani em 1786,
colocando entre dois metais a perna de uma rã morta, produzindo contrações nesta.
Ao agregar estes discos uns por cima dos outros, Volta criou a pilha elétrica. A pilha foi
a primeira forma controlada de eletricidade contínua e estável. Em sua homenagem,
foi dado o seu nome à unidade de medida de potencial elétrico: Volt (V).
Em 1819, Hans Christian Oersted detectou e investigou a relação entre a eletricidade e
o magnetismo (eletromagnetismo).
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André Marie Ampère desenvolveu em 1820, um estudo e estabeleceu as leis do
eletromagnetismo. Em sua homenagem, foi dado o seu nome à unidade de medida de
intensidade de corrente elétrica: Ampère (A).
Em 1827, Joseph Henry iniciou uma série de experiências eletromagnéticas e descobriu
o conceito de indução elétrica, construindo o primeiro motor elétrico.
Também em 1827, Georg Simon Ohm, trabalhando no campo da corrente elétrica
desenvolveu a primeira teoria matemática da condução elétrica nos circuitos: Lei de
Ohm. O trabalho só foi reconhecido em 1841. Em sua homenagem, foi dado o seu
nome à unidade de resistência elétrica: Ohm (Ω).
Em 1831, Michel Faraday descobriu o fenômeno da indução eletromagnética,
explicando que é necessária uma alteração no campo magnético para criar corrente.
Faraday descobriu que a variação na intensidade de uma corrente elétrica que
percorre um circuito fechado, induz uma corrente numa bobina próxima. Observou
também, uma corrente induzida ao introduzir-se um imã nessa bobina. Estes
resultados tiveram uma rápida aplicação na geração de corrente elétrica.
Em 1838, Samuel Finley Breese Morse conclui o seu invento do telégrafo.
Em 1860, Antonio Pacinotti construiu a primeira máquina de corrente contínua com
enrolamento fechado em anel. Nove anos depois, Zénobe Gramme apresentou a sua
máquina dínamo - elétrico, aproveitando o enrolamento em anel.
Em 1875 foi instalado, em uma estação de trem em Paris, um gerador para ascender as
lâmpadas da estação, através da energia elétrica. Foram fabricadas máquinas a vapor
para movimentar os geradores. A distribuição de eletricidade é feita inicialmente em
condutores de ferro, posteriormente de cobre e a partir de 1850, os fios são isolados
por uma goma vulcanizada.
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Em 1873 foi realizada pela primeira vez a reversibilidade das máquinas elétricas,
através de duas máquinas Gramme que funcionavam, uma como geradora e a outra
como motora. Ainda neste mesmo ano foi publicado o Tratado sobre Eletricidade e
Magnetismo por James Clerk Maxwell. Este tratado, juntamente com as experiências
levadas a efeito por Heinrich Rudolph Hertz em 1885 sobre as propriedades das ondas
eletromagnéticas geradas por uma bobina de indução, demonstrou que as ondas de
rádio e luz são ondas eletromagnéticas, diferindo apenas na sua frequência.
Em 1876, Alexandre Graham Bell patenteou o primeiro telefone com utilização prática.
Thomas Alvas Edison fez uma demonstração pública de sua lâmpada incandescente,
em 1879. No mesmo ano, Ernest Werner Von Siemens pôs em circulação, em uma
exposição em Berlim, o primeiro comboio movido à energia elétrica.
A primeira central hidroelétrica foi instalada em 1886 nas cataratas do Niágara. Na
década subsequente foram ensaiados, os primeiros transportes de energia elétrica em
corrente contínua. Máquinas elétricas como o alternador, o transformador e o motor
assíncrono foram desenvolvidas ao ser estabelecidas a supremacia da corrente
alternada sobre a corrente contínua.
Gugliemo Marchese Marconi aproveitando estas idéias dez anos mais tarde, utiliza
ondas de rádio no seu telégrafo sem fio. Em 1901 foi transmitida a primeira mensagem
de rádio através do Oceano Atlântico.
O elétron, partícula de carga negativa presente no átomo, foi descoberto por Joseph
Jone Thompson em 1897.
Em 1907 Ernest Rutherford, Niels Bohr e James Chadwick estabeleceram a atual
definição de estrutura do átomo, até então, considerada a menor porção de matéria
não divisível.
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1.4 – O Átomo
Tudo que ocupa lugar no espaço é matéria. A matéria é constituída por partículas
muito pequenas chamada de átomos. Os átomos por sua vez são constituídos por
partículas subatômicas: elétron, próton e nêutron, sendo que o elétron é a carga
negativa (-) fundamental da eletricidade e estão girando ao redor do núcleo do átomo
em trajetórias concêntricas denominadas de órbitas.
O próton é a carga positiva fundamental (+) da eletricidade e estão no núcleo do
átomo. É o número de prótons no núcleo que determina o número atômico daquele
átomo. Também no núcleo é encontrado o nêutron, carga neutra fundamental da
eletricidade.
No seu estado natural um átomo está sempre em equilíbrio, ou seja, contém o mesmo
número de prótons e elétrons. Como cargas contrárias se anulam, e o elétron e próton
possuem o mesmo valor absoluto de carga elétrica, isto torna o átomo natural num
átomo neutro.
Estrutura do Átomo
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1.5 – Átomo Estável e Instável
Um átomo é estável como vimos anteriormente, quando a quantidade de energia dos
elétrons (-) e dos prótons (+) são iguais. Como os elétrons estão divididos em camadas
distanciadas proporcionalmente do núcleo, os mesmo possuem energias diferentes,
chamados níveis de energia. O nível de energia de um elétron é diretamente
proporcional a distância do seu núcleo. Os elétrons situados na camada mais externa
são chamados de elétrons de valência. Quando estes elétrons recebem do meio
externo mais energia, isto pode fazer com o elétron se desloque para um nível de
energia mais alto. Se isto ocorre, dizemos que o átomo está num estado excitado e,
portanto instável. Na camada mais externa suficiente, alguns dos elétrons de valência
abandonarão o átomo, se tornando elétrons livres que produz a corrente elétrica num
condutor metálico.
1.6 – Lei das Cargas Elétricas
Alguns átomos são capazes de ceder elétrons e outros são capazes de receber
elétrons. Quando isto ocorre, a distribuição positivas e negativas que era igual deixa de
existir. Um corpo passa a ter excesso e outro falta de elétrons. O corpo com excesso de
elétrons passa a ter uma carga com polaridade negativa, e o corpo com falta de
elétrons terá uma carga com polaridade positiva.
Cargas negativas se repelem
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Cargas negativas se repelem
Cargas opostas se atraem
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Capítulo 2 – Grandezas Elétricas Básicas
2.1- Condutores e Isolantes
A estrutura íntima dos materiais é um ramo da Física que ainda não está
completamente estudado. No entanto, grande parte dos fenômenos elétricos e
eletromagnéticos pode ser explicada usando-se um modelo bastante simples,
conhecido como o átomo de Rutherford.
Átomo de Rutherford
O modelo de Rutherford, também chamado planetário propõe que qualquer átomo
possui um núcleo – composto por cargas positivas (prótons) e neutras (nêutrons) – em
torno do qual circulam cargas negativas (elétrons) em órbitas bem definidas.
Para o estudo de Eletricidade importam apenas os elétrons que ocupam a camada
mais distante do núcleo.
São as propriedades desses elétrons que ditarão as características elétricas do
material. Assim, se os elétrons da camada mais externa estiverem frouxamente ligados
ao núcleo, eles poderão “fugir” do átomo, tornando-se elétrons livres, capazes de se
movimentar aleatoriamente através do material. Na maior parte dos casos práticos,
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são esses elétrons livres que participam dos processos elétricos como portadores de
corrente.
Materiais condutores são aqueles que possuem grande quantidade de elétrons-livres:
mesmo pequenas quantidades de energia são suficientes para desalojá-los de seus
átomos. Materiais desta categoria, que inclui a maioria dos metais, são adequados
para a confecção de fios, fusíveis, contatos, etc.
Nos materiais isolantes, mesmo os elétrons mais externos estão fortemente ligados ao
núcleo, de forma que só podem ser libertados pela aplicação de grandes quantidades
de energia. Isso os tornando adequados para a confecção de dispositivos de isolação
(dielétricos): borrachas, cerâmicas e poliestireno são alguns desses materiais.
No linguajar dos eletricistas, o termo condutor costuma ser aplicado aos fios e cabos,
elementos usados na transmissão e distribuição de energia elétrica. Os fios são
condutores maciços e rígidos; cabos são condutores formados por dois ou mais fios,
geralmente trançados, o que lhes confere maior flexibilidade.
2.2 - Tensão e Corrente Elétrica
Como vimos anteriormente, o átomo é composto de três partículas básicas: Prótons,
Nêutrons e Elétrons. Os Prótons e os Nêutrons formam o núcleo do átomo. O Próton
tem carga positiva e Nêutron não possui carga elétrica. As suas massas são
equivalentes. O Elétron possui uma carga negativa e a sua massa, por ser muito
pequena, é desprezível.
Em um átomo, o número de Elétrons é igual ao número de Prótons, sendo portanto, o
átomo eletricamente neutro, pois a soma das cargas dos Elétrons (negativas) com as
cargas dos Prótons (positivas) é igual a zero.
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Os Elétrons existentes em um condutor de eletricidade estão em constante
movimento desordenado.
Movimento desordenado de elétrons
Para que estes elétrons se movimentem de forma ordenada nos fios, é necessário ter
uma força que os empurre. Essa força é chamada de Tensão Elétrica (U). Sua unidade
de medida é o Volt. O símbolo desta unidade é V. Exemplo: Tensão elétrica de 127 V
(Volts).
Movimento ordenado de elétrons
O movimento ordenado de elétrons, provocado pela tensão elétrica, forma uma
corrente de elétrons. Essa corrente de elétrons é chamada de Corrente Elétrica (I). Sua
unidade de medida é o Ampère. O símbolo desta unidade é A. Exemplo: Corrente
elétrica de 10 A (Ampères).
Nos condutores metálicos as cargas disponíveis são negativas (elétrons livres), de
modo que o seu deslocamento coincide com o chamado sentido eletrônico da
corrente. No entanto, historicamente os conceitos da Física foram criados a partir de
cargas positivas; chama-se sentido convencional àquele do deslocamento dessas
cargas positivas.
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Movimento ordenado de elétrons em um fio
Sentido da corrente elétrica
Para que se tenha uma ideia do comportamento da tensão e da corrente elétrica,
vamos fazer uma comparação com uma instalação hidráulica. A pressão feita pela água
depende da altura da caixa d’água. A quantidade de água que flui pelo cano vai
depender desta pressão, do diâmetro do cano e da abertura da torneira.
A “pressão” que “empurra” a energia elétrica é chamada de Tensão Elétrica (U).
A Corrente Elétrica (I) que circula pelo circuito depende da Tensão e da Resistência
Elétrica (R).
A Resistência Elétrica (R) que o circuito elétrico oferece à passagem da corrente é
medida em Ohms (Ω) e varia com a seção (bitola) dos condutores elétricos.
2.3 – Corrente Contínua e Alternada
Quando o fluxo e o sentido da corrente em um condutor não variam com o tempo,
está-se tratando de corrente contínua (CC). Equipamentos alimentados por pilhas ou
baterias operam com correntes desse tipo.
Se o fluxo e o sentido variam no tempo de forma a serem descritos por uma função
senoidal, diz-se tratar de corrente alternada (CA), utilizada em nossas residências.
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A Corrente Alternada (CA) tem a sua polaridade invertida um certo número de vezes
por segundo. O número de oscilações que a corrente elétrica faz por segundo é
denominado de Frequência. A sua unidade é Hertz e o seu símbolo é Hz. Um Hertz
corresponde a um ciclo completo durante um segundo.
Corrente contínua (CC)
Corrente alternada (CA)
2.4 - Resistência Elétrica – Lei de Ohm
Resistência Elétrica (R) é a oposição que o circuito oferece à circulação da corrente
elétrica. A unidade da Resistência Elétrica é o Ohm e o seu símbolo é o Ω (letra grega
chamada de ômega).
Lei de Ohm é assim chamada, devido ao físico que a descobriu. Essa Lei estabelece que
se for aplicado em um circuito elétrico, uma tensão (U) de 1 Volt, cuja resistência
elétrica seja de 1 Ω , a corrente que circulará pelo circuito, será de 1 Ampere.
Temos então: I=U/R
Onde:
I = é a corrente elétrica
U = é a tensão
R = é a resistência do circuito.
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2.5 – Potência Elétrica
A Potência é definida como sendo o trabalho efetuado na unidade do tempo. A
Potência Elétrica (P) é calculada através da multiplicação da Tensão pela Corrente
Elétrica de um circuito. A unidade da Potência Elétrica é o Watt e o seu símbolo é o W.
Uma lâmpada ao ser percorrida pela corrente elétrica acende e aquece. A luz e o calor
produzidos nada mais são do que o resultado da potência elétrica que foi
transformada em potência luminosa (luz) e potência térmica (calor).
Temos então: P = U x I
Onde:
P = é a potência elétrica
I = é a corrente elétrica
U = é a tensão
Abaixo temos uma tabela resumo das grandezas, unidades e seus múltiplos e
submúltiplos.
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2.6 – Fator de Potência
A potência aparente (VA) é composta por duas parcelas: A potência ativa e a potência
reativa.
A potência ativa representa a energia que está sendo convertida em trabalho no
equipamento e sua unidade é o watt (W).
A potência reativa representa a energia que está sendo utilizada para produzir os
campos elétrico e magnético necessários para o funcionamento de alguns tipos de
cargas como, por exemplo, motores, transformadores, reatores, etc... e sua unidade é
volt-ampère reativo (Var).
Para melhor entender o real significado dessas três potências, vamos fazer novamente
uma analogia, agora com a cerveja.
Como pode ser visto na figura acima, a Potência Ativa (W) representa a porção líquida
do copo, ou seja, a parte que realmente será utilizada para matar a sede.
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Como na vida nem tudo é perfeito, junto com a cerveja vem uma parte de espuma,
representada pela Potência Reativa (VAr). Essa espuma está ocupando lugar no copo,
porém não é utilizada para matar a sede.
O conteúdo total do copo representa a Potência Aparente (VA)
Tanto espuma quanto cerveja ocupam espaço no copo, da mesma forma que potência
ativa e reativa ocupam a rede elétrica, diminuindo a real capacidade de transmissão de
potência ativa da rede, em função de potência reativa ali presente.
Com base nos conceitos básicos apresentados pode se dizer que o Fator de Potência é
a grandeza que relaciona a Potência Ativa e a Potência Aparente.
A analogia da cerveja pode ser utilizada para as seguintes observações iniciais:
- Quanto menos espuma tiver no copo, haverá mais cerveja. Da mesma maneira,
quanto menos Potência Reativa for consumida, maior será o Fator de Potência.
- Se um sistema que não consome Potência Reativa possui um Fator de Potência
unitário, ou seja, toda a potência drenada da fonte (rede elétrica) é convertida em
trabalho.
Em um mundo ideal, relembrando a analogia da cerveja, VAr deve ser muito pequena
(a espuma deve se aproximar de zero) com W e VA praticamente iguais, com menos
espuma e mais cerveja. Desta forma há um melhor aproveitamento da capacidade do
copo (rede elétrica).
Em projetos de instalação elétrica residencial os cálculos efetuados são baseados na
potência aparente e potência ativa. Portanto, é importante conhecer a relação entre
elas para que se entenda o que é fator de potência.
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2.7 – Cálculo da Energia Elétrica
A Energia Elétrica (E) é a Potência Elétrica (P) vezes o tempo de utilização do qual o
fenômeno elétrico acontece (uma lâmpada acesa, por exemplo). A unidade de Energia
Elétrica (E) é o Watt-hora e o seu símbolo é Wh.
Temos então: E = (U x I) x t ou E = P x t
Onde:
E = é a energia elétrica
P = é a potência elétrica
I = é a corrente elétrica
U = é a tensão
t = é o tempo (normalmente em horas)
Vamos calcular a Corrente, Resistência e Energia consumida, considerando uma
lâmpada incandescente de 100 Watts em 127 Volts ligada 12 horas por noite.
a) Corrente Elétrica (I = P / U)
100W/127V = 0,787 Amperes
b) Resistência Elétrica (R = U / I)
127V/0,787A = 161,37 Ω
c) Energia Elétrica (E = P x t)
100W x 12h = 1200 Wh ou 1,2KWh
Considerando o valor do kWh residencial como R$ 0,48, teremos ao fim do período de
um mês (30 dias) o custo de R$ 17,28 para manter esta iluminação.
1,2 x R$0,48 x 30 dias= R$ 17,28
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