Eletricidade Básica
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CAPÍTULO 2 – Eletricidade Básica PROBLEMATIZAÇÃO Ao observarmos as especificações das cercas elétricas verificamos informações como a energia máxima que está associada a cada pulso gerado, a tensão máxima pulsante com que elas funcionam, a corrente elétrica que elas disponibilizam, a freqüência dos pulsos, a duração de cada pulso, entre outras. Mas o que significam estas informações? O que significa corrente elétrica e tensão elétrica? Corrente elétrica e tensão elétrica são grandezas idênticas que possuem as mesmas unidades de medida? Energia e potência são grandezas idênticas, que podem ser utilizadas indistintamente em nosso dia-a-dia? Que tipo de circuito elétrico temos na instalação elétrica de nossas residências? Quais as características de um circuito série? Quais as características de um circuito paralelo? A Figura 3 mostra uma das placas da cerca elétrica didática, em destaque. Qual é a função dos resistores 1 até 6? R1 até R5 estão em série ou paralelo? e R7 e R8? e R9 e R10? Qual é a função das listas coloridas existentes no invólucro destes componentes? FIGURA 3 UMA DAS PLACAS DA CERCA ELÉTRICA DIDÁTICA Há cercas elétricas que permanecem ligadas diuturnamente. O consumo de energia elétrica destes dispositivos é alto em comparação com uma lâmpada incandescente de 60 W, por exemplo? Quais os possíveis efeitos da corrente elétrica ao circular pelo corpo humano? 2.1 Corrente elétrica O desenvolvimento da eletricidade, da Física de forma geral depende necessariamente do desenvolvimento de modelos. Estes, por sua vez, são elaborados dentro de teorias. O modelo que será apresentado neste capítulo, que tem por base a Mecânica Clássica, foi proposto em 1900 pelo físico alemão Paul Drudde, e nove anos depois recebeu contribuição importante de um físico de nacionalidade austríaca chamado Anton Lorentz. Considere o circuito mostrado na Figura 4, que é explorado em Guia de experimentos número 1. Ele é formado por uma bateria, fios de cobre, um resistor, um buzzer1 e uma chave. Agora leve em conta uma pequena extensão dos fios de cobre que compõem este circuito. Na forma isolada, os átomos deste material, assim como de qualquer outro metal são eletricamente neutros. Cada átomo do material possui 29 elétrons ao redor de um núcleo com 29 prótons. FIGURA 4 CIRCUITO PROPOSTO NO GUIA DE EXPERIMENTOS 1 Conforme a situação da Figura 4 em que o circuito está aberto (chave desligada), de acordo com o modelo mencionado, cada átomo no interior dos fios metálicos do circuito é capaz de perder até dois elétrons e há, portanto, a formação de íons positivos estruturados tridimensionalmente ao longo do fio. Em virtude desses elétrons terem liberdade para se movimentar aleatoriamente entre os íons, podemos chamá-los de elétrons livres, que são a minoria, em comparação com a grande quantidade de elétrons que se mantêm “presos” ao redor dos núcleos. Atente para o fato de que se o circuito estiver aberto o fio de cobre é neutro eletricamente. Podemos classificar o movimento dos íons e elétrons na temperatura ambiente de térmico. É possível fazermos uma estimativa por cálculo da velocidade dos elétrons que movimentam-se aleatoriamente ao longo do fio: ela vale aproximadamente 100000 m/s, e é bem maior que a dos íons que oscilam ao redor de uma posição de equilíbrio. 1 Dispositivo eletrônico que emite um som contínuo ou intermitente quando percorrido por corrente elétrica. É um componente muito utilizado em equipamentos eletrônicos de segurança. Ao fechar o circuito por meio da chave estaremos associando às extremidades do circuito uma fonte de energia externa, que neste caso é a bateria e estabelecendo um campo elétrico que atua no interior do fio, fazendo com que tanto os íons positivos quanto os elétrons livres fiquem submetidos a uma força de natureza elétrica. Em virtude de haver interação entre os íons e a inércia deles ser muito grande, seu movimento é praticamente inalterado com a aplicação desta força. Entretanto o movimento dos elétrons livres é causado pela superposição de dois movimentos, aquele que surge pela existência do campo elétrico e aquele aleatório de origem térmica. A corrente elétrica neste caso está relacionada apenas ao movimento resultante dos elétrons livres em virtude da ação do campo elétrico, com uma velocidade que é muito menor do que a do movimento aleatório. É importante salientarmos que mesmo que o fio esteja sendo percorrido por corrente elétrica, o número de elétrons no interior dele é igual ao número de prótons. Assim sendo, o fio estando ou não sendo percorrido por corrente elétrica o saldo da carga elétrica em cada momento é igual a zero, ou seja, ele não se encontra carregado eletricamente. Os elétrons livres que estão no interior do fio são chamados também de elétrons de condução. 2.2 Fontes de energia elétrica Quem promove no circuito o fornecimento de energia elétrica são as chamadas fontes de voltagem. Constituem exemplos de fontes de voltagem os geradores elétricos, as pilhas e as baterias. A tensão elétrica, que é uma das grandezas que caracterizam estas fontes voltagem, possui como unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades o volt (V). A energia elétrica que provém das tomadas origina-se dos geradores elétricos de usinas como hidrelétricas, termoelétricas, parques eólicos, etc.. As tomadas são especificadas por 110 V ou 220 V, as baterias de automóvel por 12 V e as pilhas por 1,5 V e 1,2 V, por exemplo. As fontes de voltagem realizam trabalho para separar as cargas positivas das negativas. O que difere nos exemplos citados (geradores elétricos, pilhas e baterias) é a maneira pelo qual ocorre a separação. Enquanto nos geradores elétricos o processo que separa as cargas é denominado de indução eletromagnética, nas pilhas e baterias há um processo químico envolvido. Em virtude das cargas elétricas serem separadas, em cada terminal das fontes haverá valores diferenciados de energia potencial elétrica por unidade de carga, e teremos uma diferença de potencial elétrico, denominada de voltagem ou ddp entre estes terminais. A quantidade de energia elétrica que uma fonte pode fornecer a um circuito está intimamente relacionada à tensão elétrica ou diferença de potencial elétrico existente entre seus terminais. Se o circuito da Figura 4 estiver fechado e a bateria estiver fornecendo 9 V para o mesmo, cada coulomb que é impelido a percorrer o circuito recebe 9 joules de energia ao passar pela bateria. Um coulomb é a unidade de medida da carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades e representa a carga elétrica de 6,25.1018 elétrons, isto é, 6,25 bilhões de bilhões de elétrons. 2.3 Intensidade de corrente elétrica Considere um fio metálico de cobre do circuito da Figura 4, que funciona com uma bateria. Enfoquemos neste momento uma área imaginária de secção transversal ao fio. Se o circuito está aberto, o saldo do número de elétrons livres que passam pela área imaginária é igual a zero. Ao fecharmos o circuito o saldo do número de elétrons livres que atravessam a área de secção transversal torna-se diferente de zero. Isto ocorre devido aos elétrons livres serem acelerados na direção do campo elétrico, que é causado pela diferença de potencial aplicada nas extremidades do circuito. Apesar do movimento inicialmente aleatório dos elétrons livres, a ação do campo gera um deslocamento resultante que constitui a corrente elétrica. Define-se corrente elétrica como a quantidade de carga que passa pela área de secção transversal ao fio dividida pelo tempo necessário para que isto ocorra. A unidade de medida da corrente elétrica no Sistema Internacional de Unidades é o ampere (A). Isto se deve em homenagem ao importante físico francês chamado André-Marie Ampère. 2.4 Resistência elétrica As fontes de voltagem como as baterias, pilhas e geradores fornecem a energia elétrica para os circuitos funcionarem. Suponha dois condutores com diferentes características submetidos à mesma voltagem entre suas extremidades. Aquele que possuir maior resistência elétrica será percorrido por intensidade de corrente elétrica menor. Já aquele que possuir menor resistência elétrica será percorrido por maior intensidade de corrente elétrica. Considerando o Sistema Internacional de Unidades a unidade de medida da resistência elétrica é ohm, que é simbolizado pela letra ômega (Ω) do alfabeto grego. Isto se deve em homenagem a um cientista alemão chamado Georg Simon Ohm. Este importante físico elaborou uma Lei que afirma o seguinte: A resistência elétrica associada a vários condutores mantém-se praticamente constante em um determinado intervalo de temperatura, independente da tensão elétrica entre suas extremidades e da corrente elétrica que o atravessa. A intensidade de corrente elétrica que percorre um condutor não depende apenas da voltagem aplicada entre suas extremidades, mas também da resistência elétrica do mesmo. É importante salientarmos que esta por sua vez está associada tanto ao número de portadores de carga que existem no condutor como também à dificuldade que estes portadores possuem para se deslocarem. Os fatores que influenciam na resistência elétrica de um condutor são: o comprimento do mesmo, a área de sua seção reta, e o material que o constitui, que está associado à sua resistividade. Esta última grandeza, que também pode ser chamada de resistência específica, é representada pela letra rô (ρ) do alfabeto grego, e depende da temperatura em questão. Considerando dois fios condutores de mesmas dimensões, aquele que possuir maior resistividade, possuirá maior resistência elétrica. A resistividade é uma grandeza inversamente proporcional à condutividade. Quanto maior for o comprimento de um fio, maior será sua resistência elétrica. Supondo dois fios condutores de mesmo comprimento e resistividade, o mais grosso terá menor resistência elétrica. A resistividade de grande parte dos materiais, como o alumínio, cobre e mercúrio, aumenta quando são submetidos a um aquecimento. Mas há exceções, por exemplo, o germânio, silício, carbono e constantan (40% de níquel e 60% de cobre) têm sua resistividade reduzida com o aumento de temperatura. Observe na Tabela 1 do primeiro Capítulo que o fabricante 1 não informa a corrente elétrica que poderá circular por uma pessoa que porventura toque na fiação. Este valor depende não só da tensão com que a cerca elétrica trabalha, mas da resistência elétrica que o corpo da pessoa oferece à passagem da corrente. O fabricante 2 menciona a corrente elétrica, mas qual será o componente resistivo que ele utilizou no experimento? Este valor deveria ter sido mostrado. Já o fabricante 3 indica a corrente elétrica que circula mencionando o valor da carga. Esta carga é o tal componente resistivo que se utiliza no ensaio, por isto seu valor é expresso em ohms (Ω). 2.5 Efeito térmico da corrente elétrica Existem dispositivos que são fabricados tendo como base o efeito térmico da corrente elétrica. Eles podem ser denominados de equipamentos resistivos e proporcionam aumento na temperatura em suas imediações. Podemos citar como exemplos as estufas, chuveiros, torneiras elétricas, etc. Ao conectarmos os terminais de um equipamento resistivo a uma fonte de energia externa haverá o fornecimento de energia elétrica ao mesmo, e passará a existir um campo elétrico na direção dos fios do dispositivo, que provoca uma força de natureza elétrica agindo sobre os elétrons livres. Em virtude de os elétrons livres receberem energia da fonte externa ocorre um crescimento em sua energia cinética. Por meio de choques eles transferem energia para os íons da rede dispostos ao longo do fio que passam a oscilar agora mais intensamente. O crescimento na energia cinética dos íons da rede é acompanhado do crescimento na energia interna associada à rede em que eles se encontram. Com isto há um aumento na temperatura do fio e conseqüentemente a liberação de energia para o ambiente que circunda estes dispositivos na forma de calor ou luz. Embora outros equipamentos não sejam projetados para funcionar usando este efeito (batedeira e ventilador, por exemplo), os fios de cobre que os compõem sofrem este efeito em virtude da passagem da corrente elétrica, e, em relação aos equipamentos resistivos, possuem um menor consumo de energia elétrica. 2.6 Resistores Qualquer componente em um circuito apresenta certa resistência elétrica. Os resistores são componentes fabricados com o objetivo de apresentar resistência elétrica específica, que pode ser fixa ou variável. Em geral a função dos resistores é de limitar o valor da corrente elétrica de um circuito, que passa por um trecho deste, ou até por um determinado componente. Os LEDs, por exemplo, são componentes que possuem um limite máximo no valor da corrente elétrica que podem conduzir sem serem danificados. Por isso é aconselhável sempre associarmos em série com os LEDs nos circuitos um resistor com resistência previamente calculada de modo a não danificar este componente quando em funcionamento. 2.6.1 Resistores fixos Sabemos que um dos efeitos da corrente elétrica é o térmico. Os resistores fixos possuem um papel importante no circuito que é de proporcionar uma redução controlada da intensidade de corrente elétrica que percorre um circuito de um ponto a outro, provocando uma queda de tensão entre esses pontos. Eles possuem um valor nominal para a resistência que pode variar desde 0,1 ohm até mais de 20 milhões de ohms. Há vários tipos de resistores fixos: os de filme de carbono, de filme cerâmico, de filme sedimentado, de fio enrolado e de plástico condutivo. Os resistores de carvão ou filme de carbono são os mais simples. A Figura 5 mostra resistores deste tipo de diferentes potências. FIGURA 5 RESISTORES DE DIFERENTES POTÊNCIAS Na Figura 6 podemos observar sua estrutura interna: FIGURA 6 ESTRUTURA INTERNA DE UM RESISTOR DE FILME DE CARBONO FIGURA 7 SIMBOLOGIA USUAL DOS RESISTORES Enquanto o primeiro símbolo da Figura 7 representa os resistores no continente americano e no Japão, o segundo representa este componente na Europa. Em virtude de estes componentes em geral serem pequenos, suas especificações não são marcadas no invólucro com números e letras, por isso são utilizadas faixas coloridas com o intuito de facilitar a leitura de suas características. Observe abaixo a tabela de código de cores para os resistores: TABELA 2 - TABELA DE CÓDIGO DE CORES PARA RESISTORES COR 1ª FAIXA Dígito 1 2ª FAIXA Dígito 2 3ª FAIXA Fator de Multiplicação 4ª FAIXA Tolerância PRETO -------- 0 1 --------- MARROM 1 1 10 1% VERMELHO 2 2 102 2% LARANJA 3 3 103 3% AMARELO 4 4 104 4% VERDE 5 5 105 -------- AZUL 6 6 106 -------- VIOLETA 7 7 107 -------- CINZA 8 8 108 -------- BRANCO 9 9 109 -------- DOURADO ------- ------- 10-1 5% PRATEADO ------- ------- 10-2 10% SEM COR ------- ------- --------- 20% A pessoa que deseja verificar a resistência do resistor por meio de suas faixas deve posicionar o componente à sua frente e fazer a leitura da faixa mais próxima da extremidade para o centro. Considere que tenhamos um resistor com a seguinte seqüência de cores lida da extremidade para o centro: marrom, verde, vermelha, e dourada. A primeira e segunda faixa estão relacionadas a dois dígitos da resistência. Nesse caso: Marrom → 1 e Verde → 5 , assim forma-se 15. A terceira faixa (vermelha) nos indica que devemos multiplicar 15 por 102, ou seja, por 100. Assim teremos: Resistência = 1500 Ω. Podemos ainda expressar a resistência do resistor por 1,5 k Ω. A quarta faixa (dourada) indica que o fabricante garante uma tolerância de 5%, ou seja, de acordo com o fabricante a resistência deste resistor encontra-se entre 1425 Ω e 1575 Ω. Existem no mercado resistores com três faixas. Nestes casos eles possuem resistência menor do que 10 Ω e os fabricantes destinam a última faixa dourada ou prateada. Se a terceira e última faixa for dourada divide-se o valor indicado pelas duas primeiras faixas por 10. Caso a terceira faixa seja prateada divide-se o valor indicado nas duas primeiras faixas por 100. Assim, se as cores das faixas de um resistor forem vermelha, vermelha e dourada a resistência deste resistor vale 2,2 Ω e se o resistor possuísse as faixas com cores marrom, verde e prateada teríamos um resistor com 0,15 Ω de resistência. Fique atento para a terceira e última faixa que neste caso significa um divisor e não um dígito ou tolerância. Existem no mercado também resistores que possuem um total de cinco faixas, quatro faixas coloridas que indicam dígitos e uma faixa indicando a tolerância. Estes resistores são confeccionados com 1% ou 2% de tolerância e são chamados de resistores de filme de metal. Neste caso um resistor de 47 kΩ, 2% de tolerância possuirá as seguintes faixas: amarela 4 violeta 7 preta 0 vermelha 2 zeros vermelha 2% Há resistores “de fio” que são em geral maiores do que os de filme ou película de carbono. Assim em virtude de possuírem espaço no invólucro para tal as especificações são informadas por meio de números e letras. FIGURA 8 DOIS RESISTORES DE FIO DE RESPECTIVAMENTE 15 W E 20 W E UM DE PELÍCULA DE CARBONO DE 3 W 2.6.2 Resistores variáveis: potenciômetros e trim-pots Os potenciômetros e trim-pots são resistores variáveis. Por meio deles podemos alterar a resistência elétrica associada ao circuito todo e/ou a certo trecho deste. Observe abaixo a simbologia utilizada para representar os potenciômetros e trim-pots, além do aspecto físico destes componentes. R R R R FIGURA 9 SIMBOLOGIA DOS POTENCIÔMETROS SIMBOLOGIA DOS TRIM-POTS P De modo geral os resistores variáveis neste trabalho são representados pelo símbolo abaixo: R1 FIGURA 10 SIMBOLOGIA DOS RESISTORES VARIÁVEIS C + - T1 T2 R2 POTENCIÔMETROS TRIM-POTS FIGURA 11 POTENCIÔMETROS E TRIM-POTS Tanto um quanto outro resistor variável possui estruturas físicas semelhantes. Eles possuem em seu interior um elemento que pode ser de fio de nicromo ou carbono que apresenta certa resistência. Quando giramos o eixo deles estamos deslocando um cursor sobre este elemento. A resistência elétrica do componente dependerá da posição em que este cursor estiver localizado. Observe a figura abaixo que mostra a imagem de um potenciômetro visto de cima. Ao girarmos o eixo do componente no sentido horário, de A para B, estaremos fazendo com que diminua a resistência entre A e C e aumentando a resistência entre C e B. O valor máximo de resistência que ele pode apresentar corresponde à sua resistência nominal, que é a resistência entre A e B. FIGURA 12 IMAGEM DE UM POTENCIÔMETRO VISTO DE CIMA Os potenciômetros permitem a qualquer instante que giremos seu eixo de modo a alterar suas características no circuito. Eles são utilizados para controlar a intensidade (volume) do som, e nos monitores de computador para ajuste de contraste, brilho e posicionamento da imagem na tela, por exemplo. Os trim-pots são utilizados em situações na qual não precisamos a todo momento estar mudando as características do componente. Assim ao ajustarmos o trimpot estaremos definindo o comportamento do circuito por um longo tempo e, se for preciso, para ajustar este componente novamente temos, na maioria das vezes, de abrir o equipamento. Certos modelos de cercas elétricas fabricadas para uso comercial utilizam um trim-pot para que sejam permitidos ajustes na sensibilidade de disparo do dispositivo, evitando que o equipamento tenha disparos falsos. Alguns potenciômetros além de permitirem um controle no aumento e diminuição de volume em amplificadores e rádios, também exercem a função de interruptor. Assim, com estes potenciômetros podemos ligar e desligar um aparelho, além de poder controlar a intensidade do som emitida pelo mesmo. Os controles de volume de alguns fones de ouvido (head-phones) permitem que alteremos a resistência de um trecho do circuito, alterando com isto a amplitude do sinal de áudio. Desta maneira é que podemos alterar a intensidade do som que é emitida pelos pequenos alto-falantes que compõem estes dispositivos. Existem fones de ouvido com estes controles de volume que podem se conectados ao microcomputador. A Figura 13 mostra esta situação. FIGURA 13 CONTROLE DE VOLUME DE UM HEAD-PHONE INSTALADO EM UM MICROCOMPUTADOR ATIVIDADES Capítulo II: Exercícios de 1 até 8. 2.6.3 Circuitos elétricos -Associação de resistores Quando necessitarmos inserir em um circuito um resistor com determinada resistência, e não existir um valor comercial associado a este componente é possível construirmos uma associação de resistores com a finalidade de conseguir o valor de resistência desejado. Esta associação pode ser em série, em paralelo, ou mista. LINK Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Guias de Experimentos 2: Circuitos série, paralelo e misto. 2.6.3.1 Associação de resistores em série A Figura 14 mostra um circuito simples de resistores dispostos em série com a bateria: V - + R1 R2 R3 FIGURA 14 DIAGRAMA DE UM CIRCUITO SÉRIE FIGURA 15 FOTO DO CIRCUITO SÉRIE ASSOCIADO À FIGURA 14 As principais características de um circuito série são: a) todos os componentes de um circuito série são percorridos pela mesma corrente elétrica. b) a voltagem total mantida pela fonte externa ao circuito divide-se sobre os componentes dispostos em série. c) a queda de voltagem sobre cada componente é diretamente proporcional à resistência elétrica associada a ele, conforme a expressão V= R.i. d) a resistência total de um circuito com N resistores dispostos em série pode ser encontrada somando-se a resistência associada a cada componente. e) a corrente elétrica total do circuito pode ser obtida dividindo-se a tensão aplicada pela fonte externa pela resistência elétrica total associada ao circuito. 2.6.3.2. Associação de resistores em paralelo A Figura 16 mostra um circuito simples com três resistores associados em paralelo: R1 R2 R3 + - V FIGURA 16 DIAGRAMA DE UM CIRCUITO PARALELO FIGURA 17 FOTO DO CIRCUITO PARALELO ASSOCIADO À FIGURA 16 As principais características de um circuito paralelo são: a) todos componentes ficam submetidos à mesma voltagem. b) há uma divisão da corrente elétrica total do circuito e cada ramo do mesmo será percorrido por uma certa corrente elétrica. A soma das correntes que percorrem cada ramo é igual a corrente elétrica total do circuito. c) como cada ramo está submetido à mesma voltagem, a corrente elétrica que percorre cada ramo é inversamente proporcional ao valor da resistência associada ao mesmo. d) quanto mais ramos houver no circuito, menor será a resistência elétrica total do mesmo. e) a resistência elétrica total do circuito é menor do que a resistência de menor valor associada com um dos ramos do circuito. Se desejarmos calcular a resistência equivalente de um conjunto de N resistores disposto em paralelo podemos usar: 2.6.3.3. Divisor de tensão A cerca elétrica didática possui um divisor de tensão, também chamado de divisor resistivo. O divisor deste dispositivo é de aproximadamente 1:10000, de maneira a facilitar a leitura do pulso de alta tensão com um osciloscópio. Dessa maneira um pulso de 10000 V no secundário do transformador será lido por meio de um osciloscópio como um pulso de 1 V. Isto é feito com uma associação em série de resistores tomando o cuidado de obter a tensão de saída (Vsaída) entre dois pontos adequados do circuito . 5 RA= ∑ Ri i=1 RB=R6= 470 Ω FIGURA 18 FIGURA 19 Em nosso caso RB= R6= 470 Ω = 0 47 k Ω e RA=R1 +R2+R3+R4+R5 Como todos os resistores de R1 até R5 possuem a mesma resistência, RA pode ser calculado por meio da seguinte expressão: RA = 5 x 820 k Ω. Então: A função dos resistores 1 até 6 é então servirem como um divisor de tensão. R1 até R5 estão em série. A função das listas coloridas no invólucro dos resistores é de indicar qual é a resistência associada a cada componente. 2.6.3.4. Comentários Podemos avançar na discussão das associações mencionando que elas poderiam ser pensadas para outros dispositivos elétricos como lâmpadas incandescentes, por exemplo. Se várias lâmpadas estiverem dispostas em série e uma delas queimar as outras apagarão, pois o circuito fica aberto, interrompido, fazendo com que a corrente elétrica que percorre o circuito se anule. Isto ocorre com alguns circuitos construídos com lâmpadas para árvores de natal, onde há uma grande quantidade delas em série. No caso de uma delas queimar, várias apagam e torna-se muito trabalhoso descobrirmos qual queimou para trocá-la. Se as lâmpadas mencionadas acima estivessem dispostas em paralelo e uma delas queimasse, as outras continuariam funcionando. Neste caso a corrente elétrica total associada ao circuito diminui. A instalação elétrica dos nossos lares é constituída por uma associação em paralelo. Não devemos utilizar em nossas residências vários equipamentos ligados na mesma tomada por meio de tês ou benjamins. Todos os equipamentos em nossa residência estão ligados em paralelo e cada um corresponde a um ramo do circuito paralelo. Se sobrecarregarmos uma tomada de equipamentos estaremos diminuindo a resistência elétrica total do circuito e daquela região em específico, e isto causa um aumento na corrente elétrica total e na corrente do fio que interliga a rede principal e a tomada. Como este fio geralmente é mais fino, ele poderá superaquecer e poderá ter inicio um incêndio na residência. Quanto mais equipamentos vamos ligando: lâmpadas, microondas, chuveiro, estufa, etc. mais vai diminuindo a resistência elétrica total do circuito e aumentando a intensidade de corrente elétrica associada ao mesmo. Para que não ocorram problemas de incêndio é associado, em série ao longo da linha da rede, um dispositivo de segurança chamado disjuntor para evitar o superaquecimento dos fios. FIGURA 20 EXEMPLAR DE DISJUNTOR (15 A) O disjuntor da Figura 20 é de 15 A. Isto significa que se a corrente que passar por ele superar 15 A o circuito ficará aberto. Depois de sanado o problema que causou o aumento de corrente elétrica mexemos manualmente no dispositivo a fim de fechar seus contatos novamente. Em equipamentos como televisores, microcomputadores e centrais de cercas elétricas são instalados fusíveis com o intuito de proteger o circuito. FIGURA 21 EXEMPLARES DE FUSÍVEIS ATIVIDADES Capítulo II: Exercícios 9 e 10. 2.7 Potência elétrica A potência elétrica é uma grandeza que está associada a uma transferência de energia ou transformação de energia de uma forma em outra em um certo intervalo de tempo. É possível encontrarmos a potência fazendo: No Sistema Internacional de Unidades a unidade de medida da potência elétrica é 1 J/s, que é igual a 1 watt (W). Esta unidade foi escolhida em homenagem a um importante engenheiro chamado James Watt que inventou a máquina a vapor do século XIX. Podemos encontrar a potência elétrica por meio da seguinte expressão: Foi estudado anteriormente que a tensão elétrica fornecida a um equipamento está relacionada à capacidade para fornecer energia elétrica ao mesmo. Se a especificação de um chuveiro elétrico na posição inverno for 5400 W / 220V e ligarmos o mesmo a uma tensão menor, de 110 V, o campo elétrico que atua na direção do fio será menor. Menor também será a força de origem elétrica que atua sobre os elétrons livres que possui a função de aumentar a energia cinética dos mesmos. Nos choques entre os elétrons livres e os íons da rede, menos energia será transferida a esta, menor será a energia cinética de oscilação dos íons da rede e menor o aumento de temperatura do fio. O resistor do chuveiro não aquece tanto quanto deveria, e há menos transferência de energia para a água. Na Tabela 3 é possível observar a potência elétrica de alguns dispositivos utilizados em nosso dia-a-dia. TABELA 3 POTÊNCIA MÉDIA DE APARELHOS ELETRODOMÉSTICOS ADAPTADO DO RIC (REGULAMENTO DE INSTALAÇÕES CONSUMIDORAS), CEEE, setembro de 2006, p. 34, APARELHO Aparelho de som Aquecedor de ambiente Aspirador de pó Aquecedor central de água Balcão frigorífico Batedeira Boiler 40 litros Boiler 80 litros Cafeteira Computador Condicionador de ar Chuveiro elétrico Enceradeira Exaustor Ferro elétrico comum Ferro elétrico regulável Forno elétrico Forno de microondas Freezer acima de 200 litros Freezer até 200 litros Freezer balcão Fritadeira Grill Impressora jato de tinta Impressora laser Liquidificador Máquina de lavar louça Máquina de lavar roupa Refrigerador comum Refrigerador duplex ou freezer Secador de cabelo Secador de roupa Televisor Torneira elétrica Ventilador POTÊNCIA (watt) 200 1500 1000 5000 900 450 900 1200 300 350 1600 5000 350 300 750 1500 5000 1300 150 120 140 1200 1200 50 400 400 2700 1500 200 350 1300 3500 200 3500 100 2.8 Energia elétrica consumida Se desejarmos saber a energia elétrica consumida por um equipamento elétrico é possível obter a partir da expressão anteriormente descrita: Potência elétrica = ΔE / Δt. Consideremos uma lâmpada incandescente 60 W/ 220 V, que fica submetida a 220 V, acesa durante aproximadamente 4 horas por dia. Qual é o consumo de energia elétrica da mesma depois de um mês (30 dias) em kWh e qual o custo sabendo que 1 kWh vale R$ 0, 4010606? 60 W = ΔE / 120 h ΔE= 60 W x 120 h ΔE = 0,06 kW x 120 h ΔE= 7,2 kWh Considerando 1 kWh valendo R$ 0,4010606, o custo em reais é de aproximadamente R$ 2,89. Agora você já sabe como calcular a energia elétrica consumida pelos dispositivos em casa e o custo que isto representa em reais. Procure saber a potência elétrica das cercas elétricas e o custo que sairia se elas ficassem ligadas ininterruptamente durante 30 dias, 24 horas por dia. Compare com o custo em reais calculado anteriormente. LINK Sugere-se que você realize as tarefas propostas em Guias de Experimentos 3: Experimento com medidor de energia elétrica. ATIVIDADES Capítulo II: Exercícios de 11 até 17. 2.9 Esclarecendo alguns pontos importantes Lembrando, no Sistema Internacional de Unidades a corrente elétrica possui como unidade de medida o ampere (A) e a tensão elétrica (ou diferença de potencial) tem como unidade de medida o volt (V). Para que um circuito funcione, submete-se as extremidades do mesmo a uma diferença de potencial e o mesmo é então percorrido por uma corrente elétrica. A diferença de potencial gera a corrente elétrica, se o circuito estiver fechado. Não é a tensão elétrica que percorre a extensão do fio e volta à fonte externa, são as cargas elétricas que se deslocam. No caso das cercas elétricas a cada intervalo de tempo pré-determinado (que geralmente é de aproximadamente 1 segundo) um pulso de alta tensão percorre o fio. O pulso está associado a um movimento de cargas elétricas e à propagação do campo elétrico. Como foi discutido anteriormente, não é a voltagem que se desloca através do fio, pois a voltagem não possui qualquer movimento, quem se movimentam são as cargas. A fonte de energia externa acoplada entre os terminais de um circuito fechado proporcionará um campo elétrico ao longo do fio. Agirá então sobre os elétrons uma força de origem elétrica, será fornecida energia aos elétrons capaz de acelerá-los. Esta fonte de energia, que é uma fonte de voltagem, pode ser CC (Corrente Contínua) ou CA (Corrente Alternada). Temos como fonte de voltagem CC as pilhas e baterias, por exemplo. Como exemplo de fonte de voltagem CA temos a rede de energia elétrica que alimentam nossos lares por meio das tomadas. No caso do campo elétrico produzido pela fonte de energia externa permanecer sempre com a mesma direção e sentido, a força que age sobre os elétrons também se manterá com a mesma direção e sentido (oposto ao do campo). Neste caso os elétrons de condução progredirão no fio num só sentido e com uma velocidade de deriva considerada em média constante e extremamente baixa. Embora os elétrons sejam acelerados pela força de origem elétrica, eles chocam-se com íons da rede cristalina e o movimento líquido dos mesmos ocorre com muito pouca rapidez. Em um circuito elétrico existente em uma moto, por exemplo, a velocidade de deriva dos elétrons pode alcançar o valor aproximado em média de 0,01 m/s, ou 0,036 km/h. A quantidade de elétrons livres que um fio real metálico tem é de aproximadamente 1022 elétrons por cm3. Em virtude disso, por mais que tenhamos corrente elétrica relativamente alta, de 1 A, por exemplo, a velocidade de deriva dos elétrons é de aproximadamente 0,001 m/s. Converta esta velocidade para km/h para entender o quão baixa ela é. Uma fonte de tensão contínua aplicada nas extremidades de um circuito simples gera uma corrente elétrica contínua circulando por ele. FIGURA 22 GRÁFICO TENSÃO CONTÍNUA EM FUNÇÃO DO TEMPO A bateria de 9 V utilizada em alguns Guias de Experimentos é constituída por um conjunto de pilhas. Observe a Figura 23. FIGURA 23 BATERIAS DE 9 V Se por acaso o campo elétrico gerado pela fonte de energia externa mudar periodicamente de sentido, a força sobre os elétrons também mudará periodicamente de sentido. Os elétrons de condução se deslocarão ora num sentido, ora num sentido oposto na mesma direção do fio sem que haja progressão alguma dos mesmos pelo fio. Neste caso a fonte de energia externa constitui-se em uma fonte de voltagem CA ou fonte de voltagem alternada. Uma fonte de voltagem alternada aplicada nas extremidades de um circuito simples gera nele uma corrente elétrica alternada. FIGURA 24 GRÁFICO TENSÃO ALTERNADA EM FUNÇÃO DO TEMPO Em circuitos dessa natureza a polaridade da fonte de tensão ou da tensão elétrica do gerador está alternando. Em nossos lares no Brasil a freqüência com que a corrente e a tensão elétrica se alternam é de 60 ciclos por segundo (60 Hz). Assim o período é extremamente baixo para um ciclo, vale 1/60 s, e não somos capazes de perceber uma lâmpada incandescente apagando e acendendo um número muito grande de vezes enquanto está ligada. Muitas pessoas acreditam que as tomadas fornecem elétrons, sendo que estes viriam das usinas geradoras de energia e percorreriam os fios até chegar em nossas casas. Mas esta explicação não se sustenta, pois lembremos que as tomadas são exemplos de fonte CA e não há progressão dos elétrons livres em um circuito CA. Quem fornece os elétrons é o próprio meio por onde circula a corrente elétrica. Ao pagarmos a conta de energia elétrica não estamos obviamente comprando elétrons, mas sim pagando pela energia elétrica que é transformada ao utilizarmos equipamentos elétricos em nossa residência. 2.10. Efeito fisiológico da corrente elétrica: o choque elétrico e as cercas elétricas O choque elétrico sofrido por um ser humano está associado à sensação produzida pela corrente elétrica no seu corpo. A cada ano que passa muitas pessoas das mais variadas idades são vítimas de choque elétrico. As situações em que ocorrem estas fatalidades são as mais variadas, dentre elas podemos citar a falta de segurança para as crianças pequenas em casa, instalações elétricas mal executadas, imprudência ao utilizar equipamentos elétricos ou até mesmo por cercas elétricas mal projetadas e/ou instaladas. Muitas pessoas afirmam que nos choques as cargas elétricas vêm da fiação, deslocam-se pelo corpo da vítima até atingir o solo. Novamente, a tomada é CA e não há progressão alguma dos elétrons livres neste tipo de circuito. São os próprios elétrons do corpo da pessoa que compõem a corrente elétrica. Quem machuca, pode queimar e até matar com o advento do choque é a corrente elétrica, mas não devemos esquecer que a corrente elétrica em um circuito é gerada por uma tensão elétrica. É a diferença de potencial nas extremidades de um circuito fechado que propicia o aparecimento do campo elétrico, produzindo uma força de origem elétrica sobre os elétrons, gerando com este processo a corrente elétrica. LINK Para esclarecer ainda mais o assunto sugere-se investigar a Animação Interativa número 1. Ela começa com o assunto mencionado acima por meio da seguinte problematização: O que é que origina o choque elétrico, o que é capaz de machucar, queimar e até matar, a tensão elétrica ou a corrente elétrica? O gráfico a seguir está presente na NBR 6533 de março de 1981, elaborado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas e nele são especificadas zonas dos efeitos da corrente alternada, 50/60Hz em adultos. As zonas com os efeitos gerados são as seguintes: Zona 1: Habitualmente nenhuma reação. Zona 2: Habitualmente nenhum efeito patofisiológico perigoso. Zona 3: Habitualmente nenhum risco de fibrilação. Zona 4: Fibrilação possível (probabilidade de até 50%. Zona 5: Risco de fibrilação (probabilidade superior a 50%). FIGURA 25 GRÁFICO NBR6533 Outra forma de estudarmos os efeitos da corrente elétrica no corpo humano é analisar uma tabela presente no livro GREF (1993, p.348) mostrada na Tabela 4: TABELA 4 GREF VOLUME 3 Corrente elétrica* Duração Efeitos mais graves** (60 Hz) 0 a 0,5 mA qualquer 0,5 a 2 mA Qualquer 2 a 10 mA Qualquer 10 a 25 mA Minutos 25 a 50 mA Segundos 50 a 200 mA mais de um ciclo cardíaco acima de 200mA menos de um ciclo cardíaco acima de 200 mA mais de um ciclo cardíaco nenhum limiar de percepção dor contração muscular descontrole muscular contração muscular dificuldade respiratória aumento da pressão arterial paralisia respiratória fibrilação ventricular inconsciência fibrilação ventricular inconsciência paralisia respiratória marcas visíveis fibrilação ventricular inconsciência marcas visíveis parada cardíaca reversível inconsciência queimaduras * As faixas de valores para a corrente elétrica são muito aproximadas e devem praticamente serem consideradas como ordens de grandeza. ** Grande probabilidade de ocorrência. Pequenas correntes elétricas percorrendo o interior do nosso organismo regulam o bom funcionamento de nossos batimentos cardíacos e de nossa respiração, além de outras atividades musculares. Se por acaso nosso organismo for submetido a correntes elétricas geradas no seu exterior, há probabilidade de que o bom funcionamento dessas atividades seja abalado podendo levar as vítimas aos efeitos mais graves mostrados na Tabela 4. A fibrilação ventricular é uma das mais graves complicações, é uma sucessão de contrações descordenadas dos ventrículos que pode fazer com que o sangue deixe de ser bombeado para as demais partes do corpo. Ela é um efeito que pode provocar a morte se não for providenciado um tratamento com urgência. O tratamento pode ser realizado com uma massagem cardíaca externa até o momento da desfibrilação, que é realizada por meio de choque elétrico externo. Muitas pessoas comparam a tensão elétrica de 110 V ou 220 V com tensões bem maiores como as das cercas elétricas, que são de 8000 V a 10000 V ou tensões de 500000 V presentes em linhas de transmissão de alta tensão, e não se dão conta dos riscos que mesmo aquelas tensões relativamente baixas podem trazer a elas. Analisemos a situação de uma pessoa que resida em Porto Alegre, que recebe em suas tomadas uma tensão elétrica de 110 V e fica submetida a um choque elétrico ao tocar acidentalmente simultaneamente no fase e no neutro da rede. Consideremos que a pele da pessoa esteja extremamente seca e que o caminho do corpo por onde a corrente passa tenha uma resistência elétrica de 80000 Ω. Para este caso específico, i= 110 / 80000, assim sendo a corrente elétrica é de aproximadamente 0,001375 A ou 1,375 mA. Considere que agora a pessoa estivesse com a pele muito suada, muito úmida, e que a resistência da pele por onde a corrente passa seja de 2200 Ω. Neste caso, i= V/ R, então i= 110 / 2200, ou seja, a corrente elétrica vale aproximadamente 0,05 A ou 50 mA. Observe na Tabela 4 o que é capaz de ocorrer com uma pessoa quando passa pelo seu corpo uma corrente elétrica com este valor. Se por acaso a pessoa tocar no fio e os pontos de contato estiverem molhados o choque elétrico pode ser fatal. A resistência associada ao corpo da pessoa por onde passa a corrente elétrica neste caso pode chegar a 1000 Ω. Assim a corrente elétrica através dela é de 0,11 A ou 110 mA. Por este motivo é que não aconselha-se que as pessoas mexam na chave para trocar a posição VERÃO/INVERNO do chuveiro durante o banho. Esta atitude poderá causar desastrosas conseqüências. Observamos então que se a corrente tiver um trajeto peculiar, passar por uma das mãos da pessoa, atingir o coração e depois chegar na outra mão os efeitos podem ser fatais. Isto porque não adiantarão cuidados com isolamento da pessoa em relação à terra. Por isto as pessoas que consertam e testam equipamentos de alta tensão (como televisores e cercas elétricas) devem tomar muito cuidado ao lidar com eles. Há técnicos que utilizam multímetro para fazer medidas de alta tensão que aconselham que as medidas devem ser realizadas com cuidado, sempre com uma das mãos de cada vez apenas. Algumas pessoas de maneira irresponsável instalam cercas elétricas em cima de muros ou no campo utilizando simplesmente o arame e a rede elétrica a fim de gerar corrente elétrica no circuito. Analisemos a corrente elétrica que pode passar pelo corpo de uma pessoa nestas condições. Consideremos que ela esteja em Pelotas, a tensão elétrica seja de 220 V e a resistência associada à parte do corpo por onde a corrente circula seja de 2800 Ω. i = 220 / 2800 i= 0,08 A i= 80 mA A corrente é do tipo alternada e a freqüência com que ela se alterna é de 60 Hz. Observe na Tabela 4 que uma corrente elétrica deste valor passando por uma pessoa pode ser fatal. Grande parte das vezes que pessoas tocam em cercas ou alambrados com estas características, não conseguem soltar a fiação e morrem. Os riscos aumentariam ainda considerando que a pessoa estivesse descalça, sem isolação alguma, ou se estivesse com a pele muito úmida, muito suada. Neste último caso diminuiria o valor da resistência elétrica, aumentando o valor da corrente elétrica, que é do tipo alternada e não pára de percorrer o corpo da vítima, até que ela consiga soltar a fiação. Em virtude de problemas desta natureza é que normas internacionais e as mais variadas leis municipais e estaduais que estão associadas a este assunto obrigam que a corrente que circula pelo fio seja do tipo pulsante. Lembre que quanto menor o tempo que a pessoa fica submetida à corrente elétrica, menores serão os riscos (Figura 21). Assim elas determinam que o choque elétrico deve apenas ser capaz de assustar o indivíduo. Além disto elas obrigam que os fios sejam instalados a uma certa distância do solo, e trazem muitos outros critérios de segurança para o projeto e instalação destes dispositivos. No município de Pelotas a Lei que regulamenta a instalação de cercas elétricas destinadas à proteção de perímetros é a Lei nº 4591 que está vigente desde outubro de 2000. Vários municípios brasileiros, assim como estados, aprovaram Leis que regulamentam a instalação de cercas elétricas a partir do ano 2000, mas existe uma norma que regulamenta o assunto que foi elaborada por uma organização internacional denominada IEC (International Eletrotechnical Commission). Essa norma é a 60335-276 que especifica vários parâmetros para o projeto, construção e instalação de cercas elétricas. Mais detalhes sobre ela e as Leis municipais, principalmente a Lei nº 4591, serão especificados no capítulo 9. Com o auxílio da eletrônica é possível a construção de circuitos para cercas que atendam as características mencionadas nas normas internacionais e leis municipais. Mesmo assim devemos ficar sempre atentos a qualquer tipo de cerca elétrica, principalmente àquelas instaladas com ligação direta da rede, que já causaram e ainda podem causar inúmeras vítimas a pessoas menos esclarecidas e/ou menos cuidadosas. Dependendo do projeto da cerca elétrica e de como ela for instalada ela pode deixar de ser um dispositivo de segurança para se tornar uma fonte de perigo em nossa sociedade. ENTREVISTA Entreviste um médico e aprofunde o tema perguntando: 1) O que é um efeito patofisiológico? 2) O que é a chamada fibrilação? E desfibrilação? Como consegui-la? 3) O que é o marca-passo? Qual sua função? Qual é seu princípio de funcionamento? 4) Você é contra ou a favor à utilização das cercas elétricas? Justifique. 5) Você já atendeu alguém vítima de choque elétrico? Como estava? Quais as seqüelas neste caso? OBS: Opcional: Faça outras perguntas que você julgar interessantes com o intuito de aprofundar ainda mais o tema.
