Potência, instalações elétricas, fusíveis e - sergio-talim

Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano – 2016
1
Potência, instalações elétricas, fusíveis e disjuntores
Leia o texto e responda, no seu caderno, às questões apresentados e faça exercícios no final desta atividade.
Como lâmpadas sob a mesma tensão podem brilhar diferente?
Para responder a essa questão, vamos observar e comparar os filamentos de duas lâmpadas
incandescentes identificadas pelos pares de valores 100 W/127 V e 25 W/127 V. Enquanto algumas dessas
lâmpadas percorrem a sala, dentro de caixas usadas para evitar sua queda e destruição, seu professor ligará
esses dois tipos de lâmpadas na rede elétrica da CEMIG.
Questão 01 – Qual dessas lâmpadas brilha mais?
Questão 02 - Como se comparam a espessura e o comprimento dos filamentos das duas lâmpadas. Faça
desenhos no seu caderno mostrando as diferenças e semelhanças entre os filamentos.
Os 127 V inscritos nos bulbos das lâmpadas especificam o valor máximo de tensão a que os filamentos das
lâmpadas podem ser submetidos, sem redução de seu tempo de vida útil. Geralmente, todos os aparelhos
elétrico-eletrônicos usados em nossas residências são submetidos à mesma tensão. No nosso estado, essa
tensão varia entre um mínimo de 110 Volts e um máximo de 127 Volts. Assim como acontece no caso das
lâmpadas com as quais estamos lidando, a potência elétrica de qualquer aparelho elétrico-eletrônico é
medida em Watts (1 W = 1 Joule/segundo)1. Ao identificar uma lâmpada pelo par de valores 100 W/127 V, o
fabricante desse dispositivo está nos garantindo que, uma vez submetida a uma tensão de 127 V, a lâmpada
emitirá 100 Joules de calor e luz, a cada segundo, como efeito das interações entre elétrons livres e os
átomos/íons que constituem seu filamento. Do mesmo modo, a lâmpada de valores nominais 25 W/127 V
emitirá 25 Joules de calor e luz, a cada segundo, ser submetida a 127 V de tensão.
Questão 03 - O que significam os valores 100 Watts e 25 Watts que estão inscritos nos bulbos de vidro das
lâmpadas?
Em um circuito no qual o filamento de uma lâmpada está conectado a uma fonte de tensão direta (pilha ou
bateria), por meio de fios de ligação de cobre, os elétrons fluem dentro dos fios de cobre com a mesma
velocidade média que fluem pelo filamento de tungstênio. A resistência oferecida pelo filamento da lâmpada
limita a velocidade do fluxo de elétrons em todo o circuito, inclusive no interior dos fios de ligação nos quais
há pouquíssimas interações entre elétrons livres e átomos/íons de cobre.
Questão 04 – Por que, em um circuito no qual o filamento de uma lâmpada está conectado a uma fonte de tensão
por meio de fios de ligação de cobre, os elétrons fluem com a mesma velocidade tanto nos fios de cobre quanto
no filamento da lâmpada que tem uma resistência elétrica muito maior do que o fio de cobre?
Quando uma lâmpada é ligada a uma rede elétrica com tensão igual a 127 V, essa lâmpada “receberá da
fonte de tensão” 127 Joules de energia para cada Coulomb de carga que for deslocado dentro do seu
filamento. Para emitir mais joules de calor e luz, por segundo, isto é, para brilhar mais, a lâmpada precisa
receber mais “Coulombs” de carga por segundo, ou seja, precisa de uma corrente elétrica de maior
intensidade.
Questão 05 - Com base nas informações apresentadas no parágrafo anterior, volte aos desenhos que você fez
para comparar o comprimento e a espessura dos filamentos das lâmpadas e veja se o que dissemos nesse
parágrafo é coerente com a aparência dos filamentos. Para isso, compare a resistência elétrica dos dois
filamentos e determine em qual lâmpada a corrente elétrica é maior.
Como calcular a potência de um aparelho elétrico?
A medida de tensão informa a quantidade de energia, por unidade de carga; a medida de corrente identifica
que quantidade de carga flui no filamento, por segundo; a medida da potência informa a quantidade de
energia, por segundo. Quando lemos essas três definições, uma após a outra, com o apoio das expressões
apresentadas abaixo, surte uma forte sensação de que essas três medidas elétricas estão relacionadas.
𝑃𝑃𝑃ê𝑛𝑛𝑛𝑛 (𝑒𝑒 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊) =
𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽
𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
𝑇𝑇𝑇𝑇ã𝑜 (𝑒𝑒 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉) =
𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽𝐽
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 (𝑒𝑒 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴) =
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶
𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
1 A potência de motores costuma ser medida em outras unidades como o cv (cavalo-vapor) ou o hp (horse-power). Todavia,
a potência de motores também pode ser medida em watts, pois, 1 cv = 735,5 watts e 1 hp = 745,7 watts.
Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano – 2016
2
Analise as unidades de medida da potência, da tensão e da corrente elétrica apresentadas anteriormente e,
depois, experimente multiplicar a unidade de tensão pela unidade de corrente. A partir dessa operação
percebemos que podemos obter a potência elétrica de um aparelho a partir do valor da tensão nele aplicada
e da corrente elétrica nele estabelecida.
Questão 06 - Com base na operação realizada acima, determine qual é a relação matemática existente entre
potência, tensão e corrente elétrica.
Como podemos limitar a potência de um circuito e evitar curtos-circuitos?
Os curtos-circuitos constituem um sério risco para o uso da eletricidade. Quando um
curto-circuito acontece, a potência, ou quantidade de energia elétrica transformada a
cada segundo atinge valores enormes. Um dos resultados mais comuns é a emissão
“explosiva” de calor que dá origem a incêndios e destrói componentes ligados ao circuito
elétrico. Para evitar esse tipo de incidente, nós recorremos aos fusíveis ou aos
disjuntores. Um fusível é um dispositivo constituído de um pequeno pedaço de fio
metálico de baixo ponto de fusão (isto é, que derrete facilmente). Esse fio é colocado
dentro de um cilindro de vidro ou de outro material isolante.
Fusível
Quando a corrente no fusível supera um determinado valor, o aquecimento provocado pela interação entre
elétrons livres e os átomos que constituem o fio leva o material ao ponto de fusão. Como resultado, o circuito
se abre no ponto onde esse dispositivo de segurança foi inserido. Ao variarmos a espessura do fio que
constitui o fusível podemos definir qual é o valor máximo de corrente que pode ser estabelecido em um dado
circuito. Esse valor máximo de corrente é justamente o que identifica o fusível. Assim, nos diversos circuitos
que compartilham a tensão aplicada pela bateria de um automóvel nós encontramos fusíveis de vários tipos.
Em algum lugar do corpo do fusível, encontramos um número que o identifica, tal como 5A, 10A ou 15 A, por
exemplo.
Os circuitos também podem ser protegidos por disjuntores que utilizam lâminas
bimetálicas e/ou eletroímãs para abrir o circuito sempre que a corrente elétrica exceder
certo valor limite. Diferentemente dos fusíveis que são jogados no lixo e substituídos
quando há algum problema no circuito, não precisamos substituir um disjuntor: basta
consertar o problema que fez o disjuntor desligar o circuito. Esse intervalo de tempo é
suficiente para que o disjuntor se esfrie novamente. Basta desligar e religar a chave do
disjuntor que ele estará pronto para evitar que a potência elétrica do circuito no qual ele
está ligado exceda os limites de segurança.
Disjuntor
Questão 07 – Qual é a função de fusíveis e disjuntores nas instalações elétricas?.
Questão 08 – Como os fusíveis e disjuntores devem ser ligados nos circuitos para realizarem a suas funções?.
Como escolher o tipo de fusível ou disjuntor mais apropriado?
O tipo de fio de ligação usado nas instalações elétricas limita a
potência máxima dos aparelhos ligados nessas instalações. Isso
ocorre porque a corrente máxima que pode ser estabelecida no fio
depende da sua espessura. A tabela ao lado mostra a relação entre a
área de seção dos fios de ligação e a corrente máxima suportada por
eles sem risco de dano ao isolamento elétrico.
Essa corrente máxima impõe um limite para a potência dos aparelhos
que podem ser ligados no circuito. Isso pode ser visto por meio da
equação PMáximo = U.iMáximo que especifica a máxima potência
suportada por uma instalação para um determinada corrente máxima.
Bitola
(escala
AWG)
Área de
seção
(mm2)
Corrente
máxima (A)
18
0,75
10
14
1,50
15
12
2,50
20
10
4,0
30
8
6,0
35
6
10,0
50
Suponha que, em um quarto dormitório, por causa da espessura dos
fios de ligação usados na instalação elétrica, nós podemos ligar apenas aparelhos com potência máxima de
2.200 W na única tomada disponível no quarto. A tensão média oferecida por essa tomada é igual 120 V.
Podemos calcular a corrente nos fios de ligação embutidos na parede do quarto quando um aparelho com a
potência acima especificada é conectado na tomada, da seguinte forma: a equação P = U . i pode ser
reescrita como i =
PTotal
U
=
2.200 W
120 V
= 18,3 A, ou seja a corrente nos fios será um pouco maior que 18 Ampère.
Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano – 2016
3
Como não existem fusíveis ou disjuntores no mercado com esse valor exato de corrente, nós podemos
proteger a instalação elétrica desse quarto ao utilizar um fusível ou um disjuntor de 20 A, pois, esse é um
valor próximo e superior ao valor de corrente máxima calculado acima. Note que ao instalar um fusível ou
disjuntor de 20 A no circuito dado como exemplo nós não podemos ligar outro aparelho no quarto que
aumente a demanda de energia para além dos 2.400 Watts, pois, como P = U . i, nós teremos P = 120V .
20A = 2400W.
Se ligarmos um aparelho com potência superior a 2.400 Watts na tomada do quarto, nós queimaremos o
fusível ou provocaremos o desarme do disjuntor, pois, a corrente máxima ultrapassará os 20 A. Para
conectar aparelhos mais potentes a essa tomada será preciso mudar os fios de ligação que compõem a
instalação elétrica do quarto. Os fios usados terão de ser substituídos por fios mais grossos. O passo
seguinte será trocar o fusível ou disjuntor por outro adequado à maior corrente elétrica total estabelecida
nesses novos fios de ligação.
Questão 09 – O que podemos fazer em uma instalação elétrica para que nela possamos utilizar aparelhos cuja
potência seja maior do que a inicialmente suportada por essa instalação?
Exercícios complementares
1- Qual aparelho apresenta a maior potência: um chuveiro elétrico que funciona em tensão de 220 V com
corrente elétrica de 20 A, ou um secador de cabelo que funciona em 110 V com corrente elétrica de 30
A? Justifique a sua resposta por meio de cálculos.
2- Nas lojas de materiais elétricos, você pode comprar disjuntores de 5 A, 10 A, 15 A, 20 A, 25 A, 30 A, 35
A, 40 A, 50 A, 60 A e 75 A. Qual deles deve ser ligado a um chuveiro elétrico de 3200 W/ 220 V?
3- Uma lâmpada dissipa energia com potência de 20 W quando ligada a uma tensão de 120 V. Calcule a
corrente elétrica estabelecida na lâmpada.
4- No projeto de instalação elétrica de uma casa foi utilizado um fusível de 30 A. A tensão da residência é
120 V. Há na casa os seguintes aparelhos: televisão (150 W); chuveiro (4000 W); lâmpadas (20 W);
liquidificador (220 W); máquina de lavar roupa (1000 W). Determine quais aparelhos podem ser ligados
juntos e quais não podem.
5- Suponha que, em uma residência, ocorra frequentemente o desarme de um disjuntor de 20 A que está
ligado aos fios de ligação que chegam às tomadas e lâmpadas da parte externa da casa. Para evitar
esse transtorno o morador decide trocar o disjuntor de 20 A por outro de 30 A. Esse procedimento,
apesar de aparentemente adequado, pode gerar riscos de incêndio! Por quê? Como você resolver o
problema de desarme do disjuntor sem incorrer nesse tipo de risco?