Aula Unidade 1 Eletricidade Básica

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Eletricidade Básica e Medidas Elétricas Unidade 1 – Apresentação e Principais Grandezas de Circuitos Elétricos Prof. Me. André L. A. da Fonseca Objetivos • Apresentar a ementa da disciplina e abrir para discussões; • Apresentar a metodologia de ensino e avaliação; • Apresentar livros utilizados na elaboração da disciplina Eletricidade e Medidas Elétricas; • Listar as aplicações de Eletricidade Básica na vida do Tecnólogo em Automação Industrial; • Definir carga, corrente, circuito, tensão e potência; • Calcular potência e energia e determinar se a energia está sendo fornecida ou absorvida por um elemento de circuito. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 2 Ementa da Disciplina • Teoria Elementar de Circuitos em Corrente Continua; • Análise de Malhas em Corrente Continua; • Instrumentos Básicos de Medidas Elétricas em laboratório; • Introdução ao sistema Brasileiro de Tarifação de Energia Elétrica. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 3 Metodologia de Ensino DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 4 Metodologia de Ensino DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 5 Recursos • Maiêutica Socrática e reflexão das matérias: 1. Interação professoraluno; 2. Perguntas; 3. Alunos no quadro; 4. Resolução de exercícios. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 6 Tríade: Saber, Sentir e Viver. Viver o conteúdo prático aplicando-o na resolução de problemas e aulas práticas. Viver Saber o Significado do conteúdo e o que ele quer dizer. IFMT- DAEE Sentir Saber Me. André Luiz A. da Fonseca Sentir que este conteúdo faz sentido e é necessário em sua vida profissional. 7 Transparência na relação professor - aluno • Não sou mágico; • Se a aula está um cocô vamos transformá-la em adubo? Com um pouco de amor isso é possível. • Exponha de forma civilizada suas dúvidas e críticas; • Errar faz parte do aprendizado, participe da aula; • Faça esforços para aumentar sua concentração na sala de aula. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 8 Teste- Técnica de PNL • • • • DAEE - IFMT Quanto tempo você gasta com redes sociais? Com programas de televisão? Com coisas que não edificam? Tempo é dinheiro, e conhecimento é fonte que os ladrões não roubam; Refazer os valores por amor a você mesmo (não é egoísmo) para evoluir com a consciência tranquila; Vamos fazer um momento de visualização terapêutica? Prof. Me. André L. A. da Fonseca 9 Metodologia de Avaliação Nota do primeiro bimestre: N1b  0,3VA1  0, 7 Pbim.1 Nota do segundo bimestre: N 2b  0,3VA 2  0, 7 Pbim.2 Nota do semestre: N final N bimestre N1b  2  N 2b  3  5 N semestre  N PF  2 IFMT- DAEE  Se N final  6, 0  Aprovado Se N final  6,0  Prova Final  Se N final  2, 0  Reprovado   Se N final  5, 0  Aprovado Se N final  5, 0  Reprovado  Me. André Luiz A. da Fonseca 10 Recuperação – Prova Substitutiva • Prova substitutiva das duas provas dadas no bimestre para serem feitas em um só dia; só deve ser feita a prova que obteve nota menor que 6. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 11 Práticas de laboratório • Nas provas haverá uma questão de laboratório contendo teorias ou atividades de laboratório, em forma de: 1. Lacunas; 2. Cruzadinha; 3. V ou F. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 12 Calculadora Real • Fazer os cálculos com frações; • Armazenar valores em variáveis ou letras; • Utilizar parênteses e etc. Simulador DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 13 Livro principal • Seguiremos este livro principal utilizando seu primeiro e segundo capitulo com algumas complementações didáticas, mas qualquer livro pode ser utilizado; • Utilizado em todo o curso como livro de referência básica. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 14 Outros livros • Eletricidade - Milton Gussow. DAEE - IFMT • Introdução à análise de circuitos – Robert L. Boylestad. • Fundamentos de circuitos elétricos – Alexander e Sadiku. Prof. Me. André L. A. da Fonseca • Eletrônica para leigos - Shamieh e MColomb 15 Outros livros • Fundamentos de EletricidadeSilva Filho. DAEE - IFMT • Circuitos Elétricos – Nahvi e Edminister. • Laboratório de eletricidade e eletrônica – Capuano e Marino. Prof. Me. André L. A. da Fonseca 16 Suplementação para a disciplina http://okuadro.com/ http://www.khanacademy.org/ http://www.fundacaolemann.org.br/khanportugues/ DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 17 Complementação para a disciplina http://ocw.mit.edu/ http://www.veduca.com.br/ DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 18 O que é Tecnologia em Automação Industrial? • DAEE - IFMT O Tecnólogo em Automação Industrial é um profissional a serviço da modernização das técnicas de produção utilizadas no setor industrial, atuando no planejamento, instalação e supervisão de sistemas de integração e automação. Esse profissional atua na automatização dos chamados “processos contínuos” que envolvem a transformação ininterrupta de materiais, por meio de operações biofísico-químicas. Na sua atividade de execução de projetos, instalação e supervisão de sistemas de automação são bastante empregadas, tecnologias como controladores lógicos, sensores, transdutores, redes industriais, controles de temperatura, pressão, vazão, atuadores eletro-pneumáticos, sistemas supervisórios, entre outras. Prof. Me. André L. A. da Fonseca 19 Convite para as habilidades oferecidas • • • • • • • • • Raciocínio lógico; Criatividade; Imaginação; Visualização; Determinação; Paciência; Disciplina; Espontaneidade; Base. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 20 Visão geral de um circuito Elétrico Circuito de faróis dianteiros de um carro. Circuito no CARRO Circuito equivalente DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 21 Visão geral de um circuito Elétrico • Energia química da bateria é transformada em energia calorífica e luminosa; DAEE - IFMT • A tensão da bateria é uma medida de energia ganha por uma unidade de carga que se move através da bateria; •Chave fechada: circuito conduz e a lâmpadas ligam; • Chave aberta: circuito não conduz e a lâmpadas não ligam; •Elétrons se movem prontamente através do cobre, mas não através de isoladores de plástico; •Colisões dos elétrons no filamento de tungstênio produzem calor até o filamento incandescer; Prof. Me. André L. A. da Fonseca 22 Analogia com fluidos Carga = fluido DDP: Diferença de potencial (Pressão) Percurso fechado de corrente elétrica. Podemos fazer analogia a um percurso de água (instalação sanitária), sendo a fonte equivalente a uma bomba, os condutores são a tubulação, os resistores são restrições no encanamento (ou ainda válvulas)e a corrente sendo o fluxo de água. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 23 Circuitos Elétricos • Um circuito elétrico consiste em vários tipos de elementos de circuito conectados num percurso fechado por condutores; •Cargas elétricas fluem facilmente através de condutores; •Condutores – Facilitam a passagem de corrente elétrica; •Isolantes – Dificultam a passagem de corrente elétrica; •Semi-condutores – Hora se comportam como condutores e hora como isolantes; DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 24 Elementos de circuitos de Corrente Contínua Produz Calor Produz C. Elétrico Produz C. Magnético Corrente constante. Tensão constante. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 25 Elementos conectados (Depois detalharemos melhor) •Conceito de percurso fechado; •A corrente não chega até o ponto de rompimento. Resistores Fonte de Tensão Indutores Condutores DAEE - IFMT Capacitância Prof. Me. André L. A. da Fonseca 26 Corrente Elétrica • Corrente elétrica (i) é o fluxo de carga elétrica (q) ou elétrons através de uma seção transversal de um condutor em um determinado tempo; •Comparação com um pedágio. dq  i  dt C   q dq  t  i t    t dt C  t [i ]      A q   i  dt  q(t0 ) C  t s Prof. Me. André L. A. da Fonseca 27 0 DAEE - IFMT Para valores constantes: Quando os valores são constantes, pode-se simplificar as equações da seguinte forma: dq i  A dt t Q  I   A  Amperes  t q   i  dt C  t0 DAEE - IFMT  Q  I  t C Coulombs  Prof. Me. André L. A. da Fonseca 28 Carga elétrica de 1 elétron Definição de Coulomb [C]: dizendo que a carga de um elétron é uma carga negativa de 1,6021x10^-19 [C], então, 1[C] é a carga de 6,242x10^18 elétrons. 1C 19 Carga / elétron  Qe   1, 6021  10  C 18 6, 242 10 O símbolo de carga é o Q ou q, maiúscula para cargas constantes e minúsculas para cargas variáveis no tempo. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 29 Resolução de problemas 1 Início: 6 Sim 7 Defina o problema 2 Foi solucionado? Separe o que sabe sobre o problema Não Fim! 5 3 Estabeleça alternativas de resolução Verifique a solução 4 Determine a resolução para 1 delas DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 30 Exercícios sobre carga elétrica 1) Quantos elétrons são representados por uma carga de 0,32042[pC]. Qe  Qc N eletrons N eletrons  Qe  Qc N eletrons Qc  Qe 0,32042 1012 0,32042 1012 Número de elétrons    2000000  de elétrons  19 Qe 1, 602110 3 2) A carga que entra em um terminal de um elemento é q (t )  4t  5t [mA]. Qual é a corrente total que entra pelo terminal no intervalo t=0[s] e t=2[s]? i dq  dt d  4t 3  5t  10 3   3  4t 31  1  5t 11  103  12t 2  5  103  A  dt p / t  0s  i  12  02  5  10 3  5  mA  p / t  2s  i  12  2 2  5  103  43  mA  DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 31 Exercícios sobre carga elétrica 3) Calcule a corrente elétrica . Suponha que a relação carga em função do tempo para um dado elemento do circuito seja dada por: q (t )  0 para t<0 q (t )  2  2e • Solução: i t   100 t para t>0 dq  t  dt i (t )  0 para t<0 q(t )  200e DAEE - IFMT 100 t para t>0 Prof. Me. André L. A. da Fonseca 32 Exercícios sobre carga elétrica 4) Uma corrente de 2 A flui através de um elemento do circuito. Em 10 segundos. Em 10 segundos qual a carga líquida que passa pelo elemento? • Solução: • Para I constante: Q  I  t C  Q  2 10  20C 5) A carga que passa através de um elemento de circuito é dada por q(t)=0,01sen(200t) C, onde o ângulo é dado em radianos. Encontre a corrente em função do tempo. i t   dq  t  dt d (0, 01sen 200 t)  dt DAEE - IFMT i  t   2cos(200t ) [A] Prof. Me. André L. A. da Fonseca 33 Múltiplos e prefixos de unidades PREFIXOS NO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) Múltiplo Prefixo Simbolo 1012 Tera T 109 Giga G 106 Mega M 103 Quilo K 103 Mili m 106 Micro  109 Nano  1012 Pico  DAEE - IFMT • 10 mA: 10 miliamperes; •1 KA: 1 quiloampèr; •Etc. (...) Prof. Me. André L. A. da Fonseca 34 Direção de Referência • Direção real e direção de referência; • Pode ser arbitrada; • Usa a letra i com subscritos; • Cada caixa é um elemento de circuito (A,B,C,D e E); • Você poderá encontrar valores negativos na resolução; • Valores negativos indicam que o sentido real é contrario ao sentido arbitrado; • Supor que i1=-2A. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 35 Direção de Referência • Antigamente se acreditava que as cargas positivas se moviam; • Então a corrente supostamente iria do (+) para o (-); • Foi descoberto que os elétrons (cargas negativas) é que se moviam; • Então na realidade a corrente vai do terminal (-) para o terminal (+); • Mas como é muito utilizado de (+) para (-), este é o sentido adotado na maioria dos livros. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 36 Corrente CC e CA • Corrente constante no tempo = Corrente Contínua (CC) -> Inglês (DC: Direct Current); • Corrente que varia senoidalmente no tempo = Corrente Alternada (CA)-> Inglês (AC :Alternative Current); • Quando ib é negativo a corrente é contrária a referência DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 37 Corrente CA : Triangular e quadrada • As formas de onda triangulares e quadradas quando oscilam entre positivo e negativo são chamadas também de alternadas(CA). DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 38 Notação de Subscrito Duplo para Correntes iab  iba iab  iba DAEE - IFMT • Podemos indicar referência de polaridade de corrente com subscritos duplos; • Dependendo dos pontos utilizamos letras para indicar a polaridade de uma corrente; • O primeiro subscrito é a referência positiva (a corrente entra) e o segundo é negativa (a corrente sai); Prof. Me. André L. A. da Fonseca 39 Tensões • • • • • • NOTA: A tensão é uma medida sobre os terminais do elemento enquanto a corrente é uma medida do fluxo de carga pelo elemento. DAEE - IFMT • Tensão elétrica é a energia transferida por unidade de carga que se move de um ponto para outro ponto do circuito elétrico; Também conhecida como DDP (Diferença De Potencial) Tensão e sua associação com diferença de pressão em caixas d’água; A unidade é o Volt (V) atribuído em homenagem ao cientista Alessandro Volta; É o mesmo que J/C; Se a carga positiva vai do (-) para o (+) o potencial é aumentado e a energia é suprida pelo elemento; Se a carga positiva vai do (+) para o (-) o potencial é diminuído e a energia é absorvida pelo elemento; Prof. Me. André L. A. da Fonseca 40 Referência de polaridade • A tensão em um circuito pode ser CC ou CA; • Exemplo: VCC  v1 (t )  10 V VCA  v2 (t )  10 cos(200 t ) V DAEE - IFMT • As vezes não sabemos a polarização de elementos; • Definimos de maneira arbitrária então; • Serão obtidas equações para a resolução do circuito; • Ex.: Se V3=-5V sabemos que a tensão no elemento 3 é contraria à polarização mostrada; • Não nos esforçaremos para atribuir a polaridade correta, depois resolvemos e encontramos o valor real. Prof. Me. André L. A. da Fonseca 41 Notação de Subscrito Duplo para Tensões vab  vba vab  vba DAEE - IFMT • Podemos indicar referência de polaridade com subscritos duplos; • Dependendo dos pontos utilizamos letras para indicar a polaridade de uma tensão; • O primeiro subscrito é a referência positiva e o segundo é negativa; • Outra maneira de indicar a polaridade é utilizando uma seta, onde a ponta da seta é o terminal positivo. Prof. Me. André L. A. da Fonseca 42 Chaves em circuitos • Quando uma chave é aberta a corrente através dela é 0 e a tensão através dela é determinada pelo restante do circuito. • Quando uma chave é fechada a tensão através dela é 0 e a corrente através dela é determinada pelo restante do circuito. • Analogia com ponte que abre e fecha e carros. DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 43 Curto-circuitando um resistor • Sinalizar o caminho da corrente elétrica no circuito. DAEE - IFMT • Se temos um curto circuito em um resistor é como se o resistor fosse removido; • Entre um caminho fácil e um difícil qual você escolheria? • Os elétrons escolhem o fácil e passam todos pelo fácil onde existe menor resistência. Prof. Me. André L. A. da Fonseca 44 Potência e Energia  p    v   i   joules   coulombs    p     coulomb segundo     J C   C  s    J     s   W     DAEE - IFMT • A corrente i é a taxa de fluxo de carga no tempo; • A tensão é a energia por unidade de carga; • Se fizermos uma análise dimensional da multiplicação entre i e v, teremos: Prof. Me. André L. A. da Fonseca 45 Configuração de referência passiva • • • • • p  vi p  vi • • p t   v t i t  DAEE - IFMT A energia é fornecida ou absorvida pelo elemento; Quando a corrente entra no terminal positivo essa é a configuração de referência passiva; Se a potência calculada é positiva o elemento absorve energia; Se a potência calculada for negativa o elemento fornece energia; Bateria com potência positiva está sendo carregada; Bateria com potência negativa está sendo descarregada; Se for considerada variante no tempo consiste na multiplicação entre as funções i(t) e v(t). Prof. Me. André L. A. da Fonseca 46 Cálculo de potência• Para o elemento A a corrente • • Para A: pa  vaia  12V  2 A  24W Para B: pb  vbib  (12V )  1A  12W Para C: pc  vc ic  12V  (3 A)  36W DAEE - IFMT • entra pelo terminal positivo de tensão, então é uma configuração de referência passiva, aplicando-se diretamente a expressão; Para o elemento B a corrente sai do terminal positivo e entra pelo terminal negativo, oposto a configuração de referência passiva, portanto é negativo; Para o elemento C a corrente entra pelo terminal positivo de tensão, então é uma configuração de referência passiva, aplicando-se diretamente a expressão; O valor de ic é negativo o que resulta em um resultado negativo de pc. Prof. Me. André L. A. da Fonseca 47 Cálculo de energia • Para calcular a energia basta que t2  t p t dt • • 1 • DAEE - IFMT integremos a função de potência; em um intervalo de tempo; Entre t1 e t2, por exemplo; A integração é uma operação utilizada para calcular uma área abaixo de uma curva ou função; A área é então a própria energia. Prof. Me. André L. A. da Fonseca 48 Exercício de cálculo de energia 1) Encontre uma expressão de potência para a fonte de tensão mostrada na figura, calcule a energia de t1=0 e t2=∞. • Solução: Aplicando a expressão de potência p t   v t  i t  p  t   12  2e t p  t   24e  t • Integrando a função encontrada.      p  t  dt   24e t dt 0 0 t     24e   24e  (24e0 )  24 J 0 DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 49 Referências • HAMBLEY, Allan R. Engenharia Elétrica. 4ª Edição.; • ALEXANDER, Charles K. Fundamentos de Circuitos Elétricos.; • GUSSOW, Milton - Eletricidade Básica Makron Books, SP, 1995. • NAHVI, Mahmood; EDMINISTER, Joseph A. 4ª Edição.; DAEE - IFMT Prof. Me. André L. A. da Fonseca 50