Conceitos fundamentais
Tensão e correntes elétricas são as grandezas básicas e fundamentais para todo o aprendizado e desenvolvimento das tecnologias e mecanismos de cálculo da eletricidade.
Tensão elétrica (V)
Tensão elétrica (representada por ∆V), é a representação matemática da diferença de potencial (DDP), que consiste na diferença de potencial elétrico entre dois pontos num mesmo circuito ou condutor, que consiste na representação matemática diferencial da energia potencial elétrica por unidade de carga elétrica entre dois pontos.
A unidade de medida da tensão elétrica no sistema internacional de unidades é o Volt. A tensão é igual ao trabalho a ser realizado por unidade de carga para movimenta-la sob efeito de um campo elétrico num meio condutor. Uma DDP pode mensurar, tanto uma fonte quanto a queda de tensão num condutor ou carga. O instrumento adequado para medir fisicamente a tensão elétrica. A tensão elétrica pode se originar sob efeito de um campo elétrico estático, pela corrente elétrica induzida num condutor sob efeito de um campo magnético, por um campo magnético senoidal ou uma combinação deles.
A tensão representa a "força" necessária para movimentação de elétrons num meio físico e o potencial elétrico mensura a força exercida sobre carga elétrica sob um campo elétrico, expressa pela lei de Coulomb.
Analogamente à hidráulica, quanto maior a pressão entre dois pontos, consequentemente e proporcionalmente maior será o fluxo entre esses dois pontos. O fluxo de fluido, que na analogia representaria a corrente elétrica é proporcional à tensão elétrica e da resistência ao fluxo do fluido seria analogamente a resistência elétrica do circuito elétrico. Este é o fundamento da lei de Ohm.
Elétrons
O conceito de eletricidade origina-se da observação da natureza, como necessidade dos povos antigos de explicar o mundo ao seu redor.
Os elétrons são parte fundamental em muitos fenômenos físicos como a eletricidade, o magnetismo e a condutividade térmica. Por terem carga elétrica, os elétrons geram campos elétricos ao seu redor. Quando se movimenta, também cria campo magnético. De forma reversa, os campos eletromagnéticos também influenciam os elétrons por meio de uma força conhecida como força de Lorentz.
A massa de um elétron é fixa e de aproximadamente 9,109.10−31 kg. Para se ter uma ideia da infinitude do elétron, comparando a massa do elétron com a do próton, um próton é aproximadamente 1836 vezes mais pesado que o elétron.
Elétron tem carga elétrica de −1,602.10−19 Coulomb, que é idêntica à do próton, porém com o sinal trocado.
Se um corpo tem elétrons livres, significa que tem mais ou menos elétrons do que o necessário para balancear a carga positiva de seu núcleo. Elétrons que se movem independentemente no vácuo são designados como elétrons livres. Nos metais, os elétrons se comportam da mesma forma, como se livres fossem.
Movimentos de cargas elétricas
Quando elétrons livres se movimentam nos metais, produzem um fluxo de carga conhecida como corrente elétrica, que é capaz de criar um campo magnético. De maneira inversa, pode-se criar corrente elétrica pela influência de um campo magnético variante no tempo, senoidal por exemplo. Estas interrelações entre campos e correntes são matematicamente estabelecidas pelas equações de Maxwell.
Corrente elétrica (A)
Corrente é o fluxo de carga, sendo mais adequado do ponto de vista linguístico dizer que "carga flui" ao invés de "corrente flui".
Corrente elétrica representa o fluxo orientado de partículas portadoras de carga elétrica ou deslocamento de cargas por um condutor, quando existe uma tensão elétrica estabelecida neste condutor. O deslocamento de cargas visa restabelecer o equilíbrio de cargas elétricas destruído pela ação do campo elétrico sobre o material condutor.
Microscopicamente, as cargas livres permanecem eternamente em movimento desordenado e não orientado em decorrência apenas da agitação de origem térmica dessas moléculas. Quando então, sob efeito de um campo elétrico estabelecido sobre essas cargas, nota-se consequentemente que o movimento passa a ser ordenado e orientado pelo campo estabelecido.
A unidade de medida de intensidade de corrente é o Ampère no sistema internacional de unidades. A corrente elétrica é designada matematicamente por I. A intensidade da corrente é a variação da quantidade de cargas em função do tempo, igual à carga dQ transferida durante um intervalo dt.
Entende-se por corrente contínua o fluxo ordenado de cargas elétricas no mesmo sentido sem variação. Geralmente, circuitos sem corrente contínua operam sob efeito de baterias, como automóveis, motos (6, 12 ou 24V), pilhas (1,2V e 1,5V), dínamos, células solares e outros tipos.
Entende-se por corrente alternada a corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, em detrimento da corrente contínua que tem sentido constante ao longo do tempo. A forma de onda mais comum em corrente alternada, por serem geradas em máquinas girantes é o senoidal, e foi desenvolvida por Nicola Tesla com o objetivo de conduzir 73% a mais de energia com apenas 50% mais de material, num sistema trifásico.
Regra da mão direita: Dedo polegar representa a corrente e demais dedos representam o campo magnético consequente do fluxo de correnteno condutor.
Efeito pelicular
Efeito pelicular caracteriza a repulsão entre linhas de corrente eletromagnética, criando a tendência da corrente fluir na periferia do condutor.
A intensidade do efeito película depende da corrente, da frequência do sistema e do material condutor. Vejamos:
Efeito pelicular é proporcional à intensidade de corrente;
Diretamente proporcional à raiz quadrada da frequência
Diretamente proporcional à permeabilidade magnética do metal condutor;
Diretamente proporcional à condutividade elétrica do metal condutor.
Manifesta-se somente em condutores submetidos à corrente alternada.
O efeito pelicular é o causador do aumento da resistência aparente de um condutor elétrico, devido a diminuição da área efetiva de condução. Por esse motivo, para transmissão de energia a grandes distâncias, atualmente tem-se utilizado transmissão de energia em corrente contínua, com o objetivo de reduzir as perdas de energia. A corrente elétrica circula preponderantemente pela periferia do condutor, entre a superfície e uma distância determinada como profundidade de penetração. No cobre, sob 60Hz, a profundidade de penetração é de aproximadamente 8.5mm. A resposta ao aumento da frequência é inversamente proporcional, sou seja, quanto maior a frequência, menor a profundidade de penetração.
A distribuição uniforme da corrente por toda a seção transversal do condutor só se estabelece sob corrente continua.
Potência elétrica (W, VA, VAr)
A potência elétrica é a grandeza física que mensura o trabalho realizado por um equipamento elétrico em um lapso de tempo. A unidade de medida de potência elétrica no Sistema Internacional de unidades é o Watt.
Representação vetorial das potências ativa, reativa e aparente.
Potência Ativa
A potência elétrica ativa é a potência real ou útil, corresponde à potência consumida em um circuito ou carga, ou seja, correspondente à parcela da potência recebida efetivamente realiza trabalho. Sua magnitude é dada por:
Onde:
P – Potência Ativa (W)
Uef – Tensão elétrica eficaz no circuito
Ief – Corrente elétrica eficaz no circuito
Cos ɸ - Ângulo de fase entre potência ativa e potência aparente, conhecido como fator de potência.
Em um circuito cuja característica de carga e condutores seja puramente resistivo, onde a tensão está em fase com a corrente, toda a potência recebida é consumida na realização de trabalho, portanto a potência ativa é a máxima.
Potência Reativa
A potência elétrica reativa é a potência não útil, corresponde à potência consumida em um circuito ou carga, ou seja, correspondente à parcela da potência recebida que não realiza trabalho, sendo armazenada ou devolvida ao gerador.
Potência reativa surge no sistema elétrico quando existem aparelhos ou máquinas com característica de armazenar energia (indutores e capacitores), impondo uma defasagem angular entre os fasores de tensão de corrente. Por convenção, a potência reativa indutiva tem sinal positivo enquanto potência reativa capacitiva tem sinal negativo.
Em circuitos puramente indutivos ou capacitivos a defasagem angular entre fasores de tensão e corrente seria de 90º positivos ou negativos respectivamente, com potência reativa máxima e potência ativa nula, ou seja, sem nenhuma realização de trabalho.
Sua magnitude é dada por:
Onde:
P – Potência reativa (VAr)
Uef – Tensão elétrica eficaz no circuito
Ief – Corrente elétrica eficaz no circuito
Sen ɸ - Ângulo de fase entre potência ativa e potência aparente, conhecido como fator de potência.
Potência Aparente
A potência elétrica aparente é a somatória fasorial resultante das potências ativa e reativa de um circuito. Seu valor numérico é dado por:
Onde:
S - Potência aparente em volt-ampere (VA)
U - Tensão complexa em volts (V). (Complexa pois temos um fasor com ângulo e módulo.
I - Conjugado complexo da corrente em amperes (A). Ao invés do fasor corrente utiliza-se o conjugado pois dessa forma a potência reativa mantém a convenção de sinal.
Fator de potência
Fator de potência (FP) exprime a relação entre potência ativa e potência reativa por meio do ângulo entre esses dois fasores. Essa grandeza é de especial importância pois retrata a eficiência do consumo de energia no sentido de realização de trabalho versus energia reativa. O fator de potência para um sistema em corrente alternada (CA), é definido pela razão entre potência ativa e a potência aparente. Um FP elevado indica boa relação de consumo energético, ou seja, a maior parte da energia consumida efetivamente realiza trabalho. De forma reversa, baixo fator de potência baixo indica baixo aproveitando da energia consumida. A legislação atual obriga consumidores a manterem fator de potência (Cosɸ) de suas instalações acima de 0,92, o que significa que, abaixo desse valor, será cobrada multa.
Segundo o manual de tarifação de energia elétrica do PROCEL, quando o fator de potência é inferior a 0,92, é cobrada a utilização de energia e demanda de potência reativa na fatura de energia elétrica, como Consumo de Energia Reativa Excedente e Demanda Reativa Excedente. A energia reativa capacitiva é medida entre 00h:00min e 06h:00min e a energia reativa indutiva no restante do dia. Quando não é possível se medir a energia reativa capacitiva, a medição da energia reativa indutiva é feita durante as 24 horas do dia.
FER = Tarifa de Consumo x UFER
FDR = Tarifa de Demanda x UFDR
Onde:
FER - Faturamento de Energia Reativa
FDR - Faturamento de Demanda Reativa)
Ao invés de FER e FDR, algumas faturas de energia mostram nomes como EREX e DREX ou Energia Reativa Excedente e Potência Reativa Excedente.
Os consumidores do Grupo A, tarifa Convencional, pagam tanto o consumo de energia reativa (UFER) quanto a demanda reativa (UFDR):
A energia reativa cobrada é calculada pela expressão:
FER = Tarifa de Consumo na Ponta x UFER na Ponta + Tarifa de Consumo fora de Ponta x UFER fora de Ponta
e a demanda reativa:
FDR = Tarifa de Demanda na Ponta x UFDR na Ponta + Tarifa de Demanda fora de Ponta x UFDR fora de Ponta
Não existe cobrança de ultrapassagem para a demanda reativa. Existem fórmulas próprias para cálculo dos valores de UFER e UFDR, mostradas na Resolução ANEEL 456 de 29/11/2000
Capítulo retirado do site referenciado, acessado em 07/11/2018.
Materiais Isolantes Elétricos
Materiais isolantes elétricos são aqueles materiais cujos os elétrons externos são fortemente ligados aos seus núcleos. Quando um campo elétrico é aplicado sobre esse material aplicada, as nuvens de elétrons ao redor do átomo se alinham e deformam em decorrência desse campo mas os elétrons não se separam.
São exemplos desse tipo de material: Vidro, plásticos de engenharia como PVB, policarbonato, poliamida; mármores e granitos, além do ar, o mais utilizado por ser gratuito. Mesmo para materiais isolantes, no entanto, existe um limite para a rigidez dielétrica deste material, ou seja, a partir de uma certa magnitude da tensão, os elétrons passam a ser livres e ocorre a ruptura dielétrica. Um exemplo clássico ocorre com moléculas de ar quando se estabelece um raio ou uma descarga elétrica no ar.
Materiais semicondutores elétricos
Semicondutores são os materiais cujas características estão entre isolantes e condutores. Via de regra, sob condições específicas tem comportamento isolante, mas sob condições controladas ou patamares de referência podemos fazê-los atuar como condutores sob certas circunstâncias, tal como supressores de surto e para-raios. O material semicondutor mais comum é o silício, utilizado em larga escala em computadores e na eletrônica em geral, razão pela qual a região da Califórnia-EUA onde localizam-se grandes empresas do setor é conhecida como o Vale do Silício.
Supercondutores
A supercondutividade é uma característica específica de certos materiais que sob temperaturas extremamente baixas, passam a conduzir corrente elétrica com resistência elétrica e perdas baixíssimas.
Supercondutores são capazes de sustentar a corrente elétrica que por eles flui mesmo sem a aplicação de nenhuma tensão.
Os magnetos supercondutores são os mais poderosos eletroímãs conhecidos, e em sua maioria, utilizados em máquinas de ressonância magnética. Na década de 1960, supercondutores foram utilizados na construção de circuitos digitais de tecnologia quântica de fluxo rápido e em filtros de micro-ondas para estações base de telefonia móvel.
Para os sistemas de potência, aplicações experimentais incluem redes inteligentes de proteção e controle de alta performance para smart-grid e transmissão de energia elétrica em altíssimas tensões. Entretanto, a supercondutividade é substancialmente sensível a campos magnéticos em movimento em sua periferia, o que precisa ser controlado para aplicações em larga escala, mas os custos são bastante elevados.
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Bibliografia
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HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.
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