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  • Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Cap. 1.1. Introdução à Eletrodinâmica

Atualizado: 20 de mai.

Vamos começar com alguns conceitos introdutórios ao assunto...


Circuito Aberto e Fechado


Um circuito elétrico pode ser definido como aberto ou fechado. A corrente elétrica é os elétrons que circulam pelos condutores do circuito.

Diagrama 1


Quando a passagem dos elétrons que saem do polo negativo da fonte e seguem para o polo positivo é interrompida, dizemos que o circuito está aberto. Quando não há nada impedindo os elétrons de chegarem ao polo positivo, dizemos que o circuito é fechado.

A fonte de alimentação para energizar o circuito pode ser uma bateria, uma fonte linear (que é usada em aparelhos de baixa potência, como smartphones e roteadores) ou uma fonte chaveada (usada em aparelhos que demandam muita potência, como por exemplo, computadores de mesa).

Diagrama 2


Partindo desta introdução, vamos estudar corrente elétrica, o que faz a corrente ir de um polo ao outro, a transformação da energia no circuito, resistência dos meios físicos sobre a corrente, e na sequência de artigos, como ela é conduzida num condutor, formulas e cálculos básicos e o funcionamento dos semicondutores, para que daí possamos dar início ao estudos dos componentes eletrônicos e a construção de circuitos.

 

Frequência


Frequência é quantidade de eventos repetitivos que ocorrem num determinado período de tempo.

Um evento é chamado de ciclo. A unidade de medida para a frequência é Hertz.

Usamos esta unidade para medir a quantidade de ciclos em uma faixa de tempo de 1 segundo. Mas o que ela tem a ver com a eletrônica?

Gráfico 1


Repare na onda senoidal acima. Ela começa no zero, parte até o nível baixo (que também é chamado de vale), sobe até o nível alto (que também é chamado de crista) e retorna ao zero. Neste exemplo, isso acontece duas vezes dentro de 1 segundo, portanto esta onda tem 2 ciclos. A frequência desta onda é 2 Hertz.


Se a forma de onda for simétrica, isto é, semi-ciclos positivos e negativos com exatamente a mesma duração, podemos conhecer a duração de cada ciclo completo de maneira muito simples.

Pois bem, a energia elétrica que chega na tomada de sua casa é um sinal senoidal simétrico com uma frequência de 60 Hz, pois como veremos adiante, a tensão alternada oscila entre polo positivo e negativo 60 vezes por segundo, sendo assim, cada ciclo dura 16,6 milisegundos, e cada semi-ciclo 8,3 ms. Por exemplo, uma lâmpada incandescente pisca efetivamente nesta mesma frequência, no entanto, os olhos Humanos não conseguem acompanhar as variações da luz em tal velocidade.


Ondas sonoras, ondas de rádio, cores, sinais analógicos e digitais possuem uma frequência que pode variar. Num circuito eletrônico digital, o sinal de sincronismo interno e externo dos chips é chamado de clock e é medido em Hertz. Veja o desenho abaixo.

Gráfico 2


Esta é uma onda quadrada. Perceba que ela vai do nível zero ao nível alto, permanece um pouco no nível alto, desce ao nível zero e permanece um pouco no nível zero. Veja que isso aconteceu três vezes no período de um segundo, portanto a frequência desta onda é de 3 Hertz.


Suponha que o processador (que é um circuito digital) de seu smartphone trabalhe com uma frequência de 1,5 GHz. Isso significa que este chip funciona com 1,5 bilhão de ciclos por segundo, do nível alto ao zero.


Veja alguns outros exemplos:

As cores que nossos olhos são capazes de captar também possuem uma frequência que vai de aproximadamente 3,84 a 7,69 THz (TeraHertz).


CURIOSIDADE: Caso queira saber mais sobre óptica, comece CLICANDO AQUI!


Os seres humanos com audição perfeita conseguem ouvir sons na faixa de frequência que vai de 20 Hz a 20.000 Hz (20 kHz).

As ondas de rádio, utilizadas em transmissores de sinal de rádio AM e FM, TV, Wi-Fi, telecomunicações em geral, vai de 30 kHz até 300 GHz.


Veja esta tabela com os prefixos e valores mais utilizados desta unidade:

Tabela 1


A frequência é detalhada ainda mais nos seguintes artigos do Hardware Central:

-> Hardware - Clock - CLIQUE AQUI para descobrir!

-> Algumas fórmulas matemáticas são dadas no tópico "Frequência" do "Cap. 1.2. Fórmulas matemáticas" (CLIQUE AQUI!).

A corrente elétrica pode ser definida como um movimento de cargas elétricas que atravessam um condutor em um determinado período de tempo. Pode ser a corrente elétrica entre uma nuvem carregada e a Terra ou quando atritamos dois corpos. Pode haver corrente elétrica em líquidos (condutores iônicos) através de íons livres ou em condutores metálicos através de elétrons livres.

Da mesma maneira que para haver fluxo de calor entre dois corpos precisa existir diferença de temperatura, para haver fluxo de cargas elétricas é necessário haver Diferença De Potencial elétrico (DDP). Essa diferença de potencial se "manifesta" na forma de tensão elétrica.

Mas qual a exata relação entre as duas? Veja:


OBSERVAÇÃO: A definição é mostrada abaixo, porém pode ser vista no artigo "Capítulo 1.0 - Condutores e Isolantes":


"O Campo elétrico (E) é dado em Volts x metro (V.m), sendo o Potencial Elétrico (U) o trabalho de uma FEM (Força Eletromotriz) sobre uma carga elétrica se deslocando entre dois pontos. Com isso podemos concluir que a DDP é o que provoca o fluxo de elétrons entre o polo positivo e o negativo."


A tensão elétrica é dada em Volts (V), podendo ser definida de forma mais simples como uma força de um campo elétrico que faz os elétrons se moverem em (corrente elétrica), saindo do polo negativo onde há excesso de elétrons, e indo até o polo positivo onde há falta de elétrons. Se a tensão elétrica for negativa, o inverso acontece, ou seja, as cargas irão do polo positivo para o negativo.


Para início de conversa, de uma forma generalista, a tensão elétrica pode ser encontrada de três formas:

Gráfico 3 - Tipos de sinal mais comuns


OBSERVAÇÃO: Em inglês utilizam-se as siglas DC (Direct Current) e AC (Alternating Current). Já no Brasil é mais usual nos referirmos à tensão alternada com a sigla C.A. (Corrente Alternada) e tensão contínua com a sigla C.C. (Corrente Contínua). Veja que há uma confusão enraizada com os termos "tensão" e "corrente". Os termos "voltagem" e "amperagem" também são aportuguesamentos do inglês "voltage" e "amperage" aplicados de maneira informal em diálogos no Brasil. Ainda bem que não aportuguesaram "wattage"... :v


Agora, vamos às explicações:


Tensão Alternada (abreviado C.A.): Este tipo de tensão se caracteriza por apresentar uma valor de amplitude variante com o tempo. Esta variação pode ser periódica (tem um ciclo que se repete de tempos em tempos) ou não.

O melhor exemplo de uso da tensão alternada é nas tomadas domésticas, que formecem uma onda semoidal que muda de polaridade 60 vezes por segundo (60 Hz). Se trata de uma oscilação simétrica, isto é, o semi-ciclo negativo tem extamente a mesma duração do período do semi-ciclo positivo.

Imagem 1


No caso das tomadas da sua casa, cada uma têm dois ou três pinos. O pino do meio (o terceiro) é o já conhecido - e muitas vezes odiado - "terminal terra". Os outros dois das extremidades são FASE e NEUTRO. Pois bem, o NEUTRO é o referêncial, isto é, fornece zero Volt, enquanto o FASE tem um potencial elétrico que oscila entre positivo e negativo em 60 Hertz, ou seja, o uso de dois pinos não significa a existência de um terminal positivo e outro negativo, isto pois o próprio FASE os fornece.


Valor Eficaz?


Vamos pegar como exemplo uma rede de 127 Volts. Sua tensão de pico (abreviada Vp) atinge um valor de aproximadamente 180 Volts. Isto significa que a tensão numa tomada de 127 Volts atinge um pico de semi-ciclo positivo (crista) de cerca de +180 Volts, e um pico de semi-ciclo negativo (vale) com cerca de -180 Volts. Com isso, a tensão de pico-a-pico (Vpp) será de 360 Volts, aproximadamente.

Como a tensão alternada não possui um valor fixo, pois como já dito ela oscila entre positivo e negativo ao longo do tempo, o que nos interessa é seu valor eficaz, conhecido como tensão RMS (Root Medium Square, em português "raiz média quadrada").

Gráfico 4 - o que é Tensão Eficaz


O valor eficaz é quanto a C.A. valeria se fosse contínua, calculada pela área da forma da onda dividida pela duração de seu ciclo, ou seja, sua integral.

Os valores de tensão elétrica domésticos são, na verdade, valores RMS:


-> 110 Volts: +156 V e -156 V (pico-a-pico de 311 Volts);

-> 127 Volts: +180 V e -180 V (pico-a-pico de 360 Volts);

-> 220 Volts: +311 V e -311 V (pico-a-pico de 622 Volts);

-> 240 Volts: +340 V e -340 V (pico-a-pico de 680 Volts);


Caso não se tenha uma FASE com 220 Volts de DDP em relação ao NEUTRO, pode se fazer uma instalação 220 V utilizando-se de duas FASES de 127 Volts com 1/3 de defasagem de onda uma em relação a outra, isto pois:


127 x (3^0,5) = 127 x 1,73 = 219,8 V


Da mesma forma, redes industriais podem usar três linhas 127 V defasadas 120° uma em relação a outra para obter-se 380 Volts de DDP entre FASES e NEUTRO.


Para saber como funciona um gerador e ter uma ideia de como uma rede trifásica é, basta CLICAR AQUI!


CURIOSIDADE: No passado operava-se algumas regiões do país com tensão eficaz de 110 V, entretanto, houve uma decisão de se padronizar a tensão em 127 V, abandonando-se a antiga DDP de 110 V (ou até de 115 V).

Esta memória passada, ainda fortemente impregnada no vocabulário do leigo, leva à confusão entre 110 V e 127 V. Como por aqui nunca se adotou em redes residenciais tensão de 254 V (em alguns lugares do mundo se utililiza ou se utilizou 240 V), não há razão histórica para confundir 220 V com 254 V.


Tensão pulsante: Uma tensão pulsante é aquela que oscila, isto é, tal qual a tensão alternada traz uma amplitude que varia em função do tempo, porém, não há semi-ciclos negativos, ou seja, ela possui semi-ciclos positivos apenas.


CURIOSIDADE: O protocolo de comunicação RS-232 utiliza a lógica TTL para transferência de dados entre controladores, porém, entre placas de circuito, quando é necessário o uso de cabos, CIs drivers convertem os pulso positivos TTL em uma sequência de pulsos com alternância de tensão, isto é, para o bit de valor 1 usa-se uma tensão de -12 V, enquanto para o bit de valor 0 usa-se uma tensão de +12 V.

Para saber mais sobre a lógica TTL, CLIQUE AQUI!

Para saber mais sobre a interface RS-232, CLIQUE AQUI!


Já que citamos a tensão pulsante, podemos extender o assunto para o PWM (Pulse Width Modulation, em português "modulação por largura de pulsos") que consiste em uma modulação digital de sinais para se transmitir uma informação pela variação da largura de uma onda quadrada. Para se aprofundar no assunto com um exemplo prático de uso, CLIQUE AQUI!


Tensão contínua (abreviado C.C.): Este tipo de tensão se caracteriza por apresentar, de forma ideal, um valor constante (contínuo) de amplitude, invariante com o tempo. Na prática podemos encontrar pequenas oscilações que dependem dos componentes utilizados e da maneira com que o circuito foi dimensionado, e é o que veremos adiante.

As pilhas e baterias, independente da composição química são grandes exemplos de fontes de tensão contínua.


Para além destas três formas de sinal "principais", existe uma quarta...


Tensão Mista: É o nome que damos às parcelas C.A. e C.C. combinadas numa mesma linha. Neste caso, o nome que damos à tensão depende do tipo de sinal mais relevante.

Por exemplo, vamos imaginar a tensão de saída de uma fonte de alimentação de +12 Vcc. Neste caso, o sinal de interesse é a parcela C.C., desta forma, a parcela C.A. que eventualmente exista é algo secundário (às vezes até indesejável).

Outro exemplo é um amplificador de áudio. Neste circuito a saída deveria apresentar apenas um sinal C.A., portanto, caso surja algum nível C.C., ele será também secundário. Tendo essas situações em mente, podemos definir então o que é Tensão de Ripple e Tensão de Offset:


-> Tensão de ripple: É uma ondulação C.A. sobreposta a um sinal C.C.. Neste caso, o sinal principal é o sinal contínuo, como no caso da fonte de alimentação. O sinal alternado é um sinal secundário. Normalmente, o ripple possui uma amplitude menor do que o nível de tensão contínua, mas não é regra.


Uma maneira muito fácil de se demonstrar a existência do ripple é medindo a saída de alternadores automotivos. Este tipo de gerador fornece fases de tensão alternada que precisam ser retificadas e reguladas para uma saída C.C. para a alimentação elétrica de todo o veículo. Pois bem, apesar do circuito no alternador tornar o sinal C.C, ele não é 100% invariante em relação ao tempo. Existe uma variação constante e pequena, e dentro desta oscilação um sinal de ripple.

O gráfico abaixo mostra dois exemplos de tensão de ripple na saída de retificadores. Podemos notar que a saída de um retificador sem qualquer filtro possui um ripple muito maior.

Gráfico 5 - Amplitude de ripple na saída de retificadores

Esse ripple é prejudicial para a qualidade e estabilidade de funcionamento de muitos circuitos, portanto, no caso do automóvel, os módulos podem ter um filtro secundário. Um exemplo é o autorádio, em que na amplificação do sinal de áudio ruídos na alimentação elétrica poderiam trazer perda de qualidade.

É aqui que entra outro fator interessante. Aquela oscilação com amplitude bem pequena na fonte de alimentação do carro (alternador) é um ruído na tensão C.C., mas que no circuito de áudio pode se tornar uma interferência para a C.A.

Como sabemos, os alto-falantes são exitados por uma tensão oscilante, isto é, alternada, e com uma amplitude que pode ser bastante grande, o que depende também do circuito de amplificação do sinal. Pois bem, aquela interferência que se propagou junto com a C.C de alimentação pode ficar como ruído no som.


CURIOSIDADE: Podemos "escutar" o ruído do alternador nos alto-falantes do veículo através de um smartphone! Basta usar um adaptador USB 'xing ling' na tomada 12 V do painel do veículo e ao mesmo tempo utilizarmos um cabo auxiliar P2 para escutar música do celular no autorádio.

Vídeo 1 - O ruído no som do carro causado por ripple


OBSERVAÇÃO: No vídeo acima, há um interruptor que ativa as portas USB (que substituem o acendendor de cigarros com tomada 12 V original do veículo).


Isso mostra que os adaptadores USB para tomadas 12 V automotivas (a maioria é produto genérico) não eliminam 100% do ripple e qualquer ruído na fonte de alimentação do telefone vai gerar alguma interferência que passará pelo aparelho, repassando-a ao amplificador do autorádio, que reproduzirá nos alto-falantes.


OBSERVAÇÃO: Uma maneira de tentar diminuir o ruído seria ligar o adaptador USB em algum ponto da carroceria do veículo com outro cabo terra, para assim aproveitar uma atenuação de sinal causada por resistência elétrica (para saber mais sobre a 'carcaça' dos veículos serem um grande polo negativo, CLIQUE AQUI!). Utilizar um cabo USB com um bom isolamento e mais curto também pode ajudar a reduzir campos eletromagnéticos nas redondezas do aparelho de som.


Se ainda não está convencido da forte corrente de ripple no circuito dos veículos, saiba que existem tacômetros que detectam a rotação do motor apenas medindo a corrente de ripple do alternador!

Imagem 2 - Este tacômetro pode ser encontrado tanto com a marca Alta Nova quanto com a marca NAPRO. Inclusive o nome "MGT-300 EVO" é o mesmo.


Ao ser conectado nos polos da bateria do veículo - que é um dos pontos do circuito mais próximos do alternador -, o tacômetro passa a medir a frequência deste sinal de ripple, que vai alterando-se de acordo com o RPM do rotor do gerador, que por sua vez é conectado ao eixo do motor por uma correia.

Caso este tacômetro seja conectado um tanto mais 'longe' da fonte de energia, sua precisão pode ser grandemente afetada pela resistência elétrica do percurso que o sinal fará, isto é, quanto mais distante do alternador, maior tende ser a atenuação de sinal devido a alteração da condutância elétrica.


-> Tensão offset: É um sinal C.C. (que pode ter uma variação com uma amplitude muito pequena) que desloca uma forma de onda alternada, assim como no exemplo acima do amplificador de áudio do rádio do carro. Neste caso, o sinal principal é o sinal C.A. e a parcela C.C. é o sinal secundário.


Tensão média?


Em formas de onda simétricas, onde o semi-ciclo positivo e o negativo possuem a mesma duração a tensão média é a soma da tensão de pico positiva com a tensão de pico negativa dividida por dois. Neste caso, a tensão média da rede elétrica doméstica é de zero Volt, isto pois os semi-ciclos tem a mesma amplitude e o eixo central da senóide é 0.

Todavia, há casos onde a tensão alternada possui semi-ciclos assimétricos ou então a C.A. está flutuando sobre uma tensão C.C. (Offset).

Gráfico 6 - O que é a tensão média


Para o caso da gráfico acima, temos um pico máximo de +30 Volts e um pico mínimo também positivo de +18 Volts. Logo, a tensão de pico-a-pico é de +12 Volts (30 - 18). Já a tensão média é de 24 Volts.


[(30 + 18) / 2] = 48 / 2 = 24 Volts


Isto significa que a tensão oscilante está flutuando sobre uma tensão contínua de 24 Volts (Offset).

 

Voltando aos conceitos...


A corrente elétrica, dada em Amperes e simbolizada pela letra "i" (que é a abreviação "intensidade de corrente elétrica") pode ser alternada ou contínua. Isso se dá pela tensão elétrica, que quando é alternada, faz com que os elétrons fluam do polo negativo para o positivo e vice-versa o tempo todo, em duas direções. Já a corrente contínua se dá pelo DDP contínuo, fazendo com que cargas fluam apenas em uma única direção. A mesma igualdade se dá em tensões pulsantes e em qualquer formato de onda que seja.

Como estão diretamente atreladas, para calcular a corrente elétrica é necessário saber a diferença de potencial (medida em Volts), e a resistência (R) do condutor, que é dada em Ohms.


Se num determinado ponto de um determinado circuito há, por exemplo, um nó com quatro caminhos paralelos interligando o polo negativo e o positivo do circuito, isso significa que a corrente elétrica será dividida em quatro partes iguais entre estes quatro caminhos, desde que a resistência elétrica presente em cada um destes caminhos seja igual. Caso a resistência elétrica não seja igual, a corrente será dividida de forma inversamente proporcional a resistência de cada um dos caminhos. Se somar as correntes que passam por estes quatro fios paralelos temos a corrente total que saiu do polo negativo da fonte. Veja o diagrama abaixo:

Primeira lei de Kirchhoff

Diagrama 3


Em um circuito onde há apenas um caminho com vários componentes em série ligando o polo negativo ao positivo, não há qualquer divisão de corrente elétrica entre os componentes. Isso é o que diz a primeira lei de Kirchhoff, também chamada de Lei dos Nós. Para entender melhor, CLIQUE AQUI e veja o artigo sobre resistores.


Observe o desenho abaixo:

Diagrama 4


A DDP será 0 V quando houver 100% de equilíbrio de elétrons entre os polos positivo e negativo da fonte de alimentação. Observe as imagens e note a diferença de potencial nas baterias.

Diagrama 5


CURIOSIDADE: Uma bateria não precisa estar 100% 'descarregada' para um circuito parar de funcionar! Veja a bateria de um carro comum, por exemplo: Basta ela ficar abaixo dos cerca de 10 Volts e o motor de arranque já não é capaz de dar partida ao propulsor, isto pois ele precisa de um DDP idealmente na casa dos 12 Volts para conseguir girar. Assim é com um smartphone, com um notebook, com um carrinho de controle remoto...

Para saber mais sobre baterias, comece CLICANDO AQUI!


A corrente elétrica irá existir em um circuito enquanto houver diferença de potencial. Por exemplo, se no polo negativo de uma pilha temos um potencial de 0 V e no polo positivo um potencial de 1,5 Volts, então a diferença de potencial total desta pilha será de:

1,5 V - 0 V = 1,5 Volts

Se em outra pilha, o polo negativo há um potencial elétrico de 4,0 V e no polo positivo há 13,0 V, a DDP entre os dois polos será de:

13,0 - 4,0 V = 9 Volts

Numa fonte de energia com o polo positivo com potencial de 4 V e polo negativo com 16 V, a tensão será de:

4 - 16 = -12 Volts

Quando a tensão é negativa, os elétrons fluem do polo positivo para o negativo!


A tensão irá diminuir conforme a passagem de elétrons de um polo para outro da fonte. Uma parte desses elétrons será gasta nos componentes. Um exemplo bom para explicar esse consumo é uma lâmpada incandescente, que transforma parte da energia elétrica que circula em seus terminais em energia térmica (calor). Essa transformação de energia em calor é chamada de "efeito Joule", que será explicada mais abaixo.


A conversão da tensão e corrente alternada para contínua é feito por uma fonte de alimentação linear ou chaveada.

Ao contrário da corrente elétrica, a tensão não se divide em um nó com caminhos paralelos ligando o polo positivo ao negativo da fonte. Já quando há apenas um caminho a tensão será dividida entre os componentes que nele estiverem ligados.

Por exemplo, se ligar em série 22 lâmpadas que funcionam com 10 volts e conectar o terminal da primeira no FASE de uma tomada e o terminal da última lâmpada no NEUTRO desta mesma tomada, teremos então 10 Volts para cada lâmpada.

Se fizermos diferente, ligando todos os terminais positivos das lâmpadas no polo FASE da tomada de 220 Volts e todos os terminais negativos das lâmpadas no polo NEUTRO desta mesma tomada, as lâmpadas irão ser danificadas, pois todas serão alimentadas com 220 Volts.

A potência (P) é a capacidade de transformação, neste caso, da energia elétrica em outro tipo de energia por unidade de tempo.

A unidade de medida de potência é o Watt (W).

Um Watt equivale a 1 Joule (A unidade de medida da energia - E) por segundo (T), portanto:

Como exemplo, podemos utilizar um processador (CPU) de um computador que tenha um projeto de dissipação térmica (TDP) de 95 Watts. Isso significa que este chip transforma até 95 W de energia em calor. A diferença entre um chip de 95 watts e um de 45 watts, por exemplo, é que o de 95 W pode gerar um pouco mais que o dobro de calor.


O HC já tem um artigo mostrando como calcular a potência e o consumo médio de um aparelho eletrônico. Para acessar o artigo "Cap. 1.1b. Introdução à Eletrodinâmica - Parte 2" CLIQUE AQUI e leia os tópicos "Potência elétrica" e "Consumo médio".


As unidades de medida para potência vêm do tempo em que o escocês James Watt – que aprimorou a máquina a vapor – definiu 1 hp (horse power, ou cavalo-vapor) como a potência necessária para levantar uma massa de 75 kg a 1 metro de altura em 1 segundo. Daí pra diante, cada região do globo inventou unidades parecidas e que podem nos confundir. Vamos a elas:

→ hp (horse power): Valor de potência útil medido no eixo do motor, com todos os acessórios e periféricos necessários para ligá-lo e funcionar autonomamente;

→ bhp (brake horse power): Potência útil medida segundo as normas americanas SAE J245 e J 1995 (já obsoletas), que permitiam a retirada do filtro de ar, alternador, bomba da direção hidráulica, motor de arranque, além de permitir o uso de coletores de escape dimensionados. Sem essas perdas, era o favorito dos fabricantes que vendiam potência. Foi abandonado em 1972;

→ PS: Abreviação da palavra alemã “Pferdestärke”, que significa cavalo-vapor. Era medido segundo norma alemã DIN 70020, e diferia levemente do hp por ser baseado no sistema métrico ao invés do imperial;

→ cv (cheval vapeur): como “Pferdestärke” era difícil de falar, os franceses 'inventaram' o cv. Na verdade, é exatamente a mesma coisa da unidade PS, só que 'afrancesado';

→ BTU: British Thermal Unit, ou em português, Unidade Térmica Britânica, é uma unidade de medida de potência de refrigeração, isto é, a capacidade de um equipamento refrigerador de modificar a temperatura no ambiente em que está instalado. Em outras palavras, a medida revela a quantidade de energia elétrica que será gasta para resfriar ou aquecer determinado espaço.

→ W: Unidade padrão do Sistema Internacional de Medidas (SI) para a potência útil, definido pela Organização Internacional para Normatização (ISO) segundo as normas ISO 31 e ISO 1000.


Em essência:

-> 1 hp = 745,7 Watts;

-> 1 cv = 735,49 Watts;

-> 1 BTU/h = 0,29292 Watts;

-> 1 hp = 1,0139 cv;

-> 1 cv = 0,9863 hp.

-> 1 Watt = 3,4121 BTU/h

-> 1 Watt = 1 Joule/segundo

-> 1 BTU/h = 1.05506 kJ/h


Observe as várias potências numa simples etiqueta de ar condicionado doméstico:

Imagem 3 - Um ar condicionado split 12 kBTUs da sueca Electrolux


Salvo os casos onde a potência elétrica vem de uma tensão e corrente contínuas, quando o sinal é pulsante ou alternado o buraco é mais embaixo.

Quando um sinal elétrico possui frequência, entra em jogo a reatância indutiva (proporcionado por bobinas de fio, indutores) e a reatância capacitiva (proporcionada por condensadores). A resistência elétrica se torna apenas um fragmento de todo o cálculo envolvido.

Para começar, devemos entender que nem toda a energia que percorre um sistema elétrico se torna, de fato, trabalho efetivo. Existem gastos que vão além da simples resistência elétrica, e eu estou falando da energia utilizada para gerar trabalho útil, uma potência reativa que é gasta para se formar campo eletromagnético (bobinas) ou campo elétrico (capacitores).

Sim, basta existir corrente elétrica circulando num fio pra termos campo elétrico e magnético ao seu redor, mas, por exemplo, um motor elétrico forma campos magnéticos muito mais fortes e concentrados capazes de gerar torque, e é aí que a potência reativa tem um valor acentuado.


Enquanto a potência útil é medida pela velha conhecida unidade de medida Watts (W), a potência reativa precisa se diferenciar para não gerar confusões. Como potência é Tensão multiplicada pela Corrente, a potência reativa é simplesmente representada pela unidade Volt-Ampére reativo (VAr).

Quando a potência útil e a potência reativa são somadas, temos a chamada potência aparente, onde aplicamos a unidade de medida Volt-Ampére (VA).


Em geral, aparelhos usados em nosso cotidiano, como por exemplo smartphones, TVs, aparelhos de som, carros elétricos e máquinas de lavar roupa informam em sua etiqueta ou plaqueta de identificação a potência total (poderíamos chamar de aparente também) em Watts (W), considerando perdas por efeito Joule e por reatância. Alguns ferramentais que utilizam motores elétricos pequenos também.

Veremos a unidade Volt-Ampére (VA) em transformadores domésticos ou indústriais, em geral em componentes elétricos de uso indústrial. Já o Volt-Ampére reativo (VAr) não costuma ser informado.

Imagem 4 - Um transformador de uso indústrial com potência de 300 kVA e a impedância genéricamente citada em porcentagem


Um exemplo didático de um sistema onde apenas a potência útil é informada é o bom e velho motor de combustão interna. Enquanto um motor ciclo Diesel pode ter uma eficiência entre 40 e 50%, um motor abastecido com gasolina, álcool ou GNV / GLP consegue chegar no máximo por volta dos 40%. O restante do combustível vira energia térmica e sonora, ou seja, se torna calor e ruído, precisando ser dissipada e atenuada via radiadores e isolamento acústico, respectivamente. Em um belo e sucinto resumo, seu carro joga entre 60 e 70% do combustível no lixo, isto é, viram tipos de energia um tanto inúteis para o funcionamento do veículo.

Sendo assim, um motor de combustão interna possui sua potência útil (medida no eixo do motor), potência 'reativa' (soma da potência térmica e potência de atrito) e a potência 'aparente' (desenvolvida na fase de combustão, empurrando pistão para baixo e gerando muito calor, sendo a combinação da 'reativa' com a útil):

Complemento 1 - Note que é considerado também a potência de atrito (Wf), que fornece oposição ao movimento e é visível mesmo com a circulação de óleo lubrificante


No âmbito automobilístico, apenas a potência útil - isto é, a parte da energia que é transformada em movimento - é informada nos manuais e propagandas, afinal, o resto não interessa. Saber a potência 'aparente' (ou indicada) de um propulsor destes não é relevante.

Imagem 5 - Note que a potência máxima é alcançada apenas numa faixa de rotação, isto pois motores de combustão interna possuem torque e potência desencontrados, formando gráficos com curvas exponenciais


Já na elétrica e eletrônica temos um 'punhado' de fórmulas para definir a potência útil, reativa e aparente de um sistema qualquer. Nas comuns redes de tensão e corrente alternada, é fundamental conhecer o triângulo das potências, pois é através dele que conseguimos calcular qualquer uma das três potências.


OBSERVAÇÃO: Para compreender o triângulo das potências é preciso ter algum grau de conhecimento em trigonometria.


Veja:

Gráfico 7 - O triângulo das potências


Onde:

> P: Potência Útil (em Watts);

> Q: Potência reativa (em VAr);

> S: Potência aparente (em VA).

> Φ: Ângulo Φ (o CosΦ é o ângulo de defasagem, também conhecido como fator de potência em sistemas de tensão e corrente alternada senoidais).


Algumas das fórmulas para se calcular as potências são mostradas abaixo:

Complemento 2 - Fórmulas para o cálculo da potência útil


Onde:

> fp: É o fator de potência, relacionado ao CosΦ em sistemas de tensão e corrente alernadas senoidais.

Complemento 3 - Fórmulas para o cálculo da potência reativa


Onde:

> SenΦ: Representa um ângulo de defasagem entre Q e S.

Complemento 4 - Fórmulas para o cálculo da potência reativa


OBSERVAÇÃO: As letras "V" e "I" com o ponto em cima significam Tensão elétrica complexa e Corrente elétrica complexa.


Por definição, o fator de potência é um número adimensional entre 0 e 1. Quando o fator de potência é igual a zero (0), o fluxo de energia é inteiramente reativo, e a energia armazenada é devolvida totalmente à fonte em cada ciclo. Quando o fator de potência é 1, toda a energia fornecida pela fonte é consumida pela carga. Normalmente o fp é assinalado como atrasado ou adiantado para identificar o sinal do ângulo de fase entre as ondas de corrente e tensão elétricas que são geradas.


CURIOSIDADE: É importante se atentar ao quadrante do triângulo, isso porque quando "S" está no primeiro quadrante, temos uma carga indutiva e um fator de potência atrasado. Já quando "S" está no quarto quadrante, a carga é capacitiva e o fator de potência está adiantado. Caso a potência complexa caia no segundo ou terceiro quadrantes, significa que a impedância da carga tem uma resistência negativa.


 Se uma carga puramente resistiva é conectada ao sistema, a corrente e a tensão mudarão de polaridade em fase, e nesse caso o fp será 1, e a energia elétrica flui numa mesma direção através do sistema em cada ciclo. Um bom exemplo de carga resistiva são as velhas lâmpadas incandescentes;


CURIOSIDADE: Para saber mais sobre lâmpadas incandescentes, CLIQUE AQUI!


 Cargas indutivas, tais como motores e transformadores (equipamentos com bobinas) produzem potência reativa com a senoide de corrente atrasada em relação à tensão;


 Cargas capacitivas, tais como condensadores, bancos de capacitores, cabos elétricos enterrados ou lâmpadas fluorescentes produzem potência reativa com corrente adiantada em relação à tensão. Observe a seguinte etiqueta de um reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes:

Propaganda de conteúdo do HC - Clique na imagem acima e vá para a introdução do conteúdo sobre lâmpadas fluorescentes


 Já motores síncronos (como os de relutância e relutância com imãs permanentes) podem ter sua potência reativa tanto atrasada quanto adiantada simplesmente alterando-se a corrente de campo.


CURIOSIDADE: Para saber mais sobre motores síncronos e assíncronos, CLIQUE AQUI!


Ambos os tipos de reatância (indutiva e capacitiva) absorverão energia durante parte do ciclo de corrente alternada, apenas para devolver essa energia novamente para a fonte durante o resto do ciclo.


OBSERVAÇÃO: No exemplo do motor de combustão, eu chamo de reativa a potência térmica e de atrito apenas para fazer uma analogia com a elétrica. Na realidade, a energia transformada em calor e atrito não é recuperada, isto é, é potência dissipada, perdida, desconsiderada do sistema.


Por exemplo, para se obter 1 kW de potência ativa quando o fp é 1, 1 kVA de potência aparente será necessariamente transferida (1 kVA = 1 kW / 1).

Sob baixos valores de fp, será necessária a transferência de uma maior quantidade de potência aparente para se obter a mesma potência ativa. Para se obter 1 kW de potência ativa com fator de potência 0,2 será necessário transferir 5 kVA de potência aparente (1 kW = 5 kVA × 0,2).


CURIOSIDADE: Frequentemente é possível corrigir o fp para um valor próximo a 1. Essa prática é conhecida como correção do fator de potência e é conseguida mediante o acoplamento de bancos de indutores ou capacitores, com uma potência reativa Q contrário ao da carga, tentando ao máximo anular essa componente. Por exemplo, o efeito indutivo de motores pode ser anulado com a conexão em paralelo de um condensador (ou banco de capacitores) junto ao equipamento.


Observe o seguinte trecho do manual de uso de um autotransformador:

Imagem 6 - Veja na tabela que a potência útil (definida como "Potência de carga constante") do referido equipamento circunda sempre 40 a 50% da potência aparente (VA). O resto é potência reativa


Se pegarmos o autotransformador de 5 kVA, sua potência útil é de apenas 2 kW, ou seja, conseguimos descobrir que seu fator de potência é 0,4, isto pois:


2000 / 0,4 = 5000 VA ou

5000 × 0,4 = 2000 W


Note que um fp de 0,4 significa CosΦ 0,4


Com isso, a potência reativa se resume nos 3000 VAr, e com isso:


3000 / 5000 = 0,6, ou seja, SenΦ 0,6


Na tabela da imagem acima também vemos que o autotransformador suporta por curtos períodos de tempo potências de pico (PW) muito acima da potência útil constante (CW). Este valor deve ser levado em conta, afinal, muitas aplicações domésticas costumam ter motores de indução monofásícos que a cada partida 'puxam' da rede uma potência maior que a nominal para saírem da inércia.


CURIOSIDADE: A questão é tão importante que a indústria de ar condicionados, por exemplo, vem constantemente eliminando os modelos comuns em prol dos equipamentos com tecnologia Inverter, onde a rotação do motor é variável, evitando que o aparelho fique ligando e desligando constantemente e gerando picos de corrente, o que leva a um consumo mais elevado de energia.


Se pegarmos com exemplo o reator eletrônico mostrado anteriormente, observamos que:


Em 220 Volts há um consumo de 37 Watts e um fp de 0,96. A potência aparente é:

35 / 0,96 = 36,45 VA

Logo, 36,45 - 35 = 1,04 VAr

Com isso, 1,04 / 36,45 = SenΦ 0,028


Estes são apenas exemplos genéricos para vermos como tudo se relaciona.

A reatância indutiva está diretamente relacionada com a indutância das bobinas do circuito, enquanto a reatância capacitiva está diretamente relacionada à capacitância dos condensadores no circuito, portanto, lembre-se:

→ A reatância capacitiva é uma resistência à tensão elétrica, atrasando a tensão em relação à corrente do circuito;

→ A reatância indutiva é uma resistência à corrente elétrica, atrasando a corrente em relação à tensão no circuito;

→ A reatância capacitiva e a reatância indutiva utilizam a unidade de medida Ohms, tal qual a resistêcia elétrica;

→ Ao somar a resistência elétrica, a reatância capacitiva e a reatância indutiva, obtemos a Impedância do circuito, que é simbolizada por "Z".


Este último trecho pode ser resumido por este pequeno vídeo do canal Elétrica sem Limites:

Vídeo 2 - Aqui também é citado a Susceptância, Condutância e a unidade de medida Siemens


Para entender melhor o funcionamento de capacitores e indutores, recomendo a leitura dos artigos sobre indutores e capacitores publicados no HC!

Um condutor de energia pode oferecer oposição à passagem de elétrons. Isso se chama resistência elétrica, dada em Ohms. Existem duas leis para a resistência elétrica, que são chamadas de "Leis de Ohm".

A primeira Lei de Ohm diz que, a corrente elétrica é diretamente proporcional à DDP no circuito. Um dispositivo que funcione desta forma é chamado de "dispositivo ohmico". Componentes como o diodo e o transistor, que são feitos de semicondutor não seguem esta lei, portanto são "dispositivos não-ohmicos".

Gráfico 8


No Gráfico 8 a representação da tensão em função da corrente elétrica num resistor ohmico. Perceba que a linha é linear.


Gráfico 9


No Gráfico 9 a representação da tensão em função da corrente elétrica num resistor não-ohmico. A corrente varia de forma independente da tensão elétrica. É possível notar isso, por exemplo, no gráfico de curva característica do Termistor, Varistor e LDR, todos eles resistores não-ohmicos.

Para saber mais sobre o funcionamento de semicondutores, CLIQUE AQUI!


A segunda Lei de Ohm se refere a resistividade do material. Dependendo do comprimento, do tipo de material utilizado, de sua área, sua espessura, haverá uma oposição a passagem de elétrons, sendo que a temperatura também pode interferir mais, ou menos, dependendo das especificações do material. CLIQUE AQUI para acessar o "Cap. 1.0. Eletricidade - Condutores e Isolantes", pois no tópico "O Fluxo de Elétrons" estão algumas fórmulas relacionadas a resistência e condutância, juntamente da fórmula para segunda lei de Ohm.

Mas qual o motivo dos elétrons terem dificuldades ao passar por um condutor?

No "Cap. 1.0. Eletricidade - Condutores e Isolantes", há o tópico "Influência da Temperatura", e nele estão presentes as informações sobre coeficiente de temperatura e comportamento de alguns materiais diante do aquecimento.

Os resistores utilizam materiais que não conduzem muito bem a corrente. Dependendo da quantidade deste material (que pode ser carvão, cerâmica, entre outros) aplicado no componente, ele irá gerar uma determinada oposição a passagem de corrente elétrica.

Mesmo os materiais condutores (Ouro e Cobre, por exemplo) tem uma pequena resistência que pode ser considerada desprezível.


CURIOSIDADE: Já que estamos falando sobre resistência, convém falar sobre curto-circuito!

Um curto-circuito é quando a resistência do circuito é igual a zero, e quando isso acontece, a corrente tende a ser infinita, pois neste caso qualquer número dividido por zero gera um valor infinito. Se você colocar um fio de Cobre no polo positivo e outro no polo negativo de uma fonte de energia e interliga-los, isso gerará um curto circuito e a corrente infinita acabará danificando os fios.

Efeito Joule


Um curto-circuito também pode ser explicado pelo efeito Joule: todos os corpos são constituídos de átomos. Não notamos mas, um corpo qualquer possui uma agitação nos átomos que compõem sua estrutura, uma agitação que vai ficando mais acentuada a medida que o corpo vai ficando mais quente.

A corrente elétrica aplicada em um filamento o sobrecarrega, isto é, os elétrons tem dificuldade em passar pelo condutor e acabam colidindo com os átomos que estão se agitando. Parte da energia cinética (energia do movimento) dos elétrons circulantes é transferida para o átomo, que aumenta seu estado de agitação, consequentemente deixando o filamento cada vez mais quente. A colisão entre os átomos se agitando também faz com que o corpo fique cada vez mais aquecido.


O Oxigênio é um comburente que colabora para a combustão do corpo, que já está muito quente.


Por exemplo, o Cobre não dará conta de promover uma circulação de corrente infinita entre os polos. Apesar de ser um excelente condutor, ele tem seu limite. Isso vale para todos os componentes eletrônicos. Praticamente todos eles geram um pouco de calor, ou seja, parte da energia elétrica é transformada em energia térmica. Veja o que ocorre com um resistor no próximo parágrafo:


Um resistor que esteja trabalhando acima do seu limite de tensão e circulação de elétrons (corrente) também acabará queimando devido ao excesso de calor gerado. A agitação dos átomos deixa o corpo cada vez mais quente, mas o resistor não consegue perder toda a energia térmica para o ambiente. Outra parte da energia dos elétrons circulantes pelo resistor também é transferida para os elétrons que compõem o átomo, fazendo com que ocorra o salto quântico. Ao retornarem para seus lugares originais no átomo, os elétrons liberam a energia que os fizeram saltar, ou seja, liberam fótons de luz. O resistor passa a emitir uma luz enquanto a agitação excessiva de seus átomos faz toda a sua estrutura entrar em colapso.

Veja abaixo a animação de um resistor "queimando" por trabalhar acima de seus limites.

GIF 1


Esta é uma breve explicação sobre o efeito Joule em um componente. A formula para calcular o calor que está sendo dissipado é dada abaixo:

Onde:


> Q = Quantidade de calor, em Joules (J);

> I = Intensidade de corrente elétrica, em Amperes (A);

> R = Resistência elétrica, em Ohms (Ω);

> t = Intervalo de tempo.


Mas já parou pra pensar que a solda elétrica (Soldagem por arco elétrico com eletrodo revestido, em inglês "Shielded Metal Arc Welding" - abreviado SMAW) consiste em utilizar-se do curto-circuito e um arame de enchimento para unir duas peças metálicas através de calor?

Imagem 7 - A solda elétrica é feita através de curto-circuito!


Sim! são ótimos exemplos pra embasar o conteúdo.

Se trata de um curto-circuito controlado, isto é, pode se utilizar de redes elétricas domésticas (127 e 220 V), em geral em tomadas de 20 A para se produzir uma alta quantidade de corrente através de uma inversora de solda para proporcionar a fusão entre duas peças metálicas e um arame de enchimento.

Imagem 8 - Uma inversora ESAB HandyArc que opera entre 20 e 130 Amperes


Tais máquinas transformam 127 V / 220 V CA em uma tensão contínua que pode ficar na faixa dos 60 a 80 Volts na saída quando sem carga...

Imagem 9 - Uma inversora de solda Worker PowerStick


Quando com carga, isto é, ao iniciar o processo de solda, a corrente aumenta e a tensão cai ainda mais, para valores na faixa dos 15 a 40 Volts a depender do eletrodo utilizado.

A corrente flui pela garra negativa fixada na peça a ser soldada direto para o arame do eletrodo, fixado no alicate (porta-eletrodo), que é o polo positivo.

Imagem 10 - Um alicate porta-eletrodo desmontado


Como as ligas metálicas a serem fundidas possuem uma muito baixa resistência elétrica, este fluxo de corrente intenso gerará uma grande quantidade de calor (efeito Joule), com um potencial térmico na casa das centenas de graus celsius, o suficiente para formar a poça de fusão.


Para saber mais sobre as características dos eletrodos de solda, CLIQUE AQUI!


E antes que você venha perguntar, para causar danos na estação de solda ou na infraestrutura (até mesmo um incêndio) basta ligar uma máquina desta numa rede elétrica doméstica subdimensionada e sem mecânismos de segurança. Nos primeiros minutos de funcionamento a fiação já vai aquecer, e para o curto-circuito deixar de ser controlado é questão de um piscar de olhos...

Resumidamente:


-> Um circuito aberto é um circuito desligado, sem fluxo de corrente;


-> Um circuito fechado é um circuito ligado, com fluxo de corrente;


-> A Corrente elétrica é o fluxo de cargas elétricas entre dois polos, cargas estas medidas em Coulombs (C). A intensidade de corrente elétrica (I) possui como unidade de medida o Ampere (A);


-> O que gera o fluxo de corrente elétrica num circuito é a aplicação de uma força capaz de movimentar os elétrons (Força Eletromotriz - FEM), sendo uma "diferença de potencial elétrico" (DDP) entre o polo positivo e o negativo. Essa diferença de potencial também é chamada de tensão elétrica, cuja unidade de medida é o Volt (V). O Potencial Elétrico "U" é a FEM que atua sobre uma carga elétrica no deslocamento entre dois pontos, sendo parte de uma totalidade chamada Campo Elétrico, simbolizada por "E" e medida em Volts x metro (V.m);


-> Existe corrente alternada e tensão alternada, bem como existe também a corrente contínua e tensão contínua, além de outras formas de onda em sistemas diversos.

Sinais pulsantes ou alternados geram reatância indutiva e capacitiva, ou seja, geram um atraso na corrente e na tensão, respectivamente. Ambas as reatãncias também são quantizadas pela unidade de medida Ohm (Ω), e sua soma com a resistência elétrica do circuito em questão resulta no valor de Impedância (Z) do circuito.

O valor Z é o oposto da Admitância (Y). Já o oposto da reatância é a susceptância. Tanto a Admitância quanto a susceptância são quantizados pela unidade de medida Siemens (G), da mesma forma que a Condutância elétrica;


-> A Corrente elétrica flui do polo negativo (-) para o positivo (+) quando aplicado uma tensão elétrica (V) positiva no circuito. Quando a tensão é negativa, os elétrons fluem do polo positivo para o negativo;


-> Uma tensão mista pode ser um sinal C.C (sinal primário) com ripple junto (sinal secundário), ou então um sinal C.A (sinal primário) com Offset DC (sinal secundário);


-> A Corrente elétrica se divide quando há vários caminhos paralelos entre o polo positivo e o negativo. Já a Tensão elétrica não se divide quando há vários caminhos paralelos entre o polo positivo e o negativo;


-> A Potência elétrica (P) é a capacidade de transformação de um tipo de energia em outro por unidade de tempo. A unidade de medida da potência elétrica é o Watt (W), que equivale ao Joule por segundo (J/s), todavia, existem várias outras grandezas, tal como cavalo-vapor (cv), horse-power (hp), British Thermal Unit (BTU), entre outras.

A energia elétrica pode ser transformada em calor, som, luz, movimento, e em geral, um sistema consegue transformar energia - por mais eficiente que seja - em vários outros tipos de energia. Até mesmo um motor elétrico PMsynRM consegue transformar uns 4% da energia gasta em calor;

A reatância também representam uma parte da energia gasta para formar campo elétrico e magnético, ou seja, parte da corrente e da tensão são transformadas em um tipo de trabalho. Sendo assim, a parte da potência aparente (VA) que não vira potência útil (W) é denominada potência reativa (VAr);


-> A Resistência elétrica (R) é o inverso da Condutância elétrica (G). A unidade de medida da Resistência é o Ohm (Ω);


-> A variação de corrente elétrica proporcional a DDP é o que define um resistor ohmico. Já a uma variação de corrente independente da tensão elétrica é o que define um resistor não-ohmico. Esta é a primeira Lei de Ohm;


-> A Resistência elétrica depende da composição química do material, de suas dimensões e da temperatura. Esta é a segunda Lei de Ohm;


-> O curto-circuito ocorre quando a resistência entre o polo positivo e o negativo é igual a zero;


-> O Efeito Joule pode ser definido da seguinte forma: quando a corrente atravessa um meio, ela tende a gerar calor, mesmo que um valor ínfimo, e esta quantidade (Q) de calor dissipada pelo meio é medida em Joules (J). Como foi visto anteriormente, a potencia (P) é a capacidade de transformação da energia por unidade de tempo, podendo também ser representada em Joules por segundo (J/s);


-> A frequência é a quantidade de eventos repetitivos que ocorrem em um intervalo de tempo. A frequência (f) possui como unidade de medida o Hertz (Hz) e é demasiadamente importante na eletrônica para se medir, gerar e estudar ondas elétricas / eletromagnéticas.


Complemento:


-> As ondas elétricas / eletromagnéticas podem ser do tipo senoidal, quadrada, dente de serra, pulsante e etc.


-> Um onda elétrica / eletromagnética é definida pelo seu Período, Comprimento, Velocidade e Amplitude.


-> A velocidade da luz é utilizada no cálculo de comprimento de onda, isto ocorre pois uma onda elétrica / eletromagnética também se propaga na velocidade da luz no vácuo (299.792.458 metros por segundo).

Esta é só uma introdução de algo muito importante que faz parte de toda a tecnologia que nos cerca e que tem muita coisa a ser estudada.


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CRÉDITOS e FONTES:

Texto e desenhos: Leonardo Ritter

Referências: Livro "Eletrônica Para Autodidatas, Estudantes e Técnicos"; meu caderno de física da época de escola; Mundo da Elétrica; efeitojoule.com; revista Quatro Rodas; Manuais de automóveis e de autotransformadores domésticos; Canal do YT "Elétrica sem Limites"; Eletrônica Geral (EltGeral); Oficina da Net; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).


Última atualização: 19 de Maio de 2024.

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