Transcript
Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015
1
Potência, instalações elétricas, fusíveis e disjuntores Como uma lâmpada pode brilhar mais que outra se ambas estiverem sob a mesma tensão elétrica? 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. Assim que tiver a oportunidade, faça um desenho para comparar a espessura e o comprimento dos filamentos das duas lâmpadas. Qual dessas lâmpadas brilha mais? O que significam os valores 100 Watts e 25 Watts que estão inscritos nos bulbos de vidro das lâmpadas? 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 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 à 127 V de tensão. 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. 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 + luz, por segundo, isto é, para brilhar mais, a lâmpada precisa de uma corrente de maior intensidade. Com base nessas informações, 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. 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, surte uma forte sensação de que essas três medidas elétricas estão relacionadas entre si. Analise as unidades de medida da potência, da tensão e da corrente elétrica que são apresentadas abaixo e, depois, experimente multiplicar a unidade de tensão pela unidade de corrente. Com base nessa operação, você já chegou a uma conclusão acerca de qual é a relação matemática existente entre potência, tensão e corrente elétrica? ê
ã
A partir da operação acima sugerida, percebemos que podemos obter a potência elétrica de um aparelho a partir do valor da tensão nele aplicada e da corrente elétrica nele estabelecida. Em termos matemáticos temos: P = U . i Como podemos limitar a potência de um circuito prevenindo-nos dos 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. Quando a corrente no fusível supera 1
Fusível
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.
Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015
2
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
Como escolher o tipo de fusível ou disjuntor mais apropriado para um circuito elétrico? 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. PTotal 2.200 W A equação P = U . i pode ser reescrita como: i = = = 18,3 A U 120 V 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. A tabela ao lado mostra a relação entre a área de seção dos fios de ligação de cobre e a corrente máxima suportada por eles sem risco de dano ao isolamento elétrico dos fios.
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
Exercícios 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?
