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<strong>Capítulo</strong> 1 <strong>–</strong> <strong>Variáveis</strong> <strong>Elétricas</strong><br />
1.1 Visão geral da engenharia elétrica<br />
“A engenharia elétrica é uma profissão empolgante e<br />
desafiadora para qualquer um que tenha interesse genuíno<br />
pela ciência e matemática aplicada.”<br />
Engenharia elétrica<br />
Ramo da engenharia relativo à produção, transmissão<br />
e medição de sinais elétricos.<br />
Principais tipos de sistemas elétricos<br />
Sistemas de comunicações<br />
Sistemas de computação<br />
Sistemas de controle<br />
Sistemas de transmissão<br />
Sistemas de processamento de sinais<br />
Sistemas de automação<br />
Sistemas mecatrônicos<br />
Exemplo de sistema elétrico<br />
Folha 1 de 11
Circuito elétrico<br />
Modelo matemático que descreve aproximadamente o<br />
comportamento de um sistema elétrico.<br />
Teoria dos circuitos<br />
Caso especial da teoria eletromagnética.<br />
Três hipóteses fundamentais que permitem o uso da teoria<br />
de circuitos:<br />
1) Os efeitos elétricos ocorrem instantaneamente<br />
(sistema suficientemente pequeno ou sistema de<br />
parâmetros concentrados).<br />
2) A carga elétrica de todos os componentes do<br />
sistema é sempre zero.<br />
3) Não existe acoplamento magnético entre os<br />
componentes do sistema.<br />
Exemplo: “suficientemente pequeno”.<br />
Folha 2 de 11
1.2 O sistema internacional de unidades<br />
As unidades do sistema internacional (SI) baseiam-se em<br />
seis grandezas definidas.<br />
GRANDEZA UNIDADE BÁSICA SÍMBOLO<br />
Comprimento metro m<br />
Massa quilograma kg<br />
Tempo segundo s<br />
Corrente elétrica ampère A<br />
Temperatura kelvin K<br />
Intensidade luminosa candela cd<br />
Grandezas secundárias<br />
GRANDEZA UNIDADE FÓRMULA<br />
(SÍMBOLO) D<strong>IME</strong>NSIONAL<br />
Freqüência hertz (Hz) s -1<br />
Força newton (N) kg.m/s 2<br />
Energia ou trabalho joule (J) N/m<br />
Potência watt (W) J/s<br />
Carga elétrica coulomb (C) A.s<br />
Potencial elétrico volt (V) W/A<br />
Resistência elétrica ohm (:) V/A<br />
Condutância elétrica siemens (S) A/V<br />
Capacitância elétrica farad (F) C/V<br />
Fluxo magnético weber (Wb) V.s<br />
Indutância henry (H) Wb.A<br />
Folha 3 de 11
Prefixos padronizados de potência de 10<br />
PREFIXO SÍMB. VALOR PREFIXO SÍMB. VALOR<br />
atto a 10 -18<br />
deci d 10 -1<br />
femto f 10 -15<br />
deca da 10<br />
pico p 10 -12<br />
hecto h 10 2<br />
nano n 10 -9<br />
quilo k 10 3<br />
micro P 10 -6<br />
mili m 10 -3<br />
centi c 10 -2<br />
Exercício 1.3<br />
Folha 4 de 11<br />
mega M 10 6<br />
giga G 10 9<br />
tera T 10 12
1.3 A análise de circuitos dento do projeto de sistemas<br />
elétricos<br />
Nova funcionalidade<br />
ou modificação de<br />
sistema existente<br />
Características<br />
mensuráveis<br />
para a solução<br />
proposta<br />
Visão<br />
realista da<br />
necessidade<br />
Novos<br />
elementos:<br />
Simulação e<br />
verificação<br />
Necessidade<br />
Especificações<br />
do projeto<br />
Concepção<br />
Modelagem e<br />
Análise<br />
Construção do<br />
protótipo e<br />
testes<br />
Sistema elétrico<br />
que atende às<br />
especificações<br />
Folha 5 de 11<br />
Aperfeiçoamento<br />
com base na<br />
análise<br />
Aperfeiçoamento<br />
com base nas<br />
medidas
1.4 Tensão e corrente<br />
Carga elétrica<br />
Conceito fundamental para descrição de circuitos<br />
elétricos.<br />
Duas polaridades: positiva e negativa.<br />
Existe uma quantidade mínima de carga elétrica<br />
(1,6022x10 -19 C).<br />
Os efeitos elétricos podem ser atribuídos à separação<br />
de cargas ou ao seu movimento.<br />
Separação de cargas leva a tensão elétrica.<br />
Movimento de cargas leva a corrente elétrica.<br />
Tensão elétrica é a energia por unidade de carga usada<br />
para separar cargas de sinais opostos.<br />
v<br />
=<br />
dw<br />
dq<br />
v: tensão em volts<br />
w: energia em joules<br />
q: carga em coulombs<br />
Folha 6 de 11
Corrente elétrica é a quantidade de carga que atravessa um<br />
circuito por unidade de tempo.<br />
i<br />
=<br />
dq<br />
dt<br />
i: corrente em ampères<br />
q: carga em coulombs<br />
t: tempo em segundos<br />
Aproximação: o número de elétrons é tão grande que se<br />
pode associar o conjunto de elétrons a uma grandeza<br />
contínua. Idem para corrente elétrica.<br />
(Quantos elétrons por segundo correspondem a uma<br />
corrente de 1 A? E de 1 pA?)<br />
Podemos definir um componente exclusivamente em<br />
termos da tensão entre seus terminais e da corrente que o<br />
atravessa.<br />
Existem casos em que o comportamento interno do<br />
componente é de grande interesse:<br />
Se os elétrons responsáveis pela corrente são elétrons<br />
livres de um metal ou os elétrons da banda de<br />
condução de um semicondutor.<br />
Folha 7 de 11
1.5 O elemento básico ideal<br />
Atributos do elemento básico ideal<br />
1) Possui apenas dois terminais.<br />
2) Pode ser descrito matematicamente em termos de<br />
corrente e tensão nos seus terminais.<br />
3) Não pode ser subdividido em outros elementos.<br />
Elemento básico ideal<br />
Indicação da polaridade da tensão e do sentido da corrente.<br />
Valores da tensão e da corrente versus indicação de<br />
polaridade e sentido, respectivamente.<br />
GRANDEZA VALOR POSITIVO VALOR NEGATIVO<br />
v Queda de tensão do<br />
terminal 1 (+) para o<br />
terminal 2 (-).<br />
i Movimento de cargas<br />
positivas do terminal<br />
1 para o terminal 2<br />
(sentido da seta).<br />
i<br />
+<br />
v<br />
-<br />
1<br />
2<br />
Folha 8 de 11<br />
Aumento de tensão<br />
do terminal 1 (+) para<br />
o terminal 2 (-).<br />
Movimento de cargas<br />
positivas do terminal 2<br />
para o terminal 1<br />
(contrário ao sentido<br />
da seta).
Convenção passiva<br />
Se o sentido de referência para a corrente em um<br />
elemento for o mesmo que o da queda de tensão no<br />
mesmo elemento, deve ser usado um sinal positivo na<br />
expressão que relaciona a tensão à corrente. Se não<br />
for, deve ser usado um sinal negativo.<br />
Exemplo 1.7<br />
1.6 Potência e energia<br />
O produto final de um sistema é muitas vezes uma<br />
grandeza não elétrica, quase sempre expressa em termos<br />
de potência ou energia.<br />
Todos os dispositivos reais apresentam limitações quanto à<br />
quantidade de potência que são capazes de dissipar ou<br />
fornecer.<br />
Potência é a taxa de variação temporal da energia:<br />
p<br />
=<br />
dw<br />
dt<br />
p: potência em watts<br />
w: energia em joules<br />
t: tempo em segundos<br />
Folha 9 de 11
Potência associada a um elemento básico ideal.<br />
Equação válida se o sentido escolhido para a corrente for o<br />
mesmo que o da queda de tensão entre os terminais:<br />
dw ⎛ dw ⎞⎛ dq ⎞<br />
p = = ⎜ ⎟⎜ ⎟ = vi<br />
dt ⎝ dq ⎠⎝<br />
dt ⎠<br />
Equação válida se o sentido escolhido para a corrente for o<br />
mesmo que o da queda de tensão entre os terminais:<br />
p = −vi<br />
Resumo das convenções para a potência:<br />
i<br />
+<br />
v<br />
-<br />
1<br />
2<br />
(a) p = vi<br />
i<br />
-<br />
v<br />
+<br />
1<br />
2<br />
(c) p = -vi<br />
+<br />
v<br />
-<br />
Folha 10 de 11<br />
i<br />
i<br />
-<br />
v<br />
+<br />
1<br />
2<br />
(b) p = -vi<br />
(d) p = -vi<br />
1<br />
2
Regra para determinar o sinal algébrico da potência<br />
Quando a potência é positiva (p>0), o circuito no<br />
interior da caixa está recebendo potência.<br />
Quando a potência é negativa (p