UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO … · Depois retorne para o item 2.3.f a seguir ......

UERJ – 2002 – 1o SEMESTRE – ELETRICIDADE II - 5a Aula Prática pag. 2

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

FACULDADE DE ENGENHARIA

ELETRICIDADE II - 4º PERÍODO Data: ..../..../....

5ª AULA PRÁTICA - CIRCUITOS COM ENERGIA ELÉTRICA ALTERNADA: IMPEDÂNCIA, FASORES,VALOR EFICAZ, FATOR DE POTÊNCIA, PERDAS EM CIRCUITOS MAGNÉTICOS

Aluno:__________________________________________________________2 Opção (A); (B); (C)

Professor: _______________________________________________________2

Monitor: ________________________________________________________2

2o colega de bancada ______________________________________________2 Opção (A); (B); (C)

3o colega de bancada ______________________________________________2 Opção (A); (B); (C)

Duração: 2 tempos de laboratório ( 1 SEMANA )

INICIANDO

I - 1 NÃO MEÇA NADA ATÉ CHEGAR AO ITEM 2.6.a À PAG. 5

I - 2 Neste experimento você estará trabalhando com uma fonte de energia elétrica alternada senoidal( VCA no esquema elétrico da figura do item 5 à pag. 7 e na figura ao lado ) que merece todo o seurespeito. A tensão será bem mais elevada que nas experiências anteriores, isto é, para a mesmacorrente a potência, VxI , que se manifesta é bem maior .

I - 3 Redobre os seus cuidados pois a fonte poderá fornecer uma quantidade de energia que, se não devidamente sob con-trole, poderá causar danos a você, ao circuito em exame, aos instrumentos e a ela mesma. Portanto:

I - 4 EXISTEM RISCOS DE DANOS E ACIDENTES NA QUINTA EXPERIÊNCIA

I - 5 São condições necessárias para executar-se um experimento desse tipo , e qualquer outro experimento em engenhariapreocupar-se com o controle da situação; portanto :

A - NUNCA VÁ A UM LABORATÓRIO FAZER TENTATIVAS E, OU ADIVINHAÇÕES

B - É OBRIGAÇÃO SUA SABER: 1 - CONCEITUALMENTE ,2 - TEORICAMENTE E3 - NUMERICAMENTE, ................... TUDO O QUE OCORRERÁ.

I - 6 As conclusões dessa experiência dependem dos resultados experimentais ( montagem e medidas ) que você irá obter,portanto o sucesso de seu relatório dependerá somente de você . Sob esse aspecto essa é realmente a 1ª experiênciaque você irá executar. As anteriores podem ser consideradas de nivelamento .

I - 7 Como toda experiência em laboratório, esta também é muito rica em detalhes e vamos tentar explorar todos os detalhesque poderiam passar despercebido por você.

I - 8 Quando estiver trabalhando com energia alternada, preste muita atenção pois :a. As tensões e correntes são fasoriais e você está obrigado a usar números complexos .b. Os elementos reativos ( indutâncias e capacitâncias ) presentes no circuito poderão liberar energia, que previa-

mente armazenaram, no mesmo instante em que o gerador o fizer . A manifestação de energia resultante dasoma da energia fornecida pelo gerador e pelos elementos reativos podem produzir correntes e, ou tensões maio-res do que as que você sabe estão sendo fornecidas pelo gerador . E isto ocorrerá neste experimento.

c. As polaridades que alguns dispositivos têm indicadas nos esquemas elétricos de CA darão o sinal algébrico do fa-sor nas expressões que modelarão matematicamente o circuito. Ver item 8.4.4 à pag. 12.

I - 9 CUIDADO: Você vai trabalhar com uma massa de ferro muito pesada, o “ núcleo ” do indu-tor, composto de duas peças denominadas de “ Peça I ” e “ Peça U ” ( ver figura ao lado )que serão usadas para aumentar o valor do parâmetro indutivo do circuito. Vamos repetir asmesmas observações do experimento 4, onde você tomou contato com elas pela primeira vez:

I - 10 Como este núcleo de ferro é muito pesado seja cuidadoso e:• Não faça movimentos bruscos com as mesmas ou próximos da mesma, pois são peças que

possuem inércia e são mais duras ( ver conceito de dureza em engenharia mecânica ) que ocorpo humano, isto é, se estiverem em movimento e baterem em alguém podem provocarferimentos, e da mesma forma se alguém bater contra a peça também poderá ferir-se.

• Evite que caia no chão pois poderá danificar o piso e, ou as peças metálicas.• Evite que caia sobre a bancada pois poderá danificar a bancada.• Evite brincadeiras pois poderá “ machucar ” um colega.

VCA

N

N

N


I - 11 ATENÇÃO:NÃO ENCOSTE EM QUALQUER PARTE DA FIAÇÃO durante a realização do experimento pois poderá levar um cho-que elétrico, que mesmo ao ser produzido por uma tensão considerada segura nesta experiência será sempre desagradável.

I - 12 O GRUPO - Escolha um grupo de NOVOS colegas com os quais pretende fazer a sua experiência, e com os quaisnão tenha ainda feito nenhuma experiência. Cada grupo deve ser composto de 3 ( três ) alunos e eventualmente atéduas bancadas poderão operar com o mínimo de 2 ( dois ) alunos. Não é permitido o aluno fazer a sua experiênciasozinho .

I - 13 CONJUNTOI-13.1 Objetivos – o que você observará, ou executará, ou concluirá nessa prática de laboratório.I-13.2 Execução – o método; uma sugestão de como conduzir o experimento e o que será feito.I-13.3 Lista de materialI-13.4 Codificação da régua de terminais.I-13.5 Esquema elétrico.I-13.6 Questionário: exploração teórica do experimento.I-13.7 Descrição dos controles dos equipamentosI-13.8 Informações úteisI-13.9 Memória de cálculosI-13.10 Teste seus conhecimentos.

1 - OBJETIVOS :

1.1 - Valor eficaz de uma tensão e corrente senoidais .1.2 - Medição de tensão CA .1.3 - Calculo de corrente CA .1.4 - Cálculo da indutância de uma bobina com núcleo de ferro-silício.1.5 - Cálculo de perdas em uma bobina com núcleo de ferro-silício.1.6 - Percepção de um campo magnético.1.7 - Defasagem entre tensão e corrente.1.8 - Execução de gráficos senoidais.1.9 - Cálculo de uma impedância.1.10 - Cálculos com gráficos fasoriais.1.11 - Gráficos senoidais de V, I e P nos parâmetros elétricos.1.12 - Gráficos senoidais de V, I e P em um circuito qualquer.

2 - EXECUÇÃO .

2.1 - PRAZOS E TEMPO DE EXECUÇÃO

2.l.a - Você terá dois tempos ( uma semana ) para executar toda a experiência.

2.1.b- Continuam válidas as observações relativas ao item 2.1 que constam nas folhas de experiências anteriores, que nãoserão repetidas pois você já deve conhece-las .

2.2 -DIFICULDADES NA INTERPRETAÇÃO E NA EXECUÇÃO DE UMA AULA PRÁTICA .

2.2.a- Continuam válidas as observações relativas ao item 2.2 que constam nas folhas de experiências anteriores, que nãoserão repetidas pois você já deve conhece-las .

2.2.b- O Método : O item 2.3 – SEQÜÊNCIA – O MÉTODO apresenta a melhor seqüência de procedimentos, pelo me-nos na opinião dos professores, para a execução experimento . Tente compreende-lo e acompanha-lo .

2.3 - SEQUÊNCIA - O MÉTODO:

• Faça anotações na forma de um rascunho . Esse rascunho ser-lhe-á útil quando for montar o seu relatório e para a suamemória de cálculos . Sugere-se que use o verso das folhas de instruções e a escala da última página ( pag. 13 ).

2.3.a - Examine detidamente o esquema elétrico, item 5 à pág. 7 e o item 2.5 - TABELA l - Opções para o Aluno :. Comisso você estará identificando quais os dispositivos que serão necessários à montagem e um pouco do conteúdo teóricodesse experimento.

2.3.b – Responda os itens 6.1, 6.2 e 6.3 ( pag. 7 ) antes de qualquer coisa. Esta atividade pode ser feita fora do ambientedo laboratório .

N

N


2.3.c – Responda agora o item 6.4 à pag. 7.

• Localize no laboratório um gerador ( fonte ) de CA• Verifique se o gerador está ajustado para ZERO volts ( gire o botão de controle VOLTAGE todo para a esquerda,

movimento contrário ao dos ponteiros do relógio ) e com a chave liga-desliga na posição desligado.• Localize no laboratório um capacitor a óleo de 2 µF x 280 volts• Localize no laboratório uma bobina de ( 0,044 H + 9,5 Ω )• Localize no laboratório as duas peças que comporão o núcleo da bobina ( ver item 8.4.3 à pag. 11 ).

2.3.d - Agora que já conhece o esquema e algumas de suas particularidades, faça a disposição ( “ lay out ” ) adequada dosdispositivos na sua bancada conforme item 8.1 à pág. 9 .

• Ao iniciar a arrumação de componentes você já deve iniciar a lista de materiais conforme item 3 à pag. 6Mas atenção : não é para fazer a montagem e sim reunir o material e fazer a lista de materiais.

2.3.e- Obtido algum conhecimento teórico tentando responder ao questionário você já está apto a executar a montagem( interligação elétrica dos componentes ) conforme esquema elétrico do item 5 à pag. 7.Prossiga pelos itens 2.4 – MONTAGEM DO EXPERIMENTO e 2.5 - TABELA l - Opções para o Aluno à

pag. 5 . Depois retorne para o item 2.3.f a seguir

2.3.f- Após a montagem e os ajustes iniciais do gerador você poderá realizar a primeira parte deste experimento, isto é,medir as tensões que existem no gerador ( fonte ),no capacitor e no conjunto “ indutor+núcleo de ferro ” . Prossiga noitem 2.6 – MEDINDO à pág. 6 e depois retorne para a item 2.3.g a seguir .

2.3.g - Nesse ponto você está terminando a execução de sua aula prática .

• Após concluídas as medições, inclusive a de seus colegas, e ainda com o circuito ligado e energizado, execute a segun-da ( e última parte ) desta experiência: tente afastar a peça “ I ” da peça “ U ” que compõem o núcleo da indutância .Observe o ruído produzido . Execute o solicitado no item 10 – Teste os seus conhecimentos, à pag. 12.

• Anote qual a finalidade de cada controle encontrado em cada um dos dispositivos que foram usados na sua experiência( item 7 à pág. 8 ) .

• Complete a sua lista de materiais ( item 3, pág. 6 ), que você já iniciou no item 2.3.d.• Complete a sua tabela de medidas ( item 2.7, pag. 6 ) que você já iniciou nos itens 2.6.e.6 e 2.6.f.1 à pag. 6 preen-

chendo as colunas que faltam, “ Valor teórico esperado” e “ Percentual de erro ”, colunas 6 e 7 .• Responda as perguntas que ainda estão faltando ( 6.6 à 6.22 às pags. 7 e 8 ).• Prepare a sua memória de cálculos conforme o item 9 à pág. 12 .• Prepare qualquer desenho e, ou comentários sobre o seu experimento que gostaria de fazer independentemente do

solicitado, conforme último item das 3a e 4a partes do apêndice A à pág. Al . Caso descubra erros no seu experi-mento descreva agora, na 4a ( quarta ) parte nos comentários, esses erros e como poderia saná-los . Se não soubercomo saná-los descreva-os assim mesmo.⇒ Para que possamos avaliar as dificuldades que porventura esteja encontrando, caso tenha encontrado erros,

ou deseje fazer comentários ou sugestões, faça uma cópia e entregue ao professor, pois quaisquer críticas oucomentários serão bem vindos e quando possível serão implementados . Se tiver receios de expor-se nãoprecisa identificar-se .

2.3.h - Passe a limpo suas anotações dando a forma solicitada no apêndice A ( págs. Al e A2 ).............E finalmente ..........

2.3.i - ........monte o seu relatório conforme indicado no item A2 do apêndice A à pag. A2

2.4 – MONTAGEM DO EXPERIMENTO :

2.4.a - PREPARATÓRIO: como sugerido em 2.3 - SEQUÊNCIA - O MÉTODO à pag. 3 , para rascunho do seu relató-rio, use o verso destas folhas de instruções, a TABELA 2 à pág. 6 , a TABELA 3 à pag. 6 e a escala do VOM naúltima folha , pag. 13 ........ ou ..........

• prepare folhas de papel para anotações ( 2 folhas A4 são suficientes ) .• prepare um rascunho de tabelas iguais à Tabela 2 e Tabela 3 à pag 6 .• prepare rascunhos para executar desenhos de trechos de escala com as medidas feitas similar à última página (pag. 13).

N

N

N

222


2.4.b – MONTAGEM:

2.4.b.1 - Antes de iniciar a montagem elétrica:

• NÃO conecte (1) o gerador ( fonte ) na tomada . Será a última coisa a fazer.• Verifique, novamente (2), se está desconectado (1), se está desligado e se está ajustado para fornecer ZERO volts .

Para isso gire o botão de controle VOLTAGE todo para a esquerda (movimento contrário ao dos ponteiros do relógio).• NÃO monte o capacitor na régua de terminais. Ver item 8.3 á pag. 10• Monte a indutância com o núcleo de ferro ( indicado pelos três traços paralelos ao longo de L+R+fe no esquema elétri-

co do item 5 à pag. 7 ) conforme o desenho em 8.4.3 à pag. 11 . Preste atenção à posição das superfícies usinadas asquais deverão ficar em contato . Dê um suave aperto no grampo que aperta a peça “ I ” com a peça “ U ” .

• Monte o esquema elétrico indicado na fig. do item 5 à pag. 7 ( observe os itens 8.3 a 8.4 nas pág. 10 , 11 e 12 outravez ), isto é, acompanhe a codificação da régua de terminais indicada no item 4 à pág. 7 e faça as conexões, dos diver-sos dispositivos indicados no esquema da figura do item 5 ( pág. 7 ), nessa régua de terminais . Leia com atenção osdois parágrafos seguintes :

• NÃO É PERMITIDA A INTERLIGAÇAO ELÉTRICA ENTRE DISPOSITIVOS .• OS DISPOSITIVOS SO PODEM SER CONECTADOS À RÉGUA DE TERMINAIS EM SEUS RESPECTI-

VOS NÓS ( ver item 8.1 à pag. 9 ) .

2.4.b.2 - Preste atenção, também, ao próximo parágrafo e a seguir, após concluído o solicitado nesse item 2.4 , atendendoos valores do item 2.5 , retorne ao item 2.3.f acima.

• NÃO RISQUE OU MARQUE QUALQUER MATERIAL, EM QUALQUER EXPERIMENTO ( mesmo quenão seja um experimento de Eletricidade II ) , EM QUALQUER HIPÓTESE !! Evite esse tipo de comportamentopois costuma ser agressivo aos equipamentos . CONTROLE-SE ! !

2.5 - TABELA l - Opções para o Aluno :

• Escolha, na tabela abaixo, um valor de tensão para o seu trabalho, isto é, cada aluno terá resultados numéricos ligeira-mente diferentes dos demais colegas de bancadas. Os valores de L+R+núcleo de ferro-silício e do Capacitor a óleosão iguais para todos os alunos.

ALUNO A B CVCA = VQJ 100 volts 90 volts 80 volts

L+R+núcleo de Fe 0,044 H + 9,5 Ω + Fe-SiCapacitor a Óleo 2 µF x 280 volts

2.6 – MEDINDO :

2.6.a – Cuidados iniciais com o VOM . Responda, agora, a item 6.5 à pag. 7.• Antes de conectar (1) o VOM ao circuito ajuste-o para a função AC , no alcance de 250 volts, e ......

NÃO MEXA MAIS NO AJUSTE ATÉ O FINAL DA EXPERIÊNCIA em nenhuma hipótese.

2.6.b – DOMINE O INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO acompanhando os dois itens a seguir :

• Reveja cuidadosamente os itens B.8.3, B.8.4, B.8.5, B.8.7 às pag. B.9 e B.10 .• O multímetro já deve estar ajustado, como no item 2.6.a acima .

2.6.c – INSTRUÇÕES GERAIS .

2.6.c.1 – Reproduza, conforme instruções do item 2.4.a ( a pág. 4 ) , todas as medidas que você fizer em uma folha de papelde rascunho ou na escala que está na última folha ( à pag. 13 ). Com isto você está garantindo, em caso de dúvidas, apossibilidade de reexaminar as suas leituras, por exemplo, em casa .

2.6.c.2 - NÃO É PERMITIDA A EXECUÇÃO DE MEDIDAS DIRETAMENTE NOS TERMINAIS DOS DISPO-SITIVOS. Isto somente poderá ser feito por você quando estiver em um nível mais avançado do seu curso de enge-nharia. Lembre-se que um dos objetivos desta aula ( e da mesma forma o foi nas anteriores ) , é a utilização darégua de terminais, onde você tem que aprender a reconhecer e utilizar NÓS. Veja o item 2.6.c.3 a seguir .

2.6.c.3 - Todas as medidas têm que ser feitas na régua de terminais, isto é, nos pontos onde chegam os fios que interligam osdiversos componentes, denominados nós.

1 CONECTAR - significa ligar fisicamente, em nosso caso o gerador ( fonte ) e, ou o VOM, à rede elétrica e, ou à monta-

gem da experiência. Encontramos no Aurélio Buarque de Holanda Ferreira - Novo Dicionário Aurélio 1ª edição –Editora Nova Fronteira – o verbete: Conector 1. Eletr. Componente de um circuito elétrico ou eletrônico, destinado aestabelecer ligação elétrica entre dois outros componentes.

2 A precaução é necessária pois alguém pode ter manipulado o seu material, sem que tenha tomado conhecimento

N

N

N

N

N

N

N


2.6.d – A MEDIDA .

2.6.d.1 -Quando executar qualquer medida de qualquer grandeza em qualquer matéria procure seguir as 5 regras básicas .

• Segurança. Quais os princípios de funcionamento dos dispositivos de medições.• Ajuste. Como tornar o sistema de medição operável.• Interligação. Como conectar os instrumentos de medição.• Leitura. Percepção das informações que nos fornecem os mostradores dos instrumentos.• Medida. Aplicação da metodologia adotada quanto a precisão e exatidão dos instrumentos, aos valores lidos .

2.6.d.2 – Cuidados iniciais com o gerador ( fonte ) .

• Antes de conectar (1) à rede elétrica ( tomada ) e ligar (3) o gerador ( fonte ) torne a verificar (2) se está ajustado parafornecer ZERO volts e se está desligado como solicitado desde o item 2.3.c à pag. 3 .

• Conecte (1) a fonte à rede elétrica ( tomada ) . Mas não ligue (3) ainda .• Observe a polaridade indicada na fonte no esquema elétrico do item 5 à pag. 7. Há alguma polaridade a ser obedeci-

da ao conectar-se a fonte CA ao circuito ? Se tem dúvidas reveja o item I – 8 à pag. 2 e item 8.4.4 á pag. 13 .

2.6.e - 1ª medida . Medição de VQJ

2.6.e.1. Você vai iniciar a 1ª medida: trata-se de ajustar o gerador para uma determinada voltagem . Quantos volts o ge-rador deverá fornecer ? Veja tabela de valores do item 2.5 acima . Marque na escala (4) do VOM à pag. 12 a posi-ção teórica do índice (5) .

2.6.e.2. O VOM está ajustado corretamente ? Se tiver dúvidas releia os itens I-1 à pag. 2 , 2.6.a á pag. 5 e a resposta aoitem 6.5 à pag. 7. Conecte (1) o VOM ao circuito em Q e J. Ligue (3) o gerador.

2.6.e.3. Houve alguma leitura ?∗ Em caso positivo desligue imediatamente a fonte, desconecte-a da rede elétrica, e desconecte o VOM do circuito,

nessa ordem .∗ Aqui está um dos motivos pelos quais você deve sempre iniciar as suas medidas de tensões ou correntes usando o

maior alcance possível do instrumento pois algo anormal está ocorrendo, apesar de todos os seus cuidados e vocêpoderá danificar alguma coisa, como por exemplo o instrumento de medição, os equipamentos, etc. .

∗ Nesse caso possivelmente você não “ ZEROU ” a fonte de tensão adequadamente ou se o fez a fonte pode estarcom defeito ou qualquer outra coisa, fora de seu controle está ocorrendo .

2.6.e.4. Procure a causa da anomalia, normalize a situação e comece tudo de novo ( volte ao início, item 2.6.d.2 à pag 5 ) .

2.6.e.5. No caso de nenhuma leitura ser observada, há a possibilidade que tudo esteja bem : prossiga cuidadosamente.

2.6.e.6 - Ajuste da tensão do gerador: gire lentamente o controle “ VOLTAGE ”" do gerador até conseguir a leitura dovalor desejado no voltímetro, isto é, até obter VQJ igual ao valor da tabela de valores do item 2.5 à pag. 5 .

Anote no desenho da escala fornecido na pag. 13 em que posição, na escala (4) , ficou realmente o índice (5) epreencha as colunas 3 , 4 , 5 e 8 de uma tabela de valores medidos como a tabela 2 mais adiante ( use-a como rascu-nho ). Observe que as colunas 1 e 2 não poderão ser preenchidas, e as colunas 6 e 7 somente serão preenchidasmais tarde no item 2.3.g à pag. 4 .

2.6.f – Outras medições:

2.6.f.1 - Meça os valores de VQN e VNJ da mesma forma como fez acima. Anote no desenho da escala fornecido na pag. 13em que posição, na escala (4) ficou o índice (5) e preencha sua tabela de valores medidos ( colunas 3 , 4 , 5 e 8 ).

2.6.f.2 - Após concluído o solicitado nesse item 2.6 , atendendo o solicitado no item 2.7 , retorne ao item 2.3.g à pag. 5para a conclusão de seus trabalhos nesse segundo experimento.

3 LIGAR - significa energizar um dispositivo, e em nosso caso acionar a chave elétrica que energiza o gerador ( fonte ) .

Encontramos no Aurélio Buarque de Holanda Ferreira - Novo Dicionário Aurélio 1ª edição – Editora Nova Fronteira –o verbete:- Ligar ....10. Pôr em funcionamento ( sistema elétrico ) : abrir : ligar a chave da luz .

4 ESCALA ( DE UM INSTRUMENTO ANALÓGICO ) - NBR 6509 - 4.12.18 - Série de números e, ou marcas no disposi-tivo indicador e que combinado com o índice, permite a leitura do valor da grandeza medida .

5 ÍNDICE ( DE UM INSTRUMENTO ANALÓGICO ) - NBR 6509 - 4.12.19 - Parte móvel ou fixa do dispositivo indicador( ponteiro, agulha, ponto luminoso, ranhura, etc.), cuja posição em relação à escala permite a determinação do valorgrandeza medida .


2.7 - TABELA 2 : Quadro de Medidas

• use esta tabela como rascunho .

Leitura noalcanceinferior

Leitura noalcance

superior

Leitura noalcancecorreto

Multipli-cador

no alcancecorreto

MEDIDA( no alcan-ce correto )

Valorteórico

esperadoPercentual

de erroEscala

utilizada1 2 3 4 5 6 7 8

VQJ ***** *****VQN ***** *****

VNJ ***** *****

3 - TABELA 3 – Lista de Materiais.

• use esta tabela como rascunho .

Tipo de equipamento Nome do fabricante Modelo do equipamento Número de série N0 patrimonial UERJ| | | | |

4 - CODIFICAÇÃO da RÉGUA de TERMINAIS

Os nós de sua régua de terminais somente poderão ser identificadoscomo na figura ao lado .

Como você não deve e nem pode riscar ou marcar o material, lembre-se da sugestão dada por um colega seu indicada em “ sugestões úteis no item8.5 á pag. 12 da 1ª experiência ” .

5 - ESQUEMA ELÉTRICO

Qualquer esquema não projetado por você deve ser sempre considerado,por você, como parte de um projeto de responsabilidade de quem o projetou.Nunca faça alterações no mesmo, mesmo que domine completamente, isto é,teoricamente e praticamente, a situação e tenha muito experiência . Lembre-se que se algo sair errado você provavelmente será responsabilizado .

Se tiver dúvidas ou não concordar com alguma coisa, pergunte ao profes-sor, mas não altere ou faça simplificações de espécie alguma, a nenhum pre-texto sem autorização .

6 - QUESTIONÁRIO

6.1.a - Qual o valor teórico ( com base nos seus conhecimentos atuais ) da corrente que circulará no circuito do esquemaelétrico do item 5 ( Fig. 5 ) ?

b - qual a maior corrente permitida pela bobina que você irá usar ?

6.2.a - Qual a corrente que circulará no circuito do esquema elétrico do item 5 ( Fig. 5 ) se você conectar e ligar, por engano,no lugar do gerador CA, um gerador de CC regulando-o para fornecer uma tensão com valor nominal igual a tensãoRMS que coube a você conforme a tabela de valores do item 2.5 à pag. 5 . Justifique. Use o termo reatância aojustificar a sua resposta.

b - Qual a tensão em cada componente do circuito ?

J P C D N

A G B F Q

CO

M

A

E

½ L

½ R

L+R

+fe

½ L

½ R

VCA

J

Q N

VE

R IT

EM

8.4

.3À

S P

AG

S.1

1 E

12

Fig. 5

NN


6.3 - Observe o circuito da figura 6.3 . Ele é similar ao circuito do item 5 sem o capacitor aóleo CO .a) Qual a corrente que circulará neste circuito se VCA = a tensão RMS que coube a você

conforme a tabela de valores do item 2.5 à pag. 5 ?b) Qual a corrente que circulará se você ligar, por engano, um gerador de CC regulado

para fornecer uma tensão com valor nominal igual a tensão RMS do item a) acima ?c) O que acontecerá ? Justifique. Use o termo reatância ao justificar a sua resposta .

6.4 - No laboratório encontram-se geradores de CC e de CA com aparência física quaseidênticas. Como reconhecerá qual é o gerador de CC e qual é o gerador CA ?

6.5.a - Por que voltímetros ou amperímetros não sofrem danos quando estão em um alcancesuperior ou correto ?

b - Por que podem sofrer algum dano, se estão em alcance inferior?

6.6 – Na figura 6.6 está representado o circuito equivalente de um voltímetro genérico quan-do tentamos medir a ddp em um determinado resistor . Qual será a medida observadano voltímetro se você tentar medir a tensão no circuito da figura ao lado . Obs.: a res-posta é em função de VCA .

6.7 – Supondo o mesmo enunciado acima , qual será a medidaobservada no voltímetro se você tentar medir a tensão nocircuito da figura 6.7 ? Observe a freqüência do gerador !

6.8 - Você deve ter atendido ao solicitado em 2.3.g á pag. 4 .Explique como é produzido o ruído que aparece quando setenta afastar a peça “ I ”, da peça “ U ” que compõe o núcleoda bobina. Lembre-se que a corrente e a tensão existentesno circuito são senoidais ( passam por zero ) , que o fluxomagnético é diretamente proporcional a corrente, que bobi-nas armazenam energia sob a forma de campo magnético eque campos magnéticos atraem peças metálicas ( o “ U ” eo “ I ” se atraem ) , e você está tentando separá-las .

6.9 - Observe as curvas da figura 6.9 :a) qual a característica comum às curvas A, C, E ?b) qual a característica comum às curvas B, D, F ?c) qual a característica comum às curvas B, C, E ?

6.10 – A partir das medidas feitas nos itens 2.6.e.6 e 2.6.f.1 à pag. 6:a) Calcule o valor da indutância presente no circuito :b) Explique a diferença entre o valor calculado em a) e o regis-trado na indutância .c) Calcule o maior valor de energia que a indutância realmentepresente no circuito armazena .

6.11 - Calcule, a partir das medidas feitas nos itens 2.6.e.6 e 2.6.f.1à pag. 6, qual a tensão na componente resistiva do enrolamentoda bobina.

6.12 - Calcule, a partir das medidas feitas nos itens 2.6.e.6 e 2.6.f.1à pag. 6:a) qual a tensão na componente resistiva (perdas) do ferro dabobina .b) qual o valor de Resistência que deverá ser representado no esquema elétrico, colocado em série com o R do enrola-

mento para representar essas perdas .

6.13. a - Calcule, a partir das medidas feitas nos itens 2.6.e.6 e 2.6.f.1 à pag. 6, qual a corrente que passa pelo circuito ( veritem 8.3 à pag. 10 e o gráfico fasorial do item 8.4.2 á pag. 11 ) .

b - Compare com o resultado obtido na pergunta 6.1 à pag. 7 e explique a diferença .

6.14 - Faça um diagrama fasorial com: ( veja observação na próxima pag. )a) as tensões medidas ( nos itens 2.6.e.6 e 2.6.f.1 à pag. 6 ) .b) a corrente do item 6.13 acima .c) a tensão no elemento reativo indutivo ideal calculado em 6.10.a .d) as tensões das diversas “ perdas ” calculadas nos itens 6.11 e 6.12.a .Obs. : Coloque na quinta parte do relatório. Use outra, somente 1 (uma), folha de papel milimetrado. Tem que ser em es-cala. Use somente 1/3 da folha pois ainda serão colocadas mais duas respostas ( diagramas ) nessa folha, itens 6.16 e 6.19 .

M

A

E

½ L

½ R

L+R

+fe

½ L

½ R

VCA

J

N Q

Fig. 6.3

Fig. 6.6

VCA 60 Hz

1 M

Ω0,

5 M

Ω

VOLTÍMETRO

V

ZV =

∞

1 M

Ω

60 p

F

Fig. 6.7

VCA 60 MHz1

MΩ

0,5

MΩ

VOLTÍMETRO

V

ZV =

∞

1 M

Ω

60 p

F

Fig. 6.9

A

C

D

E

F

B


6. l5 - Em outra, somente uma, folha de papel milimetrado faça um único gráfico com todas as senóides dos fasores do item6.14. Na mesma folha descreva cada curva, algebricamente, sob a forma senoidal e sob a forma cossenoidal . Re-presente 2 ciclos de cada senoide . Tem que ser em escala . Indique o valor máxima de cada uma e a sua defasagemem relação a uma origem que você vai escolher. Sugestão: use a corrente como a referência defasada de 0° conformeseu diagrama fasorial do item 6.l4 .

6.16 - Faça um diagrama das impedâncias que realmente encontrou no circuito representando cada um dos parâmetros re-sistivos e reativos, indutivos e capacitivos . Coloque-o na folha milimetrada do item 6.14 .

6.17 - Faça um gráfico com as senóides que representam a tensão total, a corrente total, a potência aparente, a potência ativae a potência reativa que se desenvolvem no circuito. Use outra, somente 1 (uma) folha de papel milimetrado. (6)

6.18- Qual a reatância dos parâmetros elétricos realmente presentes no circuito ?

6.19- Faça a correção do fator de potência do circuito montado. Calcule o(s) valor(es) do(s) parâmetro(s) elétrico(s) quedeve(m) ser adicionado(s) em PARALELO com a carga para que o fator de potência fique exatamente nos limites le-gais, cos ϕ = 0,92. Na memória de cálculos, calcule qual o valor do componente ( parâmetro elétrico ) necessário, eno questionário diga o valor calculado e na parte de gráficos construa o triângulo de potência da sua carga antes da cor-reção e depois das correções colocando-os na folha milimetrada do item 6.14 .

6.20- Redesenhe o circuito do item ( Fig. 5 ) indicando os valores que você constatou existirem realmente no circuito .

6.21 – Qual o objetivo, ( assunto, conteúdo ) desta 5ª experiência ?

6.22 – Qual a principal diferença entre esta 5º experiência e as anteriores ?

7 - DESCRIÇÃO DOS CONTROLES DOS EQUIPAMENTOS .

Descreva, da melhor forma que puder, a função de cada controle encontrado em cada equipamento. Use no má-ximo três linhas para a descrição de cada controle.

8 - INFORMAÇÕES ÚTEIS :

8.1 – Organização e Método

• Faça a disposição dos equipamentos e materiais ( layout ) como sugerido na figura 8.1 .

8.2 - Valor eficaz ou RMS de uma tensão ou da intensidade de umacorrente.

• Você fará contatos em eletricidade com os termos “ valor eficaz ”e “ valor médio ” . Não confunda os dois; são totalmente dife-rentes, tanto do ponto de vista numérico, como sob o ponto devista “ funcional ”.

• A figura 8.2 mostra algumas relações numéricas

8.2.1 - Valor Eficaz e a Potência.

6 Questão cancelada temporariamente

Folhas de instruçõese para anotações

RÉGUA DETERMINAIS

VOM(multímetro)

FONTE

PONTAS DEPROVA

INDUTÂNCIA COM NÚCLEO DE Fe-Si CAPACITÂNCIA

Fig. 8.1

Fig. 8.2

0,7070,637

1,0

VRMS ouVEFICAZ

VP

ICO

A P

ICO

VMED VM

AX


• Quando trabalhamos com correntes elétricas senoidais é mais práti-co usar-mos um valor relacionado ao trabalho que esta tensão ouintensidade de corrente pode realizar, do que fazer referência à for-ma e, ou expressão senoidal (em geral bem mais trabalhosa).

• A “ este valor ” relacionado com o trabalho denominamos“ VALOR EFICAZ ” " .

• O valor eficaz ou RMS pode ser mais facilmente interpretado porvocê como a tensão ou intensidade de corrente do gerador CC capazde realizar o mesmo trabalho que a corrente alternada em um núme-ro completo de ciclos.

• Numericamente o VALOR EFICAZ ou VALOR RMS está relacio-nado com o VALOR MÁXIMO DA SENOIDE, pela expressão :

MAXMAX

RMS Vx707,02

VV ==

• Mas lembre-se que muito embora você vá fazer seus cálculos usando este valor CC “ equivalente ”, o que realmenteexiste são formas senoidais e principalmente tome muito cuidado com os valores de pico desta tensão pois sendo maio-res que o valor RMS em algumas ocasiões esta distração pode ocasionar danos aos dispositivos que você estiver utili-zando .

• Resumindo:

O VALOR EFICAZ da tensão ou corrente é impor-tante para você sob o ponto de vista “ de usuário do equi-pamento ”. As indicações dos aparelhos de medições e asinformações sobre as máquinas elétricas são dadas destaforma, independentemente dos seus princípios de funcio-namento. Por exemplo, na cidade do Rio de Janeiro atensão é 127 volts CA “ RMS ” é óbvio.

O VALOR MÉDIO da tensão ou corrente é muito im-portante, por exemplo, àquele que vai projetar ou construiro aparelho de medição ou precisa saber seus princípios defuncionamento. Para você, que é usuário, não há um inte-resse imediato no seu atual estágio de conhecimentos .

8.2.2 - A potência média e o valor eficaz. O cálculo do Valor RMS .

• Na prática o maior interesse está em saber-se a potência média que se desenvolve nos diversos dispositivos onde semanifesta alguma forma de energia elétrica senoidal .

• Usando-se o conceito de valor eficaz o cálculo da potência média fica muito mais fácil .∗ No caso de cargas puramente resistivas a potência média será P=V x I.∗ Quando tratar-se de cargas que possuam algum componente reativo, P=V x I x cos ϕ , pois será necessário levar-

se em consideração a “ defasagem ” entre a tensão e a corrente e o termo cos ϕ existirá para “ CORRIGIR ” ovalor da potência média consumida “ EFETIVAMENTE ” .

• Tente achar a potência média integrando a expressão da potência instantânea, mais abaixo , que você logo notará comoa sua vida ficou bem mais fácil com o conceito de valor eficaz .

8.2.3 - Origem da relação numérica 2 entre o valor eficaz e VMAX ( da senóide ). O significado da expressão RMS:

• A expressão da potência instantânea é ( )( )ϕϕ coswt2cos2

IV)t(p MAXMAX ++

⋅= .

∗ O termo cos ( 2wt + ϕ ) possui um valor médio = 0 ( zero ) .

∗ A potência média ϕcosIV

P MAXMAX

2⋅

= será escrita como ϕcosIV

P MAXMAX

22⋅=

∗ Os termos 2

I,

2

V MAXMAX passam a ser conhecidos como valores eficazes da tensão e correntes senoidais .

∗ O termo γcos passa a ser conhecido como fator de potência.• Demonstra-se que os valores eficazes podem ser calculados como o valor médio quadrático de

uma função e portanto também são conhecidos como valores RMS ( root mean square ) .∗ Ver problema 2.2 Circuitos Elétricos de J. Edminister .

8.3- CAPACITORES.

• Considere o capacitor usado nesta experiência como sendo ideal , isto é, sem perdas e não indutivo.

∫=T

0

2RMS dtx

T1

X

Fig. 8.2.1 Potência CC eValor médio daPotência CA

PCA

PCC

PCA

PCC


• Os capacitores a óleo utilizam uma folha de papel impregnada em óleo entre as duas lâminas metálicas ( geralmentealumínio ) , que constituem as armaduras .∗ O óleo é o elemento isolante; o dielétrico.∗ O papel é o separador mecânico entre

as duas armaduras; o papel, somente,não possui boas propriedades isolantespara esse tipo de aplicação.

∗ Para não ocupar muito espaço todo oconjunto, armadura metálica + papel, éenrolado como um “ rocambole ”.

∗ Todo o conjunto é contido em uma “caneca” metálica vedada ( selada )com epoxi . Se este selo for danifi-cado o óleo isolante poderá vazar ouser contaminado por agentes externos,perdendo com certeza a sua proprie-dade isolante e comprometendo o de-sempenho do dispositivo como capa-citor .

∗ Não monte os capacitores a óleo na régua de terminais. O impedimento deve-se ao fato que a tolerância de fa-bricação da distância entre os pinos do capacitor não é compatível com a que foi obtida na fabricação das réguasde terminais que estamos utilizando. Se forçar a introdução do capacitor na régua de terminais, poderá trincar omaterial isolante de vedação ( a resina epoxi do item anterior ) .

8.4- BOBINAS .

8.4.1 - Isolamento.

• Observe que o condutor com o qual é construída a bobina, forma espiras queestão isoladas eletricamente umas das outras por uma película de verniz, evitan-do-se assim que a corrente passe de uma para outra espira em “ curtos-circuitos ”.

• Sem a proteção do verniz o cobre não teria o aspecto de “ brilho metálico ” poisjá estaria oxidado ficando com uma cor marron escura, cor de chocolate.

8.4.2 - Perdas

• As bobinas, inclusive a que você usará na sua aula prática, provocam perdas de energia quando a energia elétrica semanifesta. Existem 2 classes de "perdas" de energia em bobinas ( indutâncias ):∗ as perdas provocadas pela resistência do fio com que construímos a bobina e,∗ as perdas que serão conseqüência do campo magnético quando se estabelece

em determinado “ meio ” que no nosso caso é um núcleo de uma liga de ferrocom silício.

• Você poderá reconhecer as duas modalidades de perdas ( VRL e VRfe ) através dospotenciais que se desenvolverão conforme um diagrama fasorial similar ao repre-sentado ao lado, onde:VXL - tensão na componente indutiva .VRL - tensão de perdas na componente resistiva do enrolamento, devido à passa-

gem de uma corrente elétrica através do mesmo.VRfe - tensão de perdas no material onde se estabelece o fluxo magnético e que no

caso, sendo ferro, por sua vez se subdividem em:

a) Perdas por correntes parasitas ou de “ Foucault ”b) Perdas por “ Histerese ”

8.4.2.a - Perdas por correntes parasitas ou de “ Foucault ”, devido àindução de correntes elétricas em circuitos “ elementares ” osquais estão contidos no bloco de ferro que constitui o núcleo( fig. A ) .

• Para minimizá-la, usa-se núcleo de lâminas de ferro. Cadalâmina está eletricamente separada da outra por uma camada dematerial isolante que no caso, é o próprio óxido de ferro que seforma na superfície da chapa ( fig. B )

PAPEL ( SEPARADORMECÂNICO) +

ÓLEO (DIELÉTRICO)

ALUMÍNIO(ARMADURAS)

CÂMARA DEÓLEO

EPOXI

TOLERÂNCIASDE FABRICAÇÃOINCOMPATÍVEIS

PELÍCULA DE VERNIZ

CONDUTORDE COBRE

VXL

VRL + VRFe

VNJ

Q

VQJ

VQN

N

J

Fig. 8.4.2

I

BA

Fig. 8.4.2.a


8.4.2.b - Perdas por "Histerese" (fig. ao lado ) devido ao trabalho realizado pelaenergia elétrica ao alterar os domínios magnéticos do material do núcleo.

• Para minimizá-lo usa-se uma liga de ferro com silício conhecida comerci-almente como ferro-silício ( detestada pelos engenheiros mecânicos devi-do a sua dureza ).

Obs.: Não é possível distinguir pelo diagrama fasorial as perdas por “ cor-rentes parasitas ” das perdas por “ histerese ” .

• Observe com atenção o ponto 4 . Ele mostra que é necessário uma formamagnetomotriz, corrente ≠ 0, para anular o campo magnético remanente,isto é, é necessário um trabalho para anular o campo magnético criado pelociclo anterior.

• Demonstra-se que as perdas são diretamente proporcionais à área interna acurva de histeresis. Na figura inferior a curva pontilhada externa indicaum material com perdas altas, e a linha central indicaria um material ideal,isto é, sem perdas∗ O material com maior perda ( curva pontilhada ) não é adequado para

a fabricação de circuitos magnéticos devido as perdas pronunciadasque pode produzir porém era ótimo para a fabricação de memóriasnos primeiros computadores e também é o mais adequado quandoprecisamos de ímãs permanentes .

8.4.3 – O Circuito Magnético.

• Se as áreas polidas não ficarem em contato , istoé, se você colocar a peça “ I ” conforme o desenho aolado , ou “ de cabeça para baixo ”, o espaço de ar queficar entre as duas peças impedirá que o núcleo de ferroconsiga formar um circuito magnético com baixa relu-tância anulando portanto o efeito que pretendemosalcançar; e é claro, o resultado de sua experiência seránulo .

• Para indicar a presença de um núcleo de ferro colocamos três linhas paralelasao longo do símbolo da indutância conforme representado no esquema da pró-xima figura

8.4.4 – Indicação de polaridade em CA.• Em circuitos de corrente alternada os sinais de polaridade eventualmente en-

contrados nos esquemas elétricos costumam indicar polaridade instantâneapara que seja possível a aplicação dos diversos teoremas e leis de circuitoselétricos. Costuma-se usar também uma seta que aponta para o polo de maiorpotencial. Examine o gerador no circuito da figura ao lado onde as duas sim-bologias foram usadas.

Espaço de ar devidoaos rebites e às superfí-cies com acabamentoinadequado

NÃO FAÇA A MONTA-GEM DESSA FORMA

Superfícieusinada

Essas duas peças possuemuma determinada superfíciebem trabalhada, isto é, com umbom acabamento, quase polido,indicado pelo símbolo ∇∇∇( converse com um engenheiromecânico sobre o assunto ) .Quando fizer a montagemobserve a orientação das lâmi-nas e das faces da peça “ I ” .

O núcleo deferro que usaráem sua experiên-cia é formado porduas peças de-nominadas peça“ U ” e peça “ I ”conforme indica-do na figura aolado

t

B

I

B

I

1

23

4

5 6

Fig. 8.4.2.b

Fig. 8.4.4

CO

M

A

E

½ L

½ R

L+R

+fe

½ L

½ R

VCA

J

N Q


9 - MEMÓRIA DE CÁLCULOS .

• Faça um resumo de seus cálculos para que no futuro você possa reexaminar, ou corrigir ou reaproveitar em novas tare-fas sem necessitar começar tudo desde o inicio.

Identifique, sempre, cada parte de sua memória de cálculo com o número do item para o qual você a desenvolveu.

10 – Teste os seus conhecimentos• Quando você separou as peças que compõem o núcleo da bobina, no item

2.3.g á pag. 4 , você interrompeu um circuito magnético feito com materialcujo objetivo é concentrar energia sob a forma magnética.

• Ao perturbar o circuito magnético, seu organismo também ficou exposto aesta manifestação de energia pois a energia procurou outros caminhos e dis-persou-se pelo ar e, ou qualquer outro material nas proximidades e isso incluivocê, principalmente a sua mão .

• Como você não percebeu qualquer efeito fisiológico explique, de maneirasimples, o porque . Sugestões:a) você é 80% água,b) você é paramagnético e, ou diamagnético e, ou ferromagnético ?c) que tal recordar ou conversar com o seu professor de física para poder res-ponder essa pergunta ?Obs. Se esta é uma parte da física que ainda não lhe foi ensinada; não é ne-cessário responder .

Escala do VOM

ITAUT BAND

PROTECTIONFUSE & DIODE

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