Apostila MMEM
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Apostila MMEM
APOSTILA E GUIA DE AULA MEDIDAS ELÉTRICAS E MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Unidade I – Definições Unidade II – Instrumentos de Medidas Elétricas Unidade III – Instrumentos AnalógicosxDigitais e Materiais Elétricos e Magnéticos Elaboração: Prof. Armando Souza Guedes. Índice 1 – DEFINIÇÕES............................................................................................................................7 1.1 – Definição de Medida .......................................................................................................................7 1.2 – Sistemas de Unidades ......................................................................................................................7 1.3 – Exatidão, Precisão e Resolução .....................................................................................................12 1.4 – Erros em Medidas..........................................................................................................................13 1.5 – Tratamento de erros em medidas...................................................................................................13 2 – ELEMENTOS DOS CIRCUITOS ELÉTRICOS....................................................................17 2.1 – Introdução......................................................................................................................................17 2.2 – Resistores.......................................................................................................................................17 2.3 – Capacitores ....................................................................................................................................20 2.3 – Indutores........................................................................................................................................22 2.4 – Fontes ............................................................................................................................................24 EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM UNIDADE I ...................................................................26 3 – INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ELÉTRICAS ..................................................................28 3.1 – Introdução......................................................................................................................................28 3.2 – Classificação dos Instrumentos de Medidas Elétricas ...................................................................28 3.3 – Instrumentos Analógicos ...............................................................................................................30 3.4 – Instrumentos Digitais.....................................................................................................................36 3.5 – Instrumentos Básicos de Medidas Elétricas...................................................................................40 3.6 – Multímetros ...................................................................................................................................44 3.7 – Ponte de Wheatstone .....................................................................................................................45 EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM UNIDADE II..................................................................47 4 – PRINCÍPIOS DE MEDIÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL....................................................49 4.1 – Medição Analógica Baseada no Mecanismo de Bobina Móvel ....................................................49 4.2 – Medição Analógica Baseada no Mecanismo de Ferro Móvel .......................................................52 4.3 – Medição Digital .............................................................................................................................54 5 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS ......................................................................59 5.1 – Materiais Condutores.....................................................................................................................60 5.2 – Materiais Semicondutores .............................................................................................................62 5.3 – Isolantes ou Dielétricos .................................................................................................................64 5.4 – Materiais Magnéticos ....................................................................................................................66 EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM UNIDADE III ................................................................68 Lista de Figuras Figura 1. 1 – Medição para o padrão de corrente elétrica...........................................................................11 Figura 1. 2 – Resolução de uma escala analógica.......................................................................................12 Figura 1. 3 – Distribuição normal ou Gaussiana. .......................................................................................15 Figura 2. 1 - Exemplos de resistores comerciais: (a) de carbono; (b) de fio, para aquecimento; (c) termistor (resistor controlado por temperatura); (d) célula de carga (resistor controlado por esforço mecânico); (e) LDR (resistor controlado por luz). .....................................................................................17 Figura 2. 2 – Tipos de resistores e simbologia: (a) fixo, (b) variável (potenciômetro)...............................18 Figura 2. 3 – Símbolo do capacitor: (a) fixo; (b) variável ou ajustável. .....................................................20 Figura 2. 4 - Capacitores comerciais: (a) eletrolítico; (b) poliéster metalizado; (c) tântalo; (d) "disco", com dielétrico cerâmico; (e) variável, com dielétrico de ar; (f) trimmer.................................................22 Figura 2. 5 - Campo magnético criado por corrente: (a) em um condutor retilíneo; (b) em uma bobina. ..23 Figura 2. 6 - Indutores: (a) símbolo; (b) para montagem em circuito impresso; (c) com núcleo de ar; (d) com núcleo de ferrite (choke).....................................................................................................................23 Figura 2. 7 - Símbolos de fontes: (a) de CC fixa; (b) de CC variável; (c) de CA.......................................25 Figura 2. 8 - Fontes: (a) modelo de uma fonte alimentando uma carga; (b) característica V x A de fonte ideal e real. .................................................................................................................................................25 Figura 3. 1 - Exemplos de multímetros: (a) analógico (Minipa Mod. ET-3021); (b) digital (Fluke Mod. MT330).......................................................................................................................................................29 Figura 3. 2 - Exemplos de instrumentos classificados quanto à sua capacidade de armazenamento de leituras: (a) indicador; (b) registrador; (c) totalizador. ...............................................................................30 Figura 3. 3 - Classificação de escalas de acordo com a posição do zero: (a) zero à direita; (b) zero central; (c) zero suprimido; (d) zero deslocado. (Simpson Electric Co.).................................................................32 Figura 3. 4 - Espelho para correção do erro de paralaxe. ...........................................................................32 Figura 3. 5 - Símbolo da tensão de prova. ..................................................................................................35 Figura 3. 6 - Posição dos instrumentos de medida: (a) representação das diversas posições possíveis; (b) simbologia usada. .......................................................................................................................................35 Figura 3. 7 - Exemplos de displays de LEDs e de cristal líquido (LCD)....................................................37 Figura 3. 8 - Categorias dos instrumentos digitais de medidas elétricas (Fluke do Brasil). .......................39 Figura 3. 9 - Medida de corrente com amperímetro: (a) conexão do instrumento; (b) diagrama da ligação. ....................................................................................................................................................................40 Figura 3. 10 – Instrumento digital “de alicate”...........................................................................................41 Figura 3. 11 - Processo de multiplicação de escala de um amperímetro: (a) esquema de ligação; (b) resistores de derivação (shunt). ..................................................................................................................41 Figura 3. 12 - Medida de tensão com o voltímetro: (a) conexão do instrumento; (b) diagrama de ligação. ....................................................................................................................................................................42 Figura 3. 13 - Esquema de ligação para a ampliação de escala de um voltímetro......................................42 Figura 3. 14 - Wattímetro analógico: (a) vista geral, com indicação das bobinas de tensão e de corrente; (b) símbolo e conexão a uma carga. ...........................................................................................................43 Figura 3. 15 – Alicate wattímetro (Minipa ET4050). .................................................................................43 Figura 3. 16 - Medidor de kWh: (a) estrutura e ligação; (b) exemplo de display analógico de ponteiros. .44 Figura 3. 17 - Multímetro analógico (esquerda) e digital (direita), com seus componentes principais. .....45 Figura 3. 18 – Circuito da ponte de Wheatstone. .......................................................................................46 Figura 4. 1 – Construção básica do instrumento Bobina Móvel.................................................................50 Figura 4. 2 – Princípio de funcionamento do instrumento Bobina Móvel..................................................51 Figura 4. 3 – Construção básica do instrumento Ferro-Móvel de atração. .................................................53 Figura 4. 4 – Construção básica do instrumento Ferro-Móvel de repulsão. ...............................................53 Figura 4. 5 – Funcionamento do instrumento Ferro-Móvel de repulsão. ...................................................54 Figura 4. 6 – Processo de amostragem de um sinal analógico....................................................................55 Figura 4. 7 – Conversor analógico / digital de 3 bits..................................................................................57 Figura 5. 1 – Formação da barreira de potencial ou camada de depleção no diodo. ..................................63 Figura 5. 2 – Polarização em um material isolante.....................................................................................64 Lista de Tabelas Tabela 1. 1 – Unidades Fundamentais do SI. ...............................................................................................8 Tabela 1. 2 – Unidades Elétricas e Magnéticas Derivadas do SI..................................................................8 Tabela 1. 3 – Múltiplos Submúltipos do SI. .................................................................................................9 Tabela 2. 1 - Valores de resistividade e coeficiente de temperatura de alguns materiais usados em Eletrotécnica...............................................................................................................................................19 Tabela 2. 2 - Constante dielétrica de alguns dielétricos usados em capacitores. ........................................22 Tabela 3. 1 - Valor fiducial de instrumentos de medida.............................................................................33 Tabela 3. 2 - Simbologia de instrumentos de medidas elétricas. ................................................................34 Tabela 3. 3 - Classe de exatidão de instrumentos de medidas elétricas......................................................36 Tabela 3. 4 - Comparação entre displays de LEDs e de cristal líquido. .....................................................37 Tabela 5. 1 – Resistividade dos principais metais utilizados na engenharia elétrica e eletrônica...............61 Tabela 5. 2 – Rigidez dielétrica de alguns materiais. .................................................................................65 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 1 – Definições 1.1 – Definição de Medida Medida é um processo de comparação de grandezas de mesma espécie, ou seja, que possuem um padrão único e comum entre elas. Duas grandezas de mesma espécie possuem a mesma dimensão. No processo de medida, a grandeza que serve de comparação é denominada de grandeza unitária ou padrão unitário. As grandezas físicas são englobadas em duas categorias: a) Grandezas fundamentais (comprimento, tempo, massa, intensidade de corrente, intensidade luminosa, etc). b) Grandezas derivadas (velocidade, aceleração, força, energia, carga, tensão elétrica, etc). 1.2 – Sistemas de Unidades É um conjunto de definições que reúne de forma completa, coerente e concisa todas as grandezas físicas fundamentais e derivadas. Ao longo dos anos, os cientistas tentaram estabelecer sistemas de unidades universais como, por exemplo, o CGS (Centímetro, Grama, Segundo), MKS (Metro, Kilograma, Segundo), SI (Sistema Internacional de Unidades). Dentre os sistemas de unidades utilizados na atualidade o SI, derivado do MKS, foi adotado internacionalmente a partir dos anos 60. É o padrão mais utilizado no mundo, mesmo que alguns países ainda adotem algumas unidades dos sistemas precedentes como Inglaterra e EUA que utilizam o Sistema Inglês “English System” por razões históricas. Nas Tabelas 1.1 e 1.2 apresentadas a seguir são mostradas as sete unidades fundamentais do SI e algumas unidades derivadas elétricas e magnéticas respectivamente. 7 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Grandeza Tabela 1. 1 – Unidades Fundamentais do SI. Abreviatura Unidade Simbologia Comprimento [l] Metro [m] Massa [m] Kilograma [kg] Tempo [t] Segundo [s] Intensidade de Corrente [i] Ampère [A] Temperatura Termodinâmica [T] Kelvin [K] Quantidade de Matéria [M] Mole [mol] Intensidade Luminosa [I] Candela [cd] Tabela 1. 2 – Unidades Elétricas e Magnéticas Derivadas do SI. Grandeza Derivada Abreviatura Unidade Simbologia Carga [Q] Coulomb [C] Energia [e] Joule [J] Potência [P] Watt [W] Tensão Elétrica [U] Volt [V] Resistência [R] Ohm [Ω] Resistividade [ρ] Ohm x metro [Ω.m] Condutância [S] Siemens [S] Capacitância [C] Farad [F] Indutância [L] Henry [H] Frequência [f] Hertz [Hz] Campo Elétrico [E] Volt/metro [V/m] Fluxo Elétrico [φ] Volt x metro [V.m] Densidade de Fluxo Elétrico [D] Coulomb/metro2 [C/m2] Campo Magnético [H] Âmpere/metro [A/m] Fluxo Magnético [Φ] Weber [Wb] 2 Densidade de Fluxo Magnético [B] Weber/metro ou Tesla [Wb/m2] ou [T] Permissividade Elétrica [ε] Coulomb/ metro x Volt [C/m.V] Permeabilidade Magnética [µ] Weber/ Metro x Âmpere [Wb/m.A] 8 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Curiosidade: a) A corrente pode ser medida até uma precisão de 2x10-6. b) A resistência com uma precisão até 5x10-8 (com o condensador calculável de Thompson-Lampard). c) A diferença de potencial com uma precisão de 3x10-8 (utilizando o efeito de Josephson). Para facilitar a representação de grandezas com módulos extensos ou demasiadamente pequenos, o SI possui múltiplos e submúltiplos para facilitar sua expressão gráfica, veja a Tabela 1.3. Tabela 1. 3 – Múltiplos Submúltipos do SI. Prefixo Símbolo Potência Multiplicador Iota [Y] 1024 1000000000000000000000000 Zeta [Z] 1021 1000000000000000000000 Exa [E] 1018 1000000000000000000 Peta [P] 1015 1000000000000000 [T] 12 1000000000000 10 9 1000000000 6 1000000 Tera Giga [G] 10 Mega [M] 10 Kilo [k] 103 1000 Hecto [h] 102 100 Deca [da] 101 10 100 1 Unidade Deci [d] 10-1 0,1 Centi [c] 10-2 0,01 Mili [m] 10-3 0,001 Micro [µ] 10-6 0,000001 [n] -9 0,000000001 -12 0,000000000001 -15 0,000000000000001 -18 0,000000000000000001 -21 0,000000000000000000001 -24 0,000000000000000000000001 Nano Pico Femto Ato Zepto Iocto [p] [f] [a] [z] [y] 10 10 10 10 10 10 9 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Padrão: Padrão é um elemento ou instrumento de medida destinado a definir, conservar e reproduzir a unidade base de medida de uma determinada grandeza. Possui uma alta estabilidade com o tempo e é mantido em um ambiente neutro e controlado (temperatura, pressão, umidade, etc... constantes) No SI existe um padrão primário para cada unidade. As unidades ditas suplementares e, que não são propriamente unidades, uma vez que não têm dimensões, são o radiano e o esteradiano (respectivamente as unidades de ângulo plano e de ângulo sólido). Os padrões podem ser classificados como: • Padrões Internacionais – International Bureau of Weight and Measures (Paris), periodicamente avaliados tendo em conta as unidades físicas fundamentais. • Padrões Primários: Laboratórios Nacionais de Calibração e Medida, que permitem calibrar e verificar os padrões secundários. No Brasil é realizado pelo INMETRO. • Padrões Secundários: Laboratórios de Calibração e Medida Industriais – Calibrados, verificados e certificados periodicamente nos laboratórios nacionais. Em Minas Gerais temos os Laboratórios em escolas técnicas com SENAI e universidades como a PUC e a UFMG. • Padrões de Trabalho: Laboratórios – Permitem calibrar e verificar os instrumentos. A cada instrumento deve estar associado o respectivo histórico de calibração e teste. Padrões de Grandezas: • Massa: Definido para medir a grandeza massa, o quilograma passou a ser a "massa de um decímetro cúbico de água na temperatura de maior massa específica, ou seja, a 4,44ºC". Para materializá-lo foi construído um cilindro de platina iridiada, com diâmetro e altura iguais a 39 milímetros. • Metro: Dentro do Sistema Métrico Decimal, a unidade de medir a grandeza comprimento foi denominada metro e definida como "a décima milionésima parte da quarta parte do meridiano terrestre" (dividiu-se o comprimento do meridiano por 40.000.000). Para materializar o metro, construiu-se uma barra de platina de secção retangular, com 25,3mm de espessura e com 1m de comprimento de lado a lado. 10 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos • Segundo: Duração de 9.192. 631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. (Unidade de Base ratificada pela 13ª CGPM - 1967.) Padrões de Grandezas Elétricas: • Corrente elétrica: O ampère é a corrente constante que, mantida entre dois condutores paralelos de comprimento infinito e seção transversal desprezível separado de 1m, Fig. 1.1, no vácuo, produz uma força entre os dois condutores de 2x10-7 N por metro de comprimento. Na prática são utilizados instrumentos chamados balanças de corrente, que medem a força de atração entre duas bobinas idênticas e de eixos coincidentes. Figura 1. 1 – Medição para o padrão de corrente elétrica. • Tensão: O padrão do volt é baseado numa pilha eletroquímica conhecida como Célula Padrão de Weston, constituída por cristais de sulfato de cádmio (CdSO4) e uma pasta de sulfato de mercúrio (HgSO4) imersos em uma solução saturada de sulfato de cádmio. Em uma concentração específica da solução e temperatura de 20ºC a tensão gerada é de 1,01830V. • Resistência: O padrão do ohm é normalmente baseado num fio de manganina (84% Cu, 12% Mn e 4% Ni) enrolado sob a forma de bobina e imerso num banho de óleo a temperatura constante. A resistência depende do comprimento e do diâmetro do fio, possuindo valores nominais na prática entre 10-4 e 106 Ω. • Capacitância: O padrão do Farad á baseado no cálculo de capacitores de geometria precisa e bem definidas com um dielétrico de propriedades estáveis e bem conhecidas. Normalmente usam-se duas esferas ou 2 cilindros concêntricos separados por um dielétrico gasoso. • Indutância: O padrão do Henri é também baseado no cálculo de indutores sob a forma de bobinas cilíndricas e longas em relação ao diâmetro com uma única camada de espiras. 11 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 1.3 – Exatidão, Precisão e Resolução Em qualquer instrumento de medição é de fundamental importância o conhecimento desses três parâmetros, que definirão a qualidade final da medida, i.e., permitem uma comparação direta entre instrumentos. • Exatidão: está relacionada com o desvio do valor lido em relação ao valor padrão ou valor exato. Ex : padrão = 1,000 ; instrumento (a) = 1,010 ; instrumento (b) = 1,100, Conclusão: a) é mais exato que (b). • Precisão: está relacionada com a repetibilidade, i.e., o grau de proximidade entre várias medidas consecutivas. Ex: instrumento (a)leitura 1= 1,002 instrumento (b) leitura 1= 1,101 leitura 2= 1,050 ∆ = 0, 06 leitura 2= 1,098 ∆ = 0,003 leitura 3= 0,990 leitura 2= 1,100 Conclusão: (b) é mais preciso que (a). • Resolução: está relacionada com o menor intervalo mensurável pelo instrumento. Ex : (a) 4½ dígitos: 0 – 1,9999 1 parte em → 2x104 (b) 3½ dígitos : 0 – 1,999 1 parte em → 2x103 (c) 12 bits: 1 parte em → 212 = 4096 (d) 8 bits: 1 parte em → 28 = 256 (e) Na escala do instrumento analógico como visto na Fig. 1.2, a menor percepção (distância entre os traços menores) indica 0,2 unidades de medida. Figura 1. 2 – Resolução de uma escala analógica. 12 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 1.4 – Erros em Medidas Toda medida experimental está sujeita a erros provenientes de várias fontes, que podem ser identificados como sendo: a) Erros grosseiros: erros que o correm por falhas de leitura do instrumento pelo operador ou sistema de aquisição. São facilmente detectáveis após uma análise cuidadosa dos dados. Ex. Erro de palaxe. b) Erros constantes: erros invariáveis em amplitude e polaridade devido a imprecisões instrumentais. Em geral podem ser facilmente corrigidos pela comparação com um padrão. Ex. exatidão do instrumento. c) Erros sistemáticos: erros de amplitude variável, mas de polaridade constante. Podem ser eliminados a partir de medidas diferenciais. Ex. Efeito da temperatura nos instrumentos ocasionando correntes de drift em transistores eletrônicos de instrumentos analógicos. d) Erros periódicos: erros variáveis em amplitude e polaridade, mas que obedece a certa lei (por ex. a não linear idade de um conversor A/D). Podem ser eliminadas pela medição repetitiva sob condições distintas e conhecidas. e) Erros aleatórios: são todos os erros restantes, possuem amplitude e polaridade variáveis e não seguem necessariamente uma lei sistemática. São em geral pequenos, mas estão presentes em qualquer medida, provenientes de sinais espúrios, condições variáveis de observação, ruídos do próprio instrumento. São determinísticos na precisão do instrumento. 1.5 – Tratamento de erros em medidas Com o intuito de minimizar e identificar os vários tipos de erros presentes numa medida, um tratamento estatístico pode ser aplicado num conjunto de dados obtidos em condições idênticas e/ou conhecidas. Este tratamento estatístico baseado na observação repetitiva é eficaz na minimização de erros periódicos e aleatórios. 13 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Erros aleatórios: características e limitações: • os valores obtidos possuem uma distribuição estatística; • cada medida é independente das outras; • erros pequenos ocorrem com maior probabilidade que os grandes; • erros importantes são aperiódicos; • erros maiores e menores possuem mesma amplitude, probabilidade de ocorrência e freqüência. Com isso podemos atribuir ao erro às seguintes características estatísticas: Média Aritmética µ: n µ= ∑x i i =1 n x = valores medidos onde : i n = número de medidas (1.1) Resíduo r : Diferença entre a média e cada uma das medidas. r = µ − xi Erro ou desvio padrão (1.2) σ : É encontrado a partir de uma série de leituras e fornece uma estimativa da amplitude do erro presente nestas medidas e consequentemente sua precisão. A determinação precisa do erro ou desvio padrão implica num grande número de leituras. n σ= ∑r 2 i i =1 n −1 n sendo : ∑ ri 2 = (µ − x1 )2 + (µ − x2 )2 + ... + (µ − xn )2 (1.3) i =1 A partir do desvio padrão σ e da média µ, pode-se representar a distribuição de probabilidades para o erro a partir da curva de Gauss, visto na Fig. 1.3. A área hachurada na curva representa 68,3% da área total que equivale ao conjunto de todas 14 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos as medidas. O erro padrão σ de uma série de medidas indica então uma probabilidade de 68,3% que o valor verdadeiro da medida esteja entre –σ e +σ do valor médio µ do conjunto de dados. Consequentemente 2σ→95,4% e 3σ→99,7% de que o valor real da medida esteja entre os valores medidos e a média. y= − 1 2πσ 2 e ( x − µ )2 2σ 2 σ 2 ⇒ Variância (1.4) Figura 1. 3 – Distribuição normal ou Gaussiana. Erro Limite L: Forma de indicação da margem de erro baseada nos valores extremos (máximo e mínimo) possíveis. Em geral é definido como uma porcentagem do valor padrão ou fundo de escala. Supõe uma probabilidade teórica de 100% de que o valor verdadeiro (yv) esteja no intervalo y ± L. Ex: a) R=10kΩ ± 5%; b) C=10µF + 20% - 10%; c) Em um instrumento: “precisão” = 5% (o termo precisão utilizado aqui deve ser substituído por erro. 15 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Obs.: Apesar de menos rigorosa, esta medida de erro é mais popular que o erro padrão, pois indica o erro de forma mais direta e facilmente compreensível por um leigo. Numa avaliação rigorosa de dados, sempre que possível deve-se usar a definição de erro padrão. Determinação do valor mais provável xp: O valor verdadeiro xv da grandeza a ser medida é, em geral, desconhecido. Através da teoria de erros pode-se determinar, com alto grau de exatidão, o valor mais provável da grandeza xp e o quanto este valor difere do valor verdadeiro. Num conjunto de medidas onde os erros predominantes são aleatórios, o valor mais provável corresponde à média aritmética: xp ≡ µ. • Intervalo de Confiança: Faixa de valores compreendida entre xp ± σ (ou 2σ, 3σ, ...) ou xp ± L. Considerando um conjunto de medidas quaisquer, a probabilidade de que o valor verdadeiro xv esteja presente em xp ± σ é de 68,3%. De forma complementar, a probabilidade de que um resíduo qualquer r seja superior em módulo à σ é de 31,7 %. Em resumo, tem-se que quanto maior a quantidade de medições que se aproxime da média aritmética µ, que apresentem resíduo r menor que 1 σ, 2σ, 3σ, ..., mais próximo do valor verdadeiro xv da grandeza estaremos. Aferição e Calibração: • Aferição: Procedimento de comparação entre o valor lido por um instrumento e o valor padrão apropriado de mesma natureza. Apresenta caráter passivo, pois os erros são determinados, mas não corrigidos. • Calibração: Procedimento que consiste em ajustar o valor lido por um instrumento com o valor de mesma natureza. Apresenta caráter ativo, pois o erro, além de determinado, é corrigido. 16 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 2 – Elementos dos Circuitos Elétricos 2.1 – Introdução Um circuito elétrico pode ser composto de vários dispositivos, como interruptores, motores e lâmpadas, interligados por condutores (fios ou cabos). Para facilitar os processos de análise, muitas vezes convém trabalhar com modelos físicos desses dispositivos. Tais modelos são construídos a partir de quatro elementos básicos, também chamados ideais: resistores, indutores, capacitores e fontes de alimentação. 2.2 – Resistores A resistência é a grandeza que quantifica o grau de oposição que um corpo oferece à passagem de corrente elétrica. Resistores são elementos especialmente construídos para apresentarem resistência. Algumas das aplicações dos resistores são a limitação da corrente elétrica e a produção de calor; lâmpadas incandescentes também aproveitam a resistência de seu filamento para a produção de luz. Porém o fenômeno da resistência pode ser utilizado por dispositivos que operam com outras grandezas físicas, como esforços mecânicos ou temperatura, Fig. 2.1. Figura 2. 1 - Exemplos de resistores comerciais: (a) de carbono; (b) de fio, para aquecimento; (c) termistor (resistor controlado por temperatura); (d) célula de carga (resistor controlado por esforço mecânico); (e) LDR (resistor controlado por luz). 17 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Os resistores podem ser fixos ou variáveis; estes, também chamados de potenciômetros, podem ter sua resistência alterada mediante o giro de um eixo ou deslizando-se um contato. Os símbolos de resistores são mostrados na Fig. 2.2. (a) (b) Figura 2. 2 – Tipos de resistores e simbologia: (a) fixo, (b) variável (potenciômetro). Se uma tensão u é aplicada a um corpo, por este circulará uma corrente i. A resistência desse corpo é dada pela relação conhecida como Lei de Ohm: R= u i (2.1) cuja unidade é o ohm (símbolo – Ω). Resistores comerciais vão da faixa de décimos de ohms a milhões de ohms. Denomina-se Condutância (G), o inverso da resistência, i.e. G= 1 i ou G = R u (2.2) cuja unidade é o Siemens (símbolo – S). A resistência de um corpo depende de suas dimensões físicas e do material com que é confeccionado. Se l é o comprimento do corpo (no sentido do deslocamento da corrente) e A é área de seção reta, sua resistência R é dada por: R= ρl A 18 (2.3) Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos onde ρ é a chamada resistividade do material. No SI a resistividade é dada por Ωm, porém uma unidade mais prática é o Ωmm2/m. A Tabela 2.1 mostra a resistividade de alguns materiais usados em Eletrotécnica. A temperatura também exerce influência sobre o valor da resistência: nos condutores metálicos a resistência é diretamente proporcional à temperatura; porém em certos materiais, como o carbono, esta variação se dá de forma indireta. O coeficiente de temperatura α é a grandeza que relaciona a resistência e a temperatura: se Rref é a resistência de um corpo à temperatura de referência Tref (usualmente 20°C), para outra temperatura T, a resistência desse corpo será: R = Rref [1 + α (T − Tref )] (2.4) No SI a unidade do coeficiente de temperatura é 1/°C = °C-1 e a Tabela 2.1 mostra o valor α de para alguns materiais usados em Eletrotécnica. Tabela 2. 1 - Valores de resistividade e coeficiente de temperatura de alguns materiais usados em Eletrotécnica. Resistividade Coeficiente de Temperatura Material 2 ρ (Ωmm /m) α (°C-1) Aço 0,971 11x10-6 Alumínio 0,0265 0,0039 Borracha 1x1019 - Carbono (grafite) 35,00 -0,0005 Cobre 0,0172 0,0068 Constanta1 0,49 1x10-5 Germânio 4,6x105 -0,05 Manganina 0,4820 2x10-6 Nicromo3 1,5 0,0004 2 Silício 8 6,4x10 -0,07 1Liga com 55% de Cu e 45% Ni 2Liga com 86% de Cu, 12% de Mn e 2% de Ni 3Liga com 61% de Ni, 23% de Cr e 16% de Mo 19 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos A potência associada a resistores pode ser determinada conjugando-se as equações: p = ui ou, utilizando a lei de Ohm : u2 p = Ri ou p = R 2 (2.5) Se uma corrente i (ou uma tensão u) é aplicada a um resistor R durante um intervalo de tempo ∆t, a energia E associada ao elemento é: u2 E = Ri ∆ t ou E = ∆t R 2 (2.6) 2.3 – Capacitores Capacitores são elementos compostos por duas superfícies condutoras, chamadas armaduras, isoladas uma da outra por um dielétrico. Na Figura 2.3 vê-se o símbolo genérico de capacitores (fixos e variáveis). (a) (b) Figura 2. 3 – Símbolo do capacitor: (a) fixo; (b) variável ou ajustável. Quando um capacitor é submetido a uma tensão u, certa quantidade de cargas elétricas negativas (-q) é armazenada em uma das armaduras; para atender ao equilíbrio eletrostático, a outra armadura ficará carregada positivamente com carga (+q), de mesmo módulo. A carga em cada uma dessas armaduras dependerá da tensão aplicada, segundo a equação: q = Cu (2.7) onde C é uma constante de proporcionalidade denominada capacitância, tendo por unidade o Farad (F). Em termos práticos, essa unidade é muito grande, de forma que a ordem de grandeza dos capacitores comerciais são o microfarad (µF), nanofarad (nF) e picofarad (pF). 20 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Se a tensão nos terminais de um capacitor sofrer variação, haverá variação da carga acumulada nas armaduras; nesse caso, a movimentação das cargas se constituirá em corrente. De fato, derivando a equação (2.7) em relação ao tempo: dq du (t ) =C dt dt (2.8) De acordo com a equação 2.8, o termo mais à esquerda representa a corrente i no capacitor, logo: i=C du (t ) dt (2.9) A análise desta equação deixa claro que só haverá corrente num capacitor se a tensão em seus terminais variar. No caso de tensões constantes, a corrente será sempre zero, seja qual for o módulo; diz-se, assim, que um capacitor se comporta como um circuito aberto quando submetido a CC após o regime transitório. A energia armazenada no campo elétrico de um capacitor de capacitância C é dada por: du E = ∫ pdt = ∫ uidt = ∫ u C dt = C ∫ udu dt u2 E =C 2 (2.10) A capacitância é uma grandeza que depende, fundamentalmente, das dimensões das armaduras, da distância entre elas e do dielétrico usado. A Tabela 2.2 relaciona alguns dielétricos e sua constante dielétrica (κ), grandeza adimensional que indica quantas vezes a capacitância de um capacitor usando tal dielétrico seria maior que a de outro, idêntico, porém usando o vácuo como dielétrico. 21 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Tabela 2. 2 - Constante dielétrica de alguns dielétricos usados em capacitores. Constante Dielétrica Constante Dielétrica Material Material (κ) (κ) Vácuo 1 Papel parafinado 2,5 Água destilada 80 Plástico 3 Ar (1 atm) 1,0006 Poliestireno 2,5 – 2,6 Ar (100 atm) 1,0548 Pyrex 5,1 Mica 3–7 Silício fundido 3,8 Óleo 4 Teflon 2 Papel 4-6 Titanatos 50 – 10000 Os capacitores comerciais podem ter denominação de acordo com a forma de suas armaduras (placas planas, tubulares, etc.) e/ou conforme o dielétrico utilizado (mica, poliestireno, etc.). A Figura 2.4 mostra alguns capacitores comercialmente disponíveis. Figura 2. 4 - Capacitores comerciais: (a) eletrolítico; (b) poliéster metalizado; (c) tântalo; (d) "disco", com dielétrico cerâmico; (e) variável, com dielétrico de ar; (f) trimmer. 2.3 – Indutores No entorno de um condutor percorrido por corrente, um campo magnético é criado, (Fig. 2.5a); se este condutor é enrolado em forma de bobina (Fig. 2.5b), este campo é reforçado. Os campos magnéticos são representados por linhas, e o número de linhas por unidade de área é denominado fluxo magnético (Φ). 22 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 2. 5 - Campo magnético criado por corrente: (a) em um condutor retilíneo; (b) em uma bobina. É importante observar que o fluxo é diretamente proporcional ao módulo da corrente. No caso de um enrolamento com N espiras, o fluxo total é: N Φ = Li (2.11) onde L é uma constante de proporcionalidade chamada indutância, cuja unidade no SI é o Henry (H). Indutores são elementos que se caracterizam por apresentar indutância. Na Fig. 2.6 são mostrados o símbolo destes elementos e alguns exemplos de indutores disponíveis no comércio. Figura 2. 6 - Indutores: (a) símbolo; (b) para montagem em circuito impresso; (c) com núcleo de ar; (d) com núcleo de ferrite (choke). Em meados do século XIX, Faraday demonstrou a interação existente entre variações do campo magnético e a geração de tensão. Segundo a lei que leva seu 23 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos nome, se o fluxo magnético total em uma bobina varia com o tempo, entre seus terminais será induzida uma tensão (u) proporcional à velocidade da variação do fluxo magnético, i. e.: u = −N dΦ dt (2.12) di dt (2.13) Conjugando as equações 2.11 e 2.12: u = −L Os indutores referidos no parágrafo anterior são elementos ideais; na prática, há que se considerar a resistividade do condutor com o qual se faz o enrolamento. A menos que se diga em contrário, os indutores referidos neste texto são ideais. A energia que está armazenada no campo magnético de um indutor é dada por: di E = ∫ pdt = ∫ uidt = ∫ i L dt = L ∫ idi dt i2 E=L 2 (2.14) 2.4 – Fontes Fontes são elementos cuja função é alimentar os circuitos, isto é, fornecer-lhes a energia necessária para seu funcionamento. Caracterizam-se por apresentar entre seus terminais de saída uma tensão, muitas vezes chamada de força eletromotriz (f.e.m.), que pode ser contínua ou alternada; assim, as fontes podem ser classificadas em: • fontes de CC, que fornecem uma tensão constante, como as pilhas e baterias automotivas; • fontes de CA, em cuja saída tem-se uma tensão senoidal, como nos alternadores. Os símbolos usados para os dois tipos de fontes são mostrados na Fig. 2.7. 24 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos (a) (b) (c) Figura 2. 7 - Símbolos de fontes: (a) de CC fixa; (b) de CC variável; (c) de CA. Quando uma carga é conectada à saída da fonte haverá circulação de corrente, cuja intensidade dependerá das exigências da carga (Fig. 2.8a). Uma fonte de tensão ideal é aquela cuja tensão de saída (u) independe da corrente (i) fornecida à carga; sua característica V x A é, portanto, uma reta paralela ao eixo das abscissas, como mostra a linha tracejada na Fig. 2.8b. Figura 2. 8 - Fontes: (a) modelo de uma fonte alimentando uma carga; (b) característica V x A de fonte ideal e real. Na prática as fontes reais se comportam como ideais dentro de certo intervalo de correntes: à medida que a carga exija correntes mais altas, a tensão nos terminais da fonte começa a decrescer (Fig. 2.8b, em linha cheia). A tensão nominal da fonte é aquela que existe nos terminais de saída quando a corrente é zero, ou seja, quando não há carga conectada à fonte (diz-se que os terminais da fonte estão em aberto). Nesse caso: u = En (2.15) onde En é a tensão nominal da fonte. Assim, diz-se que a tensão nominal de uma bateria automotiva é 12 V ou que a tensão de uma pilha AA comum é 1,5 V, etc. 25 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Exercícios de Aprendizagem Unidade I 1) Defina: a - Medida: b - Sistema de Unidade: c - Padrão: 2) Quais os tipos de padrões existentes? Qual a finalidade de cada um? 3) Cite pelo menos 7 grandezas elétricas e suas respectivas unidades no SI. 4) Como é definido o padrão de corrente elétrica no SI. 5) Demonstre como são obtidos as grandezas abaixo a partir das 7 grandezas fundamentais do SI: a - Carga: b - Tensão: c - Potência: d - Energia: e - Freqüência: f - Resistência: 6) Utilize um múltiplo ou submúltiplo do SI para expressar as grandezas abaixo: a) 8x106 A = b) 56x10-6 F = c) 8,2x10-3 H = d) 100x101 V = e) 560x106 Ω = f) 10000 Ω = g) 0,001 W = h) 10000000 W = i) 0,000000000054 F = 7) Defina: a - Exatidão: b - Precisão: c - Resolução: 8) Cite os principais erros encontrados em uma medição e seu principal fator de causa. 9) A tabela a seguir representa um conjunto de medições elaboradas em um laboratório para aferição de um amperímetro. Defina qual o erro padrão apresentado por este instrumento. 26 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Amostras (n) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Valores (A) 1,049 1,060 1,040 1,035 1,030 1,008 1,010 1,020 1,015 1,003 1,001 1,000 1,025 1,045 1,004 0,940 0,990 Amostras (n) 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Valores (A) 0,960 0,943 0,955 0,951 0,948 0,965 0,970 0,985 0,980 0,999 0,992 0,975 0,996 0,997 1,057 1,052 10) Cite aplicações dos resistores, capacitores e indutores num circuito elétrico: 11) Qual a energia dissipada por um resistor de 10 Ω, cuja a corrente circulante é de 10A? 12) Qual a energia dissipada por um resistor de 10 Ω, cuja a tensão de alimentação é de 100V? 13) Calcule a energia acumulada por uma por um capacitor de 100µF alimentado por uma tensão de 20V. 14) Calcule a energia acumulada por uma por um indutor de 10mL cuja corrente circulante é de 10A. 15) Defina: a) Resistência: b) Indutância: c) Capacitância: 16) Uma fonte de energia apresenta uma tensão de 90V quando alimenta uma carga de 10 Ω. Sabe-se que sua tensão nominal é de 100V. Calcule a resistência interna desta fonte. 27 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 3 – Instrumentos de Medidas Elétricas 3.1 – Introdução Para verificação do correto funcionamento de um circuito elétrico, comparar com os valores pré-definidos de projeto, estabelecer comparações para proteção ou realizar a tarifação, é necessário realizar medições das grandezas elétricas. As medições são realizadas através de instrumentos específicos, geralmente realizadas de forma indireta (através de outra grandeza). Estes dependendo do princípio de funcionamento podem ser classificados como analógicos e digitais. Os instrumentos analógicos baseiam seu princípio de funcionamento através da inteiração de campos eletromagnéticos, enquanto que os digitais através da amostragem de uma tensão proporcional a grandeza. 3.2 – Classificação dos Instrumentos de Medidas Elétricas Os instrumentos de medidas elétricas podem ser classificados de várias formas, de acordo com o aspecto considerado a) Quanto à grandeza a ser medida: • Amperímetro: para a medida de corrente; • Voltímetro: adequado para a medida de tensão; • Wattímetro: capaz de medir potência ativa; • Varímetro: para a medida de potência reativa; • Fasímetro (ou cosifímetro): apropriado para a medida de defasagem (cosΦ); • Ohmímetro: para a leitura de resistência; • Capacímetro: capaz de medir capacitância; • Frequencímetro: que mede freqüência, etc. Muitos desses instrumentos são especificados para operação em corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA). b) Quanto à forma de apresentação dos resultados: • Analógicos, nos quais a leitura é feita de maneira indireta, usualmente através do posicionamento de um ponteiro sobre uma escala, como o mostrado na Fig. 3.1a; • Digitais, que fornecem a leitura diretamente em forma alfa-numérica num display, exemplificado na Fig. 3.1b. 28 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 3. 1 - Exemplos de multímetros: (a) analógico (Minipa Mod. ET-3021); (b) digital (Fluke Mod. MT330). Os instrumentos digitais ganham a cada dia destaque entre os dispositivos de medidas elétricas. Dois fatores são apontados para seu sucesso: • Comodidade do operador – é muito mais fácil ler o resultado diretamente no display do que deduzi-lo a partir da posição de um ponteiro sobre uma escala; • Queda dos preços – nos últimos anos o custo dos instrumentos digitais reduziu-se vertiginosamente. No entanto, a utilização de medidores analógicos ainda é muito intensa devido a fatores tais como: • Grande número de instrumentos de oficinas e painéis de controle de indústrias ainda têm por base instrumentos analógicos; • De uma maneira geral, instrumentos analógicos são mais robustos que os digitais, tornando aqueles mais apropriados em determinadas situações; • Em algumas aplicações onde há variações rápidas da grandeza a ser medida (VU meters, por exemplo), é mais interessante observar o movimento de um ponteiro do que tentar acompanhar a medida através de dígitos. c) Quanto à capacidade de armazenamento das leituras: • Indicadores, capazes de fornecer somente o valor da medida no instante em que a mesma é realizada; • Registradores, capazes de armazenar certo número de leituras; • Totalizadores, que apresentam o valor acumulado da grandeza medida. A Fig. 3.2 mostra exemplos desses instrumentos. 29 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 3. 2 - Exemplos de instrumentos classificados quanto à sua capacidade de armazenamento de leituras: (a) indicador; (b) registrador; (c) totalizador. d) Quanto ao princípio físico utilizado para a medida: • • • • • • • Bobina móvel; Ferro móvel; Ferrodinâmico; Bobinas cruzadas; Indutivo; Ressonante (lâminas vibráteis); Eletrostático. Esses tipos de medidores são tipicamente analógicos; os aparelhos digitais utilizam majoritariamente circuitos eletrônicos comparadores. e) Quanto à finalidade de utilização: • Para laboratórios: aparelhos que primam pela exatidão e precisão; • Industriais: embora não sejam necessariamente tão exatos quanto os de laboratório, têm a qualidade da robustez, mostrando-se apropriados para o trabalho diário sob as mais diversas condições. f) Quanto à portabilidade • De painel, fixos; • De bancada, portáteis. 3.3 – Instrumentos Analógicos O instrumento analógico tem como fundamentação básica a medida de corrente (amperímetro); adaptações feitas neste medidor permitem que seja usado para a medida de outras grandezas, como tensão e resistência. 30 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Características construtivas: Os instrumentos analógicos baseiam sua operação em algum tipo de fenômeno eletromagnético ou eletrostático, como a ação de um campo magnético sobre uma espira percorrida por corrente elétrica ou a repulsão entre duas superfícies carregadas com cargas elétricas de mesmo sinal. São, portanto, sensíveis a campos elétricos ou magnéticos externos, de modo que muitas vezes é necessário blindá-los contra tais campos. O mecanismo de suspensão é a parte mais delicada de um instrumento analógico. É ele quem promove a fixação da parte móvel (geralmente um ponteiro) e deve proporcionar um movimento com baixo atrito. Os tipos de suspensão mais utilizados são: • Por fio, usado em instrumentos de precisão, devido ao excepcional resultado que proporciona; • Por pivô (conhecido também como mecanismo d’Arsonval), composto de um eixo de aço (horizontal ou vertical) cujas extremidades afiladas se apóiam em mancais de rubi ou safira sintética; • Suspensão magnética, devida à força de atração (ou repulsão) de dois pequenos ímãs, um dos quais presos à parte móvel e o outro fixado ao corpo do aparelho. A escala é um elemento importante nos instrumentos analógicos, já que é sobre ela que são feitas as leituras. Entre suas muitas características podem-se ressaltar as seguintes: • Fundo de escala ou calibre: Máximo valor que determinado instrumento é capaz de medir sem correr o risco de danos. • Linearidade: Característica que diz respeito à maneira como a escala é dividida. Quando á valores iguais correspondem divisões iguais, diz-se que a escala é linear (ou homogênea), como aquelas mostradas na Fig. 3.3; caso contrário, a escala é chamada não-linear (heterogênea), como a que aparece acima do espelho da Fig.3.4. • Posição do zero: a posição de repouso do ponteiro, quando o instrumento não está efetuando medidas (zero) pode variar muito: zero à esquerda, zero à direita, zero central, zero deslocado ou zero suprimido (aquela que inicia com valor maior que zero). 31 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Na Fig. 3.3 são mostrados alguns tipos de escalas que se diferenciam quanto à posição do zero. Costuma-se explicitar a posição do zero através da designação da escala. Por exemplo: 0 – 200 mA - miliamperímetro, escala com zero à esquerda. 120 – 0 – 120 V - voltímetro, escala com zero central. 40 – 0 – 200 V - voltímetro, escala com zero deslocado. 10 – 200 A - amperímetro, escala com zero suprimido. Figura 3. 3 - Classificação de escalas de acordo com a posição do zero: (a) zero à direita; (b) zero central; (c) zero suprimido; (d) zero deslocado. (Simpson Electric Co.). Para Correção do efeito de paralaxe, muitos instrumentos possuem um espelho logo abaixo da escala graduada, como mostrada na Fig. 3.4; neste caso, a medida deverá ser feita quando a posição do observador é tal que o ponteiro e sua imagem no espelho coincidam. Figura 3. 4 - Espelho para correção do erro de paralaxe. 32 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Características construtivas: a) Sensibilidade: Todos os instrumentos analógicos possuem uma resistência interna, devida à existência dos enrolamentos, conexões e outras partes; portanto, quando inseridos em um circuito, esses aparelhos causam uma mudança na configuração original. A sensibilidade (S) é uma grandeza que se relaciona à resistência interna dos instrumentos; no caso de medidores analógicos, ela é calculada tomando-se como base a corrente necessária para produzir a máxima deflexão no ponteiro (Imáx). O conceito de sensibilidade para instrumentos digitais será analisado em uma seção posterior. S= 1 I máx (3.1) Considerando a Lei de Ohm (equação 2.1), para a qual 1A = 1V/Ω , deduz-se que a sensibilidade é dada em ohms por volts (Ω/V). Quanto maior for à sensibilidade de um instrumento, melhor este será. De uma maneira geral, os instrumentos de bobina móvel são aqueles que apresentam melhor sensibilidade entre os medidores analógicos, podendo atingir valores da ordem de 100kΩ/V. b) Valor Fiducial: É o valor de referência para a especificação da classe de exatidão (ver próxima seção) do instrumento. Este valor é determinado de acordo como tipo de escala do medidor, no que se refere à posição do zero, de acordo com a Tabela 3.1. Tabela 3. 1 - Valor fiducial de instrumentos de medida. Tipo de escala Valor fiducial Zero à esquerda Valor de fundo de escala Zero central ou deslocado Soma dos valores das duas escalas Zero suprimido Valor de fundo de escala 33 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos c) Resolução: Determina a capacidade que tem um instrumento de diferenciar grandezas com valores próximos entre si. No caso de instrumentos analógicos, a diferença entre esses valores é dada por duas divisões adjacentes em sua escala. Simbologia: Os painéis dos instrumentos de medidas analógicos normalmente apresentam gravados em sua superfície uma série de símbolos que permitem ao operador o conhecimento das características do aparelho. a) Tipo de instrumento: Os símbolos para alguns dos principais tipos de medidores são mostrados na Tabela 3.2. Tabela 3. 2 - Simbologia de instrumentos de medidas elétricas. b) Tensão de prova: É simbolizada por uma estrela encerrando um algarismo, o qual indica a tensão (em kV) que deve ser aplicada entre a carcaça e o instrumento de medida para testar a isolação do aparelho (Fig. 3.5). Na ausência de algarismo, a tensão de prova é igual a 500 V. 34 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 3. 5 - Símbolo da tensão de prova. c) Posição: Instrumentos de painel usualmente são projetados para funcionamento na posição vertical, porém outras posições podem ser viáveis. A Fig. 3.6 mostra as possíveis posições de instrumentos de painel, bem como a simbologia usada para sua representação. O uso de um instrumento em posição diferente daquela para a qual foi projetado pode ocasionar erros grosseiros de leitura. Figura 3. 6 - Posição dos instrumentos de medida: (a) representação das diversas posições possíveis; (b) simbologia usada. d) Classe de exatidão: A classe de um instrumento fornece o erro admissível entre o valor indicado pelo instrumento e o fiducial, levando-se em consideração o valor do fundo de escala. É indicada no painel do instrumento por um número expresso em algarismos arábicos. Por exemplo, se amperímetro de classe 0,5 tem amplitude de escala de 0 a 200mA, isto significa que o erro máximo admissível em qualquer ponto da escala é: 35 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos ξ= 0, 5x 200 = 1mA 100 (3.2) Portanto, se o aparelho indicar 50mA, a variação admissível será 50±1mA; se estiver indicando 150mA, a variação será igualmente 150±1mA. As classes de precisão de instrumentos de medidas elétricas são dadas na Tabela 3.3. Tabela 3. 3 - Classe de exatidão de instrumentos de medidas elétricas. Classe de exatidão Aplicação 0,1 a 0,3 Instrumento de precisão 0,5 a 1,5 Instrumento de ensaio 2,0 a 5,0 Instrumento de serviço 3.4 – Instrumentos Digitais Se nos instrumentos analógicos o modelo básico é o amperímetro, a operação dos aparelhos digitais tem como fundamento a medida de tensão (voltímetro). A alteração da configuração inicial permite que sejam medidas outras grandezas, como corrente, resistência, freqüência, temperatura e capacitância. Características construtivas: A característica básica dos instrumentos digitais é a conversão dos sinais analógicos de entrada em dados digitais. Esta conversão analógico-digital (ou A/D) é realizada por circuitos eletrônicos cuja operação foge ao escopo deste curso. A parte mais evidente em um instrumento digital é seu display (visor), que pode ser de 2 tipos: • Display de LEDs, dispositivos semicondutores capazes de emitir luz quando percorridos por corrente elétrica. Esses displays têm fundo escuro, para proporcionar maior destaque ao brilho dos LEDs. • Display de cristal líquido (LCD), constituídos por duas lâminas transparentes de material polarizador de luz, com eixos polarizadores alinhados perpendicularmente entre si; entre as lâminas existe uma solução de cristal 36 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos líquido, cujas moléculas podem se alinhar sob a ação da corrente elétrica, impedindo a passagem da luz. A Fig. 3.7 mostra alguns modelos desses displays anteriormente mencionados. Figura 3. 7 - Exemplos de displays de LEDs e de cristal líquido (LCD). A Tabela 3.4 apresenta as principais vantagens e desvantagens de cada um desses tipos de display. O conhecimento dessas características pode auxiliar na tomada de decisão sobre qual tipo de visor é mais adequado às condições da medida. Tabela 3. 4 - Comparação entre displays de LEDs e de cristal líquido. Vantagens Tipo Aplicação LED LCD • pode ser visualizado virtualmente de qualquer ângulo; • proporciona leituras mais fáceis à distância; • via de regra é mais durável que os LCDs; • pode ser usado em ambientes com pouca luz; • seu tempo de resposta varia muito pouco com a temperatura ambiente; • pode ser usados em condições ambientais mais adversas. • permite leituras em ambientes externos, mesmo sob incidência direta de luz solar; • consumo de energia muito baixo. 37 • consumo de energia mais elevado que os LCDs; • difícil leitura sob a luz solar. • uso em ambientes com pouca luz exige iluminação de fundo (backlight); • tempo de resposta decresce em baixas temperaturas. Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Características operacionais: a) Resolução Como no caso dos instrumentos analógicos, esta característica está relacionada à capacidade de diferenciar grandezas com valores próximos entre si. Em um instrumento digital, a resolução é dada pelo número de dígitos ou contagens de seu display. Um instrumento com 3½ dígitos tem 3 dígitos “completos” (isto é, capazes de mostrar os algarismos de 0 até 9) e 1 “meio dígito”, que só pode apresentar 2 valores: 0 (nesse caso o algarismo está “apagado”) ou 1; portanto, este instrumento pode contar até 1999. Um outro instrumento de 4½ dígitos tem maior resolução, pois pode apresentar 19999 contagens. Instrumentos com contagem de 3000 (3¾ dígitos), 4000 (34/5 dígitos) ou 6000 (36/7 dígitos) também são fabricados, até com resoluções maiores. b) Exatidão De forma semelhante aos instrumentos analógicos, a exatidão dos medidores digitais informa o maior erro possível em determinada condição de medição. É expresso através de percentual da leitura do instrumento, é importante ressaltar que a exatidão de um aparelho analógico está relacionada com o valor de fundo de escala, enquanto que em um aparelho digital a exatidão é aplicada sobre a leitura do display. Por exemplo, se um instrumento digital com 1% de exatidão está apresentando uma medida de 100 unidades em seu display, o valor verdadeiro estará na faixa de 99 a 101 unidades. A especificação da exatidão de alguns instrumentos inclui o número de contagens que o dígito mais à direita pode variar. Assim, se um voltímetro tem exatidão de (1% + 2) e seu display mede 220 V, o valor real pode estar entre 217,78 e 222,22 V. c) Categoria Esta característica diz respeito à segurança, tanto do instrumento em si como de seu operador. Não basta que a proteção se dê pela escolha de instrumento com escalas com ordem de grandeza suficiente para medir o que se quer: é necessário 38 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos levar-se em consideração, ainda, a possibilidade da existência de transientes de tensão, que podem atingir picos de milhares de volts em determinadas situações. Os instrumentos digitais são hierarquizados em categorias numeradas de I a IV, cada uma delas abrangendo situações às quais o medidor se aplica como mostra a Fig. 3.8. Figura 3. 8 - Categorias dos instrumentos digitais de medidas elétricas (Fluke do Brasil). d) True RMS: A maioria dos medidores de tensão e corrente fornece indicações bastante exatas quando operam grandezas constantes (CC) ou formas senoidais puras (CA); no entanto deixam a desejar quando a grandeza sob análise tem outra forma de onda. Nesse caso, somente os instrumentos classificados com True RMS darão a indicação exata. 39 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 3.5 – Instrumentos Básicos de Medidas Elétricas Neste trabalho, denominamos básicos os instrumentos destinados à medida das grandezas elétricas básicas: corrente, tensão, potência e energia. Outras grandezas elétricas – como resistência e capacitância - podem ser determinadas a partir de adaptações feitas nesses medidores básicos. a) Amperímetro: Utilizado para medir correntes, sempre é ligado em série com elemento cuja corrente quer-se medir; isto significa que um condutor deverá ser “aberto” no ponto de inserção do instrumento, como mostra a Fig. 3.9a. O símbolo do amperímetro está mostrado no diagrama esquemático da Fig. 3.9b. Figura 3. 9 - Medida de corrente com amperímetro: (a) conexão do instrumento; (b) diagrama da ligação. Se a interrupção do circuito é impraticável pode-se usar um amperímetroalicate (Fig. 3.10), capaz de medir a corrente pelo campo magnético que esta produz ao passar no condutor. A resistência interna de um amperímetro deve ser a menor possível, a fim de que o instrumento interfira minimamente no circuito sob inspeção. Um amperímetro ideal é aquele que tem resistência interna igual a zero, ou seja, equivale a um curto-circuito. Na prática, a menos que se busque grande exatidão em uma medida, pode-se considerar que os amperímetros são ideais. 40 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 3. 10 – Instrumento digital “de alicate”. Por vezes faz-se necessário medir correntes de magnitudes superiores à de fundo de escala do amperímetro; para isso, liga-se em paralelo com o instrumento um resistor (chamado derivação ou shunt), que desviará a parcela de corrente que excede o fundo de escala. Este procedimento, chamado multiplicação de escala, é mostrado na Fig. 3.11a; a Fig. 3.11b mostra dois tipos de resistores de derivação. Figura 3. 11 - Processo de multiplicação de escala de um amperímetro: (a) esquema de ligação; (b) resistores de derivação (shunt). Em muitos modelos de amperímetros analógicos deve-se atentar para a ligação, relativamente ao sentido da corrente, pois uma inversão na mesma fará com que o ponteiro se desloque no sentido errado da escala; quando isso acontece, devem-se inverter os terminais da conexão (alguns modelos têm uma chave que permite inverter internamente a conexão). b) Voltímetro: Instrumento destinado à medida de tensões, o voltímetro deve ser ligado em paralelo com o elemento cuja tensão quer-se determinar (Fig. 3.12a e b). 41 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 3. 12 - Medida de tensão com o voltímetro: (a) conexão do instrumento; (b) diagrama de ligação. Também no caso dos voltímetros é possível a ampliação de escalas, isto é, utilizar um voltímetro com fundo de escala inferior à tensão que se quer medir. Para tanto, conecta-se em série com o instrumento um resistor cujo valor seja apropriado para receber o “excesso” de tensão (Fig. 3.13). A mesma observação relativa à ligação dos amperímetros analógicos vale para os voltímetros: a inversão na conexão do instrumento ocasiona a inversão do sentido de deslocamento do ponteiro. Figura 3. 13 - Esquema de ligação para a ampliação de escala de um voltímetro. c) Wattímetro: É o aparelho apropriado para a medida de potência ativa. Os wattímetros analógicos (Fig. 3.14a) possuem duas bobinas, uma para a medida de tensão (também chamada bobina de potencial) e outra para medir a corrente. O aparelho é construído de tal forma que o ponteiro indica o produto dessas duas grandezas multiplicado, ainda, pelo cosseno da defasagem entre elas (fator de potência). Na 42 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Fig. 3.14b mostra-se o símbolo geral usado para wattímetros e sua conexão para a medição de potência em uma carga. Figura 3. 14 - Wattímetro analógico: (a) vista geral, com indicação das bobinas de tensão e de corrente; (b) símbolo e conexão a uma carga. Nos wattímetros digitais, um circuito eletrônico calcula, por amostragem, tensão e corrente eficazes e, através delas, as potências ativa e aparente, bem como o fator de potência da carga. Esses instrumentos são, geralmente, do tipo “alicate”, facilitando sobremaneira a conexão para as medidas, veja Fig. 3.15. Figura 3. 15 – Alicate wattímetro (Minipa ET4050). d) Quilowatt-horímetro: Popularmente chamado “relógio de luz”, este é um medidor de energia ativa, utilizado por todas as concessionárias de energia elétrica para aferir o consumo das instalações elétricas. Sua construção é semelhante à do wattímetro, tendo uma bobina de potencial e outra de corrente; sua estrutura e ligação são vista na Fig. 3.16a. 43 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos É cada vez mais freqüente a instalação de medidores de energia digitais, porém ainda são muito numerosos os analógicos, também chamados instrumentos de ponteiro. A leitura destes exige atenção, pois os diversos ponteiros giram em sentidos opostos; começa-se pelo último ponteiro e vai-se anotando o último algarismo ultrapassado pelo ponteiro. No exemplo da Fig. 6.16b, o valor lido é 14.924 kW. Figura 3. 16 - Medidor de kWh: (a) estrutura e ligação; (b) exemplo de display analógico de ponteiros. 3.6 – Multímetros Multímetros ou multitestes (Fig. 317) são instrumentos projetados para medir diversas grandezas. Todo o multímetro é capaz de medir, pelo menos, tensão (CC e CA), corrente (normalmente só CC) e resistência. 44 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 3. 17 - Multímetro analógico (esquerda) e digital (direita), com seus componentes principais. Multímetros analógicos são baseados nos amperímetros; a inserção de resistores em série permite a medida de tensão e a adição de uma fonte externa (uma bateria de 9V, por exemplo), permita que se meçam resistências. Por convenção, a ponta de prova preta é ligada ao terminal – (COMUM) e a vermelha ao terminal + (“vivo”); alguns instrumentos têm terminais apropriados para medidas específicas, tais como valores mais elevados de corrente, temperatura (ponta com um termopar) ou decibéis. 3.7 – Ponte de Wheatstone É um circuito utilizado para medir resistências e sua estrutura básica é vista na Fig. 3.18, onde Rx é a resistência desconhecida, R1 e R2 são valores conhecidos de resistência e Rp é um potenciômetro. O circuito é alimentado por uma fonte de CC com tensão nominal E e possui, ainda, um amperímetro sensível (galvanômetro). Com o ajuste do potenciômetro, cujo valor pode ser lido em um painel, à leitura no amperímetro vai-se alterando e, para um determinado valor de Rp, não haverá indicação de corrente no instrumento: diz-se que, nessa situação, a ponte está em equilíbrio. Quando isso ocorre, demonstra-se que o valor da resistência desconhecida é dada por: 45 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Rx = R2 Rp R1 (3.3) Figura 3. 18 – Circuito da ponte de Wheatstone. A ponte de Wheatstone é muito utilizada para a determinação indireta de outras grandezas; para isso utiliza-se um sensor (no lugar de Rx) do qual se conheça a relação entre a grandeza a ser determinada e sua resistência elétrica. É o caso das células de carga (strain gage) para a medida de pressão e esforços mecânicos e de termômetros resistivos. 46 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Exercícios de Aprendizagem Unidade II 1) Responda: a - Porque é necessário o uso de instrumento de medida elétrica? b - Quanto à grandeza a ser medida quais são os tipos de instrumento de medidas elétricas? c - Quanto à forma de apresentação de resultados, como são classificados os instrumentos de medidas digitais? d - Cite vantagens e desvantagens do uso de instrumentos digitais em relação aos analógicos. e - Quanto a capacidade de armazenamento de leituras como se pode classificar os instrumentos de medidas elétricas? f - Quanto ao princípio físico como se podem classificar os instrumentos de medidas elétricas? 2) Em que se baseia a medição dos instrumentos analógicos? Cite suas partes construtivas e funcionalidades. 3) Quanto a escala de um instrumento analógico, como podemos caracterizá-las? 4) O que é a sensibilidade de um instrumento analógico? Se um instrumento bobina móvel necessita de 1mA para produzir um deslocamento em sua escala em 1 unidade (considere 10 divisões por unidade) qual é sua sensibilidade? 5) Classifique os instrumentos conforme a simbologia abaixo: a) f) b) g) c) h) d) e) i) j) 6) Determine o maior erro admissível dos instrumentos abaixo considerando que a classe de exatidão é de 0,5%. 47 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 7) A exatidão em instrumentos analógicos e digitais podem ser definidos da mesma forma? Explique a diferença. 8) Considere um amperímetro com resistência interna RA = 0,1 Ω. Se ele é utilizado para medir a corrente de uma carga de 10 Ω alimentada por uma tensão de 100V e resistência interna nula, responda? a - Qual o valor da corrente indicada? b - Qual o erro percentual da medição? 9) Considere um voltímetro com resistência interna RV = 1kΩ. Se ele é utilizado para medir a tensão de uma carga de 50 Ω alimentada por uma tensão de 100V e resistência interna de 1 Ω, responda? a - Qual o valor da tensão indicada? b - Qual o erro percentual da medição? 10) Determine o valor do resistor Shunt que deve ser adicionado no circuito de um amperímetro que possui fundo de escala de 10A e RA = 0,1 Ω, para que ele meça correntes de até 100A. 11) Determine o valor do resistor Série que deve ser adicionado no circuito de um voltímetro que possui fundo de escala de 100V e RV = 1kΩ, para que ele meça tensões de até 600V. 12) Desenhe o esquema de ligação de um wattímetro para medição de potência em uma carga. 13) Demonstre e determine o valor de Rx para ponte Wheatstone abaixo: Considere: R1 = 1kΩ, R2 = 2kΩ, Rp = 1,2kΩ, E = 10V. 48 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 4 – Princípios de Medição Analógica e Digital A medição das grandezas elétricas nos instrumentos analógicos ou de ponteiros é baseada, sobretudo, na inteiração de campos magnéticos produzidos pela corrente que circula numa bobina e um campo fixo geralmente produzido por um imã. Os instrumentos digitais se baseiam na amostragem de um sinal de tensão proporcional a grandeza medida (feita por conversores A/D) e, sua posterior conversão em uma quantidade conhecida. 4.1 – Medição Analógica Baseada no Mecanismo de Bobina Móvel Os instrumentos elétricos empregados na medição das grandezas elétricas (eletromecânicos - de ponteiros) apresentam um conjunto móvel que é deslocado aproveitando um dos efeitos da corrente elétrica. Preso a um conjunto móvel, está um ponteiro que se desloca na frente de uma escala graduada de valores da grandeza que o instrumento é destinado a medir. Os instrumentos mais utilizados em medidas elétricas são os instrumentos de Bobina Móvel Imã Permanente (BMIP) e os de Ferro Móvel (FM). Todos funcionam com inteiração de dois campos magnéticos, segundo a Lei de Ampère, que geram um binário de forças (conjugado eletromagnético). No caso dos instrumentos analógicos a base de seu funcionamento é um medidor de corrente muito baixo chamado de Galvanômetro de Bobina Móvel ou Galvanômetro de D'Arsonval, o qual consiste de uma bobina que pode ser movimentada e que está colocada entre os pólos de um imã. A Fig. 4.1 ilustra a construção básica deste dispositivo. 49 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 4. 1 – Construção básica do instrumento Bobina Móvel. As principais partes e as principais características do instrumento bobina móvel são: • Imã permanente de peças polares cilíndricas, fornecendo no entreferro uma indução magnética de cerca de 0,125 Wb/m2; • Núcleo cilíndrico de ferro doce, com a finalidade de tornar radiais as linhas de fluxo magnético; • Quadro retangular de metal condutor, em geral feito de alumínio, com a finalidade de servir de suporte à bobina e produzir amortecimento por corrente de Foucault (corrente parasita); • Bobina de fio de cobre, enrolada sobre o quadro de alumínio, por onde circulará a corrente a medir. A Fig. 4.2 mostra como ocorre à inteiração dos campos para criação das forças que movimentam o ponteiro. Quando um condutor é percorrido por uma corrente i, na presença de um campo magnético (B), fica submetido a uma força F cujo sentido é dado pela regra da mão direita, e cujo módulo é dado por: F = B.i.l.sen(α); onde l é o comprimento do condutor sob a ação do campo magnético B, e α é o angulo entre B e a direção i.l no espaço. 50 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 4. 2 – Princípio de funcionamento do instrumento Bobina Móvel. Assim a corrente i a medir, ao percorrer a bobina vai dar origem às forças F. Deste modo, percebe-se que se a corrente i mudar de sentido, F também mudará de sentido, fazendo com que o ponteiro se desloque no sentido de 0 para 1 ou no sentido de 0 para 2. Se i mudar de sentido muito rapidamente, as forças F mudarão também de sentido, mas o conjunto mecânico não acompanhará essa mudança, devido à sua inércia, ou seja, o sistema não serve para medidas na freqüência industrial (50 - 60 Hz). As principais vantagens do instrumento bobina móvel são: • Baixo consumo próprio; • Alta sensibilidade; • Uniformidade da escala e possibilidade de escalas bastante amplas; • A possibilidade de um simples instrumento ser utilizados com Shunts e resistores Série apropriados, para cobrir uma ampla gama de correntes e tensões; • Livre de erros devido à histerese e campos magnéticos externos; • Amortecimento perfeito, simplesmente obtido por correntes parasitas no metal (carretel de alumínio), que suporta e forma a bobina móvel; • Excelente precisão; • Escala Uniforme. 51 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos As principais desvantagens do instrumento bobina móvel são: • Só são usados em corrente contínua; • São instrumentos polarizados; • Construção complexa e sensível; • Devido a sua alta sensibilidade, danifica-se muito rapidamente, caso não seja utilizado com muito cuidado. 4.2 – Medição Analógica Baseada no Mecanismo de Ferro Móvel Também conhecidos como instrumentos ferromagnéticos ou eletromagnéticos. O seu princípio de funcionamento é baseado na ação do campo magnético, criado pela corrente a medir percorrendo uma bobina fixa, sobre uma peça de ferro doce móvel. Existem dois tipos de instrumentos básicos: • Instrumento de “atração” ou de “núcleo mergulhador”; • “Instrumento de “repulsão” ou de “palheta móvel”. A corrente i circulando pela bobina fixa, faz surgir um campo magnético que atrai o núcleo de ferro doce, dando uma leitura proporcional à corrente circulante. A Fig. 4.3apresenta de forma esquemática um instrumento de ferro móvel de atração. a) representa a bobina magnetizante; b) representa a placa de ferro fixa; c) representa a placa de ferro móvel, acoplada ao ponteiro. A Fig. 4.4 ilustra a construção do instrumento de Ferro-Móvel de repulsão. Quando colocado no interior de uma bobina duas laminas de ferro, com a passagem da corrente elétrica, as duas lâminas terão identidade de polarização, isto é, haverá formação de pólos iguais nos seus extremos. Portanto, as duas lâminas irão repelirse, uma vez que, pela lei de atração e repulsão, pólos iguais se repelem. 52 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 4. 3 – Construção básica do instrumento Ferro-Móvel de atração. Figura 4. 4 – Construção básica do instrumento Ferro-Móvel de repulsão. Note que quando a corrente elétrica circula pela bobina A, será formada um campo magnético, que magnetizará as placas B e C. Como estas placas estão alinhadas na mesma direção, elas se magnetizarão com pólos iguais. Por isso a placa móvel C tenderá se afastar (repulsão) da placa fixa B, arrastando consigo o ponteiro. O afastamento da placa móvel C da placa fixa B será maior ou menor, de acordo com o valor da corrente que estiver circulando pela bobina. Os instrumentos 53 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos de medida elétrica tipo ferro móvel funcionam tanto em corrente contínua como em corrente alternada. A Fig. 4.5 ilustra o funcionamento do instrumento ferro móvel de repulsão. Figura 4. 5 – Funcionamento do instrumento Ferro-Móvel de repulsão. 4.3 – Medição Digital O sinal analógico é continuo no tempo e em nível, contém uma infinidade de valores. Os meios de comunicação digital têm banda limitada, desta forma, transmitimos apenas certa quantidade de valores deste sinal. A medição digital baseia-se na amostragem de um valor de tensão proporcional a grandeza que se deseja medir. A amostragem é realizada em intervalos de tempos regulares, denominado “período ou frequência de amostragem”. É obvio que quando maior a frequência de amostragem, mais fácil será reproduzir o sinal, mas haverá desperdício de banda ocupada sem nenhuma melhoria na qualidade. A Fig. 4.6 mostra como o processo é realizado. 54 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 4. 6 – Processo de amostragem de um sinal analógico. O circuito que permite amostrar o sinal é uma simples chave que se fecha por um brevíssimo instante, na cadencia da frequência de amostragem. Por exemplo, se a frequência de amostragem for de 8 kHz, a chave se fecha 8000 vezes por segundo, ou seja, a cada 125 µs. Como a chave se fecha por um tempo extremamente curto, teremos na sua saída um sinal em forma de pulsos estreitos, com amplitude igual ao valor instantâneo do sinal, chamados pulsos PAM (Pulsos Modulados em Amplitude). Cada amostra deve ser convertida para o seu respectivo valor decimal / binário, feito a partir de circuitos conversores “Analógicos / Digitais”. O conversor analógico-digital (frequentemente abreviado por conversor A/D) é um dispositivo 55 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos eletrônico capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica. Por exemplo, um conversor A/D de 10 bits, preparado para um sinal de entrada analógica de tensão variável de 0V a 5V pode gerar números binários de 0 (0000000000) a 1023 (1111111111) (ou seja, capturar 1024 pontos do sinal), dependendo do sinal de entrada. Se o sinal de entrada do suposto conversor A/D estiver em 2,5V, o valor binário gerado será 512. O conversor A/D do tipo paralelo é provavelmente a forma mais simples e direta de conversão. A Fig. 4.7 mostra o diagrama básico para saída em três dígitos binários. Os blocos C1 a C7 são comparadores: se o sinal em (+) for maior que em (-), a saída é 1 e nula nos demais casos. Suponhamos, por exemplo, que 2 volts são aplicados na entrada analógica: C1, C2 e C3 terão saída 1 e C4, C5, C6 e C7 terão saída 0. Ou, de baixo para cima, 0001111. X1 a X7 são blocos tipo OU EXCLUSIVO, ou seja, a saída é nula se as entradas são iguais e 1 se as entradas são diferentes. Considerando a entrada anterior (C1 a C7 = 0001111), temos as saídas X1 a X7 = 0010000. Portanto, um nível de tensão na entrada analógica é convertido em uma única saída 1 nos blocos X1 a X7. Se a entrada analógica é nula (ou melhor, menor que 0,6 V neste caso), todas as saídas X serão nulas e, portanto, as saídas digitais ABC também serão nulas (devido a esta situação particular, são usados 7 comparadores e 7 portas XOR e não 8). Nos demais casos, apenas uma das saídas X têm valor 1, dependendo da faixa da tensão analógica de entrada. Para a transformação em uma seqüência de dígitos binários, os diodos nas saídas são suficientes, dispensando decodificadores mais elaborados. Os números binários nas saídas dos diodos indicam a situação quando a saída da respectiva porta X está em 1. Assim, tensões analógicas na entrada são convertidas em números binários de 3 dígitos. 56 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Figura 4. 7 – Conversor analógico / digital de 3 bits. É evidente que a conversão se dá de forma escalonada, isto é, tensões que variam dentro de valores consecutivos do divisor têm a mesma saída digital (exemplo: no circuito dado, uma tensão de 0,8 V tem a mesma saída digital de uma tensão de 1,1 V). Isso também ocorre com os outros tipos e o valor mínimo de variação que é perceptível pelo circuito é chamado resolução do mesmo. É também fácil concluir que a resolução depende do número de dígitos binários (bits) da saída. No exemplo dado, de 3 bits, temos resolução = 1/23 = 0,125 ou 12,5%. Este tipo de conversor é, conforme já mencionado, simples e eficiente. No caso de variações rápidas da tensão de entrada, a resposta depende somente das características dos circuitos comparadores e portas lógicas. Outro aspecto positivo: no exemplo dado, R0 a R7 têm o mesmo valor e, portanto, a saída varia linearmente com a entrada. O uso de valores adequadamente diferenciados permite conversões 57 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos não lineares (logarítmicas, por exemplo). Embora isto seja possível com outros tipos, o processo não é tão fácil quanto às simples seleção de valores de resistores. Entretanto, o circuito apresenta uma limitação prática devido ao elevado número de componentes necessários. Pelo circuito dado, pode-se concluir que o número de resistores, comparadores e portas XOR (sem contar os diodos) é (2n - 1) para cada, onde n é o número de bits de saída. Considerando que o mínimo usual é 8 bits, esse número seria 255. Para 16 bits, 65535. Outros tipos foram desenvolvidos para evitar esse inconveniente como o conversor do tipo rampa digital, tipo rastreamento ou atualmente o Sigma-Delta. 58 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 5 – Materiais Elétricos e Magnéticos O Estudo de Materiais Elétricos constitui-se em um tema básico para que sejam estudados tópicos de Instalações Elétricas, Projeto de Máquinas, Eletrônica Industrial, entre outras. O objetivo básico do tema é permitir que um Engenheiro possa analisar as propriedades dos materiais de que são construídos equipamentos e componentes eletrônicos, que fornece subsídio para que o Engenheiro possa raciocinar em termos de matérias primas e, eventualmente, de sua adaptação a novas condições de serviço ou de sua substituição por outros mais adequados. Neste sentido serão introduzidos os seguintes temas: • Materiais Condutores; • Materiais Semicondutores; • Materiais Isolantes. Também é de interesse especial o estudo dos materiais magnéticos, que podem ser divididos em materiais ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos. Os materiais podem ser caracterizados por diversas métricas, destacando-se a Condutibilidade (térmica, elétrica), a Ductibilidade (capacidade de ser transformada em fios), a Maleabilidade (ser maleável, e ter a capacidade de ser transformado em uma lâmina), a Elasticidade (ser esticado e voltar ao normal) e a Tenacidade (resistência à tração). Os materiais podem ser classificados com base no valor da resistividade do material. A resistividade é a capacidade de um corpo qualquer se opor a passagem de corrente elétrica quando existe uma diferença de potencial aplicada a ele. O critério de classificação dos materiais com base em sua resistividade é dado por: • Condutores: 10-2 a 10 Ωmm2/m; • Semicondutores: 10 a 1012 Ωmm2/m; • Isolantes: 1012 a 1024 Ωmm2/m. 59 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 5.1 – Materiais Condutores Do ponto de vista prático, a maior parte dos materiais condutores é formada por metais. Isso se dá pela estrutura atômica dos metais, em que os elétrons da camada de valência podem fluir livremente de um átomo para outro. Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar neste condutor. Neste movimento, os elétrons podem colidir entre si e com os átomos que constituem o material, encontrando certa dificuldade para se deslocar, no entanto, esta resistência á passagem de corrente oferecida é muito pequena. Deve ser destacado que existem não metais que são bons condutores de eletricidade, como o grafite, a água salgada ou qualquer material em estado de plasma. Os principais metais são o cobre, alumínio, ferro, prata, ouro, titânio, zinco, estanho, chumbo. Na natureza, os metais são obtidos unidos a outros materiais (oxigênio, enxofre, sais e ácidos) em forma de minério. Processos de metalurgia podem separar os diversos componentes. Também é de particular interesse o estudo de ligas metálicas, formadas por diversos metais, devido á melhoria em aspectos como a resistência mecânica. Os metais apresentam boas características de condutividade elétrica e também boa condutividade térmica, além de apresentar boa resistência mecânica. Em particular, o cobre apresenta características que lhe garante posição de destaque entre os materiais condutores. A Tabela 5.1 mostra a resistividade para os principais metais utilizados como condutores. A escolha do material mais adequado para uma aplicação deve satisfazer simultaneamente uma série de requisitos quanto á resposta a esforços mecânicos, térmicos, magnéticos, luminosos, entre outros. Os metais mais utilizados na eletrônica são: 60 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Tabela 5. 1 – Resistividade dos principais metais utilizados na engenharia elétrica e eletrônica. Resistividade Nome do Metal ρ (Ωmm2/m) Ouro 0,0240 Prata 0,0162 Cobre 0,0169 Alumínio 0,0262 Níquel 0,072 Zinco 0,059 Mercúrio 0,960 Chumbo 0,205 Ferro 0,098 Platina 0,100 Tungstênio 0,055 Estanho 0,114 Cobre: Pequena resistividade, boas características mecânicas, baixa oxidação, fácil deformação a quente - o bronze e o latão são as ligas mais usadas; Alumínio: É o segundo metal mais usado depois do cobre, tendo características elétricas e mecânicas piores do que este, mas com um custo menor; Chumbo: É utilizado principalmente em soldas, sendo sensível a vinagre, cal e materiais orgânicos em apodrecimento - é um produto venenoso; Prata: Seu principal uso é em peças de contato; Ouro: Bastante resistente à oxidação por sua estrutura altamente estável, é utilizado principalmente em peças de contato. Metais puros têm uma estrutura cristalina perfeita, o que reduz a sua resistividade. No entanto, a inserção de impurezas, mesmo em pequenas quantidades, altera a estrutura aumentando a resistividade do material. Um aumento de resistividade também ocorre quando se realiza uma liga de dois ou mais metais. Desta forma, as ligas possuem valores próprios de resistividade e geralmente apresentam uma resistividade maior do que a dos seus componentes - fato que se deve a alteração da estrutura cristalina do produto resultante. 61 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Um material não metálico que merece destaque por sua utilização á o carvão. O carvão é obtido a partir de grafita natural ou antracito (reduzido a pó e moldado no formato desejado). Possui características aceitáveis de condutividade e é utilizado em peças de contato, com destaque para as escovas em motores onde o problema de faiscamentos intensos pode exigir o uso de um material com boas características de resistência térmica, o que é o caso do carvão. 5.2 – Materiais Semicondutores São sólidos cristalinos de condutividade intermediária. Os principais materiais em uso atualmente são o Silício e o Germânio - mas já foram utilizados o Selênio e o Carbono (em certas condições). A característica comum a todos os semicondutores é que todos eles são tetravalentes, possuindo o Silício uma configuração eletrônica s2p2. A condutividade de um semicondutor é influenciada por eventuais perturbações de suas condições cristalinas, sobretudo pela presença de impurezas. A inserção de impurezas pode ser utilizada para criar materiais abundantes em elétrons livres ou materiais com vazios de elétrons livres (o material “prende” elétrons ou “fornece” elétrons ao semicondutor), em um processo chamado dopagem, criando respectivamente materiais N e P. A associação do Silício (tetravalente) com o Antimônio (pentavalente) irá fazer com que apenas 4 dos 5 elétrons do Antimônio participem das ligações de valência, ficando livre um dos elétrons em um movimento próprio de rotação, não estando fixo em sua posição poderia ser deslocado com uma facilidade maior do que qualquer outro elétron, criando a dopagem N. Outra situação, em que podem ser acrescentados ao Silício átomos com Índio, com 3 elétrons na camada de valência, fazendo com que uma das ligações do silício ficará com falta de um elétron, que provocará uma reestruturação das ligações dos átomos vizinhos, produzindo uma lacuna (material P). Materiais N e P podem ser combinados de modo a obter-se controle sobre a corrente elétrica, criando dispositivos como diodos e transistores. Um diodo é 62 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos formado por uma união entre materiais P e N de modo a permitir a passagem de corrente apenas caso o componente seja polarizado em um sentido. Um transistor bipolar é obtido a partir de uma junção NPN ou PNP de modo a permitir o controle do fluxo de corrente a partir de um pino de controle. As junções entre os materiais N e P criam campos elétricos, que tende a separar os elétrons e as lacunas e, este efeito é crucial para a operação dos dispositivos criados a partir de materiais semicondutores. Além disso, a diferença de densidade entre a quantidade de impurezas é utilizada para produzir materiais com diferentes finalidades. Adicionalmente, a dopagem cria resistências elétricas que podem ser controladas dinamicamente pela aplicação de campos elétricos - um grande número de dispositivos semicondutores pode ser encontrado, por exemplo, diodos (zener, túnel, scotch, led, varicap, etc.) transistores (bipolares, FET, MOSFET, etc.). Diodo Semicondutor: A Fig. 5.1 mostra um diodo composto por uma junção PN, ilustrando o caso de uma polarização direta, que leva o dispositivo à condução (desde que a tensão da fonte seja suficiente para romper a barreira de potencial formada pela recombinação dos materiais NP na junção. Figura 5. 1 – Formação da barreira de potencial ou camada de depleção no diodo. 63 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos 5.3 – Isolantes ou Dielétricos Os dielétricos oferecem uma considerável resistência á passagem de cargas elétricas. Exemplos de materiais dielétricos é a borracha, o silicone, o vidro, a cerâmica, o ar, o papel e a madeira. O que torna um material isolante é a ausência de elétrons livres a uma determinada temperatura. A propriedade de isolante é mantida até determinados níveis de diferença de potencial aplicada ao material - acima deste limite o material irá tornar-se um condutor de eletricidade. Um dielétrico submetido a uma diferença de potencial será polarizado devido á presença do campo elétrico, comportando-se de forma semelhante a um capacitor de placas paralelas (ilustrado na Fig. 5.2). A polarização do dielétrico leva a um aumento de temperatura, resultando um consumo de energia. Os dielétricos são classificados em relação ao tipo de polarização apresentando, possuindo características bastante diversas. Quando o dielétrico é submetido a uma tensão existirá uma pequena corrente circulando em um circuito fechado, que deverá ser estudada dependendo da aplicação em questão. As condições de resposta como temperatura, rigidez, envelhecimento são de particular importância. Figura 5. 2 – Polarização em um material isolante. A rigidez dielétrica de um material é o valor limite de tensão aplicado sobre o material a partir de que os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante. O valor da rigidez dielétrica 64 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos depende de diversos fatores como: temperatura, espessura, tempo de aplicação da diferença de potencial, taxa de crescimento da tensão, a pressão é fator importante para gases. A Tabela 5.2 mostra a rigidez dielétrica de alguns materiais. Tabela 5. 2 – Rigidez dielétrica de alguns materiais. Rigidez Dielétrica Material (kV/mm) Ar (1atm) 3 Vidro 35 Papel 20 Óleo 4 Borracha 25 Os materiais dielétricos podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Os dielétricos sólidos são provavelmente o tipo mais utilizado na engenharia elétrica, pois muitos sólidos são bons isolantes. Alguns exemplos incluem a porcelana, vidro e plásticos. Ar e hexafluoreto de Enxofre são dois dielétricos gasosos comumente utilizados. Em um dielétrico real, as misturas de estruturas de matérias-primas levam á presença simultânea de diversas das formas de polarização possíveis. O circuito equivalente é em essência um circuito capacitivo com os seguintes elementos: • • • • • Capacitância C0 e carga no vácuo Q0; Capacitância Ce e carga na polarização eletrônica Qe; Capacitância Ci e carga na polarização iônica Qi; Capacitância Cd e carga na polarização dipolar Qd; Capacitância Cs e carga na polarização estrutural Qs. A polarização eletrônica é proveniente de um deslocamento elástico dos elétrons ligados ao núcleo do átomo pela ação de um campo elétrico externo. A polarização iônica é uma característica dos sólidos devido ao deslocamento de íons – lembre-se que um íon é um átomo que ganhou ou perdeu elétrons na camada de valência. A polarização dipolar se destaca como sendo a orientação espacial de conexões das moléculas, havendo possibilidade de reorganização molecular quando o dielétrico é submetido a uma diferença de potencial. A polarização estrutural é a orientação de estruturas complexas de material perante a ação de um campo externo, aparecendo devido a um deslocamento de íons e de dipolos, na presença de 65 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos aquecimento. A polarização estrutural e dipolar apresenta grande sensibilidade á temperatura. A carga Q0, que um capacitor possui no vácuo e a carga eletrônica Qe, resultante da polarização eletrônica, estão sempre presentes. As demais polarizações (iônica, estrutural e dipolar) dependem do tipo de dielétrico. 5.4 – Materiais Magnéticos Os materiais podem ser classificados magneticamente em três grandes grupos: os materiais ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos. Os materiais ferromagnéticos caracterizam-se por uma magnetização espontânea, que é totalmente independente de campos magnéticos externos. A grandeza desta magnetização depende da temperatura (a partir de uma temperatura crítica o material passa de ferromagnético a diamagnético). A permeabilidade magnética µ é dada por µ = BH, sendo B a indução magnética ou densidade de fluxo magnético e H a intensidade de campo no interior do material. Os materiais ferromagnéticos apresentam valores de µ muito maiores que a unidade. Materiais neste grupo estão o ferro, cromo, o cobalto, entre outros e suas respectivas ligas. Materiais diamagnéticos são os materiais nos quais o valor de µ < 1, havendo neste grupo metais (cobre, bismuto, ouro), gases inertes, bem como a grafita. Nestes materiais, sob a ação de um campo magnético, os elétrons que giram em torno de seu próprio eixo vão se ajustando, liberando durante este ajuste um momento magnético dirigido contrariamente ao campo de magnetização aplicado, enfraquecendo o próprio campo. O paramagnetismo representa materiais com µ próximo a unidade - ex. alumínio, platina, certos sais de cobalto, etc. É de particular interesse o estudo destes materiais, principalmente por sua aplicação em transformadores, de modo a obter técnicas para reduzir as correntes parasitas em núcleos de materiais ferromagnéticos que aumentam sua perda gerando 66 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos calor. Destaque-se o estudo dos núcleos laminados e aumento da resistência ôhmica com adição de silício, de modo a dificultar a formação de correntes elétricas e a permitir a condução de campos eletromagnéticos. 67 Medidas e Materiais Elétricos e Magnéticos Exercícios de Aprendizagem Unidade III 1) Explique através de um diagrama o princípio de funcionamento do medidor do tipo bobina móvel. 2) Quanto ao instrumento ferro móvel, classifique e explique seu princípio de funcionamento. 3) Como se baseia a medição digital de uma grandeza. Explique como é realizada a amostragem e a conversão de um sinal analógico para digital. 4) Quais os dois principais mecanismos que proporcionam a condução de corrente em materiais? Quais as características dos materiais que determinam a maior ou menor facilidade de condução? 5) Considere dois condutores distantes entre si em 10cm separados apenas por ar. Qual a tensão máxima pode ser aplicada entre os condutores? 6) Compare o cobre e o alumínio como condutores, analisando resistividade, peso e custo. Se a utilização do alumínio é aparentemente vantajosa, por que os fios de cobre são tão utilizados? 7) Porque a inserção de um dielétrico entre as placas de um capacitor provoca o aumento da capacitância? 8) Quais são os três tipos de polarização de dielétricos? Compare suas características. 9) Quais as diferenças nas bandas de energia dos condutores, semicondutores e isolantes? 10) Explique o que é um domínio magnético de material? 11) Com base na teoria dos domínios magnéticos explique através de diagramas a diferença entre os materiais ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos. 12) O que é e como é levantada a curva de histerese de um material? Qual a unidade da área do laço de histerese? 13) Como ocorre o fenômeno das correntes parasitas ou de Foucault em um material? Cite pelo menos duas formas de reduzi-las, exemplificando. 68