Eletricidade Básica [2 ed.] 9788577804290, 9780071474986

Citation preview

,

Abrange de forma completa os circuitos de CC e de CA Apresenta um capítulo específico sobre transformadores Inclui um estudo detalhado dos circuitos trifásicos

Para Libbie, Myra, Susan, Edward, Marc, Nicole, Sara, Laura e Jeff

Milton Gussow foi engenheiro sênior do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins. Recebeu o título de B . S. com distinção da Academia Naval dos Estados Unidos, bem como o título B.S.E.E da Escola de Pós-graduação Naval dos Estados Unidos e o título de M.S. do Instituto Massachusetts de Tecnologia. Foi profes­ sor adjunto na Universidade George Washington, na Universidade Americana e na Universidade Johns Hopkins, onde lecionou em cursos de graduação e pós-graduação de matemática e engenharia elétrica. Foi vice-presidente sênior do Centro de Educação Continuada da McGraw-Hill para a Educação e também autor de mais de setenta artigos técnicos. E membro do IEEE e membro emérito da Sigma Xi, a Sociedade de Pesquisa Científica. Atualmente Gussow é engenheiro consultor da indústria de defesa dos Estados Unidos.

G982e Gussow, Milton. Eletricidade básica [recurso eletrônico]/ Milton Gussow; tradução José Lucimar do Nascimento. - 2. ed. - Dados eletrônicos. - Porto Alegre. - Bookman, 2009. Editado também como livro impresso em 2009. ISBN 978-85-7780-429-0 1. Engenharia elétrica. 2. Circuitos elétricos. 3. Eletricidade - Introdução. 1. Título. CDU621.3 Catalogação na publicação: Renata de Souza Borges CRB-10/Prov-021/08

MILTON GUSSOW, M.S.

Engenheiro Sênior Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins

1

,

ª

2 Edição

Tradução: José Lucimar do Nascimento Engenheiro, professor e coordenador do Cetel/MG Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição: Antonio Pertence Júnior Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações Especialista em Processamento de Sinais (Ryerson University - Canadá) Professor de Telecomunicações da FUMEC/MG Professor Titular da Faculdade de Sabará/MG Membro da Sociedade Brasileira de Eletromagnetismo (SBmag)

Versão impressa desta obra: 2009

2009

ºd

Obra originalmente publicada sob o título Schaum's Outlines ofBasic Electricity, 2 Edition ISBN 9780071474986 Copyright© 2007, Toe McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Portuguese-language translation copyright© 2008, Bookman Companhia Editora Ltda, a division of Artmed Editora. All rights reserved. Capa: Rogério Grilho Preparação de original: Sandro Waldez Andretta e Afana Zanardo Mazur Supervisão editorial: Denise Weber Nowaczyk Editoração eletrônica: Techbooks

Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED® EDITORA S.A. (BOOKMAN® COMPANHIA EDITORA é uma divisão da ARTMED® EDITORA S.A.) Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070 E proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Angélica, 1091 - Higienópolis 01227-100 São Paulo SP Fone (11) 3665-1100 Fax (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL

Eletricidade Básica, em sua segunda edição, foi planejado para ser um texto básico ou um suplemento aos textos-padrão abordando os fundamentos da eletricidade e os circuitos elétricos. Este livro pode ser usado por estudantes do ensino médio, de escolas técnicas e por pessoas que não possuem experiência em eletricidade e circuitos elétricos. Também pode ser usado por estudantes de cursos de tecnologia e engenharia como uma introdução à engenharia elétrica básica. A abordagem dos assuntos no livro está dividida em 22 capítulos. Cada capítulo inicia com definições perti­ nentes, princípios, teoremas e equações, com diversos exemplos ilustrativos para reforçar o aprendizado. Em segui­ da, o livro apresenta um conjunto de problemas resolvidos e propostos, superior a 1150 exercícios. Cada problema proposto tem a resposta apresentada. Como as explicações e as soluções passo a passo são deliberadamente detalhadas, o leitor pode aprender sozinho. Dessa forma, este livro pode ser usado em estudos à distância ou como livro de referência, ou ainda como texto de revisão ou de reforço para estudantes que já fizeram um curso de circuitos elétricos básico. Para o estudo deste livro, considera-se que o leitor possua conhecimentos de álgebra básica e trigonometria. Projetado para fornecer uma base extensa e profunda sobre a natureza da eletricidade e sobre o funcionamento e as aplicações de circuitos elétricos, o texto apresenta inúmeros problemas resolvidos fáceis de serem acom­ panhados e complementados com diagramas de circuitos. Iniciando pela física do fluxo de elétrons, o livro descreve e analisa circuitos de corrente contínua e corrente alternada, geradores e motores cc e ca, circuitos monofásicos e trifásicos e transformadores. Para assegurar uma correlação entre o livro e os projetos e as prá­ ticas modernas são apresentados problemas ilustrativos com especificações de tensões e correntes comuns em circuitos e equipamentos típicos dos sistemas elétricos atuais. Este livro possui diversas características especiais. Uma delas é o uso de uma numeração de referência para as equações informando a origem de cada equação. Outra característica é o uso de procedimentos passo a passo de forma que o leitor possa acompanhar com facilidade a solução de um problema. Outro aspecto do livro inclui solução simplificada de problemas sobre enrolamentos de transformadores trifásicos, sobre ressonância série e paralela e sobre formas de onda em circuitos RL e RC. Inclui-se uma abordagem simples do estudo de números complexos e de determinantes com a aplicação das ferramentas fundamentais de técnicas de solução de proble­ mas com esses conhecimentos. Com essas novas habilidades matemáticas, os estudantes são capazes de analisar não apenas os circuitos elétricos mais facilmente, mas também circuitos elétricos mais complexos. Além disso, essas habilidades permitem uma transição mais suave para o estudo de circuitos elétricos avançados. Eu gostaria de agradecer a Barbara Gilson da McGraw-Hill pelo seu esforço contínuo para a publicação desta segunda edição. Também sou grato a cada um dos seguintes professores pela revisão e pelas críticas construtivas: Professor Robert S. Weissbach, presidente do programa Electrical Engineering Technology, em Erie no estado da Pensilvânia; Professor William T. Smith, do Departament of Electrical and Computer Engineering, na Universi­ dade de Kentucky; Professor Roberto Kahal, anteriormente Professor de Engenharia Elétrica na Universidade de Syracuse, e Professor Howard S. Feldmesser, da Universidade de Johns Hopkins.

Milton Gussow

CAPÍTULO 1

CAPÍTULO 2

CAPÍTULO 3

A Natureza da Eletricidade

13

Estrutura do átomo Carga elétrica Unidade coulomb Campo eletrostático Diferença de potencial Corrente Fluxo de corrente Fontes de eletricidade Correntes e tensões contínuas e alternadas

13 15 16 16 17 17 18 19 20

Padronizações e Convenções em Eletricidade

27

Unidades Introdução Prefixos métricos Potência de 1 O Notação científica Arredondamento de números Símbolos gráficos e diagramas elétricos Diagrama de fiação Planta de uma instalação elétrica

27 27

28 28

32 32

39

44 44

Lei de Ohm e Potência

51

O circuito elétrico Resistência Resistores fixos Resistores variáveis Lei de ohm Potência elétrica Cavalo-vapor Energia elétrica

51 52 52 53 54 55 56 57

8

SUMÁRIO

CAPÍTULO 4

CAPÍTULO 5

CAPÍTULO 6

CAPÍTULO 7

CAPÍTULO 8

CAPÍTULO 9

Circuitos Série de Corrente Contínua

64

Tensão, corrente e resistência em circuitos série Polaridade das quedas de tensão Condutores Potência total em um circuito série Queda de tensão por partes proporcionais

64 67 69 72 73

Circuitos Paralelos de Corrente Contínua

87

Tensão e corrente em um circuito paralelo Resistência em paralelo Fórmulas simplificadas Circuito aberto e curto-circuito Divisão da corrente em dois ramos paralelos Condutância em paralelo A potência em circuitos paralelo

87

89

91

92

94

95

96

Baterias

109

Célula voltaica Células em séries e em paralelo Células primárias e secundárias Tipos de bateria Pilha de zinco-carbono Características das baterias

109 110 111 111 112 115

Leis de Kirchhoff

122

Lei de Kirchhoff para a tensão (LKT) Lei de Kirchhoff para a corrente (LKC) As correntes de malha Tensões dos nós

122 124 126 128

Soluções de Circuitos cc Utilizando Determinantes

140

Determinantes de segunda ordem Determinantes de terceira ordem Regra de Cramer Método do determinante para o cálculo de correntes em uma rede de duas malhas Método do determinante para o cálculo de correntes em uma rede de três malhas

140 141 143 147 148

Cálculo de Redes

165

Redes em Y e em delta Superposição Teorema de Thévenin Teorema de Norton Circuitos série-paralelo Circuito ponte de Wheatstone

165 169 171 173 176 178

SUMÁRIO

Máxima transferência de potência Cálculos de quedas de tensão na linha Sistemas de distribuição com três fios

CAPÍTULO 10

Magnetismo e Eletromagnetismo A natureza do magnetismo Materiais magnéticos Eletromagnetismo Unidades magnéticas Curva de magnetização BH Circuito magnético Indução eletromagnética Sistema Internacional de Unidades

CAPÍTULO 11

Geradores e Motores de Corrente Contínua Motores e geradores Gerador cc simples Enrolamentos da armadura Excitação do campo Circuito equivalente do gerador cc Equações da tensão no gerador e regulação de tensão Perdas e eficiência de uma máquina cc Motor de corrente contínua Circuito equivalente do motor cc Velocidade de um motor Tipos de motores Requisitos de partida dos motores

CAPÍTULO 12

Princípios da Corrente Alternada Geração de uma tensão alternada Medição angular Onda senoidal Corrente alternada Freqüência e período Relações de fase Fasores Valores característicos de tensão e de corrente Resistência em circuitos ca

CAPÍTULO 13

Indutância, Reatância Indutiva e Circuitos Indutivos Características das bobinas Reatância indutiva Indutores em série e em paralelo Circuitos indutivos Q de uma bobina Potência em circuitos rl

9 179 180 182

217 217 218 219 222 224 225 227 230

241 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 253

264 264 265 266 266 267 268 268 271 273

287 288 289 291 293 299 300

10

SUMÁRIO

CAPÍTULO 14

Capacitância, Reatância Capacitiva e Circuitos Capacitivos Capacitor Capacitância Tipos de capacitores Capacitores em série e em paralelo Reatância capacitiva Circuitos capacitivos Potência em circuitos RC

CAPÍTULO 15

CAPÍTULO 16

CAPÍTULO 18

317 319 320 320 322 323 328

Circuitos Monofásicos

344

O circuito RLC genérico RLC em série RCL em paralelo Ramos RL e RC em paralelo Potência e fator de potência

344 344 347 350 352

Geradores e Motores de Corrente Alternada Alternadores Geradores em paralelo Especificações Perdas e eficiência Motores de indução polifásicos Motores síncronos Motores monofásicos

CAPÍTULO 17

317

373 373 376 376 376 377 380 384

Números Complexos e Impedância Complexa para Circuitos CA em Série

397

Introdução Definição de um número complexo Operadorj Formas retangular e polar de números complexos Operações com números complexos Impedância complexa em série

397 397 398 399 401 404

Análise de Circuitos CA Usando Números Complexos

421

Fasores Rede de dois terminais Circuito CA em série Circuito CA em paralelo Circuito CA em série-paralelo Potência complexa Solução por determinante para circuitos ca Conversões CA Li-Y e Y-Li

421 421 422 423 426 428 434 436

SUMÁRIO

CAPÍTULO 19

Transformadores Características de um transformador ideal Especificações para o transformador Razão de impedância Autotransformador Perdas e eficiência de um transformador Transformador sem carga Polaridade da bobina

CAPÍTULO 20

CAPÍTULO 21

CAPÍTULO 22

Sistemas Trifásicos

11

467 467 470 471 472 472 474 475

486

Características dos sistemas trifásicos Conexões entre transformadores trifásicos Potência em cargas trifásicas equilibradas Cargas trifásicas desequilibradas

486 487 489 494

Ressonância em Série e Paralelo

511

Ressonância em série Q de circuitos em série Ressonância paralela Q de circuitos em paralelo Largura de banda e potência de circuitos ressonantes Resumo

511 515 515 518 520 522

Formas de Onda e Constantes de Tempo

536

Formas de onda de circuitos RL em série Constantes de tempo RL Formas de onda de circuitos RC em série Constantes de tempo RC Cálculo do tempo t

536 541 542 546 547

Índice

565

12

SUMÁRIO

Tabelas 2-1 2-1 2-4 2-3 2-5 2-6 2-7 4-1 4-2 6-1 10-1 12-1 13-1 14-1 14-2 17-1 18-1 18-2 20-1 21-1 22-1

Unidades fundamentais do sistema métrico internacional Unidades suplementares ao SI Prefixos métricos usados em eletricidade Unidades derivadas do SI Potências de 10 Prefixos métricos expressos em potências de 10 Exemplos de letras usadas para componentes de circuitos Tabela para fios de cobre Propriedades de materiais condutores Tipos de células Sistema Internacional de Unidades de Magnetismo Tabela de conversão para corrente e tensão senoidal CA Tabela-resumo para circuitos RL em série e em paralelo Tipos de capacitores Tabela-resumo para os circuitos RC em série e em paralelo Tabela-resumo de impedâncias complexas Tabela-resumo com as relações existentes nos circuitos CA Resumo das relações de potência complexa Relações de tensão e de corrente para conexões comuns de transformadores 3-