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Eletricidade Predial E Industrial PDF - Manual Do Electricista

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1 MANUAL DO ELETRICISTA 2 O Eletricista September 23, 2004 1 Material did´atico, sem fins lucrativos, de conhecimentos gerais e fundamentais de Eletrot´ecnica,…
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1 MANUAL DO ELETRICISTA 2 O Eletricista September 23, 2004 1 Material did´atico, sem fins lucrativos, de conhecimentos gerais e fundamentais de Eletrot´ecnica, visando a forma¸c˜ao de profissionais qualificados em diferentes ´areas do conhecimento e da tecnologia. 2 Professor Adjunto do Departamento de Eletromecˆanica e Sistemas de Potˆencia (DESP), Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), RS, Brasil. Fone: (55)2208147. 2 Manual do Eletricista Pref´acio Dedico este manual `a minha esposa, ao meu filho, aos meus pais, familiares, professores e amigos, que sempre acreditaram e continuam acreditando no Amor. Pretendo apresentar, em um volume, minha experiˆencia profissional na ´area de eletrot´ecnica ao longo dos anos. Compreende os fundamentos de eletricidade, eletrˆonica, c´alculo, os principais componentes el´etricos e eletrˆonicos, as recomenda¸c˜oes de normas, e uma an´alise da conjuntura tecnol´ogica atual e das perspectivas no mundo t´ecnico de amanh˜a. Pretendo, neste manual, a exemplo dos ’Handbooks’, organizar uma seq¨ uˆencia de conte´ udo e experiˆencias profissionais pessoais, que julgo conveniente repetir para outras pessoas interessadas. Corresponde aos principais trabalhos realizados em ensino, pesquisa e extens˜ ao. Como podemos ver, este conte´ udo pode servir para um curso, como revis˜ao de conhecimentos e pr´ aticas, como material de consulta (manual), ou ainda como uma referˆencia bibliogr´afica para uma pesquisa inicial em cada assunto. Mais do que o conte´ udo, este manual ´e uma proposta de forma de trabalho, de estudo, de ensino e aprendizagem. Para isto, ´e preciso pensar em ‘aulas’. Inicialmente, vou contar para vocˆes como foram minhas melhores aulas, como aluno ou professor. As aulas iniciaram com uma prepara¸c˜ao. Geralmente, a aula iniciou com a leitura de um pensamento por parte do professor ou de um aluno da turma. Este pensamento era de algum cientista ou inventor relacionados ao assunto a ser tratado naquele dia. Outras vezes algu´em trazia uma hist´oria sobre o assunto, que fora combinado na aula anterior. Uma vez tivemos at´e artistas para tocar e cantar junto conosco. Foi muito legal! Depois destes instantes de descontra¸c˜ao e concentra¸c˜ao, o professor relembrou o objetivo geral do curso, da disciplina ou competˆencia, situando aonde chegamos na aula anterior. A turma apresentava suas experiˆencias ou tarefas combinadas na aula anterior. No momento seguinte, o professor anunciou o tema do encontro, em forma de uma pergunta, lembrando do “lema” ou no¸c˜ao-n´ ucleo (Meirieu, ”Aprender sim ... mas como?”, Editora Artmed) que surgiu na aula anterior, ou falando: “hoje iremos falar sobre tal coisa”. A turma ficava contente, pois era justamente isto que desejava estudar, e sentia que estava no curso certo, fazendo o que gostava. A turma estava como que colocando o a¸cu ´car e saboreando um gostoso aperitivo, sabendo que logo viria uma refei¸c˜ao muito saud´ avel e gostosa. No momento seguinte, o professor-ator tinha o maior papel: apresentar a refei¸c˜ao que preparou durante a semana. Com esta apresenta¸c˜ao, a turma ativou a mem´oria, a imagina¸c˜ao, os sentimentos, e o racioc´ınio. As suas formas foram t˜ao variadas que nem lembro de todas. Mas, gostaria de destacar: a) palestras - hist´orias, exemplos, casos reais, etc. b) pr´aticas - demonstra¸c˜oes de experiˆencias, apresenta¸c˜ao de equipamentos e materiais, procedimentos ou normas, etc. c) leitura - livros, revistas, artigos, fotografias, entre outros. d) recursos visuais - projetor de slides, transparˆencias no retro-projetor, data-show e filmes. Lembro um dia em que o professor levou um ‘data-show’ e uma apresenta¸c˜ao do ‘power-point’ que pareceu um filme. A turma gostou tanto que pediu para repetir mais duas vezes a apresenta¸c˜ ao. Nas duas repeti¸c˜oes, o professor ia parando o ’filme’ para a turma anotar quest˜oes ou observa¸c˜oes pessoais sobre o assunto. Lembro-me que estas apresenta¸c˜oes n˜ao eram uma simples exposi¸c˜ao de conte´ udo, mas era algo diferente, que sempre estava associado ao momento e ao contexto em que a sociedade estava vivendo. Ap´os a apresenta¸c˜ao, passamos para o aprofundamento ou desenvolvimento do assunto. A turma formulava situa¸c˜oes-problema junto com o professor, que certamente j´a tinha uma id´eia preliminar mais elaborada sobre o que iria ser proposto. O professor e/ou a turma lan¸caram perguntas, sugest˜oes e d´ uvidas, que fizeram a turma raciocinar. Lembro que muitas vezes as d´ uvidas foram t˜ao profundas, que nem o professor tinha respostas. A turma nunca soube se o professor n˜ao sabia mesmo ou n˜ao queria responder, para deixar a turma construir uma resposta pessoal - tomar uma decis˜ao. Manual do Eletricista 3 Durante estes di´alogos, o professor procurou conduzir a conversa para interligar o assunto do encontro com o objetivo geral do curso, onde todos compreenderam cada vez mais a posi¸c˜ao do assunto no contexto geral. Nestas aulas nunca faltou a reformula¸c˜ao de quest˜oes deixadas nas aulas passadas. Elas n˜ao foram resolvidas neste momento, mas reconstru´ıdas com o aux´ılio da apresenta¸c˜ao anterior. Uma forma que gostei e acho que tem muito potencial de aplica¸c˜ao ´e a tradu¸c˜ao das quest˜oes ou da situa¸c˜ ao-problema na forma de testes objetivos, na forma de m´ ultipla escolha ou de um n´ umero, um valor, uma quantidade. Isto nos ajudou ter clareza intelectual do problema, e soubemos onde est´avamos, onde quer´ıamos e poder´ıamos chegar. A gente desenvolvia a capacidade de an´alise e s´ıntese, ou seja, desenvolvia a inteligˆencia. Quando este teste objetivo teve objetivo u ´nico de avalia¸c˜ao, como s˜ao geralmente aplicados na escola, concursos, etc, as conseq¨ uˆencias foram desastrosas. Um professor foi quase suspenso da escola porque a turma pensava que ele queria ’ferrar os alunos’. Infelizmente, estes testes tamb´em vˆem servindo como forma de sele¸c˜ao para ingresso na universidade, incentivando a concorrˆencia e a competi¸c˜ao em sala de aula, e sendo um dos maiores incentivos para o fracasso geral do ensino. Depois que a turma respondeu os testes objetivos, cada um entregou a grade de respostas para o professor, identificando-se por apelido, cognome ou nome. Foi muito divertido, pois vimos como cada um se identifica melhor. Enquanto o professor ia digitando as respostas no computador, uma parte da turma ia terminando de preencher sua grade de respostas e outra j´a estava fazendo sua justificativa pessoal para cada quest˜ ao. Quando todos terminaram de fazer a grade de respostas o professor j´a informou, com o aux´ılio de um programa do computador, os pares com maior afinidade de respostas, e que reunissem as classes para elaborar uma justificativa em comum de cada quest˜ao. Vale lembrar que existem dois tipos de isolamento: a) o isolamento imposto por aqueles que dirigem o mundo e querem manter as pessoas isoladas, pois se elas estiverem juntas, ”elas come¸car˜ao a ter id´eias, a troc´a-las e a aprender com elas, o mesmo que acontece em um laborat´orio cient´ıfico” (Chomsky, Propaganda e Consciˆencia Popular, 2003, p.56). b) o isolamento para refor¸co e consolida¸c˜ao de id´eias, do deserto volunt´ario, da op¸c˜ao e da liberdade. Quando t´ınhamos o isolamento consciente n˜ao ´eramos dirigidos por este “falso agrupamento” gerado pela “falsa informa¸c˜ao” (Serres, Entrevista no Programa Roda Viva da TV Cultura, 1999), e n˜ao est´avamos ilhados e n˜ao ´eramos n´aufragos inconscientes como somos hoje. Durante estes breves momentos das minhas melhores aulas pude construir a minha opini˜ao junto com a turma sobre este grande paradoxo que ´e ensinar e aprender. A gente precisava (e precisa) fazer uma escolha por X ou Y para ensinar ou aprender Z. Mesmo que X e Y n˜ao parecessem ter muita correla¸c˜ ao com Z, eles fazem parte da complexidade da vida humana. Posso lembrar de v´arios momentos em que o ”isolamento” por X ou Y significou nossa condi¸c˜ao para ensinar e aprender determinado conte´ udo. As aulas que partiram deste princ´ıpio de individualidade para o geral foram ´otimas. Depois de discutir dois a dois, os pares foram reunidos com mais outros pares afins, e depois estes grupos de quatro foram agrupando-se com mais outro grupo de maior afinidade. A maior afinidade foi escolhida pelo programa de computador, que nunca falhou. Depois que todos os grupos de 08 (oito) pessoas elaboraram sua resposta u ´nica para cada quest˜ ao, passou-se para o debate geral ou semin´ario. O professor anunciou que chegara o instante de cada grupo defender ou reavaliar suas respostas diante do mundo, representado pela maioria da turma. Isto passou a id´eia de responsabilidade da maioria e o desafio para a minoria. Para aumentar mais ainda o interesse, o professor tinha 08 coletes coloridos para cada grupo, utilizados normalmente em torneios desportivos. No in´ıcio do per´ıodo letivo, a turma estabelecia regras para o debate, a fim de que falasse um de cada vez, dando a oportunidade a todos de expor seu trabalho, sua opini˜ao, seu conhecimento, seus gostos, etc. Al´em da parte cognitiva, ou do reconhecimento intelectual, desenvolvido anteriormente, o debate permitia 4 Manual do Eletricista a` turma tomar uma decis˜ao de estudar determinado assunto, refazer determinada experiˆencia, aplicar de alguma forma particular o que se conclu´ıa. Durante ou logo ap´os o debate ocorria o que chamamos de contextualiza¸c˜ao (Meirieu). A turma elaborava junto com o professor um resumo do assunto estudado em aula. Era o convencional ”caderno” ou ”apostila”. O professor relembrou uma s´erie de quest˜oes e assuntos para as pr´oximas aulas. Todos alunos e alunas tiveram oportunidade de visualizar e se decidir por exerc´ıcios e aplica¸c˜oes pr´aticas, conforme a situa¸c˜ao particular de cada um, elaborando um instrumento de aplica¸c˜ao. O instrumento de aplica¸c˜ao foi muitas vezes um cronograma de trabalho, um planejamento de estudo. Algumas vezes foi uma visita ou uma viagem. O importante ´e que cada um definiu seu prop´ osito. O professor, representando a escola, fez um acordo com a turma, onde cada um ficou com um determinado compromisso, inclusive o seu. Este manual que apresento a seguir s˜ao os meus instrumentos de aplica¸c˜ao, que ficam na ´ area de eletricidade. Quando se trabalha com eletricidade, a eletrot´ecnica e a eletrˆonica tˆem o seu papel especial, que podem ser de interesse ou conhecimento distinto de uma pessoa para outra. Uma das obriga¸c˜ oes principais deste trabalho deve ser n˜ao fazer distin¸c˜ao entre eletrot´ecnica e eletrˆonica, considerando-as apenas como ferramentas fundamentais indispens´aveis `a vida profissional do eletricista. Portanto, vamos lembrar sempre que precisamos ter um m´ınimo de conhecimento te´orico e de pr´atica, e que n˜ ao se pode abrir m˜ao destes pontos. Sabemos da dificuldade de reunir num u ´nico texto uma dimens˜ao t˜ao grande do conhecimento como a eletricidade. Entretanto, ganhamos uma vis˜ao do todo, com interdisciplinaridade, que ´e t˜ao necess´ ario nos dias atuais. Assim, dividiu-se este manual em trˆes partes: - conhecimentos t´ecnicos: consiste dos princ´ıpios fundamentais da eletrot´ecnica, os principais materiais, as ferramentas e seu emprego. Este manual poder´a ser usado num curso t´ecnico, ou como introdu¸c˜ ao a um curso de projeto. - projetos el´etricos, eletrˆonicos e mecˆanicos: s˜ao fornecidos exemplos e ‘regras’ b´asicas de projeto. Pode ser usado em cursos t´ecnicos espec´ıficos, como engenharias. - an´alise: ´e uma parte mais matem´atica, voltada para solu¸c˜ao de problemas encontrados nos projetos. Usando o computador, pode-se realizar a simula¸c˜ao e s´ıntese de novos projetos. Subdividiu-se o conte´ udo de cada parte em diversas ´areas da eletricidade: - instala¸c˜oes - eletrˆonica anal´ogica e digital - m´aquinas el´etricas e acionamentos - sistemas de potˆencia - sistemas t´ermicos e hidr´aulicos Procurou-se apresentar os conte´ udos numa seq¨ uˆencia de aprendizagem ou ensino, com dificuldade cres- cente. Entretanto, ser´a interessante ao professor e/ou o leitor estudar o texto conforme o que julgar mais oportuno. Tomei emprestado muito material de livros, artigos em revistas ou da internet, e de trabalhos informais ou formais de nossa vida acadˆemica. No in´ıcio de cada per´ıodo letivo era planejada e combinada a forma de avalia¸c˜ao do professor, do conte´udo e dos alunos. Os itens iam surgindo conforme a aula evolu´ıa, exigindo a interven¸c˜ ao do professor e a participa¸c˜ao dos alunos. Durante a aula tivemos v´arias atividades de avalia¸c˜ao, que exigiram participa¸c˜ao ativa do professor e dos alunos, e foram: a) cumprimento dos acordos das aulas anteriores representados no instrumento de aplica¸c˜ ao (exerc´ıcios, visitas, cronograma de leitura, etc); b) tradu¸c˜ao do objetivo geral na no¸c˜ao-n´ ucleo, e seu entendimento; c) conhecimento dos assuntos anteriores e sua inser¸c˜ao no contexto geral da sociedade; d) interpreta¸c˜ao da apresenta¸c˜ao, captando e apresentando t´opicos relacionados ao assunto; e) formula¸c˜ao de quest˜oes, experiˆencias, e testes objetivos; Manual do Eletricista 5 f) resolu¸c˜ao dos testes, experiˆencias, etc. com capacidade de obter resultados; g) justificativa ou defesa para as respostas, interpretando os resultados; h) reconhecimento da situa¸c˜ao particular, como competˆencia, conhecimento, habilidade, etc.; i) decis˜ao por determinada pr´atica, optando pelo que fazer; e j) elabora¸c˜ao e utiliza¸c˜ao de um lema ou s´ımbolo da aula (um objeto, uma frase, uma fotografia, etc.). Na avalia¸c˜ao, que ocorria paralelamente com a aula, comparava-se o programa e o seu conte´ udo, e o n´ıvel atingido at´e o momento por cada um, anotando-se numa grade ou matriz fixada na sala de aula. Assim, ficou f´acil ao professor e todo aluno ou aluna da turma fazer a sua m´edia, considerando os 10 (dez) itens enumerados anteriormente. N˜ao lembro como foi a avalia¸c˜ao final, porque ela nunca foi necess´aria. Todos que estiveram presentes em aula conseguiram m´edia superior a 7,00 (sete). As aulas eram divididas por assunto, podendo incluir v´arios encontros, conforme o desenvolvimento do assunto. N˜ao recordo bem a distribui¸c˜ao do tempo, mas era mais ou menos assim: a) prepara¸c˜ao e no¸c˜ao-n´ ucleo - 5 % b) apresenta¸c˜ao - 30 % c) aprofundamento - 30 % d) debate e contextualiza¸c˜ao - 30 % e) conclus˜ao - 5 % Na conclus˜ao das minhas melhores aulas, a turma elaborava um lema, o professor e a turma trocavam um s´ımbolo-prˆemio, que muito estimulava e animava a todos. Assim, ainda hoje, nunca me esque¸co do primeiro ano de aula, da minha primeira professora, e das minhas melhores aulas. Agrade¸co a todos que me ajudaram na vida, pois acredito que ningu´em faz nada sozinho. Desejo agradecer de modo especial ao meu irm˜ao, e ao ‘professor-m´edico-engenheiro’, pelo incentivo ao uso do Latex, esta grande ferramenta que me permitiu conceber e iniciar a compila¸c˜ao deste manual. Tamb´em agrade¸co antecipadamente aos que vierem ajudar na corre¸c˜ao do texto, nos exemplos, nos programas, ou mesmo na for¸ca moral. Apresentando este trabalho, n˜ao podemos deixar de prestar nossa homenagem e gratid˜ao aos grandes mestres que tanto contribu´ıram para a constru¸c˜ao do caminho da ciˆencia, que ´e tanto te´orica como ex- perimental, bem como a todos que trabalharam para a constru¸c˜ao de nossa universidade, com ˆenfase nos cursos em que estamos inseridos. O Eletricista Setembro de 2004 6 Manual do Eletricista Contents I Conhecimentos t´ ecnicos 15 1 Grandezas el´ etricas fundamentais 17 1.1 Corrente el´etrica I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.1 El´etrons livres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.2 Estrutura Atˆomica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.1.3 Eletr´olise da ´agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.4 Conven¸c˜ao de corrente el´etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.5 Unidade de medida de corrente el´etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.6 Hora de praticar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.7 Liga¸c˜ao de amper´ımetro num circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.1.8 Usando um mult´ımetro digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.1.9 Lei de Kirchoff da corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.1.10 Realiza¸c˜ao de emendas e conex˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.1.11 No¸c˜oes sobre soldagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2 Tens˜ao el´etrica V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.1 Geradores Eletroqu´ımicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.2 O conceito de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.3 Diferen¸ca de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.4 Circuito de uma lanterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.5 Medi¸c˜ao de tens˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2.6 Liga¸c˜ao de um painel fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3 Resistˆencia el´etrica R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3.1 Resistividade ρ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.3.2 Lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3.3 Tipos de resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3.4 Associa¸c˜ao de resistores e an´alise de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.5 Medi¸c˜ao de resistˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.3.6 A lˆampada s´erie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.3.7 Divisor de tens˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4 Potˆencia el´etrica P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.4.1 Conven¸c˜ao do sentido do fluxo de potˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4.2 Lei de Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4.3 Trabalho ou energia el´etrica W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4.4 Outras formas de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.4.5 Conjugado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.4.6 Montagem de um mult´ımetro anal´ogico para corrente cont´ınua . . . . . . . . . . . . 41 1.5 Resumo de grandezas el´etricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.6 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 7 8 CONTENTS 2 O ‘mundo’ das intera¸ c˜ oes eletromagn´ eticas 43 2.1 For¸ca eletro motriz e o campo el´etrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.1 A conserva¸c˜ao da carga el´etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.2 O campo el´etrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.1.3 Lei de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.1.4 Linhas de for¸ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.1.5 Circuitos El´etricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
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