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Utilizando o sistema internacional de unidades, temos que energia é medida em Joule [J], e tempo é medido em segundos [s]. Portanto, potência, que mede variação de energia por tempo, é medida em Joule por segundo, ou Watt [W].
Porém, quando temos de pagar pela quantidade de energia consumida, não é a potência que devemos observar, mas a quantidade total de energia utilizada. E como devemos pagar nossas contas de consumo elétrico mensalmente, devemos levar em consideração a quantidade de energia utilizada em um mês. Bem, energia se mede em Joules, então nossa conta elétrica poderia vir com esta unidade de medida, porém, as concessionárias utilizam um sistema de unidades um pouco diferente, o quilowatt-hora [kWh]. O kWh é a quantidade de energia equivalente a um consumo contínuo de 1.000 watts durante uma hora, ou seja, o consumo de 1.000 Joules por segundo durante 1 hora. Quantos Joules isto representa? Fazendo a conta, temos:
[tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?1 kWh = 1000 W\times h = 1000 \frac{J}{s} (60\times 60 s)=3.600.000 J[/tex]
E por que as concessionárias utilizam esta unidade? Como o tempo típico de uso de aparelhos domésticos está mais para horas que para segundos, fica mais fácil estimar o seu consumo com essa unidade. Por exemplo, um aparelho que funciona com uma potência de 10 Watts, ligado por uma hora, consome uma energia de 10 Wh, ou 0.01 kWh.
E, para deixar um pouco mais confuso, lembremos que o pagamento é mensal. Portanto, falamos em um consumo de alguns kWh por mês, o que é uma medida de potência, mas uma medida que mistura como unidade de tempo o segundo (na definição de Watt), a hora (na definição de kWh) e o mês. Você saberia dizer quantos Watts representa um consumo de 1 kWh/mês?
Alguns exemplos numéricos sobre consumo em kWh podem ser encontrados aqui.
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A energia elétrica chega em nossa casa através de uma fiação adequada, que transporta a energia elétrica da usina até nossas tomadas. Existem três componentes principais nesta fiação: um fio chamado de fase, um fio chamado de neutro e um fio chamado de Terra.
Os excessos ou faltas de carga elétrica, que, como vimos, é o ponto de partida para a geração de força elétrica, estão presentes no fio fase. É este fio que dá choque ao ser tocado. O neutro é um fio que não está carregado, mas tem uma capacidade praticamente ilimitada de receber ou doar carga elétrica. Ou seja, ao encostarmos um fio neutro em um fio fase, uma avalanche de elétrons passa de um fio ao outro, gerando uma forte faísca. É o que se chama de curto-circuito, tudo que queremos evitar quando estamos montando uma instalação elétrica.
Agora, se ligarmos o fio fase a uma entrada de um circuito elétrico, por exemplo, uma torradeira, e o fio neutro na saída deste mesmo circuito elétrico, então uma corrente controlada circulará pelo circuito, fazendo-o funcionar. O valor desta corrente depende da resistência do circuito, e é dada pela Lei de Ohm.
Para termos uma ideia da ordem de grandeza das correntes usadas em nossa casa, podemos utilizar as informações da potência do equipamento, da voltagem em que este equipamento deve ser ligado, e da fórmula adequada de potência dissipada. Por exemplo, em uma lâmpada de 127 V e 60 W, temos que a corrente é de:
[tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?I = P/U=60W/127V\sim0.5 A[/tex]
Podemos também calcular a resistência desta lâmpada, empregando a Lei de Ohm:
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Se refizermos a conta anterior para uma rede de 220 W, temos que, ao ligarmos uma lâmpada de 60 W, produziremos uma corrente de:
[tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?I=60W/220V\sim0.27 \,A[/tex]
Ou seja, conseguimos produzir a mesma potência com menos corrente. Este fato é muito importante, quando temos de transportar energia elétrica a distâncias muito grandes, por exemplo, de uma usina hidrelétrica até nossa casa. Consideramos até aqui que a fiação elétrica não apresenta resistência nenhuma à passagem de corrente, o que não é verdade. A resistência dela é muito baixa, principalmente quando comparada às resistências típicas de circuitos eletrônicos, mas não é nula. E a resistência de um fio é proporcional a seu tamanho. Portanto, esta resistência muito baixa torna-se considerável, quando temos de ligar uma hidrelétrica a uma casa a quilômetros de distância.
Portanto, sempre que alguém acende uma luz, perdas ôhmicas ocorrem em toda a rede elétrica, desde a fiação de sua casa, até a fiação externa que liga sua casa à usina. Como minimizar estas perdas ôhmicas? Por conservação de energia, a potência elétrica que temos de fornecer para uma lâmpada é a mesma que temos de transmitir por toda a rede elétrica. Vimos que a corrente é tanto menor quanto maior for a voltagem. Portanto, se aumentarmos a voltagem de um fator 10, diminuimos a corrente pelo mesmo fator.
Pois bem, em um fio com uma dada resistência, as perdas ôhmicas podem ser escritas da forma:
Portanto, um aumento de um fator 10 na voltagem reduz de um fator 100 as perdas ôhmicas.
Mas, obviamente, por questões de segurança, não podemos trazer uma voltagem de milhares de volts para as tomadas de nossas casas (qualquer busca na Internet por “morte alta tensão” deixa claro o porquê). Então, fazemos esta transmissão de alta voltagem somente na rede externa, e através de transformadores reduzimos a voltagem enviada para dentro das casas.
Uma descrição mais detalhada das linhas de transmissão em alta voltagem pode ser encontrada aqui.
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A primeira aplicação de uso de energia elétrica é simplesmente esquentar coisas utilizando a dissipação ôhmica. Ao passar corrente elétrica por um circuito, podemos utilizar o aquecimento gerado pela corrente para diversos propósitos. É isso que faz o ferro de passar, o chuveiro elétrico, ou, se você for gaúcho, o rabo quente.Utilizando as fórmulas de potência dissipada, podemos fazer uma pequena estimativa de quanta energia elétrica é necessária para, por exemplo, tomar um agradável banho quente. Vamos estimar o tempo do nosso banho em 6 minutos, o que acredito ser um tempo menor do que a média, mas ajuda nas contas. Vamos também estimar quanto devemos esquentar a água do chuveiro partindo de um dia onde a temperatura da água está em 15 graus, e queremos elevá-la a 35 graus. E, finalmente, temos que saber qual o fluxo de água utilizado em nosso banho. Que tal algo como 250 ml por segundo? Para procedermos com esta conta, precisamos de um pouco de conhecimento de termodinâmica para calcularmos quanto de energia é consumido para esquentar em 10 graus uma certa quantidade de água. Sem justificar a fórmula abaixo, temos que cada segundo consome:
onde utilizamos o calor específico da água. Portanto, em 6 minutos, ou 360 segundos, temos um consumo de 1.500.000 J. Convertendo esta quantidade em kWh, temos que tal banho consumiria 0.4 kWh.
Agora vejamos como a conta fica mais simples, se partirmos desde o princípio do sistema de unidades de kWh. Um chuveiro elétrico convencional trabalha com a potência de aproximadamente 4.000 W, ou 4 kW. Considerando que um banho demora 6 minutos, ou 0.1 h, temos que a energia total consumida neste banho é de:
O mesmo resultado anterior. E, como a potência de um chuveiro é muito mais fácil de conhecer do que quantidades como temperatura ou fluxo da água, justifica-se, assim, o uso deste estranho sistema de unidades.
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Um circuito resistivo bastante comum é usado não pelo calor que fornece, mas por um efeito secundário desse calor. Sabemos que alguns materiais, quando muito aquecidos, emananam uma luz característica, chamada de luz incandescente. É o que ocorre quando aquecemos, por exemplo, uma barra de ferro, que produz uma luz alaranjada a partir de certa temperatura.
Este é o mecanismo de uma lâmpada incandescente, que aproveita o calor gerado pela dissipação ôhmica para aquecer um pequeno filamento de tungstênio. A temperatura deste filamento chega a incríveis 3.000 graus Celsius!
O problema de lâmpadas incandescentes é que a luz gerada é um subproduto de um aquecimento. Portanto é, por definição, um processo muito pouco eficiente de produzir luz, no qual menos de 5% da energia elétrica consumida é convertida em luz. O restante está apenas aquecendo o ambiente, gerando, portanto, um desperdício de energia. E, por este motivo, há uma discussão mundial sobre o banimento das lâmpadas incandescentes, inclusive com decisões recentes sobre o tema pelo governo brasileiro.
Um dimmer é um dispositivo que permite regular a intensidade de uma lâmpada incandescente. Seu funcionamente é bem descrito, por exemplo, aqui. A forma mais antiga de implementação do dimmer consiste em incluir uma resistência de valor variável no circuito que liga a lâmpada. Baseando-se em um dimmer, cuja resistência seja a mesma da lâmpada, assinale a única alternativa correta ao ligarmos o dimmer:
a) A resistência total do circuito aumentará, elevando com isso o consumo elétrico, apesar de abaixarmos a intensidade da luz emitida pela lâmpada.
b) O consumo elétrico não diminui, pois o decréscimo na emissão da lâmpada é compensado pelas perdas ôhmicas na resistência do dimmer.
c) O consumo elétrico diminui na mesma taxa da redução na emissão de luz, ou seja, ambos diminuem em 50%.
d) O consumo elétrico diminui em 50%, mas a intensidade de luz é reduzida a 25% do valor original, diminuindo a eficiência total do sistema.
Clique aqui para ver as respostas.
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Uma propriedade importantíssima de nossas instalações elétricas domiciliares é que todos os circuitos devem poder funcionar simultaneamente. Ou seja, se a luz da sala estiver ligada, e resolvermos ligar a máquina de lavar roupa e assistir à televisão ao mesmo tempo, o funcionamento de um aparelho não deve interferir em outro.
Para que isso ocorra, todos os componentes devem estar ligados em paralelo à rede elétrica. Ou seja, deve haver uma ligação direta dos fios fase e neutro a cada aparelho. Este tipo é a ligação em paralelo. Outra opção seria a ligação em série, onde a saída de um dispositivo é a entrada do próximo, fazendo uma fila de equipamentos eletrônicos. Esta ligação é claramente inviável para instalações residenciais, mas está presente, por exemplo, em alguns enfeites luminosos de árvores de natal. Nestes enfeites, quando uma luz queima, a fila se quebra, e todo o ramo deixa de funcionar.
Uma das características da ligação em paralelo é que a corrente de todos os dispositivos elétricos ligados se somam, passando simultaneamente nos fios de entrada da residência. Portanto, seguindo a conta anterior, se temos 10 lâmpadas de 60 W ligadas em uma residência, pelo fio de entrada está passando 10×0.5=5 Ampères.
E, como vimos, a dissipação ôhmica vai com o quadrado da corrente elétrica. Muitos equipamentos elétricos ligados simultaneamente podem gerar uma corrente elétrica muito grande nos fios de distribuição. E corrente elétrica grande gera grande dissipação ôhmica, esquentando estes fios, causando gastos desnecessários e criando risco de superaquecimento. A única forma que temos para reduzir esta dissipação é diminuir a resistência destes fios, e a forma de fazer isso é usar fios mais grossos, que permitem a passagem melhor de corrente elétrica. Por isso, os fios elétricos de distribuição têm de ser mais grossos que os fios elétricos que chegam às lâmpadas ou tomadas.
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Mesmo tomando todos os cuidados na escolha dos fios em uma instalação elétrica, algo sempre pode dar errado, provocando um curto-circuito. Lembremos que um curto-circuito ocorre quando o fio fase encosta no fio neutro, e naquele instante uma corrente gigantesca pode passar por estes fios. Corrente gigantesca significa perdas ôhmicas gigantescas, ocasionando um perigoso aquecimento de toda a instalação elétrica. Para prevenir que isto aconteça, qualquer corrente elétrica que entre em nossa casa deve passar por um dispositivo de segurança, o disjuntor.
O disjuntor é pensado para desligar o circuito de entrada, caso a corrente elétrica que passa por ele supere certo valor. A maioria dos disjuntores atualmente corta uma corrente superior a 30 Ampères. E, reforçando a ideia, como a ligação elétrica de uma casa é feita em paralelo, este valor-limite se refere à soma de corrente de todos os equipamentos elétricos ligados e cujas ligações elétricas passem por este disjuntor. Ou seja, se você tem dois chuveiros elétricos, e cada um puxa 20 Ampères de corrente ao ser ligado, então, no momento em que você liga os dois simultaneamente, o disjuntor sente a corrente superior aos 30 Ampères e corta o circuito.
Uma ótima discussão detalhada sobre este e outros tópicos abordados neste curso pode ser obtida aqui.
