10.7: Fiação doméstica e segurança elétrica
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Ao final da seção, você poderá:
- Liste os conceitos básicos envolvidos na fiação doméstica
- Defina os termos risco térmico e risco de choque
- Descreva os efeitos do choque elétrico na fisiologia humana e sua relação com a quantidade de corrente através do corpo
- Explicar a função dos fusíveis e disjuntores
A eletricidade apresenta dois riscos conhecidos: térmica e de choque. Um risco térmico é aquele em que uma corrente elétrica excessiva causa efeitos térmicos indesejados, como iniciar um incêndio na parede de uma casa. Um risco de choque ocorre quando uma corrente elétrica passa por uma pessoa. Os choques variam em gravidade, desde dolorosos, mas inofensivos, até letalidade de parar o coração. Nesta seção, consideramos esses riscos e os vários fatores que os afetam de maneira quantitativa. Também examinamos sistemas e dispositivos para evitar riscos elétricos.
Riscos térmicos
A energia elétrica causa efeitos de aquecimento indesejados sempre que a energia elétrica é convertida em energia térmica a uma taxa mais rápida do que pode ser dissipada com segurança. Um exemplo clássico disso é o curto-circuito, um caminho de baixa resistência entre os terminais de uma fonte de tensão. Um exemplo de curto-circuito é mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\). Uma torradeira é conectada a uma tomada elétrica doméstica comum. O isolamento dos fios que levam a um aparelho está desgastado, permitindo que os dois fios entrem em contato ou “curto”. Como resultado, a energia térmica pode aumentar rapidamente a temperatura dos materiais circundantes, derretendo o isolamento e talvez causando um incêndio.
O diagrama do circuito mostra um símbolo que consiste em uma onda senoidal encerrada em um círculo. Este símbolo representa uma fonte de tensão de corrente alternada (CA). Em uma fonte de tensão alternada, a tensão oscila entre uma amplitude máxima positiva e negativa. Até agora, temos considerado fontes de tensão de corrente contínua (CC), mas muitos dos mesmos conceitos são aplicáveis aos circuitos de corrente alternada.
Outro sério risco térmico ocorre quando os fios que fornecem energia a um aparelho estão sobrecarregados. Os fios e aparelhos elétricos geralmente são classificados para a corrente máxima que podem manusear com segurança. O termo “sobrecarga” se refere a uma condição em que a corrente excede a corrente máxima nominal. Conforme a corrente flui através de um fio, a energia dissipada nos fios de alimentação\(R_W\) é\(P = I^2 R_W\), onde está a resistência dos fios e I é a corrente que flui pelos fios. Se eu ou\(R_W\) for muito grande, os fios superaquecem. Fusíveis e disjuntores são usados para limitar correntes excessivas.
Riscos de choque
Choque elétrico é a reação fisiológica ou lesão causada por uma corrente elétrica externa que passa pelo corpo. O efeito de um choque elétrico pode ser negativo ou positivo. Quando uma corrente com magnitude acima de 300 mA passa pelo coração, a morte pode ocorrer. A maioria das mortes por choque elétrico ocorre porque uma corrente causa fibrilação ventricular, um batimento cardíaco extremamente irregular e muitas vezes fatal. Por outro lado, uma vítima de ataque cardíaco, cujo coração está em fibrilação, pode ser salva por um choque elétrico de um desfibrilador.
Os efeitos de um choque elétrico indesejável podem variar em gravidade: uma leve sensação no ponto de contato, dor, perda do controle muscular voluntário, dificuldade em respirar, fibrilação cardíaca e possivelmente morte. A perda do controle muscular voluntário pode fazer com que a vítima não consiga se livrar da fonte da corrente.
Os principais fatores dos quais depende a gravidade dos efeitos do choque elétrico são
- A quantidade de I atual
- O caminho percorrido pela corrente
- A duração do choque
- A frequência f da corrente (\((f = 0 \)para dc)
Nossos corpos são condutores elétricos relativamente bons devido ao conteúdo de água do corpo. Uma condição perigosa ocorre quando o corpo está em contato com uma fonte de tensão e “terra”. O termo “solo” se refere a um grande sumidouro ou fonte de elétrons, por exemplo, a terra (portanto, o nome). Quando há um caminho direto para o solo, grandes correntes passam pelas partes do corpo com a menor resistência e um caminho direto para o solo. Uma precaução de segurança usada por muitas profissões é o uso de sapatos isolados. Sapatos isolados proíbem a passagem de elétrons através dos pés para o solo, pois fornecem uma grande resistência. Sempre que trabalhar com ferramentas de alta potência ou qualquer circuito elétrico, certifique-se de não fornecer um caminho para o fluxo de corrente (especialmente através do coração). Uma precaução de segurança comum é trabalhar com uma mão, reduzindo a possibilidade de fornecer um caminho atual pelo coração.
Correntes muito pequenas passam inofensivamente e não são sentidas pelo corpo. Isso acontece com você regularmente, sem o seu conhecimento. O limiar de sensação é de apenas 1 mA e, embora desagradáveis, os choques são aparentemente inofensivos para correntes menores que 5 mA. Um grande número de regras de segurança determina o valor de 5 mA para o choque máximo permitido. Com 5—30 mA ou mais, a corrente pode estimular contrações musculares sustentadas, da mesma forma que os impulsos nervosos regulares (Figura\(\PageIndex{2}\)). Correntes muito grandes (acima de 300 mA) fazem com que o coração e o diafragma do pulmão se contraiam durante o choque. Tanto o coração quanto a respiração param. Ambos geralmente retornam ao normal após o choque.
A corrente é o principal fator determinante da gravidade do choque. Uma voltagem maior é mais perigosa, mas, como\(I = V/R\) tal, a gravidade do choque depende da combinação de tensão e resistência. Por exemplo, uma pessoa com pele seca tem uma resistência de cerca de\(200 \, k\Omega\). Se ele entrar em contato com 120 V ac, uma corrente
\[I = (120 \, V)(200 \, k\Omega) = 0.6 \, mA\]
passa inofensivamente por ele. A mesma pessoa molhada pode ter uma resistência de\(10.0 \, k\Omega\) e os mesmos 120 V produzirão uma corrente de 12 mA, acima do limite de “não consigo largar” e são potencialmente perigosos.
Segurança elétrica: sistemas e dispositivos
A figura\(\PageIndex{3}(a)\) mostra o esquema de um circuito CA simples sem recursos de segurança. Não é assim que o poder é distribuído na prática. A fiação doméstica e industrial moderna requer o sistema de três fios, mostrado esquematicamente na parte (b), que tem vários recursos de segurança, com fios ativos, neutros e terrestres. O primeiro é o conhecido disjuntor (ou fusível) para evitar sobrecarga térmica. A segunda é uma capa protetora ao redor do aparelho, como uma torradeira ou geladeira. O recurso de segurança do estojo é que ele evita que uma pessoa toque nos fios expostos e entre em contato elétrico com o circuito, ajudando a evitar choques.
Há três conexões com o solo mostradas em\(\PageIndex{3}(b)\). Lembre-se de que uma conexão à terra é um caminho de baixa resistência diretamente ao solo. As duas conexões de aterramento no fio neutro o forçam a ficar a zero volts em relação ao aterramento, dando nome ao fio. Portanto, esse fio é seguro de tocar, mesmo que falte seu isolamento, geralmente branco. O fio neutro é o caminho de retorno da corrente a seguir para completar o circuito. Além disso, as duas conexões de terra fornecem um caminho alternativo através do aterramento (um bom condutor) para completar o circuito. A conexão à terra mais próxima da fonte de energia pode estar na usina geradora, enquanto a outra está no local do usuário. O terceiro aterramento é para a caixa do aparelho, através do fio terra verde, forçando a caixa também a ficar em zero volts. O fio ativo ou quente (doravante denominado “vivo/quente”) fornece tensão e corrente para operar o aparelho. \(\PageIndex{4}\)A figura mostra uma versão mais ilustrada de como o sistema de três fios é conectado por meio de um plugue de três pinos a um aparelho.
O plástico isolante é codificado por cores para identificar fios vivo/quentes, neutros e terrestres, mas esses códigos variam em todo o mundo. É essencial determinar o código de cores em sua região. Às vezes, revestimentos listrados são usados para o benefício de quem é daltônico.
O aterramento da caixa resolve mais de um problema. O problema mais simples é o desgaste do isolamento no fio vivo/quente que permite que ele entre em contato com a caixa, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{5}\). Na falta de uma conexão à terra, é possível um choque severo. Isso é particularmente perigoso na cozinha, onde uma boa conexão com o solo está disponível por meio da água no chão ou de uma torneira de água. Com a conexão à terra intacta, o disjuntor disparará, forçando o reparo do aparelho.
Um interruptor de circuito de falha de aterramento (GFCI) é um dispositivo de segurança encontrado na fiação atualizada da cozinha e do banheiro que funciona com base na indução eletromagnética. Os GFCIs comparam as correntes nos fios vivo/quente e neutro. Quando as correntes vivas/quentes e neutras não são iguais, quase sempre é porque a corrente no neutro é menor do que no fio vivo/quente. Então, parte da corrente, chamada de corrente de fuga, está retornando à fonte de tensão por um caminho diferente do fio neutro. Supõe-se que esse caminho apresente um perigo. Os GFCIs geralmente são configurados para interromper o circuito se a corrente de fuga for maior que 5 mA, o choque máximo inofensivo aceito. Mesmo que a corrente de fuga chegue com segurança à terra por meio de um fio terra intacto, o GFCI disparará, forçando o reparo do vazamento.