E ONDAS ELETROMAGNÉTICAS.
CIRCUITOS SIMPLES COM GERADORES, LEIS DE KIRCHHOF
Corrente Contínua
É preciso considerar que as cargas estejam sempre em repouso. Para que possamos considerar o que é uma corrente elétrica, é necessário que façamos algumas experiências, como ligar as extremidades de fios aos pólos de uma pilha.
Podemos concluir que o fio possui muitos elétrons livres., es- tando em movimento devido a força elétrica do campo, possuindo carga negativa, em movimento contrário ao do campo ampliado, gerando portanto a chamada corrente elétrica.
Quando um campo elétrico é estabelecido em um condutor qualquer, as cargas livres aí presentes entram em movimento sob a ação deste campo, ocorrendo um deslocamento constituindo uma corrente elétrica.
Nos metais, a corrente elétrica é conduzida por elétrons livres em movimento.
Nos líquidos, as cargas livres que se movimentam são íons positivos e íons negativos enquanto que, nos gases, são íons posi- tivos, íons negativos e também elétrons livres.
Segundo os físicos para se determinar uma corrente conven- cional seria necessário que uma carga negativa em movimento seja sempre imaginada como se fosse uma carga positiva, movendo-se em sentido contrário, conforme ilustração abaixo.
A intensidade da corrente se da pela fórmula: I = delta Q
delta t
onde, delta Q, representa a quantidade de carga, delta t o inter- valo de tempo, concluindo assim que o valor de i, é a intensidade. Quando uma quantidade de carga delta Q passa através da sec- ção de um condutor, durante o intervalo de tempo delta t, a intensi- dade i da corrente nesta secção, é a sua relação dividida.
Segundo o fundador do Eletromagnetismo, André-Marie Am- père (1775-1836), desenvolveu a teoria da matemática dos fenô- menos eletromagnéticos, a Lei de Ampère, sendo a primeira pes- soa a utilizar medidas elétricas, tendo construído um instrumento que foi o precursor dos aparelhos de medidas hoje conhecidos.
A corrente elétrica quando muda de sentido, e denominada de corrente alternada, sendo hoje as usadas pelas companhias elétri- cas, não são correntes contínuas, sendo que as mesmas se mantêm em seus sentidos, podendo se usar como exemplo de tal corrente, a das pilhas convencionais ou as baterias dos automóveis.
Podemos concluir que: Uma corrente alternada pode ser trans- formada em corrente contínua por meio de dispositivos especiais, denominado de retificadores, sendo introduzidos em um fio con- dutor no qual existe uma corrente alternada, se transformando em corrente contínua.
Circuitos Simples
Vamos verificar tal circuito através da de um “corte” em uma pilha, mostrando seus componentes, entretanto a diferença de po- tencial entre os pólos da pilha abaixo é mantida graças à energia liberada em reações químicas.
Consideraremos também dois pólos sendo um positivo e um negativo, sendo que sem esses componentes a corrente elétrica ja- mais se formaria.
A voltagem que sempre é fornecida em uma pilha é de 1,5 V, entretanto há aparelhos que se utilizam mais do que essa quantida- de de Volts. Sendo assim é necessário que mais de uma pilha sejam colocadas para o devido funcionamento, onde a corrente elétrica é o valor da pilha x o seu próprio número. Como exemplo, confira o seguinte raciocínio: Um carrinho de criança que se coloca 3 pilhas, o valor de sua corrente elétrica se dá por: 1,5 V + 1,5 V + 1,5 V = 4,5 V
Já as baterias de automóvel vem com uma carga elétrica de 2 V, onde suas placas são mergulhadas em uma solução de ácido sulfúrico e colocando-as dentro de um invólucro resistente, para que não ocorra seu vazamento. Se por acaso houver uma diferença de potencial entre os seus pólos, a voltagem será estabelecida nas extremidades dos fios, gerando assim um circuito elétrico simples. A figura abaixo nos mostra uma sistema convencional de corrente elétrica.
Resistência Elétrica
Para um condutor AB, estando ele ligado a uma bateria, ocor- rerá sempre que se estabelecer contato, uma diferença de potencial nas extremidades, e consequentemente a passagem da corrente i através dele.
As cargas realizarão colisões contra os átomos ou moléculas havendo, então oposição a corrente elétrica, podendo ser maior ou menor, dependendo da natureza do fio ligado em A e B.
A resistência elétrica se baseia na seguinte fórmula: R = VAB Portanto, quanto menor for o valor da corrente i, maior será o valor de R. A unidade de representação da medida de resistência é a do sistema internacional, sendo que 1 volt/ampère = 1 V/A, sen- do denominada como 1 ohm (ou representada pela letra grega Ω, em homenagem ao físico alemão do século passado, Georg Ohm. Podemos concluir que: quando uma voltagem VAB é aplicada nas extremidades de um condutor, estabelecendo nele uma corren- te elétrica i, a resistência é dada pela fórmula acima descrita.
Quanto maior for o valor de R, maior será a oposição que o condutor oferecerá à passagem da corrente.
O valor da resistividade pode ser considerada como sendo uma grandeza característica de todo material que constitui um fio, sendo definida como: uma substância será tanto melhor condutora de eletricidade quanto menor for o valor de sua resistividade.
Reostato segundo seus criadores, é um aparelho onde se pode variar a resistência de um circuito e, assim, tornando-se possível aumentar ou diminuir, a intensidade da corrente elétrica.
Dado um comprido fio AC, de grande resistência, um cursor B, que se desloca através do fio, entrando em contato com A e C, observe a corrente que sai do pólo positivo da bateria percorrendo o trecho AB do reostato. Verifica-se que não há corrente passando no trecho BC, pois estando o circuito interrompido em C, a corren- te não poderá prosseguir através desse trecho.
Carga Elétrica
Um corpo tem carga negativa se nele há um excesso de elé- trons e positiva se há falta de elétrons em relação ao número de prótons.
A quantidade de carga elétrica de um corpo é determinada pela diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que um corpo contém. O símbolo da carga elétrica de um corpo é Q, expresso pela unidade coulomb (C). A carga de um coulomb negativo significa que o corpo contém uma carga de 6,25 x 1018 mais elétrons do que prótons.
Diferença de Potencial
Graças à força do seu campo eletrostático, uma carga pode realizar trabalho ao deslogar outra carga por atração ou repulsão. Essa capacidade de realizar trabalho é chamada potencial. Quando uma carga for diferente da outra, haverá entre elas uma diferença de potencial(E).
A soma das diferenças de potencial de todas as cargas de um campo eletrostático é conhecida como força eletromotriz.
A diferença de potencial (ou tensão) tem como unidade fun- damental o volt(V).
Corrente
Corrente (I) é simplesmente o fluxo de elétrons. Essa crrente é produzida pelo deslocamento de elétrons através de uma ddp em um condutor. A unidade fundamental de corrente é o ampère (A). 1 A é o deslocamento de 1 C através de um ponto qualquer de um condutor durante 1 s.
I=Q/t
O fluxo real de elétrons é do potencial negativo para o positi- vo. No entanto, é convenção representar a corrente como indo do positivo para o negativo.
Correntes e Tensões Contínuas e Alternadas
A corrente contínua (CC ou DC) é aquela que passa através de um condutor ou de um circuito num só sentido. Isso se deve ao fato de suas fontes de tensão (pilhas, baterias,...) manterem a mesma polaridade de tensão de saída.
Uma fonte de tensão alternada alterna a polaridade constante- mente com o tempo. Conseqüentemente a corrente também muda de sentido periódicamente. A linha de tensão usada na aioria das residências é de tensão alternada.
Resistência Elétrica
Resistência é a oposição à passagem de corrente elétrica. É medida em ohms (W). Quanto maior a resistência, menor é a cor- rente que passa.
Os resistores são elementos que apresentam resistência conhe- cida bem definida. Podem ter uma resistência fixa ou variável.
Símbolos em eletrônica e eletricidade
Abaixo estão alguns símbolos de componentens elétricos e eletrônicos:
Associações de Resistores
Os resistores podem se associar em paralelo ou em série. (Na verdade existem outras formas de associação, mas elas são um pouco mais complicadas e serão vistas futuramente)
Associação Série
Na associação série, dois resistores consecutivos têm um pon- to em comum. A resistência equivalente é a soma das resistências individuais. Ou seja:
Req = R1 + R2 + R3 + ... Exemplificando:
Calcule a resistência equivalente no esquema abaixo:
Req = 10kW + 1MW + 470W Req = 10000W + 1000000W + 470W Req = 1010470W
Associação Paralelo
Dois resistores estão em paralelo se há dois pontos em comum entre eles. Neste caso, a fórmula para a resistência equivalente é: 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
Exemplo:
Calcule a resistência equivalente no circuito abaixo:
Note que a resistência equivalente é menor do que as resis- tências individuais. Isto acontece pois a corrente elétrica tên mais um ramo por onde prosseguir, e quanto maior a corrente, menor a resistência.
As Leis de Kirchhoff
Lei de Kirchhoff para Tensão: A tensão aplicada a um circuito fechado é igual ao somatório das quedas de tensão naquela circuito.
Ou seja: a soma algébrica das subidas e quedas de tensão é igual a zero (SV). Então, se temos o seguinte circuito: podemos dizer que VA = VR1 + VR2 + VR3
Lei de Kirchhoff para Correntes: A soma das correntes que
entram num nó (junção) é igual à soma das correntes que saem desse nó.
I1+I2= I3+I4+I5 As leis de Kirchhoff serão úteis na resolu- ção de diversos problemas.Na próxima atualização, farei uma série de exercícios sobre todos os conceitos que expliquei até aqui.
Capacitor
O capacitor é constituído por duas placas condutoras parale- las, separadas por um diélétrico. Quando se aplica uma ddp nos seus dois terminais, começa a haver um movimento de cargas para as placas paralelas. A capacitância de um capacitor é a razão entre a carga acumulada e a tensão aplicada.
C = Q/V
Deve-se também ter em mente que a capacitância é maior quanto amior for a área das placas paralelas, e quanto menor for a distância entre elas. Desta forma: A (8,85 x 10-12 ) C= --- --- k d
Onde: C = capacitância A = área da placa d = distância entre as placas k = constante dielétrica do material isolante
Vamos agora estudar o comportamento do capacitor quando nele aplicamos uma tensão DC. Quando isto acontece, a tensão no capacitor varia segundo a fórmula: Vc=VT(1-e-t/RC)
Isso gera o seguinte gráfico Vc X t
Isto acontece porque a medida que mais cargas vão se acumu- lando no capacitor, maior é a oposição do capacitor à corrente (ele funciona como uma bateria).
Note que no exemplo abaixo ligamos um resistor em série com o capacitor. Ele serve para limitar a corrente inicial (quando o capacitor funciona como um curto). O tempo de carga do capacitor é 5t, onde t = RC (resistência vezes capacitância).
No exemplo abaixo, o tempo de carga é: Tc= 5 x 1000 x 10-6 = 5ms
Se aplicarmos no capacitor uma tensão alternada, ele vai ofe- recer uma “oposição à corrente” (na verdade é oposição à variação de tensão) chamada reatância capacitiva (Xc).
Xc=1/2pfC
A oposição total de um circuito à corrente chama-se impedân- cia (Z). Num circuito composto de uma resistência em série com uma capacitância:
Z = (R22+Xc2) 1/2 ou Z = Ö R22+XC2
Podemos imaginar a impedância como a soma vetorial de re- sistência e reatância. O ângulo da impedância com a abscissa é o atraso da tensão em relação à corrente.
Aplicações: Se temos um circuito RC série, a medida que au- mentarmor a freqüência, a tensão no capacitor diminuirá e a ten- são no resistor aumentará. Podemos então fazer filtros, dos quais só passarão freqüências acima de uma freqüência estabelecida ou abaixo dela. Estes são os filtros passa alta e passa baixa.
Freqüência de corte: é a freqüência onde XC=R.
Quando temos uma fonte CA de várias freqüencias, um re- sistor e um capacitor em série, em freqüências mais baixas XC é maior, desta forma, a tensão no capacitor é bem maior que no resistor. A partir da freqüência de corte, a tensão no resistor torna- -se maior. Dessa forma, a tensão no capacitor é alta em freqüên- cias mais baixas que a freqüência de corte. Quando a freqüência é maior que a freqüência de corte, é o resistor que terá alta tensão.
Filtro passa baixa:
Vsaída=It XC Filtro passa alta
No estudo da Física, o eletromagnetismo é o nome da teoria unificada desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo. Esta teoria baseia-se no con- ceito de campo eletromagnético. O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força eletro- magnética quando associada a ímãs.
A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão). Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre cam- po elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.
Conta uma lenda que a palavra magnetismo deriva do nome de um pastor da Grécia antiga, chamado Magnes, que teria desco- berto que um determinado tipo de pedra atraía a ponta metálica de seu cajado.
Em homenagem a Magnes, a pedra foi chamada de magnetita, de onde derivam as palavras magnético e magnetismo. Uma outra versão atribui o nome do mineral ao fato de ele ser abundante na região asiática da Magnésia. Seja qual for a versão verdadeira da origem da palavra, a magnetita é um imã natural - um minério com propriedades magnéticas. Sejam naturais ou artificiais, os ímãs são materiais capazes de se atraírem ou repelirem entre, si bem como de atrair ferro e outros metais magnéticos, como o níquel e o co- balto.
Polaridade
Os imãs possuem dois polos magnéticos, chamados de polo norte e polo sul, em torno dos quais existe um campo magnético. Seguindo a regra da atração entre opostos, comum na física, o polo norte e o sul de dois imãs se atraem mutuamente. Por outro lado, se aproximarmos os polos iguais de dois imãs o efeito será a repulsão. O campo magnético é um conjunto de linhas de força orientadas que partem do polo norte para o pólo sul dos imãs, promovendo sua capacidade de atração e repulsão, mecanismo que fica explica- do na figura que segue:
As linhas de força promovem a atração entre polos opostos e repulsão entre polos iguais.
Um fato interessante sobre os polos de um imã é que impos- sível separá-los. Se cortarmos um imã ao meio, exatamente sobre a linha neutra que divide os dois polos, cada uma das metades formará um novo imã completo, com seu próprio polo norte e sul.
Perfis magnéticos
Um modo de visualizarmos as linhas de força do campo magnético é pulverizando limalha de ferro em torno de um imã. Abaixo, a figura ilustra esse efeito pelo qual as partículas metáli- cas atraídas desenham o perfil do campo magnético.
Limalha de ferro desenha as linhas de força do campo magnético de um imã.
Como os planetas também possuem polos magnéticos norte e sul, a Terra se comporta como um imenso imã, razão pela qual, numa bússola, o polo sul da agulha imantada aponta sempre para o polo norte da Terra. Entretanto, se as propriedades dos imãs já eram conhecidas desde a antiguidade, demorou um bom tempo até que as correlações entre os fenômenos elétricos e magnéticos fossem estabelecidos. O cientista inglês Michael Faraday (1791- 1867) foi um dos pioneiros do estudo desta correlação.
Indução eletromagnética
Faraday descobriu que uma corrente elétrica era gerada ao posicionar um imã no interior de uma bobina de fio condutor. Deduziu que se movesse a bobina em relação ao imã obteria uma corrente elétrica contínua, efeito que após comprovado recebeu o nome de indução eletromagnética.
A indução eletromagnética é o princípio básico de funcio- namento dos geradores e motores elétricos, sendo estes dois equipamentos iguais na sua concepção e diferentes apenas na sua utilização. No gerador elétrico, a movimentação de uma bobina em relação a um imã produz uma corrente elétrica, enquanto no motor elétrico uma corrente elétrica produz a movimentação de uma bobina em relação ao imã. A seguir, a ilustração representa o efeito de indução eletromagnética, como pesquisado por Fara- day:
A movimentação de um campo elétrico próximo a uma bobina produz a corrente elétrica i.
O princípio da indução eletromagnética é também a base de funcionamento dos eletroímãs, equipamentos que geram cam- pos magnéticos apenas, enquanto uma corrente elétrica produz o efeito de indução. Uma vez desligados perdem suas proprieda- des, ao contrário dos imãs permanentes. Hoje, as leis do eletro- magnetismo fundamentam boa parte da nossa tecnologia mecâ- nica e eletroeletrônica.
Os campos magnéticos e suas interações elétricas fazem fun- cionar desde um secador de cabelos até os complexos sistemas de telecomunicações, desde os poderosos geradores elétricos das usinas nucleares até os minúsculos componentes utilizados nos circuitos eletrônicos. Magnes, o lendário pastor grego, ficaria muito impressionado com o que se descobriu fazer possível com os poderes da pedra que encontrou por acaso.
QUESTÕES QUESTÃO 01
A figura abaixo apresenta um conjunto constituído por uma mola presa a um corpo de massa m que pode mover-se sobre uma superfície horizontal sem atrito. A mola é comprimida por uma distância ΔX devido à ação da força F, que é proporcional à de- formação da mola. A constante elástica da mola é de 400 N/m. O trabalho realizado ao comprimir a mola foi de 50 J, proporcional ao quadrado do deslocamento sofrido pela mola.
É correto afirmar que os valores de F e ΔX valem, respecti- vamente: a) 2000N; 80 cm b) 8N; 20 cm c) 200N; 0,025 m d) 200N; 50 cm e) 20N; 80 cm QUESTÃO 02
Um objeto de altura h é colocado a 50 cm do vértice de um espelho esférico côncavo de raio de curvatura igual a 40 cm. A partir destes dados, assinale a alternativa correta.
a) A imagem será formada atrás do espelho (virtual) e com altura menor que o objeto.
b) A imagem será formada atrás do espelho (virtual) e com altura maior que o objeto.
c) A imagem será formada atrás do espelho (virtual) e da mes- ma altura que o objeto.
d) A imagem será formada na frente do espelho (real) e com altura menor que o objeto.
e) A imagem será formada na frente do espelho (real) e com altura maior que o objeto.
QUESTÃO 03
O gráfico do espaço em função do tempo de dois veículos está representado abaixo, onde o eixo das ordenadas está associado ao espaço percorrido por cada veículo.
As equações horárias, no SI, desses veículos são: a) S=5-t e S=2+3t+t2 b) S=2-t e S=5+3t-t2 c) S=5+t e S=2+3t+t2 d) S=5-t e S=2+3t-t2 e) S=2+t e S=5+3t-t2 QUESTÃO 04
O rendimento de uma máquina térmica é medido pela razão entre o trabalho realizado e o calor fornecido pelo sistema. Uma caldeira a vapor tem rendimento de 0,1 (10%), um motor a gaso- lina de 0,3 e um motor diesel têm rendimento de 0,4. Portanto, é correto afirmar que:
a) 40% do calor fornecido pela combustão em um motor die- sel é transformado em trabalho.
b) 30% do trabalho realizado por um motor a gasolina é trans- formado em calor.
c) 30% da gasolina fornecida ao motor é desperdiçada. d) 40% dos motores diesel têm maior rendimento do que 30% dos motores a gasolina.
e) Todas as alternativas estão erradas, pois, veículos a gasolina (como carros) ultrapassam com facilidade veículos a diesel (como caminhões).
QUESTÃO 05
Jacques Alexandre César Charles nasceu em novembro de 1746, em Beaugency, França. Recebe a denominação de LEI de CHARLES a lei que rege as transformações a volume constante de determinada massa de gás. As transformações a volume constante são chamadas de:
a) isocóricas b) isotérmicas c) isobáricas d) isochárlicas e) Gay-Lussac QUESTÃO 06
Os principais defeitos da visão são a miopia, a hipermetropia, a presbiopia, o astigmatismo e o estrabismo. Analise as definições.
I. Este defeito consiste em um encurtamento do bulbo do olho na direção anteroposterior. A correção é feita com uso de lentes convergentes.
II. Este defeito consiste em imperfeições na simetria de re- volução do sistema óptico ocular em torno de seu eixo óptico. A correção é feita com uso de lentes cilíndricas.
III. Este defeito consiste em um alongamento do bulbo do olho na direção anteroposterior. A correção é feita com uso de len- tes divergentes.
Assinale a alternativa correta.
a) A afirmativa I trata de Hipermetropia e a II trata de Miopia. b) A afirmativa I trata de Miopia e a II trata de Hipermetropia. c) A afirmativa I trata de Miopia e a III trata de Hipermetropia. d) A afirmativa II trata de Hipermetropia e a III trata de Mio- pia.
e) A afirmativa I trata de Hipermetropia e a III trata de Miopia. QUESTÃO 07
A tabela abaixo apresenta o valor máximo da corrente que cada tipo de fio suporta sem aquecimento excessivo que possa comprometer seu isolamento, isto é, sem danificar a capa plástica que o envolve.
A danificação deste isolamento pode trazer sérias consequên- cias (curto-circuito e ou incêndio).
Na instalação de um chuveiro de 110V com potência 3,5kW, assinale a alternativa que indica qual(is) o(s) número(s) do fio que se deve utilizar para que não ocorra excessivo aquecimento da fia- ção.
a) Fio 14, 12, 10 ou 8 b) Fio 12, 10 ou 8 c) Fio 10 ou 8 d) Somente fio 8
e) Fio que suporte mais de 40A