Guia mangá de
Eletricidade
Kazuhiro Fujitaki Matsuda Trend-pro Co., Ltd.novatec
Sumário
PREFÁCIO . . . . xi
Prólogo: De Electopia, a Terra da Eletricidade . . . .1
1 O QUE É ELETRICIDADE? . . . 13
A eletricidade e a vida cotidiana . . . . 14
Unidades elétricas . . . . 15
Eletricidade em casa . . . . 19
Como a eletricidade funciona . . . . 25
A verdadeira natureza da eletricidade . . . . 26
Corrente e descarga elétrica . . . . 30
Estrutura atômica e condutividade . . . . 34
Eletricidade estática . . . . 36
A série triboelétrica . . . . 40
Usos da eletricidade estática . . . . 43
Etiquetas nos produtos elétricos do consumidor . . . . 45
Tensão e potencial . . . . 46
Átomos e elétrons . . . . 47
Eletricidade estática . . . . 49
Força eletrostática . . . . 49
A série triboelétrica . . . . 51
Movimentação de cargas e direção da corrente . . . . 51
2 O QUE SÃO CIRCUITOS ELÉTRICOS? . . . . 55
Circuitos elétricos em aparelhos do dia-a-dia . . . . 56
O circuito de uma lanterna . . . . 59
Partes de um circuito elétrico . . . . 61
A lei de Ohm e os métodos de conexão de componentes elétricos . . . . 67
Circuitos elétricos e lei de Ohm . . . . 68
Conexões em série e em paralelo . . . . 69
Circuitos elétricos e corrente . . . . 73
Símbolos gráficos . . . . 73
Circuito de corrente contínua e circuito de corrente alternada . . . . 74
Lei de Ohm . . . . 76
Resistividade e condutividade . . . . 77
viii Sumário 3
Como a eletricidade funciona? . . . . 81
Por que a eletricidade produz calor? . . . . 82
Eletricidade e calor de Joule . . . . 85
Como o calor é gerado pela corrente? . . . . 87
Emissão térmica e luminescência . . . . 90
Corrente e campos magnéticos . . . . 94
Regra da mão esquerda de Fleming (para motores cc) . . . . 98
Regra da mão direita de Fleming (para geradores) . . . . 100
Calor de Joule . . . . 104
Vibração térmica . . . . 104
Ondas eletromagnéticas . . . . 106
Eletricidade e magnetismo . . . . 107
Regra da mão esquerda de Fleming e motores . . . . 109
Regra da mão direita de Fleming e os geradores elétricos . . . . 110
Eletricidade e bobinas . . . . 111
Bobinas e indução eletromagnética . . . . 111
Bobinas e indutância . . . . 112
Bobinas e corrente alternada . . . . 113
Bobinas e transformadores . . . . 114
Capacitores . . . . 115
Capacitores e corrente alternada . . . . 115
4 Como você gera eletricidade? . . . . 117
Geradores . . . . 118
Como o gerador de energia produz eletricidade? . . . . 121
Pilhas (ou baterias) e outras fontes de eletricidade . . . . 124
Células químicas . . . . 126
O que acontece em uma pilha de célula seca? . . . . 132
Água e células de combustível . . . . 135
Ânodos e cátodos . . . . 138
Criando a sua própria pilha de moeda . . . . 140
Pilhas termelétricas . . . . 141
Eletricidade gerada por usina de energia . . . . 147
Geração de energia térmica . . . . 149
Geração de energia nuclear . . . . 151
Geração de energia hidrelétrica . . . . 152
Sumário ix 5
Como usar a eletricidade adequadamente? . . . . 155
O que são semicondutores? . . . . 161
Diodos e transistores . . . . 169
Diodos emissores de luz . . . . 174
Transistores . . . . 176
Diodos . . . . 186
Transistores . . . . 188
Transistor de efeito de campo . . . . 188
Conversores e inversores . . . . 189 Sensores . . . . 190 Sensores de temperatura . . . . 190 Sensores ópticos . . . . 192 epílogo . . . . 197 Índice . . . . 201
2 Prólogo MAS, OS ESTUDANTES DE ELECTOPIA TÊM O MESMO TIPO DE PROBLEMA QUE OS ESTUDANTES DA TERRA. Rereko...
SABE POR QUE CHAMEI VOCÊ
AQUI?
Uh...um...
BOM, EU NUNCA FUI MUITO ESPERTA... MAS SINCERAMENTE,
NÃO SEI.
TUDO BEM. VOCÊ QUASE ACERTOU A RESPOSTA. ELECToPIA
este é um mundo onde os dispositivos eletrônicos são um pouco mais avançados que
os da teRRa. * ESCOLA CENTRAL DE TREINAMENTO ELÉTRICO * * * SALA DOS PROFESSORES DA ESCOLA TÉCNICA
JÁ QUE PODEMOS REESCREVER ESSA EQUAÇÃO COMO... CORRENTE (A) = Potência (W) — tensão (V) ...TAMBÉM PODEMOS FACILMENTE
ENCONTRAR A CORRENTE. PARA ESTA CHALEIRA ELÉTRICA... ...NÓS TEMOS 1000W — 100V = 10A NÃO É? CORRETO!
AGORA VAMOS VER A ENERGIA. A CONTA ELÉTRICA MENSAL VEM NA UNIDADE KWH (QUILOWATT-HORA) QUE REPRESENTA A QUANTIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA QUE UMA FAMÍLIA
UTILIZA...
ÔPA... SAQUEI!
A série triboelétrica 51
A série triboelétrica
A eletricidade estática é mais facilmente gerada quando o ar fica mais seco - a umidade impede a eletricidade estática de se reunir em uma superfície. Além disso, algumas roupas se tornam facilmente carregadas, enquanto que outras não, dependendo do material de que são feitas. Já que a seda tem boa absorção de água e contém muito mais umidade que as fibras sintéticas, isso pode reduzir a ocorrência de eletricidade estática.
As polaridades das cargas geradas pela fricção variam conforme os materiais que são esfregados juntos. Essas diferenças são representadas pela série triboelétrica. Por exemplo, se cabelo e algodão forem esfregados juntos, o cabelo vai se tornar positivamente carregado e o algodão vai se tornar negativamente carregado, mas para algodão e vinil, o algodão vai se tornar positivamente carregado e o vinil vai se tornar negativamente carregado.
Quanto mais afastados os materiais ficam na série triboelétrica, mais eletricidade está-tica é gerada entre eles, e quanto mais próximos na série triboelétrica os objetos estiverem, menos eletricidade estática é gerada. Em outras palavras, você pode reduzir a ocorrência de eletricidade estática ao vestir roupas feitas de materiais que ficam próximos na série tribo-elétrica.
Movimentação de cargas e direção da corrente
O relâmpago também é resultado de eletricidade estática. O relâmpago ocorre quando a eletricidade estática produzida pela fricção de granizo e partículas de gelo em uma nuvem descarrega entre a nuvem e a terra. No caso do relâmpago, existe o ar (isto é um isolante pelo qual a eletricidade tem dificuldade de passar) entre as cargas positivas e negativas, então a descarga não ocorre facilmente.
Quando uma grande quantidade de carga se forma e a diferença potencial entre as cargas positivas e negativas é extremamente grande, o isolamento do ar de repente se que-bra e ocorre uma descarga elétrica. A descarga elétrica é o fenômeno no qual a carga passa continuamente. Esse fluxo contínuo de eletricidade é chamado de corrente.
SÉRIE TRIBOELÉTRICA Negativo Positivo P E L E V I N I L P O L I E T I L E N O P O L I É S T E R C O B R E B O R R A C H A M A D E I R A A Ç O A L G O D Ã O P A P E L S E D A L Ã Ny l o n C A B E L O V I D R O A série triboelétrica
SE REPRESENTARMOS ISSO EM UMA FÓRMULA, VAI FICAR ASSIM:
GRRRR! ISSO É MESMO
COMPLICADO.
BEM, VAMOS pensar em casos simples PRIMEIRO, OK? Ok... SE DUAS LÂMPADAS IDÊNTICAS ESTIVEREM CONECTADAS EM SÉRIE, O VALOR DA RESISTÊNCIA É O DOBRO, CERTO?
NESSE CASO, JÁ QUE A CORRENTE É PELA METADE,
A LUMINOSIDADE DE CADA LÂMPADA É MAIS FRACA DO QUE
QUANDO SÓ UMA LÂMPADA ESTÁ CONECTADA.
PARA OBTERMOS EM AMBAS AS LÂMPADAS A MESMA
LUMINOSIDADE DE UMA ÚNICA LÂMPADA
CONECTADA, NÓS DEVEMOS DOBRAR A tensão. RESISTÊNCIA equivalente = 1 1 1 R1 + R2 = R1 × R2 R1 + R2
(PRODUTO pela SOMA)
tuf R 1 R2 1 L Â M P A D A 2 L Â M P A D A Clic BRILHANTE FRACA
78 Capítulo 2 O que são circuitos elétricos?
Resistência equivalente
Existem dois métodos básicos de conectar componentes elétricos. Vamos ver ambos com relação à resistência. Quando existem múltiplas resistências em um circuito, podemos con-siderá-las como uma única resistência equivalente.
O método de conectar resistências em uma fila é chamado de conexão em série. Nós calculamos o valor da resistência equivalente de uma conexão em série pela soma dos valo-res das valo-resistências individuais.
Resistência efetiva = R0 = R1 + R2 + ... + Rn
Nesta conexão, a intensidade da corrente que passa em cada resistência é a mesma. A tensão da fonte de alimentação é a tensão dividida para cada resistência..
Se duas lâmpadas do mesmo tamanho forem conectadas em série a uma fonte de alimentação, a corrente será a metade, e a luminosidade de cada lâmpada vai ser mais fraca do que quando apenas uma lâmpada estava conectada, pois a resistência equivalente dobrou. Neste caso, a tensão em ambos os lados de cada lâmpada será a metade do valor da tensão da fonte de alimentação.
+ − R0 = R1 + R2 + R3 + ... + Rn RESISTÊNCIA EFETIVA CONEXÃO EM SÉRIE R 1 R2 R3 Rn V 1 V2 V3 Vn
CALCULAR A TENSÃO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO PELA DIVISÃO DA TENSÃO PELA SOMA DAS RESISTÊNCIAS.
TENSÃO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO (V)
REREKO, VOCÊ SABE O QUE ISTO SIGNIFICA?
professor HIKARU! É CLARO!
VOCÊ ESTÁ ATIRANDO PAPEL, TESOURAS, E PEDRAS! IssO É
IMBATÍVEL!
NÃO... EU NÃO quis dizer O jogo DE PEDRAS,
PAPEL E TESOURAS.
SE UM CONDUTOR FOR COLOCADO EM UM CAMPO MAGNÉTICO E PAssAR
CORRENTE, UMA FORÇA É EXERCIDA SOBRE O CONDUTOR que SE MOVIMENTA CONFORME A REGRA DA
MÃO ESQUERDA DE FLEMING.
QUANDO A SUA MÃO ESQUERDA É
COLOCADA DESTA FORMA...
EssA REGRA DIZ QUE O DEDO INDICADOR APONTA NA DIREÇÃO DO
CAMPO MAGNÉTICO (N PARA S), O DEDO MÉDIO APONTA NA DIREÇÃO EM QUE A CORRENTE SE MOVIMENTA, E O CONDUTOR SE MOVIMENTA NA DIREÇÃO
INDICADA PELO POLEGAR, COMO RESULTADO DA FORÇA QUE AGE NA
MESMA DIREÇÃO. A MÃO
ESQUERDA... É ESTA?
Regra da mão esquerda de
fleming (para motores cc)
Papel tesouras
pedra
O CONDUTOR SE MOVIMENTA NESTA DIREÇÃO
O CAMPO MAGNÉTICO APONTA DE NORTE PARA SUL
NESTA DIREÇÃO
A CORRENTE PAssA NESTA DIREÇÃO
FLEMING TAMBÉM TEM UMA REGRA DA MÃO
DIREITA!
O QUE EssA REGRA DIZ? SE UM CONDUTOR SE MOVIMENTA ENTRE OS Polos DE UM IMÃ, O CONDUTOR CRUZA um CAMPO MAGNÉTICO. Ok...
UMA AÇÃO QUE FAZ A ELETRICIDADE FLUIR, QUE É CHAMADA DE FORÇA
ELETROMOTRIZ, É GERADA NO CONDUTOR NEsse momento, E A
CORRENTE PAssA.
O FLUXO DEssA CORRENTE É NA DIREÇÃO DO DEDO MÉDIO DA MÃO
DIREITA, A DIREÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO É A DIREÇÃO DO DEDO
INDICADOR, E A DIREÇÃO DO MOVIMENTO DO condutor ELÉTRICO É
A DIREÇÃO DO POLEGAR.
Regra da mão direita de
fleming (para geradores)
Condutor MOVIMENTO DO CONDUTOR coRRente Movimento O CONDUTOR SE MOVIMENTA NESTA DIREÇÃO O CAMPO MAGNÉTICO N-S APONTA NESTA DIREÇÃO A CORRENTE SE MOVIMENTA NESTA DIREÇÃO
100 Capítulo 3 Como a eletricidade funciona?
CAMPO MAGNÉTICO
CAMPO MAGNÉTICO
Pilhas
termelétricas
Criando a sua própria
pilha de moeda
JÁ QUE NÓS SABEMOS QUAL REAÇÃO QUÍMICA A PILHA UTILIZA, É SIMPLES CRIAR A NOSSA PRÓPRIA PILHA. É MESMO? TUDO O QUE PRECISAMOS SÃO DOISTIPOS DE METAL E UM ELETRÓLITO. PODEMOS
ATÉ USAR ITENS COMUNS QUE TEMOS À
MÃO. POR EXEMPLO... ...TUDO O QUE PRECISAMOS SÃO ESTAS COISAS! uau! SAL DE COZINHA MOEDI-NHA FOLHA DE ALUMÍNIO ÁGUA PANO
BASTA USAR APENAS UMA MOEDINHA (DE COBRE) NO polo
POSITIVO, UM PEDAÇO DOBRADO DE FOLHA DE ALUMÍNIO NO polo
NEGATIVO, E INSERIR UM PANO QUE EMBEBIDO EM ÁGUA COM SAL
COMO ELETRÓLITO ENTRE ELES, E TEMOS A PILHA! ELETRÓLITO
MOEDINHA (+)
folha (-)
PANO EMBEBIDO EM ÁGUA COM SAL
Eletricidade gerada por usina de energia 147
Eletricidade gerada por usina de energia
Nas usinas de energia, não importa qual a fonte do movimento, uma turbina gira e produz eletricidade em um gerador.
GERADOR
ELÉTRICO TRANSFORMADOR ELETRICIDADE
turbina DE ÁGUA
SAÍDA DE DRENAGEM GERAÇÃO DE ENERGIA HIDRELÉTRICA: A
ENERGIA POTENCIAL DA ÁGUA GIRA EM UMA TURBINA DE ÁGUA PARA mover O GERADOR ELÉTRICO ACOPLADO.
VAPOR VAPOR Turbina GERADOR
ELÉTRICO
ÁGUA
ELETRICIDADE
CALDEIRA
(COM COMBUSTÍVEL COMO ÓLEO,
CARVÃO, OU GÁS) CAMINHO DE ESCOAMENTO
CAMINHO DE ENTRADA VAPOR
ÁGUA
REATOR NUCLEAR
(FIsSÃO NUCLEAR DE URÂNIO)
ÁGUA GERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA: COMBUSTÍVEIS COMO ÓLEO OU CARVÃO
CONVERTEM A ÁGUA EM VAPOR PARA GIRAR UMA TURBINA E mover O GERADOR ELÉTRICO ACOPLADO.
GERAÇÃO DE ENERGIA NUCLEAR: O CALOR QUE É GERADO QUANDO MATERIAL NUCLEAR SOFRE FIsSÃO NUCLEAR CONVERTE A ÁGUA EM VAPOR PARA GIRAR A TURBINA E mover O GERADOR ELÉTRICO ACOPLADO. REPRESA transfor-mador RESERVATÓRIO COMPORTA
AGORA, VAMOS SUPOR QUE NÓS MISTURAMOS UM POUCO DO ELEMENTO BORO,
QUE TEM TRÊS ELÉTRONS DE VALÊNCIA.
O BORO E O SILÍCIO LIGAM, MAS EXISTE UM LUGAR VAZIO DEIXADO NO ESPAÇO QUE
NÃO TEM ELÉTRON.
LUGAR VAZIO?
ESSE LUGAR VAZIO É CHAMADo DE buraco. OS buracos SÃO LUGARES DE ELÉTRONS VACANTES EM LIGAÇÕES COVALENTES. VOCÊ PODE CONSIDERAR O buraco COMO UM ELÉTRON LIVRE COM
CARGA POSITIVA. Ok... Boro FURO furo deriva buraco buraco Semicondutores 167 deriva
EM ALGUNS DIODOS, A JUNÇÃO P-N EMITE LUZ QUANDO PASSA CORRENTE
NA polarização DIRETA. É O CHAMADO DIODO emissor de LUZ OU LED ABREVIADO. OH SIM, ESSES AQUI! EU OS VI NAS ÁRVORES DE NATAL!
CORRETO. ELAS TAMBÉM APARECERAM QUANDO EU
EXPLIQUEI A PILHA DE MOEDA.
SE UMA POLARIZAÇÃO DIRETA FOR APLICADA
A UM DIODO QUE EMITE LUZ E PASSAR
CORRENTE...
OS ELÉTRONS E OS buracos SE UNEM PERTO DA JUNÇÃO P-N E DESAPARECEM.
OH, ELES COLIDEM!
Diodos emissores de luz
PISCA
PISCA
Ho, ho, ho!
RESISTÊNCIA C ÁT O D O Â N O D O
