ELETRICIDADE
BÁSICA
Introdução a Eletricidade
INTRODUÇÃO – ENERGIA E MATÉRIA
Frequentemente usamos a palavra ENERGIA. Às
vezes, ouvimos dizer que determinado alimento é
rico em energia, que recebemos energia do sol ou
então, que o custo da energia elétrica aumentou.
Fala-se também em energia térmica, química,
nuclear... A energia está presente em quase todas
as atividades do homem moderno.
Por isso, para o profissional da área
eletroeletrônica, é primordial conhecer os
segredos da energia elétrica.
Estudaremos algumas formas de energia que se
MATÉRIA
Matéria é tudo aquilo que nos cerca e que ocupa um
lugar no espaço. Ela se apresenta em porções
limitadas que recebem o nome de corpos. Estes
podem ser simples ou compostos:
Corpos simples: são aqueles formados por um único
átomo. São também chamados de elementos. O ouro,
o cobre, o hidrogênio são exemplos de elementos.
Corpos compostos: são aqueles formados por uma
combinação de dois ou mais elementos. São exemplos
de corpos compostos o cloreto de sódio (ou sal de
cozinha) que é formado pela combinação de cloro e
sódio, e a água, formada pela combinação de oxigênio
e hidrogênio.
MATÉRIA
Mas existem coisas que fazem parte de
nossa vida diária que existem mas NÃO
ocupam lugar no espaço não sendo,
portanto, matéria...
CALOR!!!!!!
ELETRICIDADE!!
MATÉRIA
A matéria e os corpos compõem-se de
moléculas e átomos.
Molécula é a menor partícula em que se
pode dividir uma substância de modo que
ela mantenha as mesmas características
da substância que a originou.
O átomo é a menor partícula em que se
pode dividir um elemento e que, ainda
assim, conserva as propriedades físicas e
químicas desse elemento.
MATÉRIA
Existem na natureza mais de cem tipos
diferentes de átomos. Toda matéria
existente é formada por um tipo desses
átomos, no caso das substâncias simples
ou por uma combinação de dois ou mais
deles, no caso das substâncias compostas.
Como podemos conhecer todos os tipos de
ELEMENTOS DO ÁTOMO
O átomo é constituído de uma região central, o
núcleo. Os elétrons e ficam girando ao redor do
núcleo. A região ocupada pelos elétrons e
conhecida por eletrosfera. O núcleo é formado
por prótons e nêutrons e nele está concentrada
quase toda massa do átomo, pois os prótons e os
nêutrons possuem mais massa que o elétron.
CARGA ELÉTRICA DO
ÁTOMO
Na natureza o átomo é na maioria das vezes, neutro,
isto é, o número de cargas positivas - prótons - é
igual ao número de cargas negativas - elétrons. Isto
quer dizer, por exemplo, que se um átomo possuir
cinco prótons, ele deverá ter também cinco elétrons.
ÍONS
No seu estado natural, o átomo possui o número de
prótons igual ao número de elétrons. Nessa condição,
dizemos que o átomo está em equilíbrio ou
eletricamente neutro.
O átomo está em desequilíbrio quando tem o número
de elétrons maior ou menor que o número de
prótons. Esse desequilíbrio é causado sempre por
forças externas que podem ser magnéticas, térmicas
ou químicas.
O átomo em desequilíbrio é chamado de íon. O íon
pode ser negativo ou positivo:
Os íons negativos são os ânions
Os íons positivos são os cátions.
OBSERVAÇÃO...
O mesmo efeito poderia ser conseguido retirando-se
ou incluindo-se prótons nesse átomo. Mas por que
apenas os elétrons se movimentam??
Embora possível, teríamos problemas. O núcleo de
um átomo é algo que vem “montado de fábrica”. Para
alterarmos o número de prótons precisaríamos,
inicialmente, de muita energia, pois o núcleo é
fortemente
unido.
Ao
alterarmos
o
núcleo
alteraremos também a estrutura dele, podendo
causar até mesmo sua destruição.
ÍONS
Uma vez cessada a causa externa que originou o íon,
a tendência natural do átomo é atingir o equilíbrio
elétrico. Para atingir esse equilíbrio, ele cede elétrons
que estão em excesso ou recupera os elétrons em
falta.
ELÉTRONS LIVRES
Os elétrons, no átomo, são distribuídos em camadas. Cada uma suporta
um determinado número de elétrons. Diferentes tipos de átomos possuem diferentes números de elétrons. A camada externa é a mais importante (camada de valência). É ela que determina se um material, constituído por um determinado tipo de átomo, conduz energia elétrica ou não (condutor ou isolante).
Os metais em geral são constituídos de poucos elétrons nessa última
camada. As forças que os prendem ao núcleo são pequenas e eles podem se libertar facilmente, transformando-se em elétrons livres.
Diversos fatores podem também libertá-los como, por exemplo,
variações de temperatura e impactos mecânicos (como já explicado).
Nos metais, o número desses elétrons livres é grande e são chamados de
nuvem eletrônica. Percebe-se que se fosse possível controlar o movimento desta nuvem em uma só direção, teríamos um movimento ordenado de cargas elétricas. Existindo uma força que faça com que esses elétrons livres se deslocassem numa só direção, teríamos uma corrente elétrica.
Esta movimentação dos elétrons faz uma lâmpada acender, faria
ELÉTRONS LIVRES
O termo carga pode se referir à carga de um elétron
individual ou a carga associada a um grupo de
elétrons, ou seja, a carga líquida de um corpo é
proporcional a carga de um único elétron (Q = n . e).
Onde:
e = carga elétrica de um elétron
Q = carga elétrica de um um grupo de elétrons (A
univade no SI é o Coulomb)
O coulomb é definido como a carga de 6,24 x 10
18elétrons, assim:
1C --- 6,24 x 1018 elétrons x =
x --- 1 elétron
Portanto, a carga elétrica de um elétron é 1,6 x 10–19 C.
EXEMPLO
1 - Um corpo neutro tem 1,7 μC de carga negativa
removida. Posteriormente 18,7 x 1011 elétrons são
adicionados. Qual é a carga final do corpo?
Inicialmente o corpo estava neutro, portanto Q = 0 C. Quando 1,7 μC
de elétrons são removidos, o corpo fica com uma carga positiva de 1,7 μC. Agora, 18,7 x 1011 elétrons são adicionados. Isto equivale a:
18,7 x 1011 elétrons x
Portanto, A carga final do corpo é Qf = 1,7 μC – 0,3 μC = +1,4 μC
LEI DE COULOMB
A força entre cargas foi estudada pelo cientista
francês Charles Coulomb (1736-1806). Coulomb
determinou, experimentalmente, que a força entre
duas cargas Q1 e Q2 é diretamente proporcional ao
produto
de
suas
cargas
e
inversamente
proporcional ao quadrado da distância entre elas.
Matematicamente, a Lei de Coulomb é dada por:
Onde:
Q1 e Q2 – cargas em Coulombs
d – distância de centro a centro de cada carga em metros
k – constante eletrostática do meio em que estão imersas as cargas.
Seu valor é de 9.109 (N .m2/C2) para o vácuo (aproximadamente o
mesmo para o ar).
� =� . �
1 .
� 2
�
2(
�
)
(
������)
EXEMPLO
2 - Calcule a força de repulsão entre as cargas
positivas de 2 μC e 5 μC, quando a distância entre
elas é de:
a. d = 1 m
b. d = 2 m
TENSÃO ELÉTRICA
Quando elétrons são transferidos de um corpo neutro para outro,
como por exemplo, via atrito, resulta uma diferença de potencial entre eles, devido à presença do campo elétrico. A tensão que aparece quando você atrita lã com vidro ocorre por causa do campo elétrico presente entre as cargas positivas e negativas.
SOBRE A CORRENTE ELÉTRICA
Em uma bateria conectada como na figura anterior, os elétrons são atraídos
pelo polo positivo da bateria e repelidos pelo polo negativo, se movendo no circuito e passando através do fio da lâmpada e da
bateria. Este movimento de carga é chamado de corrente elétrica. A corrente é a taxa de fluxo (ou de movimento) de carga.
SOBRE A CORRENTE ELÉTRICA
Desde que carga é medida em coulombs, sua taxa de fluxo é coulombs por segundo. No sistema SI, um coulomb por segundo é definido como um ampère (A). Assim, um Ampère é a corrente em um circuito quando um coulomb de carga passa em um dado ponto em um segundo (Ver fig.anterior).
FLUXO DE CORRENTE CONVENCIONAL E
REAL
Em uma bateria conectada como na figura anterior, os elétrons são atraídos
pelo polo positivo da bateria e repelidos pelo polo negativo, se movendo no circuito e passando através do fio da lâmpada e da
bateria. Este movimento de carga é chamado de corrente elétrica. A corrente é a taxa de fluxo (ou de movimento) de carga.
POTÊNCIA ELÉTRICA
Potência, de forma geral é um termo familiar a todos. Sabemos, por exemplo, que lâmpadas e equipamentos eletrônicos são classificados em watts e que motores são classificados em watts, em HP (unidade de potência – Horse Power, sendo que 1 HP equivale a 746 W) ou CV (unidade de potência – Cavalo Vapor, sendo que 1 CV equivale a 736 W).
Como se pode ver, potência está relacionada com energia, que é a capacidade de realizar trabalho. Formalmente, potência é definida
POTÊNCIA ELÉTRICA
• A unidade de potência no SI é o Watt.
• Da equação de potência, nós vemos que P
também tem a unidade de Joules por
segundo. Se substituirmos W = 1 J e t = 1s,
obtemos P =1 J/1 s = 1 W.
• Portanto, um Watt é igual a um Joule por
segundo.
EXEMPLO
1) Se um fluxo de corrente passando por um
condutor converte 40 J de energia elétrica
em calor durante 20s, qual é o valor da
potência dissipada em calor?
2) A potência dissipada em calor por um
equipamento é de 5 W durante 1min.
Encontre a energia dissipada.
1ª Lei de
OHM
E a última
listra??
Qual o
O processo de fabricação em massa de resistores não garante para
estes componentes um valor exato de resistência, assim, pode haver variação dos valores de resistência dentro do valor especificado de tolerância. Por exemplo, um resistor de 100 Ω, com uma tolerância de 5%, significa que o valor desta resistência pode variar de 95 Ω a 105 Ω.
É importante observar que quanto menor a tolerância, mais caro o
resistor, pois o processo de fabricação deve ser mais refinado para reduzir a variação em torno do valor nominal da resistência.
RESISTORES NÃO-LINEARES
O termo não linear é reservado para aqueles casos
em que a variação da resistência com a corrente é
grande, porque os resistores normalmente variam um
pouco com a temperatura.
Uma grandeza útil em análise de
circuitos é a inversa da resistência R, conhecida como condutância, com símbolo G e unidade Siemens (S):
CIRCUITO ABERTO E CURTO-CIRCUITO
2ª LEI DE OHM
A resistência de um material depende de vários fatores: • Tipo de Material
• Comprimento do condutor
• Área de secção transversal do condutor • Temperatura
2ª LEI DE OHM
A resistividade é uma propriedade física de um material e é medida em (Ω.m) no SI.
Considerando que a maioria dos condutores é circular, é possível
determinar a área da seção transversal a partir do raio (r) ou do diâmetro da
TIPOS DE RESISTORES
Resistores Fixos
- São resistores que têm valores de resistência essencialmente constantes.• Resistências de carbono de baixo custo (quando a variação da resistência devido à temperatura não é um fator importante)
• Resistores de fio enrolado (usados onde se necessita dissipar alta quantidade de calor).
Outros tipos de resistores são: • Filme de carbono
• Filme de metal, metal óxido • Fio enrolado
• Resistores em CI • Resistores de filme
(exigidos em aplicações em que precisão é um fator
TIPOS DE RESISTORES
Resistores Variáveis
- Os resistores variáveis são usados para ajustar o volume de som de equipamentos, controlar o nível da iluminação de residências, ajustar o aquecimento de fornos, etc.Potenciômetros são usados para ajustar a tensão provida a um
TIPOS DE RESISTORES
Reostatos são usados para ajustar a quantidade de corrente em um
DIAGRAMAS DE CIRCUITOS
Circuitos elétricos são construídos usando componentes tais como: baterias, chaves, resistores, capacitores, indutores, transistores,
transformadores, fios para interconexão, etc. Para representar estes circuitos no papel, são usados diagramas.
DIAGRAMA ILUSTRADO
DIAGRAMA DE
ESQUEMÁTICO
POTÊNCIA DISSIPADA, FORNECIDA E
ENERGIA ELÉTRICA
A potência pode ser fornecida (suprida) ou dissipada (consumida) conforme definido pela polaridade da tensão e o sentido da corrente. Para todos os elementos do circuito CC, a potência é suprida pelo elemento se a corrente tiver o sentido mostrado em a) e a potência é dissipada se, no elemento, a corrente tiver o sentido mostrado em b).
POTÊNCIA DISSIPADA - Quando a corrente elétrica flui através de uma resistência, a energia elétrica é convertida em aquecimento ou outra forma de energia, tal como a luz. Um exemplo comum disto é o bulbo de uma lâmpada que se aquece. A corrente que passa através do filamento produz luz, mas também produz um indesejado aquecimento porque o filamento tem uma determinada resistência.
POTÊNCIA DISSIPADA
A potência dissipada
também pode ser dada em função da condutância.
POTÊNCIA FORNECIDA
Uma fonte de potência é um dispositivo que fornece (supre) potência para uma carga. Uma carga é qualquer dispositivo elétrico ou circuito que é conectado na saída da fonte de potência e absorve corrente da fonte.
O produto V . I é a quantidade de
potência fornecida pela fonte e
consumida pela carga (ou dissipada pelo
resistor). Esta é a mesma equação deduzida anteriormente para a potência dissipada
ENERGIA ELÉTRICA
Inicialmente definimos potência como a taxa de realização de trabalho ou a taxa de transferência de energia, em termos de energia a
equação se torna:
• A energia elétrica mais comum é a utilizada em residências para fornecer luz e abastecer aparelhos elétricos.
• Por exemplo, quando uma lâmpada de 100 W permanece acesa por uma hora, a energia consumida é W = P . t = 100 W . 1 h = 100 Wh. Já quando se usa um aquecedor de 1500 W por 12 horas, a energia consumida é W = 1 500 W . 12 h = 18 000 Wh ou 18 kWh. • A unidade de kWh é a mais utilizada nas contas de energia.
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