Eletricidade e Eletrônica

Prof. Guilherme Nonino Rosa- Técnico em Informática pela ETESP – Escola Técnica de

São Paulo

- Graduado em Ciências da Computação pela Unifran –

Universidade de Franca no ano de 2000.

- Licenciado em Informática pela Fatec – Faculdade de

Tecnologia de Franca no ano de 2011.

- Pós-Graduado em Tecnologia da Informação aplicada

aos Negócios pela Unip-Universidade Paulista no ano de

2012.

- Pós-Graduando em Docência no Ensino Superior pelo

Centro Universitário Senac.

Atuação:

- Docente da Faculdade Anhanguera desde

Fevereiro / 2013

- Docente do Senac – Ribeirão Preto desde

fevereiro/2012.

- Docente do Centro de Educação Tecnológica

Paula Souza, na Etec Prof. José Ignácio de

Azevedo Filho e Etec Prof. Alcídio de Souza

Prado desde fevereiro/2010.

Contatos:

Prof. Guilherme Nonino Rosa

guinonino@gmail.com

guilhermerosa@anhanguera.com

http://profguilhermenonino.wordpress.com

PEA –Plano de Ensino e

Aprendizagem

PLANO DE ENSINO E APRENDIZAGEM

EMENTA

• Eletrização e cargas elétricas.

• Quantização de cargas.

• Campo, potencial e diferença de potencial.

• Corrente elétrica.

• Componentes elétricos básicos: capacitor, resistor e

indutor.

• Carga e descarga de um capacitor - circuito RC.

• Dispositivos semicondutores: diodos e transistores.

Objetivos

Conhecer os conceitos básicos de

eletricidade e eletrônica, seus

componentes básicos: capacitor,

resistor, indutor, diodos e

transistores.

Procedimentos Metodológicos

• Aula expositiva

• Exercício em classe

• Aula prática.

Sistema de Avaliação

1° Avaliação - PESO 4,0

Atividades Avaliativas a Critério do Professor

Práticas: 03

Teóricas: 07

Total: 10

2° Avaliação - PESO 6,0

Prova Escrita Oficial

Práticas: 03

Teóricas: 07

Total: 10

Bibliografia Padrão

1) BOYLESTAD, Robert L.. Introdução à Análise de Circuitos.. 10ª

ed. São Paulo: Pearson, 2006.

Bibliografia Básica Unidade

Faculdade Anhanguera de Ribeirão Preto (FRP)

1) RAMALHO JR, F. Os Fundamentos da

Física. 9ª ed. São Paulo: Moderna, 2007.

2) HALLIDAY, David. Física 3. 5ª ed. Rio de

Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos,

2004.

Semana n°. Tema

1 Apresentação da Disciplina e Metodologia de Trabalho.

Conceitos básicos de Eletricidade

e Eletrônica.

2 Eletrização e Cargas Elétricas.

3 Quantização de Cargas.

4 Campo, Potencial e Diferença de Potencial.

5 Campo, Potencial e Diferença de Potencial.

6 Corrente Elétrica.

7 Componentes Elétricos Básicos: Capacitor, Resistor e

Indutor.

8 Componentes Elétricos Básicos: Capacitor, Resistor e

Indutor.

Cronograma de Aulas

Semana n°. Tema

9 Atividades de Avaliação.

10 Laboratório - Instrumentação.

11 Laboratório - Instrumentação.

12 Carga e Descarga de um Capacitor - Circuito RC.

13 Circuito RC.

14 Circuito RC.

15 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.

16 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.

Cronograma de Aulas

Semana n°. Tema

17 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.

18 Prova Escrita Oficial

19 Exercícios de Revisão.

20 Prova Substitutiva.

Cronograma de Aulas

Eletrostática

Eletrostática é o ramo da eletricidade que estuda as propriedades e o

comportamento de cargas elétricas em repouso, ou que estuda os fenômenos

do equilíbrio da eletricidade nos corpos que de alguma forma se tornam

carregados de carga elétrica, ou eletrizados.

ÁtomoÉ uma partícula presente em toda matéria do universo. O

universo, a terra, os animais, as plantas... tudo é composto de

átomos.

Até o início do século XX admitia-se que os átomos eram as

menores partículas do universo e que não poderiam ser

subdivididas. Hoje sabe-se que o átomo é constituído de

partículas ainda menores. Estas partículas são:

• Prótons

• Nêutrons

• Elétrons

chamadas partículas subatômicas

Importante Todo átomo possui prótons, elétrons e nêutrons.

ÁtomoElétrons : São partículas subatômicas que possuem cargas

elétricas negativas.

Prótons : São partículas subatômicas que possuem cargas

elétricas positivas.

Nêutrons : São partículas subatômicas que não possuem cargas

elétricas

Núcleo : É o centro do átomo, onde se encontram os prótons e

nêutrons.

Eletrosfera : São as camadas ou órbitas formadas pelos elétrons,

que se movimentam em trajetórias circulares em volta do núcleo.

Existem uma força de atração entre o núcleo e a eletrosfera,

conservando os elétrons nas órbitas definidas camadas,

semelhante ao sistema solar.

Qe = Qp = 0,00000000000000000016 ou 1,6x10 C

Qe = - 1,6x10

Qp = +1,6x10

-19

-19

-19

A eletrosfera pode ser composta por 7 camadas, identificadas

pelas letras maiúsculas K, L, M, N, O, P e Q.

Determina-se a quantidade de elétrons pela equação 2n²,

onde n é o número da camada.

A distribuição de prótons, nêutrons e elétrons é que de fato

diferenciará um material do outro

Mais camadas

Menos força de atração exercida pelo núcleo.

Mais livres os elétrons da última camada.

Mais instável eletricamente.

Mais condutor o material

Quanto mais elétrons.

Quanto menos elétrons.

Menos camadas

Mais força de atração exercida pelo núcleo.

Menos elétrons livres.

Mais estável eletricamente.

Mais isolante o material

Lei de Du - Fay

Lei de CoulombA intensidade da força de ação mútua entre duas cargas elétricaspuntiformes é diretamente proporcional ao produto dos valoresabsolutos das cargas e inversamente proporcional ao quadrado dadistância que as separa.

Lei de Coulomb

Exercício 1:

Duas partículas igualmente eletrizadas estão separadas pela distância de 20 cm. A força eletrostática com que elas interagem tem intensidade de 3,6 N. O meio é o vácuo (k0 = 9.109 N.m2/C2).

a) Entre as partículas ocorre atração ou repulsão?

b) Qual é o valor da carga elétrica de cada partícula?

c) Sendo 1,6.10-19 C a carga elétrica elementar (carga elétrica do próton que em módulo é igual à carga elétrica do elétron), qual é o número de elétrons (em excesso ou em falta) que constitui a carga elétrica de cada partícula?

Exercício 1: Resolução

a) Entre as partículas ocorre repulsão pois elas estão

eletrizadas com carga elétrica de mesmo sinal.

b) Fe = k0.(IQI.IQI/d2) =>

3,6 = 9.109.Q2/(0,20)2 =>

Q = ±4.10-6 C

c) Q = n.e =>

n = Q/e =>

n = (4.10-6)/1,6.10-19) =>

n = 2,5.1013

Diretamente Proporcional

Inversamente Proporcional

Eletrodinâmica

A eletrodinâmica é a parte da física responsável pelo

estudo do comportamento das cargas elétricas em

movimento

Corrente ElétricaConsidere um material condutor de tal maneira que não haja diferença de

potencial nos seus extremos.

Os elétrons livres que se perderam do átomo, deste fio movem-se em todas as

direções com movimento desordenado, perdendo ou ganhando energia em

função de suas mudanças de direção e velocidade.

A B

UAB = 0

Quando se estabelece uma diferença de potencial nos extremos do fio

condutor, os elétrons livres do fio passam a se deslocar ordenadamente

da extremidade B para a extremidade A.

Agora as cargas elétricas possuem um movimento ordenado e os

fenômenos elétricos decorrentes deste movimento preferencial das

cargas serão analisados pela eletrodinâmica.

A B

UAB 0

VA > VB

E

Corrente Elétrica

COMO OBTER UMA CORRENTE ELÉTRICA?

Para obtermos uma corrente elétrica precisamos de um circuito elétrico

Para obtermos um circuito elétrico, são necessários três elementos, no

mínimo:

Gerador, Condutor e Carga.

GERADOROrienta o movimento

dos elétrons

CONDUTORAssegura a transmissão

da corrente elétrica.

CARGAUtiliza a corrente elétrica

(transforma em trabalho)

IMPORTANTE: Em um segmento AB de um fio metálico por onde passa uma

corrente elétrica contínua e constante, a carga elétrica total de AB é nula.

Para que haja corrente elétrica

é necessário

que o circuito esteja fechado.

Gerador Carga

Corrente Elétrica

Observe que as cargas elétricas que se movimentam no interior do

condutor são os elétrons e o fazem no sentido de B para A (sentido real

da corrente). No entanto, o sentido convencional se conserva até hoje.

Assim, sempre que se fala em sentido da corrente, trata-se do sentido

convencional.

O sentido da corrente elétrica convencionalmente adotado é

aquele no qual se deslocariam espontaneamente as cargas

positivas no interior do condutor.

EA B

UAB 0

VA > VBSentido

convencional

i

SENTIDO REALNos condutores sólidos, o sentido da corrente elétrica

corresponde ao sentido do movimento dos elétrons, pois

são eles que se deslocam. Ou seja, a corrente é do

potencial menor (pólo negativo) para o potencial maior

(pólo positivo). Esse é o sentido real da corrente elétrica.

Real

SENTIDO CONVENCIONALNo estudo da corrente elétrica, entretanto, adota-se um

sentido convencional, que é o do deslocamento das

cargas positivas, ou seja, do potencial maior para o menor.

Assim sempre que for citado o sentido da corrente

estaremos nos referindo ao sentido convencional, e não ao

sentido real.

Convencional

A

A B

Intensidade de Corrente ElétricaSeja o fio condutor submetido a uma diferença de potencial.

Numa determinada secção reta (A) desse condutor, passa uma

determinada quantidade de carga, num certo intervalo de tempo

(Dt).

A intensidade da corrente elétrica (i) nesse condutor é a

razão entre a carga que atravessa uma secção do condutor

e o intervalo de tempo gasto para isto.i =

q

t

i

Intensidade de Corrente Elétrica

i =q

t

Q = m * E

Onde “delta q” é a carga elétrica expressa em Coulomb© e o

“delta t” o tempo expresso em segundos(s), o resultado é

expresso em Ampêre(A)

Onde “m” é o número de elétrons e “e” é a carga elétrica

elementar do elétron. (1,6.10-19 C)

A

kA

MA

GA

nA

A

mA

Para cada degrau

descido, multiplique

por 10-3

Para cada degrau

subido, multiplique

por 103

Unidades

M.K.S. coulomb/segundo (ampére) (A)

Tipos de corrente elétrica

Corrente Contínua (C.C ou d.c.) - É aquela em que o sentido e

a intensidade permanecem constantes com o tempo.

Seu símbolo é representado por :

Tipos de corrente elétricaDivide-se em três amplas categorias:

1) Baterias (usam reações químicas).

FIGURA 2.12 (A) CORTE DE UMA CÉLULA ALCALINA CILÍNDRICA (B) CÉLULAS PRIMÁRIAS.

Tipos de corrente elétrica1) Baterias (usam reações químicas).

FIGURA 2.13 CÉLULAS PRIMÁRIAS DE LÍTIO-IODO. (COURTESY OF CATALYST RESEARCH CORP.)

Tipos de corrente elétrica1) Baterias (usam reações químicas).

FIGURA 2.14 BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO LIVRE DE MANUTENÇÃO DE 12 V (NA REALIDADE 12,6V). (COURTESY OF

DELCO-REMY)

Tipos de corrente elétrica1) Baterias (usam reações químicas).

FIGURA 2.15 BATERIAS RECARREGÁVEIS DE NÍQUEL-CÁDMIO. (COURTESY OF EVEREADY BATTERIES.)

Tipos de corrente elétrica2) Geradores (Eletromecânicos)

Tipos de corrente elétrica3) Fonte de Alimentação

FIGURA 2.21 Fonte de alimentação utilizada em laboratório. (Courtesy of Leader Instruments Corporation.)

0t

i

Corrente Alternada (C.A) - É aquela em que a intensidade e o

sentido mudam periodicamente com o tempo.

Nas tomadas de sua casa, encontra-se uma corrente alternada.

Tipos de corrente elétrica

Nos metais e no grafite a corrente elétrica tem como portadores de

cargas livres os elétrons, e o sentido convencional é igual ao

sentido do vetor campo elétrico que se estabelece no interior do

condutor.

Tipos de corrente elétrica

+ _A B

Corrente elétrica convencional

E

i

Nas soluções eletrolíticas (uma solução de NaCl em

água, por exemplo) os portadores de cargas livres são os

íons positivos de Na+ e os íons negativos de Cl–.

Tipos de corrente elétrica

placas metálicas

A intensidade de corrente na solução, num certo intervalo de

tempo, será calculada pela expressão:

|Q| = |Qp| + |Qn|i =|Q|

t

, onde

Qp: total de cargas dos íons positivos

e

Qn: total de cargas dos íons negativos.

Tipos de corrente elétrica

Nos gases rarefeitos a corrente elétrica tem como

portadores de carga os íons positivos e negativos

como também a movimentação de elétrons livres.

A corrente elétrica que se estabelece nos

condutores eletrolíticos e nos condutores gasosos

(como a que surge em uma lâmpada fluorescente)

é denominada corrente iônica.

CORRENTE ELÉTRICATipos de condutores:

a) Primeira classe: Condutores Metálicos

CORRENTE ELÉTRICA

b) Segunda classe: Condutores Eletrolíticos

placas metálicas

CORRENTE ELÉTRICA

c) Terceira classe: Condutores Gasosos

CORRENTE ELÉTRICAIsolante elétrico é todo meio que oferece boa

resistência a movimentação de portadores de

cargas elétricas no seu interior

EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA

Efeito térmico

Os elétrons , acelerados pelas forças elétricas, colidem

com os átomos da rede atômica, transferindo-lhes energia,

que faz com que haja um aumento da energia de vibração

desses átomos, o que implica macros-copicamente num

aumento de temperatura. Este fenômeno, também chamado

efeito Joule.

Alguns exemplos clássicos:

•Lâmpada incandescente

•Chuveiro elétrico

•Ferro elétrico

•Fusíveis

Efeito químico

Fazendo-se passar uma corrente elétrica por

uma solução de ácido sulfúrico em água, por

exemplo, observa-se que da solução se desprende

hidrogênio e oxigênio. A corrente elétrica produz,

então, uma ação química nos elementos que

constituem a solução.

Efeitos fisiológicos

A corrente elétrica tem ação, de modo geral, sobre todos ostecidos vivos, porque os tecidos são formados desubstâncias coloidais e os colóides sofrem ação daeletricidade. Mas é particularmente importante a ação dacorrente elétrica sobre os nervos e os músculos.

Na ação sobre os nervos devemos distinguir a ação sobreos nervos sensitivos e sobre os nervos motores. A açãosobre os nervos sensitivos dá sensação de dor. A açãosobre os nervos motores dá uma comoção (choque). Acorrente elétrica passando pelo músculo produz nele umacontração.

Efeito magnético

Em 1820, o dinamarquês Oersted descobriu que quando a corrente

elétrica passa em um fio metálico desviava a agulha de uma bússola.

Curiosidade: O primeiro modelo de um motor elétrico nasceu dessas

pesquisas.Um fio condutor, que ao ser percorrido pela corrente

elétrica, girava quando colocado próximo ao ímã.O mesmo estava

convertendo diretamente energia elétrica em energia mecânica. Uma

outra grande aplicação ocorreu quando da invenção dos

galvanômetros.

CURIOSIDADE: Parada respiratória

A máxima corrente que uma pessoa pode tolerar ao segurar um

eletrodo, podendo ainda largá-lo usando os músculos diretamente

estimulados pela corrente, segundo determinações experimentais em

corrente alternada de 50/60 Hz, são valores de 6 a 14 mA, em mulheres

(10 mA de média) e 9 a 23 mA em homens (16 mA de média); portanto

uma corrente elétrica inferior à necessária ao funcionamento de uma

lâmpada incandescente normalmente usada em nossas residências.

Correntes superiores a estas podem causar uma parada respiratória,

contração de músculos ligados à respiração e/ou à paralisia dos centros

nervosos que comandam a função respiratória. Se a corrente

permanece, o indivíduo perde a consciência e morre sufocado. A

rapidez da aplicação da respiração artificial (boca a boca), e do tempo

pelo qual ela é realizada, principalmente intervir imediatamente após o

acidente (em 3 ou 4 minutos no máximo) para evitar asfixia da vítima ou

mesmo lesões irreversíveis nos tecidos cerebrais é muito importante

nestas situações.

Efeito luminoso

A corrente elétrica num gás apresenta movimentos de íons e elétrons.

As constantes colisões dessas partículas com os átomos do gás faz

com que haja transferência de energia ; parte dessa energia faz com

que elétrons dos átomos sejam transferidos para níveis de energia

mais elevados. Quando retornam aos níveis anteriores, a energia

absorvida é então liberada sob forma de radiação. Alguns exemplos

clássicos são:

• Lâmpadas de vapor de mercúrio

• Lâmpada de vapor de sódio

• Letreiros luminosos de neon

• Luminosidade dos raios que ocorrem

numa tempestade

Uma corrente de 0,3 A que atravessa o peito pode produzir fibrilação(contrações

excessivamente rápidas das fibrilas musculares) no coração de um ser humano,

perturbando o ritmo dos batimentos cardíacos com efeitos possivelmente fatais.

Considerando que a corrente dure 2,0 min, o número de elétrons que atravessam o

peito do ser humano vale:

Dado: carga do elétrcn = 1,6.10-19

I = 0,3ª

t = 120s

1,6.10-19 C

N= ?

i= Q / t

Onde

i= (n.e)/ t

0,3 = (n. 1,6.10-19 C)/120

=>

n= 0,3.120 / 1,6.10-19 C

N=

n= 22,5.1019