Eletroeletrônica Aplicada

GIGLLIARA SEGANTINI DE MENEZESE N G E N H E I RA D E P R O D U Ç Ã O – U F E S

T É C N I C A E M E L E T R O T É C N I C A – I F E S

INSTITUTO FEDERALESPÍRITO SANTO Agosto de 2016

Aula 2

Relatório 1 – 3 pessoas Tema:

1. Condutores

2. Isolantes

3. Semicondutores

4. Ligas metálicas

Características e aplicações Sortear quem vai apresentar Valor: 5 pontos A nota do grupo será a nota da pessoa que apresentou

Como seria a vida moderna sem eletricidade?

Corrente elétrica Com a invenção da pilha foi possível conseguir um fluxo contínuo de partículas eletrizadas através de um fio condutor.

Neste caso, a corrente elétrica é constituída por elétrons que se movem ao longo do fio. Isso ocorre porque, nos átomos dos metais, os elétrons mais distantes do núcleo ligam-se fracamente a ele, formando uma nuvem de elétrons denominados livres.

Denominamos corrente elétrica a todo movimento ordenado de partículas eletrizadas. Para que esses movimentos ocorram é necessário haver tais partículas − íons ou elétrons − livres no interior dos corpos.

1. Geralmente os elétrons livres têm um movimento caótico, movendo-se em todas as direções.

2. Definição de corrente: movimento de partículas com carga elétrica ou movimento das cargas elétricas.

3. Intensidade da Corrente

𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 [ 𝐴 ]=𝑖=𝑄∆ 𝑡

Exemplo 1- Um fio condutor é percorrido por uma corrente elétrica constante, de modo que a cada minuto passam Calcule a intensidade dessa corrente.(Dada a carga elementar do elétron e = C)

R: 2,0 A

2- A figura abaixo mostra a intensidade da conttente em função do tempo. Calcule a carga que passam entre os instantes t0 e t20.

R: Q= área do trapézio

Sentido da corrente Sentido Real: ocorre nos condutores sólidos, é o movimento dos elétrons e acontece do polo negativo para o polo positivo.

Sentido convencional: é o sentido da corrente elétrica que corresponde ao sentido do campo elétrico no interior do condutor, que vai do polo positivo para o negativo.

OBS: O sentido convencional é sempre usado para análise da corrente elétrica.

Tipos de correntes Corrente eletrônica: Constituída pelo deslocamento dos elétrons livres. Ocorre, principalmente, nos condutores metálicos.

Corrente iônica: Constituída pelo deslocamento dos íons positivos e negativos, movendo-se simultaneamente em sentidos opostos. Ocorre nas soluções eletrolíticas (soluções de ácidos, sais ou bases).

Tipos de correntes Corrente contínua: (CC ou DC do inglês direct current) é o fluxo ordenado de elétrons sempre numa direção, diferente da corrente alternada cujo sentido dos elétrons varia no tempo.

Correntes contínuas constantes: A CC é considerada constante quando sua intensidade e sentido não se altera com o passar do tempo. É comumente encontrada em pilhas e baterias.

Correntes contínuas pulsantes: Nesse modelo, a corrente tem seu sentido constante, porém o fluxo de elétrons no interior do fio se comporta como pulsos, fazendo com que a intensidade passe por variações no decorrer do tempo. Geralmente é encontrada em circuitos retificadores de corrente alternada.

Tipos de correntes A corrente alternada ou corrente alterna (CA ou AC - do inglês alternating current), é uma corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente contínua cujo sentido permanece constante ao longo do tempo.

Como obter DDPProcesso químico

Processo térmico

Processo fotoelétrico

Processo mecânico-magnético

Choque elétrico O choque elétrico é a passagem de uma corrente elétrica através do corpo, utilizando-o como um condutor. Esta passagem de corrente pode causar um susto, podendo também causar queimaduras, parada cardíaca ou até mesmo a morte.

Resistência elétrica do corpo humano A resistência que o corpo humano oferece à passagem da corrente é quase que exclusivamente devida à camada externa da pele.

Esta resistência está situada entre 100 e 600 k Ω, quando a pele encontra-se seca e não apresenta cortes, e a variação apresentada é função da sua espessura.

Quando a pele encontra-se úmida, condição mais facilmente encontrada na prática, a resistência elétrica do corpo diminui. Cortes também oferecem uma baixa resistência elétrica.

As diferenças da resistência elétrica apresentadas pela pele à passagem da corrente, ao estar seca ou molhada.

Tipos de choques elétricosEletricidade estática

Eletricidade Dinâmica

Descargas atmosféricas ou arcos elétricos.

No caso de choque por eletricidade estática, a manifestação do fenômeno normalmente se dá por um único pulso sensorial de descarga, muitas vezes de valor significativo, o qual é sentido pelas partes internas (micro choque) e externas (macro choque) do corpo, nos instantes em que ocorrem desligamento ou contatos com “partes vivas” da instalação, como, por exemplo, em conexões de baterias e em terminais de capacitores, que são aparelhos elétricos armazenadores de carga.

No caso de choque por eletricidade dinâmica, como ocorre na corrente alternada, a sensação que a pessoa experimenta é a de um violento estremecimento no corpo, seguido de um calor intenso no ponto de contato, esse estremecimento é tão mais intenso quanto maior for a tensão e a frequência elétrica aplicada, enquanto que a “queima” do corpo, no ponto de contato, é tão mais forte quanto maior for a intensidade da corrente sentida; neste caso, a corrente que flui através do corpo humano causa, dentro de poucos segundo, lesões nos tecidos nervosos e cerebrais por onde passa.

No caso das descargas atmosféricas provocadas por raios, essas lesões são instantâneas, gravíssimas e geralmente fulminantes.

Os fatores que determinam a gravidade do choque elétrico

Percurso da corrente elétrica;

Características da corrente elétrica;

Resistência elétrica do corpo humano.

Os choques em que a corrente elétrica perpassa o coração e ou cérebro são as que o risco de morte é maior.

Os efeitos estimados da corrente elétrica

Os efeitos estimados da corrente elétrica contínua de 60 Hertz, no organismo, pode ser resumido em:

1. Corrente de 1 mA: apenas perceptível;2. Corrente de 10 mA: “agarra” a mão;3. Corrente de 16mA: máxima tolerável;4. Corrente de 20mA: parada respiratória;5. Corrente de 100 mA: ataque cardíaco;6. Corrente de 2A: parada cardíaca;7. Corrente de 3A: morte.

Sintomas Inibição dos centros nervosos, inclusive dos que comandam a respiração produzindo parada respiratória;

Alteração no ritmo cardíaco, podendo produzir fibrilação ventricular do coração e uma consequente parada cardíaca;

Queimaduras profundas, produzindo necrose do tecido, ossos, músculo, órgãos etc.;

Alterações do sangue provocadas por efeitos térmicos;

Perturbação no sistema nervoso;

Sequelas em vários órgãos do corpo humano (renais, mentais etc.)

Contrações musculares: A tetanização é um fenômeno decorrente da contração muscular produzida por um impulso elétrico. Quando a frequência dos estímulos ultrapassa um certo limite o músculo é levado à contração completa.

Força eletromotriz e tensãoUm gerador fornece uma energia aos elétrons que pode ser usada de vários modos.

Fontes de alimentação A diferença de potencial entre dois pontos é denominada tensão elétrica [V].

Fontes de alimentaçãoUm dispositivo que fornece energia a um circuito é chamado genericamente de fonte de tensão ou

fonte de alimentação Pilhas e baterias : energia a partir de reações químicas

𝑉=𝑉 𝑏−𝑉 𝑎

Força eletromotrizA energia fornecida pelo gerador para cada elétron depende do tipo de gerador utilizado. Nos eletroquímicos, essa energia vai variar de acordo com a reação química usada para obter a corrente. Essa energia é conhecida como f.e.m ou força eletromotriz. Essa grandeza mede a energia recebida por cada unidade de carga que passa pelo gerador.

Uma pilha de 1,5V fornece 1,5 [J] para cada [C] de carga elétrica que passa por ela.

𝑓 .𝑒 .𝑚=𝐸=𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑖𝑑𝑎𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

𝜀 [ 𝐽 ]𝑄 [𝐶 ]

=[𝑉 ]

Tensão Dentro do gerador, o elétron recebe certa quantidade de energia. No entanto, uma pequena quantidade dessa energia é perdida dentro do próprio gerador.

Tensão é sempre menor que a força eletromotriz. Pois, ao sair a energia é menor do que a recebida.

Vamos, de início, que os geradores são ideais.

Curiosidade: A corrente que chega em nossas casas é alternada. Do mesmo modo, a tensão fornecida é variável, mas pode-se calcular o valor médio dela. Pode ser 110[V] ou 220 [V].

𝑑 .𝑑 .𝑝=[𝑉 ]=𝑈=𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑞𝑢𝑒𝑠𝑎𝑖 𝑑𝑎𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

Potência e tensãoQuando ligamos entre os terminais de um gerador (tomada) um aparelho elétrico qualquer, ele é percorrido por uma corrente elétrica i, e o gerador fornece energia ao aparelho.

Potência: energia consumida por unidade de tempo.

𝑝𝑜𝑡 ê𝑛𝑐𝑖𝑎=𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜

𝑃=𝜀 [ 𝐽 ]∆𝑡 [𝑠 ]

[𝑊𝑎𝑡𝑡 ]

Potência = tensão x corrente

④

① 𝑃=𝜀∆ 𝑡

Exercício 1- Um chuveiro tem a seguinte descrição:

5400W

220V

a) Calcule a corrente.

= 5400/220 = 24,55 [A]

ligado no 220[V] ele consome uma potência de 5.400 [W]

b) Qual a energia consumida em 2,0 horas de funcionamento?

𝑃=𝜀∆𝑡 = 5400 X 2 = 10.800 [W/h] = 10,8kW/h

Exercício 2- Calcule a conta de energia de uma residência no mês:

Dados: 1 mês = 30 dias

R$ 0,20 por kWh

EquipamentoPotência/unidade

[W]Qtde Tempo de uso

(hora/dia) [h]

Lâmpada 100 11 6Micro-ondas 2000 1 0,2Chuveiro 5400 2 1,3Computador 300 3 20

Condicionador de Ar 1400 1 8

Ferro Elétrico 1000 1 0,25

Geladeira Duplex 500 1 24

Liquidificador 200 1 0,1

Máquina de Lavar Roupa 1000 1 1

Secador de Cabelo 1000 1 0,2

Televisão 96 2 18

EquipamentoPotência/unidade

[W]Qtde Tempo de uso

(hora/dia) [h] Total / Mês

Lâmpada 100 11 6 198000Micro-ondas 2000 1 0,2 12000Chuveiro 5400 2 1,3 421200Computador 300 3 20 540000

Condicionador de Ar 1400 1 8336000

Ferro Elétrico 1000 1 0,25 7500

Geladeira Duplex 500 1 24360000

Liquidificador 200 1 0,1 600

Máquina de Lavar Roupa 1000 1 130000

Secador de Cabelo 1000 1 0,26000

Televisão 96 2 18 103680Total 2014980

KWh/mês 2014,98R$ 402,996

Resistência e resistividade A resistência é uma característica do material, que representa a oposição à passagem de corrente elétrica.

Essa oposição à condução de corrente elétrica é provocada, principalmente, pela dificuldade de os elétrons livres se movimentarem pela estrutura atômica dos materiais.

A resistência é representada pela letra R e a sua unidade é o Ω.

Efeito joule = energia térmica leva à incandescência, parte vira calor outra parte vira radiação luminosa.

Lei de Ohm um fio condutor é ligado entre os terminais de um gerador ideal, que mantém entre seus terminais uma diferença de potencial V.

O fio é percorrido por uma corrente de intensidade i

A corrente sai do polo positivo e indo ao polo negativo

Quanto maior a resistência, menor a corrente.

R é constante.

Gráfico linear sendo que tag α representa o valor de R.

𝐼=𝑉𝑅 𝑜𝑢𝑉=𝑅 . 𝐼

Exercício 1- Calcule a corrente elétrica que passa através do resistor de cerâmica de 2KΩ ilustrado na figura abaixo se a queda de tensão entre seus terminais de cobre for de 16V.

2- Calcule o valor da resistência elétrica do filamento de uma lâmpada de vidro com potência de 60 Watts quando uma corrente de 500mA for estabelecida em função de uma tensão aplicada de 120Volts em seus terminais.

3- Para o circuito elétrico básico ilustrado na figura abaixo, qual seria o valor da corrente elétrica se o valor da tensão fornecido pela bateria cai-se para apenas 1,4V?

ResistoresO "retângulo" com terminais é uma representação simbólica para os resistores de valores fixos tanto na Europa como no Reino Unido; a representação em "linha quebrada" (zig-zag) é usada nas Américas e Japão.

RESISTORES FIXOS

RESISTORES DE FIO

Os resistores de fio são componentes robustos que suportam altas temperaturas. Geralmente apresentados na cor verde, são compostos de um tubo cerâmico que envolve uma bobina de fio com alto poder resistivo. Apesar do fio com alto poder resistivo, seus valores nominais não ultrapassam os KΩ, mas suportam alta potência (até 1000KW) e possuem alta tolerância (10% a 20%). Mas a frente veremos a que se refere tolerância.

ResistoresRESISTORES DE FILME DE CARBONO

Esses resistores são feitos de tubo cerâmico ou de vidro revestido por uma película de carbono. Possuem uma faixa de valores que vai até 10MΩ, com baixa potência (até 3W) e média tolerância (5% a 10%).

RESISTORES DE FILME METÁLICO

Esses resistores eram há alguns anos os mais usados na indústria eletrônica. São parecidos com os de filme de carbono, a diferença básica está no revestimento, feito de níquel-cromo. Possui uma grande faixa de valores (até MΩ), baixa potência (até 7W) e uma baixa tolerância (1% a 2%)

LEITURA DE VALORES DOS RESISTORES

Na sua Casa

Instrumentos de medidas elétricasAnalógicos: o resultado é mostrado por um ponteiro que deflete sobre a escala graduada, sendo que a leitura é feita por meio da analogia entre o valor indicado e o valor de fundo de escala selecionado.Erro de paralaxeAnálise de erro

Digitais: o resultado é mostrado em um display, conforme o fundo de escala.

Multímetro Utilizado na bancada de trabalho (laboratório) ou em serviços de campo, incorpora diversos instrumentos de medidas elétricas num único aparelho como voltímetro, amperímetro e ohmímetro.

Pontas de Prova/teste

Chave rotativa

Interferência no circuito

Voltímetro ( Paralelo) O voltímetro é um instrumento utilizado para medir tensão elétrica (diferença de potencial) entre dois pontos de um circuito elétrico.

Basta selecionar a escala para tensão.

Ohmímetro

Circuito Não energizado

Não colocar as duas mãos nos terminais do resistor

Amperímetro (série)

Medindo Corrente

ResistividadeResistividade eléctrica (também resistência eléctrica específica) é uma medida da oposição de um material ao fluxo de corrente eléctrica. Quanto mais baixa for a resistividade, mais facilmente o material permite a passagem de uma carga eléctrica. Sua unidade no SI é o ohm metro (Ωm).

Experiência 1 - Comprimento

ResistividadeExperiência 2 – Seção transversal

A resistência elétrica R de um dispositivo está relacionada com a resistividade ρ de um material de acordo com a expressão:

𝑅=𝝆 ∙𝐿𝑆 [Ω .𝑚]

ResistividadeMaterial Resistividade (Ω-m) a 20 °C

Prata 1.59×10−8

Cobre 1.72×10−8

Ouro 2.44×10−8

Alumínio 2.92×10−8

Tungstênio 5.60×10−8

Niquel 6.99×10−8

Latão 0.8×10−7

Ferro 1.0×10−7

R:

Condutância e Condutividade Condutância: facilidade oferecida por um condutor a passagem de corrente elétrica.

Condutividade: Condutividade elétrica é usada para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é simplesmente o recíproco da resistividade, ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica.

Constitui engano achar que o ouro é o melhor condutor elétrico. Na temperatura ambiente, no planeta Terra, o material melhor condutor elétrico ainda é a prata. Relativamente, a prata tem condutividade elétrica de 108%; o cobre 100%; o ouro 70%; o alumínio 60% e o titânio apenas 1%. A base de comparação é o cobre. O ouro, em qualquer comparação, seja no mesmo volume, ou na mesma massa, sempre perde em condutividade elétrica ou térmica para o cobre. Entretanto, para conexões elétricas, em que a corrente elétrica deve passar de uma superfície para outra, o ouro leva muita vantagem sobre os demais materiais, pois sua oxidação ao ar livre é extremamente baixa, resultando numa elevada durabilidade na manutenção do bom contato elétrico. Entre os citados, o alumínio seria o pior material para as conexões elétricas, devido à facilidade de oxidação e à baixa condutividade elétrica da superfície oxidada. Assim, um cabo condutor de cobre com os plugues de contatos dourados levam vantagens sobre outros metais. Uma conexão entre superfícies de cobre, soldada com prata constitui a melhor combinação para a condução da eletricidade ou do calor entre condutores distintos.

Resistência e temperaturaQuando aumenta a temperatura de um material se eleva, aumenta a velocidade de agitação dos átomos, o que dificulta a passagem dos elétrons. Logo um aumento da temperatura altera a resistência do material.

: variação da temperatura

: coeficiente de temperatura da resistividade

𝜌=𝜌0(1+𝛼𝑟 ∆𝜃)Coeficientes de temperatura

Material Coeficiente a 20 °C (1/K)

Prata 3,8 x 10-3

Cobre 3,9 x 10-3

Alumínio 3,9 x 10-3

Tungstênio 4,5 x 10-3

Aço 5,0 x 10-3

Mercúrio 0,9 x 10-3

Carbono -0,5 x 10-3

Germânio -4,8 x 10-2

Resistência dos metais Consideremos um fio metálico que, que em uma temperatura inicial, tenha um comprimento L1, uma seção de A1 e uma resistência R1.

Um aumento da temperatura provocará um aumento da resistividade do fio, mas também no seu comprimento e área devido a dilatação do fio.

é 100 vezes maior do que e . Isso significa que a variação de L e S é pequena, em comparação a variação da resistividade.

𝐿=𝐿0(1+𝛼∆ 𝜃) A

𝜌=𝜌0(1+𝛼𝑟 ∆𝜃) 𝑅=𝑅0(1+𝛼𝑟 ∆ 𝜃)

Resistência e a temperatura

Metais Semicondutores Ligas metálicas

Potenciômetro Potenciômetros são um tipo de componente eletrônico chamados de resistor variável. Eles normalmente funcionam em conjunto com um botão; o usuário gira o botão, e o movimento de rotação é convertido numa mudança na resistência de um circuito elétrico. Esta mudança na resistência é usada para ajustar alguns aspectos do sinal elétrico, como o volume de um sinal de áudio.

Potência Dissipada num resistor 1- Um resistor, submetido à diferença de potencial de 8,0 V, é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i = 0,4 A. Determine:

a) a potência dissipada por esse resistor;

b) a potência dissipada por esse resistor quando ele é percorrido por uma corrente de intensidade i = 2,0 A, supondo que sua resistência seja constante.

Referências Básica

ANTONIO PERTENCE JR. Eletrônica analógica: amplificadores operacionais e filtros ativos - 6ª edição

Complementar

MIKE TOOLEY. Circuitos Eletrônicos: Fundamentos e Aplicações. Elsevier, São Paulo 2006.

MARCELO WENDLING. Amplificadores Operacionais. Disponível em< netsoft.inf.br/aulas/4_EAC_Eletronica_Basica/3__Amplificador_Operacional.pdf>