aula 3 - eletricidade e eletrônica - quantização de cargas

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

[email protected]

[email protected]

http://guilhermenonino.blogspot.com

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

http://guilhermenonino.blogspot.com/

PEA –Plano de Ensino e

Aprendizagem

PEA.pdf

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.


Cronograma de Aulas

Semana n°. Tema


18 Prova Escrita Oficial

19 Exercícios de Revisão.

20 Prova Substitutiva.

Cronograma de Aulas

Correções dos exercícios

COMO MEDIR A ENERGIA ELÉTRICA CONSUMIDA POR

UM APARELHO ELETRÔNICO?

1) O que queremos saber?

Saber a quantidade de energia elétrica que o aparelho transforma em

outras energias.

Energia térmica Energia mecânica Energia sonora



Tempo em que o aparelho permanece ligado e a sua potência, que

mede a quantidade de energia elétrica transformada pelo aparelho em

unidade de tempo.

Ex: Chuveiro de 4400 Watts(W), temos a transformação de 4400 Joules(J)

por segundo(s)

Portanto temos:



Como a quantidade de energia elétrica consumida em nossas

residências é muito grande, é comum medi-la em quilowatt-hora(kWh), e

não em Joule(J). Assim temos a relação a seguinte relação:

1)(Fuvest)No medidor de energia elétrica usado na medição do consumo de

residências, há um disco, visível externamente, que pode girar. Cada rotação

completa do disco corresponde a um consumo de energia elétrica de 3.6 watt-

hora. Mantendo-se, em uma resistência, apenas um equipamento ligado,

observa-se que o disco executa uma volta a cada 40 segundos. Nesse caso a

potência “consumida” por esse equipamento é de, aproximadamente: (A

quantidade de energia elétrica de 3,6 watt-hora é definida como aquela que um

equipamento de 3,6 W consumiria se permanecesse ligado durante 1 hora)

a) 36W

b) 90W

c) 144W

d) 324W

e) 1000W

P= E / t

Onde

E = 3,6 W x 3.600s

t = 40 s

P = 12960/40 P= 324W

Como calcular o consumo de energia elétrica?

1)Todo equipamento elétrico possui uma potência apresentada em WattsEx: lâmpada incandescente = 100 W, chuveiro = 3.600 W, geladeira = 200 W, etc

2)Para calcular o consumo de um equipamento multiplique sua potência pelo tempo de funcionamento em horasEx.: Chuveiro funciona 2 horas por dia logo seu consumo é 3.600 W x 2 horas =

7.200 Wh/dia

3)Desta forma, para calcular o consumo de energia elétrica por mês é só utilizar a expressão:Consumo = Potência do aparelho em Watts x horas de funcionamento por mês

1.000

4)2 lâmpadas de 100 W funcionando 8 horas por dia pelo período de 1 mês (30 dias)

Consumo = 2 x 100 W x 8 horas/dia x 30 dias1.000

Consumo = 48 kWh/mês

RESISTÊNCIA ELÉTRICA

Resistência elétrica é a medida da oposição

à passagem da corrente elétrica.

Representa a dificuldade das cargas se

movimentarem no interior de um condutor.


Unidade de medidas = Ohm

Símbolo = Ω

Representação no circuito =

Abreviatura para essa grandeza = R

Lei de Joule

1ª Lei DE OHM

Esta lei relaciona a corrente elétrica que passa por um resistor

com a tensão aplicada nos seus terminais. A corrente é medida

em Ampère (A), a tensão em Volt (V) e a resistência em Ohm

(Ω).

10Ω

V=R*i1A

V = 10*1

V= 10V

1ª LEI DE OHM

V → é a diferença de potencial (ddp)

I → é a intensidade da corrente elétrica

R → é a resistência elétrica

1ª Lei DE OHM

Portanto se tenho a tensão e a resistência, basta dividir a

mesma pelo valor do resistor e saberemos a corrente que passa

por ele. Veja abaixo:

1ª Lei DE OHM

Experiência de Ohm

1)(Fatec-SP) Por um resistor faz-se passar uma corrente elétrica i e

mede-se a diferença de potencial U. Sua representação gráfica está

esquematizada ao lado. A resistência elétrica, em ohms, do resistor

é:

EXERCÍCIO.

a) 0,8

b) 1,25

c) 800

d) 1 250

e) 80

R = 20 /25 R= 0,8


A resistência de qualquer material de seção reta uniforme é

determinada pelos quatro fatores a seguir:

Material

Comprimento

Área da seção reta

Temperatura.

FIGURA 3.2 FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA DE UM CONDUTOR.

slide 31

MATERIAL

Condutores que permitem um grande

fluxo de carga com uma pequena

tensão externa têm valores de

resistência baixo.

Isolantes tem valores elevados de

resistência.

FIGURA 3.2 FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA DE UM CONDUTOR.

slide 32

COMPRIMENTO E ÁREA DA SEÇÃO Maior o caminho que a carga percorre, maior o valor

da resistência.

Quanto maior a área( e consequentemente o espaço

disponível, menor a resistência.

Resistência é diretamente proporcional ao

comprimento e inversamente proporcional

à área da seção reta do condutor.

TEMPERATURA À medida que aumenta a temperatura da maioria dos condutores,

aumenta o movimento das partículas de sua estrutura molecular,

fazendo com que aumente a dificuldade de deslocamento dos

portadores livres, o que aumenta o valor da resistência.

FIGURA 3.13 (A) CONDUTORES – COEFICIENTE DE TEMPERATURA POSITIVO; (B) SEMICONDUTORES – COEFICIENTE DE

TEMPERATURA NEGATIVO.

TEMPERATURA

PTC (coeficiente de temperatura positivo)

•Aumenta a temperatura – aumenta a

resistividade

•Ex: Platina, Ouro e Alumínio (condutores).

NTC (coeficiente de temperatura negativo)

•Aumenta a temperatura – diminui a

resistividade

Ex: Silício e Germânio (semicondutores); Óxido

de Silício (isolante).

2ª LEI DE OHM

ρ = característica do material(resistividade).

= comprimento da amostra(em metros).

A = área da seção da reta da amostra(em metros2)R = Resistência em ohms(Ωm)

RESISTIVIDADE X RESISTÊNCIASe por exemplo, quisermos calcular a resistência de um fio de cobre, com 30metros e 2mm² de secção, sabendo que a resistividade do cobre é igual a0,0172Ωmm²/m, fazemos o seguinte:

•R = ?

•ρ = 0,0172Ωmm²/m

• = 30m

•A = 2

O fio de cobre de 30 metros e 2mm² de secção, tem uma resistência de 0,258Ωm.

Resistividade de alguns materiais (a 20°C) Condutores, semicondutores e isoladores

38

Exemplo: Um condutor de alumínio tem 300 m de comprimento e 2 mm de diâmetro.

Calcule a sua resistência elétrica.

Dados: Comprimento do fio, L=300 m, diâmetro do fio, D=2 mm, resistividade do

alumínio 2.810-8 -m.

R=1mm

A=R2 =3.14(1mm)2 =3.14 mm2 =3.1410-6 m2

Solução

Considerando a resistividade expressa em ( m). Nesse caso o comprimento deve

estar expresso em m, e a área da seção em m2, portanto substituindo na expressão da

resistência resulta:

63.21014.3

3001075.26

8

AR

39

VARIAÇÃO DA RESISTIVIDADE COM A TEMPERATURA

É de se esperar, uma vez que com o aumento da temperatura os átomos movem-se mais

rapidamente

no aumento de colisões entre os eletróns livres e os

átomos Fio frio Fio quente

referência de atemperaturK 293

1

0

00

T

TT

como

00

1 TTRR

R A

R

o coeficiente de resistividade de

temperatura

resistividade para 0 0TT

A resistividade do cobre em função de T

Um metal quando aquecido aumenta sua amplitude de vibração dos

átomos que o constituem. Esta agitação interfere no deslocamento dos

elétrons periféricos ao longo do corpo condutor. Portanto, em função direta

da temperatura, há o aumento da resistência elétrica R do condutor metálico.

tRRt 00 1

onde:

Ro: resistência do condutor medido a 0o C

Rt: resistência do condutor na temperatura t

o: coeficiente de temperatura do condutor a 0o C

COEFICIENTE DE TEMPERATURA

O coeficiente de temperatura dos condutores não é

constante com a variação de temperatura, mas varia com ela;

o seu valor, à temperatura t, é dado por

tt

0

1

1

Coeficiente de temperatura


(OBSERVAÇÕES)Observação 1: Para os metais puros, o coeficiente de temperatura é

próximo a 0,004 1 / 273 . Deduz-se disso que a resistência

elétrica de um condutor aumenta aproximadamente 10%

para cada 25o C de variação de sua temperatura.

Observação 2: Para os metais não puros , ligas metálicas por exemplo, o

coeficiente de temperatura tem valor menor que para os

metais puros. Para a manganina (liga de 84% de Cu, 12% de

Mn, 4% de Ni) o coeficiente de temperatura é praticamente

desprezível (o = 0,00001), isto é, manganina serve, por isso

para a construção de padrões de resistência.

Observação 3: Condutores não-metálicos (p. ex., carbono) apresentam

coeficientes de temperatura negativos, ou seja, neles a

resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura.

DETERMINAÇÃO DO VALOR DA TEMPERATURA ATINGIDA POR UMA

RESISTÊNCIA DE COBRE)

1001 1 tRR Resistência de um condutor levado a

temperatura t1, conhecido seu valor Ro

Resistência de um condutor levado a

temperatura t2, conhecido seu valor Ro

2002 1 tRR

2

0

1

0

200

100

2

1

1

1

1

1

t

t

tR

tR

R

R

Dividindo ambos os membros

das equações, temos que:

2

1

2

1

2

1

5,234

5,234

5,234

1

1

5,234

1

1

t

t

t

t

R

R

Substituindo na fórmula o valor do coeficiente de temperatura do cobre a

0o C, o = 0,00426 = 1 / 234,5

donde:

1

212

5,234

5,234

t

tRR

Fórmula p/ obter o valor R2 da resistência

de cobre levada a temperatura de regime

t2, Conhecido o valor inicial R1 à

temperatura ambiente t1 .

DETERMINAÇÃO DO VALOR DA TEMPERATURA ATINGIDA POR UMA RESISTÊNCIA DE COBRE)

Além disso:

5,2345,234 1

1

22 t

R

Rt

Com essa fórmula se determina o valor t2 da temperatura

atingida por uma resistência de cobre, conhecidos os valores

das suas resistências R1 e R2 medidas respectivamente, á

temperatura t1 e na temperatura incógnita t2.

DETERMINAÇÃO DO VALOR DA TEMPERATURA ATINGIDA POR UMA RESISTÊNCIA DE COBRE)

CONDUTÂNCIA ELÉTRICA

• DEFINIÇÃO: O inverso da resistência é denominada

CONDUTÂNCIA ELÉTRICA. Esta grandeza representa a maior ou

menor facilidade com que a corrente pode circular em um condutor.

RG

1

siemensG

ohm 1

1 1 siemens

• UNIDADE:

• RELAÇÃO OHM /SIEMENS:

• DEFINIÇÃO: O Valor inverso da RESISTIVIDADE é

denominada CONDUTÂNCIA ESPECÍFICA, ou

CONDUTIVIDADE, indicada pela letra :

s

l

R

l

sR

.111

CONDUTÂNCIA ELÉTRICA

RESISTIVIDADE, CONDUTÂNCIA, COEFICIENTES DE TEMPERATURA


SUPERCONDUTIVIDADE

Assim como na maior parte dos metais puros o

coeficiente 0 1 / 273, deduz-se e a experiência o

confirma que a temperaturas próximas ao zero

absoluto ( - 273,16 o C) a resistência elétrica nos

metais se anula, ou seja:

011273273

111 001001

RRtRR

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