eletricidade - serviço de química-físicaqa.ff.up.pt/fa/pdf/fa-t18.pdf · 2017-01-11 · barra...
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INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA
“O uso de motores elétricos e circuitos de corrente alternada revolucionou a sociedade moderna. Hoje, seu uso é tão disseminado que é difícil imaginar a vida sem eletricidade. Neste tópico, vamos revisar a base de funcionamento de transformadores e motores de corrente alternada: a indução eletromagnética.”
fem induzida
Os elétrões livres da barra ficam então sujeitos a uma força magnética de direção paralela à
barra e sentido de A para B.
A extremidade A fica carregada positivamente, e a B, negativamente.
As cargas continuam a se concentrar nas extremidades até que se estabeleça um equilíbrio.
Há um campo elétrico vertical para baixo, e igualdade de módulo entre a força magnética
para baixo e a força elétrica para cima.
Entre os terminais da barra, há uma fem induzida.
Barra condutora AB deslocando-se para a direita
com velocidade
constante v, numa região sujeita a um
campo magnético B perpendicular ao vetor
velocidade e entrando no
plano do papel.
Fluxo magnético
A indução, descrita por Faraday, depende de três fatores:
intensidade B do campo magnético;
área A a ser atravessada pelas linhas;
ângulo θ entre as linhas de campo e a normal
à superfície considerada:
Variação na área A atravessada pelas linhas de campo
Variação no ângulo θ entre as linhas de campo e a superfície
A área da espira retangular CDEF,
efetivamente atravessada pelas linhas de campo,
é reduzida de acordo com o movimento para a
direita.
A espira retangular gira na região de influência do campo magnético,
variando continuamente o ângulo determinado pelas linhas de campo e a
normal à superfície da espira.
Fluxo magnético
Lei de Faraday
Lei de Lenz
O sinal negativo na expressão da lei de Faraday descreve um resultado conhecido como lei de
Lenz: “A corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o
campo magnético criado tende a contrariar a variação do fluxo magnético através da
espira”.
O íman em [A] ao afastar-se da espira, origina uma corrente, de acordo com a regra da mão direita, com sentido horário, para compensar a diminuição do fluxo magnético. Em [B], o sentido da corrente induzida é anti-horário, para reverter o aumento do fluxo para baixo.
Correntes de Foucault: são induzidas em condutores maciços.
Podem atingir grande intensidade com grande dissipação de energia na forma de calor.
Quando o paralelepípedo entra por completo na região do campo magnético, exibe dois conjuntos de correntes de Foucault, que giram emsentidos opostos.
Em velocímetros analógicos de automóveis,quando o eixo do carro gira, ele aciona ímãs que
produzem pequenas correntes elétricas e campos magnéticos, que movimentam o ponteiro
indicador de velocidade.
Lei de Faraday
PO
WER
ED
BY
LIG
HT/A
LA
N S
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MY
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TH
ER
IM
AG
ES
INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Correntes alternas
São correntes induzidas com sentidos alternantes, produzidas, por indução
eletromagnética, pelo funcionamento de motores elétricos mediante a rotação
de espiras em regiões atravessadas por campos magnéticos, em movimentos
de vaivém. Podemos dizer que a expressão geral da corrente i depende do
seu valor máximo e de uma função trigonométrica. A variação pode ser
senosoidal:
em que = 2f é a pulsação, f é a frequência com que a corrente varia
no tempo, e t, o instante considerado.
INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Gráfico corrente X fase, exibindo variação senoidal da função.
Correntes alternadas
Valor eficaz da corrente
Transformadores
São dispositivos usados para modificar uma ddp alternada.
Correntes alternadas
A relação entre a
ddp no primário UP e
a ddp do secundário
US depende
exclusivamente da
razão entre o
número de espiras
entre as bobinas:
Transformador Ideal
Relação entre tensões e número de espiras nos enrolamentos primário e secundário:
Conservação da potência:
Símbolo:
1
2
1
2
022
011
),sen()(
),sen()(
N
N
A
A
tAtv
tAtv
)()()()( 2211 titvtitv
Resistências Dispositivos que têm como finalidade oferecer uma oposição à passagem de
corrente eléctrica.
Unidade: Ohm = Ω
Múltiplos: kohm = kΩ = 1kΩ = 103 Ω
Mohm = MΩ = 1MΩ = 106 Ω
VALOR
FIXO: Os valores de resistência não podem ser alterados.
VARIÁVEIS: A resistência varia dentro de uma faixa de valor, através de
cursor móvel.
Parâmetros de especificação:
- Valor nominal
- Tolerância – Máxima variação do valor nominal (%) do valor nominal
- Potência – Máxima dissipação de potência
Conceitos básicos de electrónica
TABELA DE CORES
OBS.: Ausência de tolerância = + 20%
Resistências de precisão = 5 faixas: Primeiras 3 faixas = 3 algarismos
significativos
4 faixa = factor de multiplicação
5 faixa = tolerância
Potências: 0,33W, 0,5W, 0,67W, 1,15W e 2,5W
Condensadores Tem como finalidade armazenar energia eléctrica. Formado por duas
placas condutoras (armaduras), separadas por material isolante (dieléctrico) .Os dieléctricos mais comuns: Papel, mica, cerâmica, materiais plásticos ou o ar.
Capacitância (C) = é a característica que o condensador tem de armazenar mais ou menos cargas eléctricas por unidade de tensão:
C=8,84 x 10-12 x K x A/dK= Constante dieléctrica, ar = 1, papel = 2-4,8 ou C = Q/V C = Farad Q = carga eléctrica (Coulomb) V = tensão (Volt)
Os valores usuais de capacitância dos condensadores são submúltiplos do Farad, ou seja: 1 μF = 10-6 F ; 1 nF = 10-9 F e 1 pF = 10-12 F
Tensão de isolamento = Limite de tensões entre os terminais
Conceitos básicos de electrónica
Indutores
Um fio condutor ao ser percorrido por uma corrente
eléctrica produz um campo magnético. Este efeito é
maximizado se enrolarmos o fio condutor, em forma
de espira, em redor de um núcleo, constituindo o
Indutor
INDUTÂNCIA
Efeito do campo magnético com a corrente eléctrica
Unidade – Henry – H
Submúltiplos – mH ; μH Podem ser fixos ou variáveis
Conceitos básicos de electrónica
COMPORTAMENTO EM REGIME DC (corrente
contínua)
Ao aplicarmos uma tensão DC o indutor armazenará uma energia
magnética.
Ao ligarmos a chave S a corrente é nula, pois o indutor se opõe as
variações bruscas de corrente. A partir daí aumenta gradativamente
segundo uma função exponencial até o valor máximo.
E
R
S
L
Semicondutores
Dos materiais utilizados no campo da electrónica, temos:
CONDUTOR - Material que mantém um fluxo de carga quando uma tensão, de amplitude limitada, é aplicada em seus terminais.
ISOLANTE - Material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando se aplica uma fonte de tensão.
SEMICONDUTOR - Material que mantém um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.
BONS CONDUTORES - Cobre é um bom condutor – 29 protões e vinte nove electrões, bem como ouro e prata.
Materiais semicondutores
•Os semicondutores possuem 4 electrões na camada de valência
• tornam-se mais estáveis com a participação dos átomos vizinhos
• formam-se ligações covalentes partilhando electrões dos átomos vizinhos
Semicondutor Intrínseco
É um semicondutor puro, ou seja, todos os átomos docristal são de silício (Si), ou germânio (Ge) ou arseneto degálio (GaAs) ou fosfeto de índio .
A –273oC o semicondutor intrínseco comporta-se como um isolante perfeito.
Semicondutor Extrínseco
De forma a aumentar a condutibilidade de um semicondutor, é o recurso à adição
de impurezas aos átomos. Um condutor dopado é chamado de semicondutor
extrínseco.
Para aumentar o número de electrões livres, adicionam-se átomos pentavalentes
ao silício em fusão, ex.: arsênio (As), antimónio (Sb) e fósforo (P). Este processo
é chamado de dopagem.
Semicondutor dopado com antimónio
Por possuírem electrões livres em excesso são chamados de material tipo N.
Num material tipo N os electrões livres são chamados de portadores
maioritários e as lacunas de portadores minoritários.
Para se aumentar o número de lacunas, recorre-se a impurezas trivalentes, cujos
átomos possuem apenas três elétrons de valência, ex.: alumínio (Al), boro (Bo) e
gálio (Ga).
Por possuírem lacunas em excesso são chamados de material tipo P.
Num material tipo P as lacunas são os portadores maioritários e os electrões os
portadores minoritários.
Tipo P Tipo N
O DIODO SEMICONDUTOR – JUNÇÃO PN
•O díodo semicondutor é formado juntando um bloco de material tipo P com um
bloco de material tipo N – Junção PN
•Díodo não polarizado – No momento da junção haverá uma corrente de difusão,
criando uma região de iões negativos e positivos não combinados chamado de
Região de Depleção e a distribuição da carga nessa área é chamado de Carga
Espacial.
•A largura da região de depleção dependente dos níveis de dopagem dos
materiais P e N.
•O Campo eléctrico que aparece na região de depleção devido aos íiões positivos
e negativos é chamada de Barreira de potencial.
À temperatura de 25o C, a barreira de potencial é aproximadamente 0,3 V para o Ge e 0,7 V para o Si.
TransístoresUm transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas
junções PN (junção base-emissor e junção base-colector) de material
semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor
(E), Base (B) e Colector (C).
N – Material semicondutor com excesso de electrões livres
P – Material semicondutor com excesso de lacunas
Altamente
dopado
Menos
dopado que
o Emissor e
mais dopado
que a Base
Altamente
dopado
Camada
mais fina
e menos
dopada
Menos
dopado que
o Emissor e
mais dopado
que a Base
Camada
mais fina
e menos
dopada
Principio de funcionamentoPara que o transístor bipolar conduza é necessário que seja aplicada na
base uma corrente mínima (VBE ≥ 0,7 Volt), caso contrário não haverá
passagem de corrente entre o Emissor e o Colector.
IB = 0
O transístor não conduz
(corte)
Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e
pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector.
Uma pequena corrente
entre a base e o emissor…
…origina uma corrente entre o
emissor e o colector
Utilização
O transístor bipolar pode ser utilizado:
como interruptor electrónico.
na amplificação de sinais.
como oscilador.
PolarizaçãoPara o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como
oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC.
Para o transístor estar corretamente polarizado a junção PN base – emissor deve
ser polarizada diretamente e a junção base – coletor deve ser polarizada
inversamente.
Regra prática:
O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.
A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.
O Coletor é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.
Emissor Base Colector Emissor Base Colector
P N P N P N
+ - - - + +
Polarização
+
Rc
Rb
_
Rc
Rb
+
_
Rb – Resistência de polarização de base
Rc – Resistência de colector ou resistência de carga
Emissor Base Colector Emissor Base Colector
P N P N P N
+ - - - + +
Representação de tensões e correntes
VCE – Tensão colector - emissor
VBE – Tensão base – emissor
VCB – Tensão colector - base
IC – Corrente de colector
IB – Corrente de base
IE – Corrente de emissor
VRE – Tensão na resistência de emissor
VRC – Tensão na resistência de colector
Relação das correntes
Rc
Rb
+
IC
IE
IB
Considerando o sentido convencional da corrente e
aplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relação
das correntes num transístor bipolar
IE = IC + IB