Escola SENAI Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini Campinas S.P.

2003

Eletrnica I

Eletrnica I

SENAI-SP, 2001Trabalho elaborado pela Escola Senai Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini

Coordenao Geral

Magno Diaz Gomes

Equipe responsvel

Coordenao

Luz Zambon Neto

Elaborao

Edson Carretoni Jnior

Verso Preliminar

SENAI - Servio Nacional de Aprendizagem Industrial Escola SENAI Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini Avenida da Saudade, 125, Bairro Ponte Preta CEP 13041-670 - Campinas, SP senaizer@sp.senai.br

Eletrnica I

Sumrio

Unidade I Energia Fundamentos de Matria Eletricidade Fundamentos da Eletrosttica Gerao de Energia Eltrica Corrente Eltrica Unidade II Circuitos Eltricos Anlise de Circuitos Resistncia Eltrica em Corrente Associaes de Resistncias Contnua Lei de Ohm Potncia Eltrica em Corrente Contnua Primeira Lei de Kirchhoff Segunda Lei de Kirchhoff Divisores de Tenso e Corrente Anlise de Circuitos por Kirchhoff Teorema da Superposio de Efeitos Teorema de Thvenin Teorema de Norton Mxima Transferncia de Potncia Unidade III Magnetismo Introduo Eletromagnetismo Corrente Alternada Indutores Corrente Alternada Representao Vetorial de Grandezas Eltricas em CA

5 9 15 27 33 39 51 61 79 87 99 109 127 143 173 185 197 211 221 233 239 249 261

Unidade IV Reatncia IndutivaSENAI

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Anlises em Capacitores Corrente Alternada Reatncia Capacitiva Impedncia Potncia em Corrente Alternada Transformadores Referncias Bibliogrficas

285 297 305 313 321 347

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Energia

Freqentemente usamos a palavra energia. s vezes, ouvimos dizer que determinado alimento rico em energia, que recebemos energia do sol ou ento, que o custo da energia eltrica aumentou. Fala-se tambm em energia trmica, qumica, nuclear... A energia est presente em quase todas as atividades do homem moderno. Por isso, para o profissional da rea eletroeletrnica, primordial conhecer os segredos da energia eltrica. Neste primeiro captulo, estudaremos algumas formas de energia que se conhece, sua conservao e unidades de medida. Energia e Trabalho A energia est sempre associada a um trabalho. Por isso, dizemos que energia a capacidade que um corpo possui de realizar um trabalho. Como exemplo de energia, pode-se citar uma mola comprimida ou estendida, e a gua, represada ou corrente. Assim como h vrios modos de realizar um trabalho, tambm h vrias formas de energia. Em nosso curso, falaremos mais sobre a energia eltrica e seus efeitos, porm devemos ter conhecimentos sobre outras formas de energia. Dentre as muitas formas de energia que existem, podemos citar: energia potencial; energia cintica; energia mecnica; energia trmica; energia qumica; energia eltrica.

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A energia potencial quando se encontra em repouso, ou seja, armazenada em um determinado corpo. Como exemplo de energia potencial, pode-se citar um veculo no topo de uma ladeira e a gua de uma represa. A energia cintica a conseqncia do movimento de um corpo. Como exemplos de energia cintica pode-se citar um esqueitista em velocidade que aproveita a energia cintica para subir uma rampa ou a abertura das comportas de uma represa que faz girarem as turbinas dos geradores das hidroeltricas. A energia mecnica a soma da energia potencial com a energia cintica presentes em um determinado corpo. Ela se manifesta pela produo de um trabalho mecnico, ou seja, o deslocamento de um corpo. Como exemplo de energia mecnica podemos citar um operrio empurrando um carrinho ou um torno em movimento. A energia trmica se manifesta atravs da variao da temperatura nos corpos. A mquina a vapor, que usa o calor para aquecer a gua transformando-a em vapor que acionar os pistes, pode ser citada como exemplo de energia trmica. A energia qumica manifesta-se quando certos corpos so postos em contato, proporcionando reaes qumicas. O exemplo mais comum de energia qumica a pilha eltrica. A energia eltrica manifesta-se por seus efeitos magnticos, trmicos, luminosos, qumicos e fisiolgicos. Como exemplo desses efeitos, podemos citar: a rotao de um motor (efeito magntico), o aquecimento de uma resistncia para esquentar a gua do chuveiro (ef eito trmico), a luz de uma lmpada (efeito luminoso), a eletrlise da gua (efeito qumico), a contrao muscular de um organismo vivo ao levar um choque eltrico (efeito fisiolgico). Conservao de Energia A energia no pode ser criada, nem destruda. Ela nunca desaparece, apenas se transforma, ou seja, passa de uma forma de energia para outra. H vrios tipos de transformao de energia e vamos citar os mais comuns: transformao de energia qumica em energia eltrica por meio da utilizao de

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baterias ou acumuladores que, por meio de uma reao qumica geram ou armazenam energia eltrica. Transformao de energia mecnica em energia eltrica, quando a gua de uma represa flui atravs das comportas e aciona as turbinas dos geradores da hidroeltrica. Transformao de energia eltrica em mecnica que acontece nos motores eltricos que, ao receberem a energia eltrica em seu enrolamento, transformam-na em energia mecnica pela rotao de seu eixo. Unidades de Medida de Energia Para melhor conhecermos as grandezas fsicas, necessrio medi-las. H grandezas cuja medio muito simples. Por exemplo, para se medir o comprimento, basta apenas uma rgua ou uma trena. Outras grandezas, porm exigem aparelhos complexos para sua medio. As unidades de medida das grandezas fsicas so agrupadas em sistemas de unidades onde as medidas foram reunidas e padronizadas no Sistema Internacional de Unidades, abreviado para a sigla SI. A unidade de medida de energia chamada joule, representada pela letra J, e corresponde ao trabalho realizado por uma fora constante de um newton (unidade de medida de fora) que desloca seu ponto de aplicao de um metro na sua direo. As grandezas formadas com prefixos SI tm mltiplos e submltiplos. Os principais so apresentados na tabela a seguir.Prefixo SIGiga Mega Quilo Mili Micro Nano Pico

SmboloG M K m n p

Fator multiplicador109 = 1 000 000 000 106 = 1 000 000 103 = 1 000 10-3 = 0,001 10-6 = 0,000 001 10-9 = 0,000 000 001 10-12 = 0,000 000 000 001

Voc deve se familiarizar com todas as unidades com os prefixos SI e suas unidades derivadas, pois elas sero usadas durante todo o curso.

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Exerccios Responda s seguintes perguntas: a) O que energia?

b) Cite dois tipos de transformao de energia.

c) Cite trs formas de energia.

d) D um exemplo prtico de energia cintica, no citado no texto.

e) Qual a unidade de medida de energia?

f) Cite um efeito fisiolgico da energia eltrica.

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Matria

O estudo da matria e sua composio fundamental para a compreenso da teoria eletrnica. Por isso, neste captulo estudaremos o arranjo fsico das partculas que compem o tomo e a maneira como essas partculas se comportam. Isso facilitar muito o estudo dos fenmenos que produzem a eletricidade. Composio da Matria Matria tudo aquilo que nos cerca e que ocupa um lugar no espao. Ela se apresenta em pores limitadas que recebem o nome de corpos. Estes podem ser simples ou compostos. Observao Existem coisas com as quais temos contato na vida diria que no ocupam lugar no espao, no sendo, portanto, matria. Exemplos desses fenmenos so o som, o calor e a eletricidade. Corpos simples so aqueles formados por um nico tomo. So tambm chamados de elementos. O ouro, o cobre, o hidrognio so exemplos de elementos. Corpos compostos so aqueles formados por uma combinao de dois ou mais elementos. So exemplos de corpos compostos o cloreto de sdio (ou sal de cozinha) que formado pela combinao de cloro e sdio, e a gua, formada pela combinao de oxignio e hidrognio. A matria e, consequentemente, os corpos compem-se de molculas e tomos.

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Molcula Molcula a menor partcula em que se pode dividir uma substncia de modo que ela mantenha as mesmas caractersticas da substncia que a originou. Tomemos como exemplo uma gota de gua: se ela for dividida continuamente, tornar-se- cada vez menor, at chegarmos menor partcula que conserva as caractersticas da gua, ou seja, a molcula de gua. Veja, na ilustrao a seguir, a representao de uma molcula de gua.tomos de

tomo de hid i

As molculas se formam porque, na natureza, todos os elementos que compem a matria tendem a procurar um equilbrio eltrico.

= molculatomo tomo

tomo Os animais, as plantas, as rochas, as guas dos rios, lagos e oceanos e tudo o que nos cerca composto de tomos. O tomo a menor partcula em que se pode dividir um elemento e que, ainda assim, conserva as propriedades fsicas e qumicas desse elemento. Observao Os tomos so to pequenos que, se forem colocados 100 milhes deles um ao lado do outro, formaro uma reta de apenas 10 mm de comprimento. O tomo formado de numerosas partculas. Todavia, estudaremos somente aquelas

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que mais interessam teoria eletrnica. Existem tomos de materiais como o cobre, o alumnio, o nenio, o xennio, por exemplo, que j apresentam o equilbrio eltrico, no precisando juntar-se a outros tomos. Esses tomos, sozinhos, so considerados molculas tambm. Constituio do tomo O tomo formado por uma parte central chamada ncleo e uma parte perifrica formada pelos eltrons e denominada eletrosfera. O ncleo constitudo por dois tipos de partculas: os prtons, com carga positiva, e os nutrons, que so eletricamente neutros. Veja a representao esquemtica de um tomo na ilustrao a seguir.rbita rbita ncleo eltron nutron prton

Os prtons, juntamente com os nutrons, so os responsveis pela parte mais pesada do tomo. Os eltrons possuem carga negativa. Como os planetas do sistema solar, eles giram na eletrosfera ao redor do ncleo, descrevendo trajetrias que se chamam rbitas. Na eletrosfera os eltrons esto distribudos em camadas ou nveis energticos. De acordo com o nmero de eltrons, ela pode apresentar de 1 a 7 nveis energticos, denominados K, L, M, N, O, P e Q.letras de identificao das rbitas n mnimo de eltrons por rbitao

Os tomos podem ter uma ou vrias rbitas, dependendo do seu nmero de eltrons. Cada rbita contm um nmero especfico de eltrons.SENAI

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A distribuio dos eltrons nas diversas camadas obedece a regras definidas. A regra mais importante para a rea eletroeletrnica refere-se ao nvel energtico mais distante do ncleo, ou seja, a camada externa: o nmero mximo de eltrons nessa camada de oito eltrons. Os eltrons da rbita externa so chamados eltrons livres, pois tm uma certa facilidade de se desprenderem de seus tomos. Todas as reaes qumicas e eltricas acontecem nessa camada externa, chamada de nvel ou camada de valncia. A teoria eletrnica estuda o tomo s no aspecto da sua eletrosfera, ou seja, sua regio perifrica ou orbital. ons No seu estado natural, o tomo possui o nmero de prtons igual ao nmero de eltrons. Nessa condio, dizemos que o tomo est em equilbrio ou eletricamente neutro. O tomo est em desequilbrio quando tem o nmero de eltrons maior ou menor que o nmero de prtons. Esse desequilbrio causado sempre por foras externas que podem ser magnticas, trmicas ou qumicas. O tomo em desequilbrio chamado de on. O on pode ser negativo ou positivo. Os ons negativos so os nions e os ons positivos so os ctions. ons negativos, ou seja, nions, so tomos que receberam eltrons.

Prtons Eltrons

= +8 = -9_

Resultado = -1 ons positivos, ou seja, ctions, so tomos que perderam eltrons.

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Prtons Eltrons

= +8 = -7_

Resultado = +1

A transformao de um tomo em on ocorre devido a foras externas ao prprio tomo. Uma vez cessada a causa externa que originou o on, a tendncia natural do tomo atingir o equilbrio eltrico. Para atingir esse equilbrio, ele cede eltrons que esto em excesso ou recupera os eltrons em falta.

Exerccios Resolva as seguintes questes: a) Quais as partculas subatmicas que constituem o tomo?

b) Relacione a segunda coluna com a primeira. 1. Regio central do tomo, formada pelo agrupamento dos prtons e dos nutrons 2. Regio do espao onde os eltrons se movimentam 3. Os eltrons que orbitam ao redor do ncleo do tomo esto distribudos em 4. Camada externa de eletrosfera onde se realizam as reaes qumicas e eltricas c) Qual a condio necessria para que um tomo esteja em equilbrio eltrico? ( ) camada de valncia ( ) camadas ou nveis energticos ( ) ncleo ( ) eletrosfera ( ) prtons

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d) Como se denomina um tomo que perdeu eltrons na sua camada de valncia?

e) Como se denomina um tomo que recebeu eltrons na camada de valncia?

f) O que se pode afirmar a respeito do nmero de eltrons e prtons de um on positivo?

g) Quais eltrons so denominados de eltrons livres?

h) Qual a carga eltrica dos prtons, nutrons e eltrons?

i) O que molcula?

j) O que camada de valncia?

k) Qual a diferena entre nions e ctions?

l) Cite algo que no seja matria.

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Fundamentos da Eletrosttica

Quando ligamos um aparelho de televiso, rdio ou mquina de calcular, estamos utilizando eletricidade e, como vimos no captulo anterior, a eletricidade uma forma de energia que est presente em tudo o que existe na natureza. Para compreender o que so os fenmenos eltricos e suas aplicaes, neste captulo estudaremos o que eletricidade esttica; o que tenso, suas unidades de medida e as fontes geradoras de tenso. Para estudar este captulo com mais facilidade, voc deve ter bons conhecimentos anteriores sobre o comportamento do tomo e suas partculas.

Tipos de Eletricidade A eletricidade uma forma de energia que faz parte da constituio da matria. Existe, portanto, em todos os corpos. O estudo da eletricidade organizado em dois campos: a eletrosttica e a eletrodinmica. Eletrosttica Eletrosttica a parte da eletricidade que estuda a eletricidade esttica. D-se o nome de eletricidade esttica eletricidade produzida por cargas eltricas em repouso em um corpo. Na eletricidade esttica, estudamos as propriedades e a ao mtua das cargas eltricas em repouso nos corpos eletrizados. Um corpo se eletriza negativamente (-) quando ganha eltrons e positivamente (+) quando perde eltrons.SENAI

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Entre corpos eletrizados, ocorre o efeito da atrao quando as cargas eltricas tm sinais contrrios. O efeito da repulso acontece quando as cargas eltricas dos corpos eletrizados tm sinais iguais.cargas opostas se atraem

No estado natural, qualquer poro de matria eletricamente neutra. Isso significa que, se nenhum agente externo atuar sobre uma determinada poro da matria, o nmero total de prtons e eltrons dos seus tomos ser igual. Essa condio de equilbrio eltrico natural da matria pode ser desfeita, de forma que um corpo deixe de ser neutro e fique carregado eletricamente. O processo pelo qual se faz com que um corpo eletricamente neutro fique carregado chamado eletrizao. A maneira mais comum de se provocar eletrizao por meio de atrito. Quando se usa um pente, por exemplo, o atrito provoca uma eletrizao negativa do pente, isto , o pente ganha eltrons.

Ao aproximarmos o pente eletrizado positivamente de pequenos pedaos de papel, estes so atrados momentaneamente pelo pente, comprovando a existncia da eletrizao.

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A eletrizao pode ainda ser obtida por outros processos como, por exemplo, por contato ou por induo. Em qualquer processo, contudo, obtm-se corpos carregados eletricamente. Descargas Eltricas Sempre que dois corpos com cargas eltricas contrrias so colocados prximos um do outro, em condies favorveis, o excesso de eltrons de um deles atrado na direo daquele que est com falta de eltrons, sob a forma de um descarga eltrica. Essa descarga pode se dar por contato ou por arco. Quando dois materiais possuem grande diferena de cargas eltricas, uma grande quantidade de carga eltrica negativa pode passar de um material para outro pelo ar. Essa a descarga eltrica por arco. O raio, em uma tempestade, um bom exemplo de descarga por arco.nuvens carregadas eletricamente (com cargas negativas)

descarga eltrica ponto de descarga (com falta de eltrons)

Relao entre Desequilbrio e Potencial Eltrico Por meio dos processos de eletrizao, possvel fazer com que os corpos fiquem intensamente ou fracamente eletrizados. Um pente fortemente atritado fica intensamente eletrizado. Se ele for fracamente atritado, sua eletrizao ser fraca.SENAI

17fraca eletrizao

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O pente intensamente atritado tem maior capacidade de realizar trabalho, porque intensa eletrizao

capaz de atrair maior quantidade de partcu7las de papel.

Como a maior capacidade de realizar trabalho significa maior potencial, conclui-se que o pente intensamente eletrizado tem maior potencial eltrico.

potencial eltrico maior

potencial eltrico menor

O potencial eltrico de um corpo depende diretamente do desequilbrio eltrico existente nesse corpo. Assim, um corpo que tenha um desequilbrio eltrico duas vezes maior que outro, tem um potencial eltrico duas vezes maior. Carga Eltrica Como certos tomos so forados a ceder eltrons e outros a receber eltrons, possvel produzir uma transferncia de eltrons de um corpo para outro. Quando isso ocorre, a distribuio igual das cargas positivas e negativas em cada tomo deixa de existir. Portanto, um corpo conter excesso de eltrons e a sua carga ter uma polaridade negativa ( ). O outro corpo, por sua vez, conter excesso de prtons e a sua carga ter polaridade positiva

-

(+).

Quando um par de corpos contm a mesma carga, isto , ambas positivas (+) ou ambas negativas ( ), diz-se que eles apresentam cargas iguais. Quando um par de corpos contm cargas diferentes, ou seja, um corpo positivo

-

(+)

e o outro negativo (-), diz-se que eles apresentam cargas desiguais ou opostas.

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A quantidade de carga eltrica que um corpo possui, determinada pela diferena entre o nmero de prtons e o nmero de eltrons que o corpo contm. O smbolo que representa a quantidade de carga eltrica de um corpo Q e sua unidade de medida o coulomb (c).Observao 1 coulomb = 6,25 x 10 eltrons18

Diferena de Potencial Quando se compara o trabalho realizado por dois corpos eletrizados, automaticamente est se comparando os seus potenciais eltricos. A diferena entre os trabalhos expressa diretamente a diferena de potencial eltrico entre esses dois corpos. A diferena de potencial (abreviada para ddp) existe entre corpos eletrizados com cargas diferentes ou com o mesmo tipo de carga.

A diferena de potencial eltrico entre dois corpos eletrizados tambm denominada de tenso eltrica, importantssima nos estudos relacionados eletricidade e eletrnica. Observao No campo da eletrnica e da eletricidade, utiliza-se exclusivamente a palavra tenso para indicar a ddp ou tenso eltrica.

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Unidade de medida de tenso eltrica A tenso (ou ddp) entre dois pontos pode ser medida por meio de instrumentos. A unidade de medida de tenso o volt, que representado pelo smbolo V. Como qualquer outra unidade de medida, a unidade de medida de tenso (volt) tambm tem mltiplos e submltiplos adequados a cada situao. Veja tabela a seguir:DenominaoMltiplos Unidade Submltiplos megavolt quilovolt volt milivolt microvolt

SmboloMV kV V mV V

Valor com relao ao volt106V ou 1000000V 103V ou 1000V 10 V ou 0,001V 10-6V ou 0,000001V-3

Observao Em eletricidade empregam-se mais freqentemente o volt e o quilovolt como unidades de medida, ao passo que em eletrnica as unidades de medida mais usadas so o volt, o milivolt e o microvolt.

A converso de valores feita de forma semelhante a outras unidades de medida. kV V mV V

Exemplos de converso: a) 3,75V = _ _ _ _ _ mV V mV V 3 7 5 3 7 (posio da vrgula) 3,75V = 3750 mV b) 0,6V = _ _ _ _ _ mV V mV 0 6 c) 200 mV = _ _ _ _ _ _V V mV 2 0 0 V 0 0,6V = 600 mV V 0 200 mV = 0,2V d) 0,05V = _ _ _ _ _ _ mV V mV 0 0 5 V 0 2

5

mV 0 (nova posio da vrgula)

6

0

mV 0 mV 0

0

0

5

mV 0

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0,05V = 50 mV e) 1,5 mV = _ _ _ _ _ _ V mV V 1 5 mV 5 V 0 1,5 mV = 15000V

1

0

0

Pilha ou Bateria Eltrica A existncia de tenso imprescindvel para o funcionamento dos aparelhos eltricos. Para que eles funcionem, foram desenvolvidos dispositivos capazes de criar um desequilbrio eltrico entre dois pontos, dando origem a uma tenso eltrica. Genericamente esses dispositivos so chamados fontes geradoras de tenso. As pilhas, baterias ou acumuladores e geradores so exemplos desse tipo de fonte. As pilhas so fontes geradoras de tenso constitudas por dois tipos de metais mergulhados em um preparado qumico. Esse preparado qumico reage com os metais, retirando eltrons de um e levando para o outro. Um dos metais fica com potencial eltrico positivo e o outro fica com potencial eltrico negativo. Entre os dois metais existe portanto uma ddp ou uma tenso eltrica.

FORT

eletrlito ou soluo

cuba de vidro placa negativa de zinco placa positiva de cobre

A ilustrao a seguir representa esquematicamente as polaridades de uma pilha emSENAI

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relao aos eltrons. Pela prpria caracterstica do funcionamento das pilhas, um dos metais torna-se positivo e o outro negativo. Cada um dos metais chamado plo. Portanto, as pilhas dispem de um plo positivo e um plo negativo. Esses plos nunca se alteram, o que faz com que a polaridade da pilha seja invarivel. Da a tenso fornecida chamar-se tenso contnua ou tenso CC, que a tenso eltrica entre dois pontos de polaridades invariveis. A tenso fornecida por uma pilha comum no depende de seu tamanho pequeno, mdio ou grande nem de sua utilizao nesse ou naquele aparelho. sempre uma tenso contnua de aproximadamente 1,5V.falta de eltrons plo positivo

excesso de eltrons plo negativo

Exerccios 1. Responda: a) O que eletrizao?

b) Em que parte dos tomos o processo de eletrizao atua?

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2. Resolva as seguintes questes. a) Relacione a segunda coluna com a primeira: 1) Processo que retira eltrons de um material neutro. 2) Processo atravs do qual um corpo neutro fica eletricamente carregado. 3) Processo que acrescenta eltrons a um material neutro. b) Como se denomina a eletricidade de um corpo obtida por eletrizao? ( ) Eletrizao ( ) Eletrizao positiva ( ) Eletrizao negativa ( ) Neutralizao

c) Assinale V (verdadeiro) ou F (falso) em cada uma das afirmativas: 1) ( ) Dois corpos eletrizados negativamente quando aproximados um do outro, se repelem. 2) ( ) Dois corpos eletrizados, um positivamente e outro negativamente, quando aproximados um do outro, se atraem. 3) ( ) Dois corpos eletrizados positivamente, quando aproximados um do outro se atraem. d) Que tipos de potencial eltrico um corpo eletrizado pode apresentar?

e) Que tipo de potencial eltrico tem um corpo que apresente excesso de eltrons?

f) Que relao existe entre a intensidade de eletrizao de um corpo e seu potencial eltrico?

g) Pode existir ddp entre dois corpos eletrizados negativamente? Justifique a sua resposta.

h) Defina tenso eltrica.

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i) Qual a unidade de medida de tenso eltrica?

j) Qual a unidade de medida da carga eltrica?

3. Resolva as seguintes questes. a) Escreva o nome dos mltiplos, submltiplos e respectivos smbolos da unidade de medida da tenso eltrica. Mltiplos: Submltiplos: b) Faa as converses: 0,7V = ............................. mV 1,4V = ............................. mV 150 mV = ............................V 10 mV = .............................V 150V = ................................... V 6200V = ............................... mV 1,65V = .................................. mV 0,5 mV = .................................V

c) O que so fontes geradoras? Cite dois exemplos.

d) Quantos e quais so os plos de uma pilha?

e) O que se pode afirmar sobre a polaridade de uma fonte de CC?

f) As pilhas fornecem tenso contnua? Justifique.

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g) Qual o valor de tenso presente entre os plos de uma pilha comum?

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Gerao de Energia Eltrica

Como j vimos, a eletrosttica a parte da eletricidade que estuda a eletricidade esttica. Esta, por sua vez, refere-se s cargas armazenadas em um corpo, ou seja, sua energia potencial. Por outro lado, a eletrodinmica estuda a eletricidade dinmica que se refere ao movimento dos eltrons livres de um tomo para outro. Para haver movimento dos eltrons livres em um corpo, necessrio aplicar nesse corpo uma tenso eltrica. Essa tenso resulta na formao de um polo com excesso de eltrons denominado plo negativo e de outro com falta de eltrons denominado de plo positivo. Essa tenso fornecida por uma fonte geradora de eletricidade.

Fontes Geradoras de Energia Eltrica A existncia da tenso condio fundamental para o funcionamento de todos os aparelhos eltricos. As fontes geradoras so os meios pelos quais se pode fornecer a tenso necessria ao funcionamento desses consumidores. Essas fontes geram energia eltrica de vrios modos: por ao trmica; por ao da luz; por ao mecnica; por ao qumica; por ao magntica.

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Gerao de Energia Eltrica por Ao Trmica Pode-se obter energia eltrica por meio do aquecimento direto da juno de dois metais diferentes. Por exemplo, se um fio de cobre e outro de constantan (liga de cobre e nquel) forem unidos por uma de suas extremidades e se esses fios forem aquecidos nessa juno, aparecer uma tenso eltrica nas outras extremidades. Isso acontece porque o aumento da temperatura acelera a movimentao dos eltrons livres e faz com que eles passem de um material para outro, causando uma diferena de potencial. medida que aumentamos a temperatura na juno, aumenta tambm o valor da tenso eltrica na outra extremidade. Esse tipo de gerao de energia eltrica por ao trmica utilizado num dispositivo chamado par termoeltrico, usado como elemento sensor nos pirmetros que so aparelhos usados para medir temperatura de fornos industriais.

Gerao de Energia Eltrica por Ao de Luz Para gerar energia eltrica por ao da luz, utiliza-se o efeito fotoeltrico. Esse efeito ocorre quando irradiaes luminosas atingem um fotoelemento. Isso faz com que os eltrons livres da camada semicondutora se desloquem at seu anel metlico.fotoc lu la

luz

m ate rial trans lc ido liga de selnio

ferro

Dessa forma, o anel se torna negativo e a placa-base, positiva. Enquanto dura a incidncia da luz, uma tenso aparece entre as placas. O uso mais comum desse tipo de clula fotoeltrica no armazenamento de energia eltrica em acumuladores e baterias solares.

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Gerao de Energia Eltrica por Ao Mecnica Alguns cristais, como o quartzo, a turmalina e os sais de Rochelle, quando submetidos a aes mecnicas como compresso e toro, desenvolvem uma diferena de potencial. Se um cristal de um desses materiais for colocado entre duas placas metlicas e sobre elas for aplicada uma variao de presso, obteremos uma ddp produzida por essa variao. O valor da diferena de potencial depender da presso exercida sobre o conjunto.presso

placas metlicas

cristal

Os cristais como fonte de energia eltrica so largamente usados em equipamentos de pequena potncia como toca-discos, por exemplo. Outros exemplos so os isqueiros chamados de "eletrnicos" e os acendedores do tipo Magiclick. Gerao de Energia Eltrica por Ao Qumica Outro modo de se obter eletricidade por meio da ao qumica. Isso acontece da seguinte forma: dois metais diferentes como cobre e zinco so colocados dentro de uma soluo qumica (ou eletrlito) composta de sal (H2O + NaCL) ou cido sulfrico (H2O + H2SO4), constituindo-se de uma clula primria. A reao qumica entre o eletrlito e os metais vai retirando os eltrons do zinco. Estes passam pelo eletrlito e vo se depositando no cobre. Dessa forma, obtm-se uma diferena de potencial, ou tenso, entre os bornes ligados no zinco (negativo) e no cobre (positivo).

eletrlito ou soluo

cuba de vidro placa positiva de cobre placa negativa de zinco

A pilha de lanterna funciona segundo o princpio da clula primria que acabamos deSENAI

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descrever. Ela constituda basicamente por dois tipos de materiais em contato com um preparado qumico.terminais de lato resina areia serragem recipiente de zinco (placa negativa) eletrlito basto de carvo (placa positiva) papel alcatroado

Gerao de Energia Eltrica por Ao Magntica O mtodo mais comum de produo de energia eltrica em larga escala por ao magntica. A eletricidade gerada por ao magntica produzida quando um condutor movimentado dentro do raio de ao de um campo magntico. Isso cria uma ddp que aumenta ou diminui com o aumento ou a diminuio da velocidade do condutor ou da intensidade do campo magntico.eixo de rotao da espiram permanente m permanente

espira condutora

ddp

A tenso gerada por este mtodo chamada de tenso alternada, pois suas polaridades so variveis, ou seja, se alternam. Os alternadores e dnamos so exemplos de fontes geradoras que produzem energia eltrica segundo o princpio que acaba de ser descrito.

Exerccios Responda s questes a seguir: a) Defina eletrodinmica com suas palavras.

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b) Qual o mtodo de gerao de energia eltrica mais comum e que, por causa disso, utilizado em larga escala?

c) Cite dois exemplos prticos de equipamentos que se utilizam da gerao de energia eltrica por ao mecnica.

2. Relacione a segunda coluna com a primeira. 1. Gerao de energia eltrica por ao ( ) Tenso alternada qumica. trmica. 3. Gerao de energia eltrica por ao magntica ( ) Bateria solar ( ) Elemento sensor dos pirmetros 2. Gerao de energia eltrica por ao ( ) Pilha eltrica

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Eletrnica I

Corrente Eltrica

A eletricidade est presente diariamente em nossa vida, seja na forma de um relmpago seja no simples ato de ligar uma lmpada. nossa volta fluem cargas eltricas que produzem luz, som, calor... Para entender como so obtidos tais efeitos preciso, em primeiro lugar, compreender o movimento das cargas eltricas e suas particularidades. Este captulo vai tratar do conceito de fluxo das cargas eltricas. Vai tratar tambm das grandezas que medem a corrente. Para desenvolver os contedos e atividades aqui apresentadas voc j dever ter conhecimentos anteriores sobre estrutura da matria, e diferena de potencial entre dois pontos. Corrente Eltrica A corrente eltrica consiste em um movimento orientado de cargas, provocado pelo desequilbrio eltrico (ddp) entre dois pontos. A corrente eltrica a forma pela qual os corpos eletrizados procuram restabelecer o equilbrio eltrico. Para que haja corrente eltrica, necessrio que haja ddp e que o circuito esteja fechado. Logo, pode-se afirmar que existe tenso sem corrente, mas nunca existir corrente sem tenso. Isso acontece porque a tenso orienta as cargas eltricas.

O smbolo para representar a intensidade da corrente eltrica a letra I. Descargas Eltricas Como j foi estudado, as descargas eltricas so fenmenos comuns na natureza. O relmpago, por exemplo, um exemplo tpico de descarga eltrica. O atrito contra o ar faz com que as nuvens fiquem altamente eletrizadas e adquiram um potencialSENAI

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elevado. Quando duas nuvens com potencial eltrico diferente se aproximam, ocorre uma descarga eltrica, ou seja, um relmpago.

O que ocorre no passa de uma transferncia orientada de cargas eltricas de uma nuvem para outra. Durante a descarga, numerosas cargas eltricas so transferidas, numa nica direo, para diminuir o desequilbrio eltrico entre dois pontos. Os eltrons em excesso em uma nuvem deslocam-se para a nuvem que tem poucos eltrons. Como j foi visto, tambm, o deslocamento de cargas eltricas entre dois pontos onde existe ddp chamado de corrente eltrica. Desse modo, explica-se o relmpago como uma corrente eltrica provocada pela tenso eltrica existente entre duas nuvens. Durante o curto tempo de durao de um relmpago, grande quantidade de cargas eltricas flui de uma nuvem para outra. Dependendo da grandeza do desequilbrio eltrico entre as duas nuvens, a corrente eltrica, ou seja, a descarga eltrica entre elas pode ter maior ou menor intensidade. Unidade de Medida de Corrente Corrente uma grandeza eltrica e, como toda a grandeza, pode ter sua intensidade medida por meio de instrumentos. A unidade de medida da intensidade da corrente eltrica o ampre, que representado pelo smbolo A.

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Como qualquer outra unidade de medida, a unidade da corrente eltrica tem mltiplos e submltiplos adequados a cada situao. Veja tabela a seguir.DenominaoMltiplo Unidade Submltiplos Quiloampre Ampre Miliampre Microampre Nanoampre

SmbolokA A mA A nA

Valor com relao ao ampre103 A ou 1000 A -3 10 A ou 0,001 A -6 10 A ou 0,000001 A 10-9 A ou 0,000000001 A

Observao No campo da eletrnica empregam-se mais os termos ampre (A), miliampre (mA) e o microampre (A).

Faz-se a converso de valores de forma semelhante a outras unidades de medida. kA A mA A nA

Observe a seguir alguns exemplos de converso. a) 1,2 A = _________mA A 1 2 (posio da vrgula) b) 15 A = ______________mA mA 1 A 5 15 A = 0,0l5 mA c) 350 mA = __________A A 3 5 mA 0 350 mA = 0,35A A 0 3 5 mA 0 mA 0 0 1 A 5 mA A 1 1,2A = 1200 mA 2 0 mA 0

(nova posio da vrgula)

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Ampermetro Para medir a intensidade de corrente, usa-se o ampermetro. Alm do ampermetro, usam-se tambm os instrumentos a seguir: miliampermetro: para correntes da ordem de miliampres; microampermetro: para correntes da ordem de microampres;

Corrente Contnua A corrente eltrica o movimento de cargas eltricas. Nos materiais slidos, as cargas que se movimentam so os eltrons; nos lquidos e gases o movimento pode ser de eltrons ou ons positivos. Quando o movimento de cargas eltricas formadas por ons ou eltrons ocorre sempre em um sentido, a corrente eltrica chamada de corrente contnua e representada pela sigla CC.

Exerccios 1. Resolva as seguintes questes. a) O que corrente eltrica?

b) O que acontece com as cargas eltricas em uma descarga eltrica entre dois corpos eletrizados?

c) Pode existir corrente eltrica entre dois pontos igualmente eletrizados (mesmo tipo e mesma quantidade de cargas em excesso)? Por qu?

d) Qual a unidade de medida da intensidade da corrente eltrica? Faa o smbolo da unidade.

e) Quais so os submltiplos e os respectivos smbolos da unidade de medida da

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intensidade de corrente eltrica mais utilizadas no ramo da eletrnica?

f) Faa as seguintes converses: 0,5 A = ______________ mA 5,0 A = _____________ mA 0,03 mA = ____________ A 1,65 A = _______________ mA 250 A = _______________ nA 1200 nA = ______________ A

g) Que partculas se movimentam nos materiais slidos, dando origem corrente eltrica?

h) A intensidade da corrente eltrica de um relmpago maior se a ddp entre as nuvens maior ou menor?

i) Qual a condio para que uma corrente eltrica seja denominada de corrente contnua (CC)?

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Circuitos Eltricos

Empregamos a eletricidade das mais diversas formas. A partir da energia eltrica movimentam-se motores, acendem-se luzes, produz-se calor... Embora os efeitos sejam os mais diversos, todas as aplicaes da eletricidade tm um ponto em comum: implicam na existncia de um circuito eltrico. Portanto, o circuito eltrico indispensvel para que a energia eltrica possa ser utilizada. Conhecer e compreender suas caractersticas fundamental para assimilar os prximos contedos a serem estudados. Este captulo vai tratar das particularidades e das funes dos componentes do circuito eltrico. Ao estud-lo, voc ser capaz de reconhecer um circuito eltrico, identificar seus componentes e represent-los com smbolos. Para acompanhar bem os contedos e atividades deste captulo, preciso que voc j conhea a estrutura da matria; corrente e resistncia eltrica. Materiais Condutores Os materiais condutores caracterizam-se por permitirem a existncia de corrente eltrica toda a vez que se aplica uma ddp entre suas extremidades. Eles so empregados em todos os dispositivos e equipamentos eltricos e eletrnicos.

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Existem materiais slidos, lquidos e gasosos que so condutores eltricos. Entretanto, na rea da eletricidade e eletrnica, os materiais slidos so os mais importantes. As cargas eltricas que se movimentam no interior dos materiais slidos so os eltrons livres.

sem ddp

com ddp

Como j vimos, os eltrons livres que se movimentam ordenadamente formam a corrente eltrica. O que faz um material slido ser condutor de eletricidade a intensidade de atrao entre o ncleo e os eltrons livres. Assim, quanto menor for a atrao, maior ser sua capacidade de deixar fluir a corrente eltrica. Os metais so excelentes condutores de corrente eltrica, porque os eltrons da ltima camada da eletrosfera (eltrons de valncia) esto fracamente ligados ao ncleo do tomo. Por causa disso, desprendem-se com facilidade o que permite seu movimento ordenado. Vamos tomar como exemplo a estrutura atmica do cobre. Cada tomo de cobre tem 29 eltrons; desses apenas um encontra-se na ltima camada. Esse eltron desprende-se do ncleo do tomo e vaga livremente no interior do material. A estrutura qumica do cobre compe-se, pois, de numerosos ncleos fixos, rodeados por eltrons livres que se movimentam intensamente de um ncleo para o outro.

estrutura do cobre

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A intensa mobilidade ou liberdade de movimentao dos eltrons no interior da estrutura qumica do cobre faz dele um material de grande condutividade eltrica. Assim, os bons condutores so tambm materiais com baixa resistncia eltrica. O quadro a seguir mostra, em ordem crescente, a resistncia eltrica de alguns materiais condutores.resistncia

prata

cobre

ouro

alumnio

constantan

nquel-cromo

Depois da prata, o cobre considerado o melhor condutor eltrico. Ele o metal mais usado na fabricao de condutores para instalaes eltricas. Materiais Isolantes Materiais isolantes so os que apresentam forte oposio circulao de corrente eltrica no interior de sua estrutura. Isso acontece porque os eltrons livres dos tomos que compem a estrutura qumica dos materiais isolantes so fortemente ligados a seus ncleos e dificilmente so liberados para a circulao. A estrutura atmica dos materiais isolantes compe-se de tomos com cinco ou mais eltrons na ltima camada energtica.

nitrognio (N)

enxofre (S)

Em condies anormais, um material isolante pode tornar-se condutor. Esse fenmeno chama-se ruptura dieltrica. Ocorre quando grande quantidade de energia transforma um material normalmente isolante em condutor. Essa carga de energia aplicada ao material to elevada que os eltrons, normalmente presos aos ncleos dos tomos, so arrancados das rbitas, provocando a circulao de corrente. A formao de fascas no desligamento de um interruptor eltrico um exemplo tpico de ruptura dieltrica. A tenso elevada entre os contatos no momento da abertura

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fornece uma grande quantidade de energia que provoca a ruptura dieltrica do ar, gerando a fasca. Circuito Eltrico O circuito eltrico o caminho fechado por onde circula a corrente eltrica. Dependendo do efeito desejado, o circuito eltrico pode fazer a eletricidade assumir as mais diversas formas: luz, som, calor, movimento. O circuito eltrico mais simples que se pode montar constitui-se de trs componentes: fonte geradora; carga; condutores.carga condutor

fonte geradora circuito eltrico corrente eltrica

Todo o circuito eltrico necessita de uma fonte geradora. A fonte geradora fornece a tenso necessria existncia de corrente eltrica. A bateria, a pilha e o alternador so exemplos de fontes geradoras. A carga tambm chamada de consumidor ou receptor de energia eltrica. o componente do circuito eltrico que transforma a energia eltrica fornecida pela fonte geradora em outro tipo de energia. Essa energia pode ser mecnica, luminosa, trmica, sonora. Exemplos de cargas so as lmpadas que transformam energia eltrica em energia luminosa; o motor que transforma energia eltrica em energia mecnica; o rdio que transforma energia eltrica em sonora. Observao Um circuito eltrico pode ter uma ou mais cargas associadas. Os condutores so o elo de ligao entre a fonte geradora e a carga. Servem de meio de transporte da corrente eltrica.

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Uma lmpada, ligada por condutores a uma pilha, um exemplo tpico de circuito eltrico simples, formado por trs componentes.carga condutor

fonte geradora circuito eltrico corrente eltrica

A lmpada traz no seu interior uma resistncia, chamada filamento. Ao ser percorrida pela corrente eltrica, essa resistncia fica incandescente e gera luz. O filamento recebe a tenso atravs dos terminais de ligao. E quando se liga a lmpada pilha, por meio de condutores, forma-se um circuito eltrico. Os eltrons, em excesso no plo negativo da pilha, movimentam-se pelo condutor e pelo filamento da lmpada, em direo ao plo positivo da pilha. A figura a seguir ilustra o movimento dos eltrons livres. Esses eltrons saem do plo negativo, passam pela lmpada e dirigem-se ao plo positivo da pilha.

falta de eltrons +

excesso de eltrons

Enquanto a pilha for capaz de manter o excesso de eltrons no plo negativo e a falta de eltrons no plo positivo, haver corrente eltrica no circuito; e a lmpada continuar acesa. Alm da fonte geradora, do consumidor e condutor, o circuito eltrico possui um componente adicional chamado de interruptor ou chave. A funo desse componente comandar o funcionamento dos circuitos eltricos.

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Quando aberto ou desligado, o interruptor provoca uma abertura em um dos condutores. Nesta condio, o circuito eltrico no corresponde a um caminho fechado, porque um dos plos da pilha (positivo) est desconectado do circuito, e no h circulao da corrente eltrica.consumidor esquema

chave

interruptor desligado

Quando o interruptor est ligado, seus contatos esto fechados, tornando-se um condutor de corrente contnua. Nessa condio, o circuito novamente um caminho fechado por onde circula a corrente eltrica.

consumidor

esquema

chave interruptor ligado

Sentido da Corrente Eltrica Antes que se compreendesse de forma mais cientfica a natureza do fluxo de eltrons, j se utilizava a eletricidade para iluminao, motores e outras aplicaes. Nessa poca, foi estabelecido por conveno, que a corrente eltrica se constitua de um movimento de cargas eltricas que flua do plo positivo para o plo negativo da fonte geradora. Este sentido de circulao (do + para o -) foi denominado de sentido convencional da corrente. Com o progresso dos recursos cientficos usados explicar os fenmenos eltricos, foi possvel verificar mais tarde, que nos condutores slidos a corrente eltrica se constitui de eltrons em movimento do plo negativo para o plo positivo. Este sentido de circulao foi denominado de sentido eletrnico da corrente.

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O sentido de corrente que se adota como referncia para o estudo dos fenmenos eltricos (eletrnico ou convencional) no interfere nos resultados obtidos. Por isso, ainda hoje, encontram-se defensores de cada um dos sentidos. Observao Uma vez que toda a simbologia de componentes eletroeletrnicos foi desenvolvida a partir do sentido convencional da corrente eltrica, ou seja do + para o -, as informaes deste material didtico seguiro o modelo convencional: do positivo para o negativo. Simbologia dos Componentes de um Circuito Por facilitar a elaborao de esquemas ou diagramas eltricos, criou-se uma simbologia para representar graficamente cada componente num circuito eltrico. A tabela a seguir mostra alguns smbolos utilizados e os respectivos componentes.DesignaoCondutor

Figura

Smbolo

Cruzamento sem conexo

Cruzamento com conexo

Fonte, gerador ou bateria

Lmpada

Interruptor

O esquema a seguir representa um circuito eltrico formado por lmpada, condutores interruptor e pilha. Deve-se observar que nele a corrente eltrica representada por uma seta acompanhada pela letra I.

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Tipos de Circuitos Eltricos Os tipos de circuitos eltricos so determinados pela maneira como seus componentes so ligados. Assim, existem trs tipos de circuitos: srie; paralelo; misto. Circuito Srie Circuito srie aquele cujos componentes (cargas) so ligados um aps o outro. Desse modo, existe um nico caminho para a corrente eltrica que sai do plo positivo da fonte, passa atravs do primeiro componente (R1), passa pelo seguinte (R2) e assim por diante at chegar ao plo negativo da fonte. Veja representao esquemtica do circuito srie no diagrama a seguir.R2

U

I R1

Num circuito srie, o valor da corrente sempre o mesmo em qualquer ponto do circuito. Isso acontece porque a corrente eltrica tem apenas um nico caminho para percorrer. Esse circuito tambm chamado de dependente porque, se houver falha ou se qualquer um dos componentes for retirado do circuito, cessa a circulao da corrente eltrica. Circuito Paralelo O circuito paralelo aquele cujos componentes esto ligados em paralelo entre si.

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Veja circuito abaixo.

U ! I1

R1 I2

R2

No circuito paralelo, a corrente diferente em cada ponto do circuito porque ela depende da resistncia de cada componente passagem da corrente eltrica e da tenso aplicada sobre ele. Todos os componentes ligados em paralelo recebem a mesma tenso. Circuito Misto No circuito misto, os componentes so ligados em srie e em paralelo. Veja esquema a seguir.R1 I I !

U

R2 I2

R3

No circuito misto, o componente R1 ligado em srie, ao ser atravessado por uma corrente, causa uma queda de tenso porque uma resistncia. Assim sendo, os resistores R2 e R3 que esto ligados em paralelo, recebero a tenso da rede menos a queda de tenso provocada por R1.

Exerccios 1. Responda s seguintes perguntas. a) Por que os metais so bons condutores de corrente eltrica?

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b) Qual a condio fundamental para que um material seja isolante eltrico?

c) O que acontece na estrutura de um isolante quando ocorre a ruptura dieltrica?

d) Qual a condio fundamental para que um material seja bom condutor de eletricidade?

e) O que circuito eltrico?

f) Quais so os componentes essenciais para que haja um circuito eltrico?

g) Qual a finalidade de um consumidor de energia eltrica dentro do circuito?

h) Como se denomina a parte da lmpada que quando incandescida gera luz?

i) O que acontece quando se introduz em um circuito eltrico uma chave na posio desligada?

j) Desenhe os smbolos da pilha, condutor, lmpada e chave (ou interruptor).

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k) Por que no circula corrente eltrica em um circuito que tem um interruptor desligado?

l) O que estabelece o "sentido convencional" da corrente eltrica?

m) Explique com suas palavras o que ruptura dieltrica.

2. Relacione a coluna da esquerda com a coluna da direita. Ateno! Uma das alternativas no tem correspondente! a) Circuito srie b) Circuito paralelo c) Circuito misto e) Material isolante ( ) O eltron livre fracamente atrado pelo ncleo. ( ) A corrente flui do plo positivo para o negativo. ( ) A tenso eltrica a mesma em todos os componentes. ( ) Apresenta forte oposio passagem da corrente eltrica. ( ) Apresenta ligaes em srie e em paralelo

d) Material condutor ( ) A corrente eltrica a mesma em qualquer ponto do circuito.

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Resistncia Eltrica

Nas lies anteriores, voc aprendeu que para haver tenso, necessrio que haja uma diferena de potencial entre dois pontos. Aprendeu tambm, que corrente eltrica o movimento orientado de cargas provocado pela ddp. Ela a forma pela qual os corpos eletrizados procuram restabelecer o equilbrio eltrico. Alm da ddp, para que haja corrente eltrica, preciso que o circuito esteja fechado. Por isso, voc viu que existe tenso sem corrente, mas no possvel haver corrente sem tenso. Esta aula vai tratar do conceito de resistncia eltrica. Vai tratar tambm das grandezas da resistncia eltrica e seus efeitos sobre a circulao da corrente. Para desenvolver os contedos e atividades aqui apresentadas voc j dever ter conhecimentos anteriores sobre estrutura da matria, tenso e corrente.

Resistncia Eltrica Resistncia eltrica a oposio que um material apresenta ao fluxo de corrente eltrica. Todos os dispositivos eltricos e eletrnicos apresentam certa oposio passagem da corrente eltrica. A resistncia dos materiais passagem da corrente eltrica tem origem na sua estrutura atmica. Para que a aplicao de uma ddp a um material origine uma corrente eltrica, necessrio que a estrutura desse material permita a existncia de eltrons livres para movimentao.

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Quando os tomos de um material liberam eltrons livres entre si com facilidade, a corrente eltrica flui facilmente atravs dele. Nesse caso, a resistncia eltrica desses materiais pequena.

Por outro lado, nos materiais cujos tomos no liberam eltrons livres entre si com facilidade, a corrente eltrica flui com dificuldade, porque a resistncia eltrica desses materiais grande.

Portanto, a resistncia eltrica de um material depende da facilidade ou da dificuldade com que esse material libera cargas para a circulao. O efeito causado pela resistncia eltrica tem muitas aplicaes prticas em eletricidade e eletrnica. Ele pode gerar, por exemplo, o aquecimento no chuveiro, no ferro de passar, no ferro de soldar, no secador de cabelo. Pode gerar tambm iluminao por meio das lmpadas incandescentes. Unidade de Medida de Resistncia Eltrica A unidade de medida da resistncia eltrica o ohm, representado pela letra grega (L-se mega). A tabela a seguir mostra os mltiplos do ohm, que so os valores usados na prtica.DenominaoMltiplo megohm quilohm Unidade ohm

SmboloM k

Valor em relao unidade106 ou 1000000 103 ou 1000 ---

Para fazer a converso dos valores, emprega-se o mesmo procedimento usado para outras unidades de medida. M k

Observe a seguir alguns exemplos de converso.

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120 =___________k k 1 2 0 120 = 0,12k 390k = ______________M M 3 9 k 0 M 0 390 k = 0,39 M 5,6k = ____________ k 5 5,6 k = 5600 470 = ____________ M M 4 7 0 M 0 0 0 k 0 4 7 0 6 k 5 6 0 0 3 9 k 0(posio da vrgula)

k 0 1 2

0 (nova posio da vrgula)

470 = 0,00047 M Observao O instrumento de medio da resistncia eltrica o ohmmetro porm, geralmente, mede-se a resistncia eltrica com o multmetro. Segunda Lei de Ohm George Simon Ohm foi um cientista que estudou a resistncia eltrica do ponto de vista dos elementos que tm influncia sobre ela. Por esse estudo, ele concluiu que a resistncia eltrica de um condutor depende fundamentalmente de quatro fatores a saber: 1. material do qual o condutor feito; 2. comprimento (L) do condutor; 3. rea de sua seo transversal (S); 4. temperatura no condutor.

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Para que se pudesse analisar a influncia de cada um desses fatores sobre a resistncia eltrica, foram realizadas vrias experincias variando-se apenas um dos fatores e mantendo constantes os trs restantes. Assim, por exemplo, para analisar a influncia do comprimento do condutor, manteve-se constante o tipo de material, sua temperatura e a rea da sesso transversal e variou-se seu comprimento. S S Sresistncia obtida = R resistncia obtida = 2R resistncia obtida = 3R

Com isso, verificou-se que a resistncia eltrica aumentava ou diminua na mesma proporo em que aumentava ou diminua o comprimento do condutor. Isso significa que: A resistncia eltrica diretamente proporcional ao comprimento do condutor. Para verificar a influncia da seo transversal, foram mantidos constantes o comprimento do condutor, o tipo de material e sua temperatura, variando-se apenas sua seo transversal. S 2.S 3.S resistncia obtida = R resistncia obtida = R/2 resistncia obtida = R/3

Desse modo, foi possvel verificar que a resistncia eltrica diminua medida que se aumentava a seo transversal do condutor. Inversamente, a resistncia eltrica aumentava, quando se diminua a seo transversal do condutor. Isso levou concluso de que: A resistncia eltrica de um condutor inversamente proporcional sua rea de seo transversal.

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Mantidas as constantes de comprimento, seo transversal e temperatura, variou-se o tipo de material: S S Scobre alumnio prata resistncia obtida = R1 resistncia obtida = R2 resistncia obtida = R3

L L L

Utilizando-se materiais diferentes, verificou-se que no havia relao entre eles. Com o mesmo material, todavia, a resistncia eltrica mantinha sempre o mesmo valor. A partir dessas experincia, estabeleceu-se uma constante de proporcionalidade que foi denominada de resistividade eltrica. Resistividade Eltrica Resistividade eltrica a resistncia eltrica especfica de um certo condutor com 1 metro de comprimento, 1 mm2 de rea de seo transversal, medida em temperatura ambiente constante de 20oC.2 A unidade de medida de resistividade o mm /m, representada pela letra grega

(l-se r). A tabela a seguir apresenta alguns materiais com seu respectivo valor de resistividade.MaterialAlumnio Cobre Estanho Ferro Nquel Zinco Chumbo Prata

( mm /m) a 20 C0,0278 0,0173 0,1195 0,1221 0,0780 0,0615 0,21 0,30

2

o

Diante desses experimentos, George Simon OHM estabeleceu a sua segunda lei que diz que: A resistncia eltrica de um condutor diretamente proporcional ao produto da resistividade especfica pelo seu comprimento, e inversamente proporcional sua rea de seo transversal.

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Matematicamente, essa lei representada pela seguinte equao: R = . L S

Nela, R a resistncia eltrica expressa em ; L o comprimento do condutor em metros (m); S a rea de seo transversal do condutor em milmetros quadrados (mm2) e a resistividade eltrica do material em . mm2/m. Influncia da Temperatura sobre a Resistncia Como j foi visto, a resistncia eltrica de um condutor depende do tipo de material de que ele constitudo e da mobilidade das partculas em seu interior. Na maior parte dos materiais, o aumento da temperatura significa maior resistncia eltrica. Isso acontece porque com o aumento da temperatura, h um aumento da agitao das partculas que constituem o material, aumentando as colises entre as partculas e os eltrons livres no interior do condutor. Isso particularmente verdadeiro no caso dos metais e suas ligas. Neste caso, necessrio um grande aumento na temperatura para que se possa notar uma pequena variao na resistncia eltrica. por esse motivo que eles so usados na fabricao de resistores. Conclui-se, ento, que em um condutor, a variao na resistncia eltrica relacionada ao aumento de temperatura depende diretamente da variao de resistividade eltrica prpria do material com o qual o condutor fabricado. Assim, uma vez conhecida a resistividade do material do condutor em uma determinada temperatura, possvel determinar seu novo valor em uma nova temperatura. Matematicamente faz-se isso por meio da expresso: f = o.(1 + . ) Nessa expresso, f a resistividade do material na temperatura final em . mm2/m; o a resistividade do material na temperatura inicial (geralmente 20o C) em . mm2/m; o coeficiente de temperatura do material (dado de tabela) e a variao de temperatura, ou seja, temperatura final - temperatura inicial, em oC.

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A tabela a seguir mostra os valores de coeficiente de temperatura dos materiais que correspondem variao da resistncia eltrica que o condutor do referido material com resistncia de 1 sofre quando a temperatura varia de 1oC.Material Cobre Alumnio Tungstnio Ferro Prata Platina Nicromo Constantan Coeficiente de temperatura ( C ) 0,0039 0,0032 0,0045 0,005 0,004 0,003 0,0002 0,00001o -1

Como exemplo, vamos determinar a resistividade do cobre na temperatura de 50oC, sabendo-se que temperatura de 20oC, sua resistividade corresponde a 0,0173 .mm2/m. o = 0,0173 (oC-1) = 0,0039 . (50 - 20) f = ? Como f = o.(1 + . ), ento: f = 0,0173 . (1 + 0,0039 . (50 - 20)) f = 0,0173 . (1 + 0,0039 . 30) f = 0,0173 . (1 + 0,117) f = 0,0173 . 1,117 f = 0,0193 .mm2/m

Exerccios 1. Responda s seguintes questes. a) O que resistncia eltrica?

b) Qual a unidade de medida da resistncia eltrica? Desenhe o smbolo da unidade.

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c) Faa as seguintes converses: 680 = 1,5M = 2,7k= 3,9K = k 3,3k = 180k = 0,15K = M

M 0,0047M =

d) Qual a denominao do instrumento destinado medio de resistncia eltrica?

e) Cite duas aplicaes prticas para a resistncia eltrica.

2. Responda s seguintes perguntas: a) Calcule a seo de um fio de alumnio com resistncia de 2 e comprimento de 100m.

b) Determine o material que constitui um fio, sabendo-se que seu comprimento de 150 m, sua seo de 4 mm2 e sua resistncia de 0,6488 .

c) Qual o enunciado da Segunda Lei de Ohm?

3. Resolva os seguintes exerccios. a) Determinar a resistncia eltrica de um condutor de cobre na temperatura de 20oC, sabendo-se que sua seo de 1,5 mm2 para os seguintes casos. 1) L = 50 cm

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2) L = 100 m

3) L = 3 km

b) Determine o comprimento de um fio de estanho com seo transversal de 2 mm2 e resistncia de 3 .

c) Determine a resistividade do alumnio na temperatura de 60oC.

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Associao de Resistncias

As resistncias entram na constituio da maioria dos circuitos eletrnicos formando associaes de resistncias. importante, pois, conhecer os tipos e caractersticas eltricas destas associaes, que so a base de qualquer atividade ligada eletroeletrnica. Esse captulo vai ajud-lo a identificar os tipos de associao e determinar suas resistncias equivalentes. Para entender uma associao de resistncias, preciso que voc j conhea o que so resistncias. Associao de Resistncias Associao de resistncias uma reunio de duas ou mais resistncias em um circuito eltrico, considerando-se resistncia como qualquer dificuldade passagem da corrente eltrica. Na associao de resistncias preciso considerar duas coisas: os terminais e os ns. Terminais so os pontos da associao conectados fonte geradora. Ns so os pontos em que ocorre a interligao de trs ou mais resistncias. Tipos de associao de resistncias As resistncias podem ser associadas de modo a formar diferentes circuitos eltricos, conforme mostram as figuras a seguir.R1 R2 R3 R1 R2 R3 R1 R2 R3

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Observao A poro do circuito que liga dois ns consecutivos chamada de ramo ou brao. Apesar do nmero de associaes diferentes que se pode obter interligando resistncias em um circuito eltrico, todas essas associaes classificam-se a partir de trs designaes bsicas: associao em srie; associao em paralelo; associao mista. Cada um desses tipos de associao apresenta caractersticas especficas de comportamento eltrico. Associao em Srie Nesse tipo de associao, as resistncias so interligadas de forma que exista apenas um caminho para a circulao da corrente eltrica entre os terminais.

Associao em Paralelo Trata-se de uma associao em que os terminais das resistncias esto interligados de forma que exista mais de um caminho para a circulao da corrente eltrica.

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Associao Mista a associao que se compe por grupos de resistncias em srie e em paralelo.

Resistncia Equivalente de uma Associao Srie Quando se associam resistncias, a resistncia eltrica entre os terminais diferente das resistncias individuais. Por essa razo, a resistncia de uma associao de resistncias recebe uma denominao especfica: resistncia total ou resistncia equivalente (Req). A resistncia equivalente de uma associao depende das resistncias que a compem e do tipo de associao. Ao longo de todo o circuito, a resistncia total a soma das resistncias parciais. Matematicamente, obtm-se a resistncia equivalente da associao em srie pela seguinte frmula: Req = R1 + R2 + R3 + ... + Rn Conveno R1, R2, R3,... Rn so os valores hmicos das resistncias associadas em srie. Vamos tomar como exemplo de associao em srie uma Resistncia de 120 e outra de 270 . Nesse caso, a resistncia equivalente entre os terminais obtida da seguinte forma: Req = R1 + R2 Req = 120 + 270 Req = 390

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Eletrnica I

O valor da resistncia equivalente de uma associao de resistncias em srie sempre maior que a resistncia de maior valor da associao. Resistncia Equivalente de uma Associao em Paralelo Na associao em paralelo h dois ou mais caminhos para a circulao da corrente eltrica. A resistncia equivalente de uma associao em paralelo de resistncias dada pela equao: Req = 1 1 1 1 + +...+ R1 R 2 Rn

Conveno R1, R2, ..., Rn so os valores hmicos das resistncias associadas. Vamos tomar como exemplo a associao em paralelo a seguir.

R1 = 10 R2 = 25 R3 = 20

Para obter a resistncia equivalente, basta aplicar a equao mostrada anteriormente, ou seja:Req = 1 1 1 1 + +...+ R1 R 2 Rn

Desse modo temos:

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SENAI

Eletrnica I

Req =

1 1 1 = = = 5,26 1 1 1 0,1+ 0,04 + 0,05 0,19 + + 10 25 20

Req = 5,26

O resultado encontrado comprova que a resistncia equivalente da associao em paralelo (5,26) menor que a resistncia de menor valor (10). Para associaes em paralelo com apenas duas resistncias, pode-se usar uma equao mais simples, deduzida da equao geral.

Tomando-se a equao geral, com apenas duas resistncias, temos:Req = 1 1 1 + R1 R 2

Invertendo ambos os membros, obtm-se: 1 1 1 = + Req R1 R 2 Colocando o denominador comum no segundo membro, temos:

R + R2 1 = 1 Re q R1xR 2 Invertendo os dois membros, obtemos: Re q = R1xR 2 R1 + R 2

Portanto, R1 e R2 so os valores hmicos das resistncias associadas.

SENAI

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Eletrnica I

Observe no circuito a seguir um exemplo de associao em paralelo em que se emprega a frmula para duas resistncias. Re q = R1xR 2 1200 x680 816000 + = = 434 R1 + R 2 1200 + 680 1880

Req = 434

Pode-se tambm associar em paralelo duas ou mais resistncias, todas de mesmo valor.

Nesse caso, emprega-se uma terceira equao, especfica para associaes em paralelo na qual todas as resistncias tm o mesmo valor. Esta equao tambm deduzida da equao geral. Vamos tomar a equao geral para "n" resistncias. Nesse caso temos: 1 1 1 1 + +...+ R1 R 2 Rn

Req =

Como R1, R2, ... e Rn tm o mesmo valor, podemos reescrever: Req = 1 1 1 1 + +...+ R R R = 1 1 n( ) RSENAI

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Eletrnica I

Operando o denominador do segundo membro, obtemos: Req = 1 n R

O segundo membro uma diviso de fraes. De sua resoluo resulta: Req = R n

Conveno R o valor de uma resistncia (todas tm o mesmo valor). n o nmero de resistncias de mesmo valor associadas em paralelo. Portanto, as trs resistncias de 120 associadas em paralelo tm uma resistncia equivalente a: R 120 = = 40 n 3

Req =

Req = 40

Desse modo, o valor da resistncia equivalente de uma associao de resistncias em paralelo sempre menor que a resistncia de menor valor da associao. Resistncia Equivalente de uma Associao Mista Para determinar a resistncia equivalente de uma associao mista, procede-se da seguinte maneira: 1. A partir dos ns, divide-se a associao em pequenas partes de forma que possam ser calculadas como associaes em srie ou em paralelo.

SENAI

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Eletrnica I

2. Uma vez identificados os ns, procura-se analisar como esto ligados as resistncias entre cada dois ns do circuito. Nesse caso, as resistncias R2 e R3 esto em paralelo.

3. Desconsidera-se, ento, tudo o que est antes e depois desses ns e examina-se a forma como R2 e R3 esto associadas para verificar se se trata de uma associao em paralelo de duas resistncias.

4. Determina-se ento a Req dessas duas resistncias associadas em paralelo, aplicando-se a frmula a seguir. Re q = R 2 xR 3 180 x270 48600 = = = 108 R 2 + R 3 180 + 270 450

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Eletrnica I

Portanto, as resistncias associadas R2 e R3 apresentam 108 de resistncia passagem da corrente no circuito. Se as resistncias R2 e R3 em paralelo forem substitudos por uma resistncia de 108 , identificada por exemplo por RA, o circuito no se altera.

Ao substituir a associao mista original, torna-se uma associao em srie simples, constituda pelas resistncias R1, RA e R4. Determina-se a resistncia equivalente de toda a associao pela equao da associao em srie: Req = R1 + R2 + R3 + ........... Usando os valores do circuito, obtm-se: Req = R1 + RA + R4 Req = 560 + 108 + 1200 = 1868 O resultado significa que toda a associao mista original tem o mesmo efeito para a corrente eltrica que uma nica resistncia de 1868 .

SENAI

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Eletrnica I

A seguir, apresentamos um exemplo de circuito misto, com a seqncia de procedimentos para determinar a resistncia equivalente.

Da anlise do circuito, deduz-se que as resistncias R1 e R2 esto em srie e podem ser substitudas por um nica resistncia RA que tenha o mesmo efeito resultante. Na associao em srie emprega-se a frmula a seguir. Req = R1 + R2 + .... Portanto: RA = R1 + R2 RA = 10000 + 3300 = 13300 Substituindo R1 e R2 pelo seu valor equivalente no circuito original, obtemos o que mostra a figura a seguir.

Da anlise do circuito formado por RA e R3, deduz-se que essas resistncias esto em paralelo e podem ser substitudas por uma nica resistncia, com o mesmo efeito. Para a associao em paralelo de duas resistncias, emprega-se a frmula a seguir.

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Eletrnica I

Re q =

R1xR 2 R1 + R 2

ou

Re q =

R A xR 3 13300 x68000 = = 11124 R A + R 3 13300 + 68000

Portanto, toda a associao mista pode ser substituda por uma nica resistncia de 11.124 .

Aplicando-se a associao de resistncias ou uma nica resistncia de 11.124 a uma fonte de alimentao, o resultado em termos de corrente o mesmo.

Exerccios 1. Responda s seguintes perguntas: a) Qual a caracterstica fundamental de uma associao srie com relao aos caminhos para a circulao da corrente eltrica?

b) Qual a caracterstica fundamental de uma associao em paralelo com relao aos caminhos para a circulao da corrente eltrica?

c) Identifique os tipos de associao (srie, em paralelo ou mista) nos circuitos a seguir. 1)

SENAI

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Eletrnica I

2)

3)

4)

5)

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SENAI

Eletrnica I

6)

2. Faa o que se pede. a) Determine a resistncia equivalente das seguintes associaes em srie. 1)

2)

3)

SENAI

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Eletrnica I

4)

5)

b) Determine a resistncia equivalente das associaes em paralelo a seguir. 1)

2)

3)

4)

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Eletrnica I

5)

a) Registre ao lado de cada associao a equao mais adequada para o clculo da resistncia equivalente. 1)

2)

3)

4)SENAI

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Eletrnica I

d) Determine a resistncia equivalente entre os ns indicados em cada uma das associaes de resistncias. 1 - Entre os ns A e B

2 - Entre os ns B e C

d) Determine, na seqncia, os valores RA, RB e Req em cada uma das associaes. 1)

2)

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SENAI

Eletrnica I

3)

f) Determine, na seqncia, as resistncias equivalentes totais de cada uma das associaes a seguir. 1)

3)

d) Tomando como base o conjunto de resistncias abaixo, determine os valores pedidos a seguir.

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Eletrnica I

A resistncia equivalente, vista dos pontos A e C (ou seja, considerando os pontos A e C como terminais do circuito). ReqTC = _________________ A resistncia equivalente, vista dos pontos D e C. ReqDC = _________________ A resistncia equivalente vista dos pontos B e C. ReqBC = _________________ A resistncia equivalente, vista dos pontos A e D. ReqAD = _________________

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Eletrnica I

Lei de Ohm

Muitos cientistas tm se dedicado ao estudo da eletricidade. Georg Simon Ohm, por exemplo, estudou a corrente eltrica e definiu uma relao entre corrente, tenso e resistncia eltricas em um circuito. Foi a partir dessas descobertas que se formulou a Lei de Ohm. Embora os conhecimentos sobre eletricidade tenham sido ampliados, a Lei de Ohm continua sendo uma lei bsica da eletricidade e eletrnica, por isso conhec-la fundamental para o estudo e compreenso dos circuitos eletroeletrnicos. Esta aula vai tratar da Lei de Ohm e da forma como a corrente eltrica medida. Desse modo, voc ser capaz de determinar matematicamente e medir os valores das grandezas eltricas em um circuito. Para desenvolver de modo satisfatrio os contedos e atividades aqui apresentados, voc j dever conhecer tenso eltrica, corrente e resistncia eltrica e os respectivos instrumentos de medio.

Determinao Experimental da Primeira Lei de Ohm A Lei de Ohm estabelece uma relao entre as grandezas eltricas: tenso ( V ), corrente ( I ) e resistncia ( R ) em um circuito. Verifica-se a Lei de Ohm a partir de medies de tenso, corrente e resistncia realizadas em circuitos eltricos simples, compostos por uma fonte geradora e um resistor. Montando-se um circuito eltrico com uma fonte geradora de 9V e um resistor de

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Eletrnica I

100 , notamos que no multmetro, ajustado na escala de miliampermetro, a corrente circulante de 90 mA.smbolo do miliampermetro

Formulando a questo, temos: V=9V R = 100 I = 90 mA Vamos substituir o resistor de 100 por outro de 200. Nesse caso, a resistncia do circuito torna-se maior. O circuito impe uma oposio mais intensa passagem da corrente e faz com que a corrente circulante seja menor.multmetro

Formulando a questo, temos: V=9V R = 200 I = 45 mA medida que aumenta o valor do resistor, aumenta tambm a oposio passagem da corrente que decresce na mesma proporo.multmetro

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Eletrnica I

Formulando a questo, temos: V=9V R = 400 I = 22,5 mA Colocando em tabela os valores obtidos nas diversas situaes, obtemos:Situao1 2 3

Tenso (V)9V 9V 9V

Resistncia (R)100 200 400

Corrente ( I )90 mA 45 mA 22,5 mA

Analisando-se a tabela de valores, verifica-se: A tenso aplicada ao circuito sempre a mesma; portanto, as variaes da corrente so provocadas pela mudana de resistncia do circuito. Ou seja, quando a resistncia do circuito aumenta, a corrente no circuito diminui. Dividindo-se o valor de tenso aplicada pela resistncia do circuito, obtm-se o valor da intensidade de corrente:Tenso aplicada9V 9V 9V

Resistncia100 200 400

Corrente= 90 mA = 45 mA = 22,5 mA

A partir dessas observaes, conclui-se que o valor de corrente que circula em um circuito pode ser encontrado dividindo-se o valor de tenso aplicada pela sua resistncia. Transformando esta afirmao em equao matemtica, tem-se a Lei de Ohm: I = V R

Com base nessa equao, enuncia-se a Lei de Ohm: A intensidade da corrente eltrica em um circuito diretamente proporcional tenso aplicada e inversamente proporcional sua resistncia.

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Eletrnica I

Aplicao da Lei de Ohm Utiliza-se a Lei de Ohm para determinar os valores de tenso ( V ), corrente ( I ) ou resistncia ( R ) em um circuito. Portanto, para obter em um circuito o valor desconhecido, basta conhecer dois dos valores da equao da Lei de Ohm: V e I, I e R ou V e R. Para determinar um valor desconhecido, a partir da frmula bsica, usa-se as operaes matemticas e isola-se o termo procurado . Frmula bsica: I = V R

Frmulas derivadas: R = V I

V=R.I Para que as equaes decorrentes da Lei de Ohm sejam utilizadas, os valores das grandezas eltricas devem ser expressos nas unidades fundamentais: volt ( V ) ohm ( ) Observao Caso os valores de um circuito estejam expressos em mltiplos ou submltiplos das unidades, esses valores devem ser convertidos para as unidades fundamentais antes de serem usados nas equaes. Estude a seguir alguns exemplos de aplicao da Lei de Ohm tenso resistncia ampre ( A ) corrente

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Eletrnica I

Exemplo 1 - Vamos supor que uma lmpada utiliza uma alimentao de 6V e tem 120 de resistncia. Qual o valor da corrente que circula pela lmpada quando ligada? Formulando a questo, temos: V = 6V R = 120 I=? Como os valores de V e R j esto nas unidades fundamentais volt e ohm, basta aplicar os valores na equao: I= V 6 = = 0,05A R 120

O resultado dado tambm na unidade fundamental de intensidade de corrente. Portanto, circulam 0,05 A ou 50 mA quando se liga a lmpada. Exemplo 2 - Vamos supor tambm que o motor de um carrinho de autorama atinge a rotao mxima ao receber 9 V da fonte de alimentao. Nessa situao a corrente do motor de 230 mA. Qual a resistncia do motor? Formulando a questo, temos: V = 9V I = 230 mA (ou 0,23A) R=? R= V 9 = = 39,1 I 0,23

Exemplo 3 - Por fim, vamos supor que um resistor de 22 k foi conectado a uma fonte cuja tenso de sada desconhecida. Um miliampermetro colocado em srie no circuito indicou uma corrente de 0,75 mA. Qual a tenso na sada da fonte? Formulando a questo, temos: I = 0,75 mA ( ou 0,00075A) R = 22 k ( ou 22000) R=? V=R.I V = 22000 . 0,00075 = 16,5 V Portanto, V = 16,5V

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Eletrnica I

Exerccios 1. Responda s seguintes questes. a) Qual a equao da Lei de Ohm?

b) D as equaes para o clculo da corrente, tenso e resistncia, segundo a Lei de Ohm.

c) Enuncie a Lei de Ohm.

d) No circuito a seguir calcule os valores, segundo a Lei de Ohm.

a) V = 5V R = 330 I = ________________ c) V = 30V I = 0,18A R = ________________ e) V = 600 mV R = 48 I = ________________

b) I = 15 mA R = 1,2K V = ______________ d) I = 750A R = 0,68M V = ______________ f) V = 12V I = 1250A R = _______________

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Eletrnica I

g) V = 5V I = 170 mA R = ________________ i) V = 60V R = 680 I = ________________ h) I = 1,2A V = 30V R = ________________

h) I = 300A R = 47k V = ______________ j) V= 12V R = 400 I = ________________ R = 390k I = 540A V = ______________

2. Resolva os problemas a seguir usando a Lei de Ohm. a) Um componente eletrnico absorve uma corrente de 10 mA quando a tenso nos seus terminais 1,7V. Qual a resistncia do componente?

b) Um alarme eletrnico anti-roubo para automveis funciona com uma tenso de 12V. Sabendo-se que, enquanto o alarme no disparado, sua resistncia de 400, calcule a corrente que circula no aparelho.

c) O mesmo alarme do problema anterior (alimentao 12V), quando disparado, absorve 2A da bateria. Qual a sua resistncia quando disparado?

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Eletrnica I

d) Um toca-fitas de automvel exige 0,6A da bateria. Sabendo-se que, nesta condio, sua resistncia interna de 10, determinar pela Lei de Ohm se o automvel tem bateria de 6 ou 12V.

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Eletrnica I

Potncia Eltrica em CC

Certos conceitos de fsica j fazem parte do nosso dia-a-dia. Quando se opta, por exemplo, por uma lmpada de menor potncia para gastar menos energia eltrica, est-se aplicando um conceito de fsica chamado potncia. Potncia um conceito que est diretamente ligado idia de fora, produo de som, calor, luz e at mesmo ao gasto de energia. Estudando esta unidade sobre a potncia eltrica em CC, voc ter oportunidade de aprender como se determina a potncia dissipada por uma carga ligada a uma fonte de energia eltrica. Para desenvolver satisfatoriamente os contedos e atividades aqui apresentadas, voc dever conhecer resistores e Lei de Ohm.

Potncia Eltrica em CC Ao passar por uma carga instalada em um circuito, a corrente eltrica produz, entre outros efeitos, calor, luz e movimento. Esses efeitos so denominados de trabalho. O trabalho de transformao de energia eltrica em outra forma de energia realizado pelo consumidor ou pela carga. Ao transformar a energia eltrica, o consumidor realiza um trabalho eltrico. O tipo de trabalho depende da natureza do consumidor de energia. Um aquecedor, por exemplo, produz calor; uma lmpada, luz; um ventilador, movimento.

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Eletrnica I

A capacidade de cada consumidor produzir trabalho, em determinado tempo, a partir da energia eltrica chamada de potncia eltrica, representada pela seguinte frmula: P = t

Onde P a potncia; (l-se tal) o trabalho e t o tempo. Para dimensionar corretamente cada componente em um circuito eltrico preciso conhecer a sua potncia. Trabalho Eltrico Os circuitos eltricos so montados visando ao aproveitamento da energia eltrica. Nesses circuitos a energia eltrica convertida em calor, luz e movimento. Isso significa que o trabalho eltrico pode gerar os seguintes efeitos: Efeito calorfico - Nos foges, chuveiros, aquecedores, a energia eltrica converte-se em calor. Efeito luminoso - Nas lmpadas, a energia eltrica converte-se em luz (e tambm uma parcela em calor). Efeito mecnico - Os motores convertem energia eltrica em fora motriz, ou seja, em movimento.efeito luminoso

efeito calorfico

efeito mecnico

Potncia Eltrica Analisando um tipo de carga como as lmpadas, por exemplo, vemos que nem todas produzem a mesma quantidade de luz. Umas produzem grandes quantidades de luz e outras, pequenas quantidades. Da mesma forma, existem aquecedores que fervem um litro de gua em 10 min e outros que o fazem em apenas cinco minutos. Tanto um quanto outro aquecedor realizam o mesmo trabalho eltrico: auqecer um litro de gua temperatura de 100o C.88SENAI

Eletrnica I

A nica diferena que um deles mais rpido, realizando o trabalho em menor tempo. A partir da potncia, possvel relacionar trabalho eltrico realizado e tempo necessrio para sua realizao. Potncia eltrica , pois, a capacidade de realizar um trabalho numa unidade de tempo, a partir da energia eltrica. Assim, pode-se afirmar que so de potncias diferentes: as lmpadas que produzem intensidade luminosa diferente; os aquecedores que levam tempos diferentes para ferver uma mesma quantidade de gua; motores de elevadores (grande potncia) e de gravadores (pequena potncia). Unidade de Medida da Potncia Eltrica A potncia eltrica uma grandeza e, como tal, pode ser medida. A unidade de medida da potncia eltrica o watt, simbolizado pela letra W. Um watt (1W) corresponde potncia desenvolvida no tempo de um segundo em uma carga, alimentada por uma tenso de 1V, na qual circula uma corrente de 1A.

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A unidade de medida da potncia eltrica watt tem mltiplos e submltiplos como mostra a tabela a seguir.DenominaoMltiplo Unidade Submltiplos quilowatt Watt miliwatt microwatt KW W mW W

Valor em relao ao watt103 W ou 1000 W 1W 10-3 W ou 0,001 W 10-6 ou 0,000001 W

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Eletrnica I

Na converso de valores, usa-se o mesmo sistema de outras unidades. KW W mW W

Observe a seguir alguns exemplos de converso a) 1,3W = __________ mW W mW 1 3 (posio inicial da vrgula) W 1 mW 0

3

0

(posio atual da vrgula)

1,3 W = 1300 mW b) 350W = ___________ KW KW W 3 5 0 350 W = 0,35 KW c) 640 mW = ___________ W W mW 6 4 0 640 mW = 0,64 W d) 2,1 KW = ____________ W KW W 2 1 2,1 KW = 2100 W Determinao da Potncia de um Consumidor em CC A potncia eltrica (P) de um consumidor depende da tenso aplicada e da corrente que circula nos seus terminais. Matematicamente, essa relao representada pela seguinte frmula: P = V . I. Nessa frmula V a tenso entre os terminais do consumidor expressa em volts (V); I a corrente circulante no consumidor, expressa em ampres (A) e P a potncia dissipada expressa em watts (W). Exemplo - Uma lmpada de lanterna de 6 V solicita uma corrente de 0,5 A das pilhas. Qual a potncia da lmpada? Formulando a questo, temos:90SENAI

KW 0

W 3 5

W 0

6

4

mW 0

KW 2

1

0

W 0

Eletrnica I

V = 6V I = 0,5A P=?

tenso nos terminais da lmpada corrente atravs da lmpada

Como P = V . I P = 6 . 0,5 = 3W Portanto, P = 3W A partir dessa frmula inicial, obtm-se facilmente as equaes de corrente para o clculo de qualquer das trs grandezas da equao. Desse modo temos: clculo da potncia quando se dispe da tenso e da corrente: P = V . I. clculo da corrente quando se dispe da potncia e da tenso: I= P V

clculo da tenso quando se dispe da potncia e da corrente: V= P I

Muitas vezes preciso calcular a potncia de um componente e no se dispe da tenso e da corrente. Quando no se dispe da tenso (V) no possvel calcular a potncia pela equao P = V . I. Esta dificuldade pode ser solucionada com auxlio da Lei de Ohm. Para facilitar a anlise, denomina-se a frmula da Primeira Lei de Ohm, ou seja, V = R . I, da equao I e a frmula da potncia, ou seja, P = V . I, de equao II. Em seguida, substitui-se V da equao II pela definio de V da equao I: V= R.I P= V . I equao II equao I

Assim sendo, pode-se dizer que P = R . I . I, ou P = R . I2 Esta equao pode ser usada para determinar a potncia de um componente. conhecida como equao da potncia por efeito joule.

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Eletrnica I

Observao Efeito joule o efeito trmico produzido pela passagem de corrente eltrica atravs de uma resistncia Pode-se realizar o mesmo tipo de deduo para obter uma equao que permita determinar a potncia a partir da tenso e resistncia. Assim, pela Lei de Ohm, temos: I= V equao I R

P = V . I equao II Fazendo a substituio, obtm-se: P = V. V R

Que pode ser escrita da seguinte maneira: P = V2 R

A partir das equaes bsicas, possvel obter outras equaes por meio de operaes matemticas. Frmulas bsicas Frmulas derivadas P I2

R = P = R . I2 I =

P R P. R

V = V2 RR= V2 P

P =

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Eletrnica I

A seguir so fornecidos alguns exemplos de como se utilizam as equaes para determinar a potncia. Exemplo 1 - Um aquecedor eltrico tem uma resistncia de 8 e solicita uma corrente de 10 A. Qual a sua potncia? Formulando a questo, temos: I = 10 A R=8 P=? Aplicando a frmula P = I2 . R, temos:2 P = 10 . 8

P = 800 W

Exemplo 2 - Um isqueiro de automvel funciona com 12 V fornecidos pela bateria. Sabendo que a resistncia do isqueiro de 3 , calcular a potncia dissipada. Formulando a questo, temos: V = 12 V R=3 P=? Aplicando a frmula:2 P= V R 2 P = 12 3

P = 48 W

Potncia Nominal Certos aparelhos como chuveiros, lmpadas e motores tm uma caracterstica particular: seu funcionamento obedece a uma tenso previamente estabelecida. Assim, existem chuveiros para 110V ou 220V; lmpadas para 6V, 12V, 110V, 220V e outras tenses; motores, para 110V, 220V, 380V, 760V e outras. Esta tenso, para a qual estes consumidores so fabricados, chama-se tenso nominal de funcionamento. Por isso, os consumidores que apresentam tais caractersticas devem sempre ser ligados na tenso correta (nominal), normalmente especificada no seu corpo.

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Eletrnica I

Quando esses aparelhos so ligados corretamente, a quantidade de calor, luz ou movimento produzida exatamente aquela para a qual foram projetados. Por exemplo, uma lmpada de 110 V/60 W ligada corretamente (em 110 V) produz 60 W entre luz e calor. A lmpada, nesse caso, est dissipando a sua potncia nominal. Portanto, potncia nominal a potncia para qual um consumidor foi projetado. Enquanto uma lmpada, aquecedor ou motor trabalha dissipando sua potncia nominal, sua condio de funcionamento ideal. Limite de Dissipao de Potncia H um grande nmero de componentes eletrnicos que se caracteriza por no ter uma tenso de funcionamento especificada. Estes componentes podem funcionar com os mais diversos valores de tenso. o caso dos resistores que no trazem nenhuma referncia quanto tenso nominal de funcionamento. Entretanto, pode-se calcular qualquer potncia dissipada por um resistor ligado a uma fonte geradora. Vamos tomar como exemplo o circuito apresentado na figura a seguir.

A potncia dissipada P = V 2 10 2 100 = = =1 R 100 100

P=1W

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Eletrnica I

Como o resistor no produz luz ou movimento, esta potncia dissipada em forma de calor que aquece o componente. Por isso necessrio verificar se a quantidade de calor produzida pelo resistor no excessiva a ponto de danific-lo Desse modo podemos estabelecer a seguinte relao: maior potncia dissipada menor potncia dissipada maior aquecimento menor aquecimento

Portanto, se a dissipao de potncia for limitada, a produo de calor tambm o ser.

Exerccios 1. Responda s seguintes perguntas. a) O que se pode dizer sobre a potncia de dois aquecedores, sabendo-se que um deles produz maior quantidade de calor que o outro no mesmo tempo?

b) Cite dois exemplos de efeitos que podem ser obtidos a partir da energia eltrica

c) O que potncia eltrica? Qual a sua unidade de medida?

d) Faa as converses: 0,25 W = ___________ mW 180 mW = __________ W 200 W = ___________ mW 1 k W = __________ W 35 W = __________ KW 0,07 W = __________ mW

2. Resolva as seguintes questes.SENAI

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Eletrnica I

a) Qual a equao para determinar a potncia de um consumidor?

b) D a equao conhecida como potncia eltrica por efeito Joule.

c) Determine os valores solicitados em cada uma das situaes a seguir, tomando o circuito desenhado abaixo como referncia.

V = 10 V R = 56 I = ___________ P = ___________ P = 0,3 W V = 12 V I = ____________ R = ____________ P = 1W I = 0,25A V = ___________ R = ____________

I = 120 mA V=5V R = __________ P = __________ R = 89 I = 0,35 A P = __________ V = ________ V = 30V R = 4,7k I = __________ P = __________

3. Resolva os seguintes problemas. a) O motor de partida de automvel de 12 V solicita uma corrente de 50 A. Qual a potncia do motor de partida?

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SENAI

Eletrnica I

b) Uma lmpada tem as seguintes caractersticas 110 V - 100 W. Que corrente esta lmpada solicita da rede eltrica, quando ligada?

c) Um sistema de aquecedores se compe de dois resistores de 15 ligados em srie. Sabendo-se que, quando ligado, a corrente do sistema de 8 A, determinar a sua potncia (use a equao da resistncia total e posteriormente a da potncia por efeito joule).

4. Responda s seguintes perguntas. a) O que potncia nominal de um aparelho eltrico?

b) Por que importante conhecer a tenso nominal de funcionamento de um aparelho antes de conect-lo rede eltrica?

c) A placa de especificao de um aquecedor apresenta os seguintes dados: 5 A, 600 W. Qual a tenso nominal do aquecedor?

d) Nos circuitos abaixo, determine a potncia real dissipada nos resistores R1, R2 e R3.

P1 = _____________

SENAI

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Eletrnica I

P2 = ________________

P3 = _______________ e) Considerando os resultados da questo anterior, complete a especificao de cada um dos resistores para que trabalhem frios (PReal 30% de Pnominal). R1 = _______________ Tipo R2 = _______________ Tipo R3 = _______________ Tipo 330 10% _______________ Pnominal 1,2 k 5% _______________ Pnominal 47 k 5% _______________ Pnominal

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SENAI

Eletrnica I

Primeira Lei de Kirchhoff

Em geral, os circuitos eletrnicos constituem-se de vrios componentes, todos funcionando simultaneamente. Ao abrir um rdio porttil ou outro aparelho eletrnico qualquer, observamos quantos componentes so necessrios para faz-lo funcionar. Ao ligar um aparelho, a corrente flui por muitos caminhos; e a tenso fornecida pela fonte de energia distribui-se pelos componentes. Esta distribuio de corrente e tenso obedece a duas leis fundamentais formuladas por Kirchhoff. Entretanto, para compreender a distribuio das correntes e tenses em circuitos que compem um rdio porttil, por exemplo, precisamos compreender antes como ocorre esta distribuio em circuitos simples, formados apenas por resistores, lmpadas, etc... Esta lio vai tratar das Leis de Kirchhoff e da medio da tenso e da corrente em circuitos com mais de uma carga, visando capacit-lo a calcular e medir tenses e correntes em circuitos desse tipo. Para desenvolver satisfatoriamente os contedos e as atividades aqui apresentados, voc dever saber previamente o que associao de resistores e Lei de Ohm.

Primeira Lei de Kirchhoff A Primeira Lei de Kirchhoff, tambm chamada de Lei das Correntes de Kirchhoff (LCK) ou Lei dos Ns, refere-se forma como a corrente se distribui nos circuitos em paralelo.

SENAI

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Eletrnica I

A partir da