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Eletricidade I

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Estrutura atómica da matéria

Os protões e os neutrões encontram-se no núcleo dos átomos.

Os electrões têm carga eléctrica negativa e giram em órbitas electrónicas à volta do núcleo dos átomos.

Os electrões das últimas órbitas electrónicas que conseguem sair ficam livres e designam-se por electrões livres.

A matéria quer se encontre no estado sólido, liquido ou gasoso é constituída por moléculas, as moléculas por átomos e os átomos por electrões, protões e neutrões.

Órbita electrónica

Electrão livre

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Intensidade da corrente eléctrica

A intensidade da corrente eléctrica (I) é o movimento orientado desses electrões livres ao longo dos condutores eléctricos.

Condutor eléctricoElectrões livres

Os condutores eléctricos (cobre, prata, alumínio) têm muitos electrões livres por isso são usados para conduzir a corrente eléctrica.

Os isoladores eléctricos (plástico, borracha, baquelite) não têm electrões livres por isso não conduzem a corrente eléctrica.

Grandeza eléctrica Unidade Aparelho de medida

Intensidade da corrente elétrica (I) Ampére (A) Amperímetro

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Sentido da corrente elétrica

O sentido convencional da corrente elétrica é do potencial positivo (+) para o potencial negativo (-) do gerador.

O sentido real da corrente elétrica é do potencial negativo (-) para o potencial positivo (+) do gerador.

Condutor eléctricoElectrões livres

+ _

+_

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Tensão ou diferença de potencial

Grandeza eléctrica Unidade Aparelho de medida

Tensão ou diferença de potencial (U) Volt (V) Voltímetro

Para que haja um movimento orientado dos electrões livres é necessário aplicar ao condutor eléctrico uma tensão (U) através da utilização de um gerador eléctrico (pilha, bateria, dínamo ou alternador).

Na figura vemos o gerador (bateria) que é responsável por criar uma tensão (U) ou diferença de potencial que vai ser responsável pelo movimento orientado dos electrões livres que se encontram nos condutores eléctricos e que ao passarem no filamento da lâmpada (receptor) vão provocar a emissão de luz.

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Força eletromotriz – f.e.m.

Um gerador é um dispositivo ou aparelho que mantém constante a d.d.p. aos seus terminais. Quando se liga o terminal positivo ao negativo através de um receptor vai haver movimento de cargas eléctricas, corrente eléctrica. O gerador vai manter a diferença de potencial para que continue a haver corrente. O que faz com que a o gerador mantenha a d.d.p., repondo as cargas internamente do pólo positivo para o negativo é a sua força electromotriz, que se exprime em volts.

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Resistência elétrica

A resistência eléctrica (R) consiste na dificuldade que os materiais apresentam à passagem da corrente eléctrica.

Os materiais condutores (cobre, prata, alumínio) têm muitos electrões livres por isso são usados para conduzir a corrente eléctrica, já que apresentam uma resistência praticamente nula (R ≈ 0).

Os materiais isoladores (plástico, borracha, baquelite) não têm electrões livres por isso não conduzem a corrente eléctrica oferecendo uma grande resistência à sua passagem (R ≈ ∞).

Grandeza eléctrica Unidade Aparelho de medida

Resistência eléctrica (R) Ohm () Ohmímetro

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Resistividade elétricaA resistência eléctrica (R) de um condutor aumenta com o seu comprimento (l) e diminui se a sua secção (S) aumentar.Considerando o comprimento do condutor expresso em metros (m) e a secção do condutor em milímetros quadrados (mm2), a resistência é expressa em ohm (Ω).

Na expressão aparece um coeficiente de proporcionalidade (ρ) denominado de resistividade eléctrica que é uma medida da oposição de um dado material à passagem da corrente eléctrica. Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite a passagem da corrente elétrica.

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Múltiplos e Submúltiplos

Sucede por vezes, que a unidade adoptada é muito maior ou muito menor do que a grandeza a medir. Assim, teremos de usar submúltiplos ou múltiplos dessa unidade.O quadro seguinte indica as designações de alguns dos prefixos mais usados.

Prefixo Símbolo Factor de multiplicação

Múltiplos

quilomegagigatera

KMGT

1 000 = 103

1 000 000 = 106

1 000 000 000 = 109

1 000 000 000 000 = 1012

Submúltiplos

milimicronanopico

mµnp

0,001 = 10-3

0,000 001 = 10-6

0,000 000 001 = 10-9

0,000 000 000 001 = 10-12

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Lei de OhmQuando aos terminais de um circuito de resistência R [Ω] é aplicada uma diferença de potencial U [V], produz-se nele uma corrente de intensidade I [A], cujo valor obedece à expressão:

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Aplicação da lei de Ohm

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Circuito eléctricoQualquer circuito eléctrico é constituído por gerador, receptor, condutores eléctricos e geralmente por um aparelho de comando.

Gerador

Receptor

Co

nd

uto

res

Aparelho de comando

Geradores de corrente contínua:Pilha, bateria de acumuladores ou dínamo.

Gerador de corrente alternada:Alternador.

Receptores:Lâmpada, campainha, motor, electrodomésticos.

Aparelhos de comando:Interruptor, botão de pressão.

Condutores eléctricos:Condutor de cobre com um isolamento exterior de plástico.

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SimbologiaUm circuito eléctrico é representado por um esquema eléctrico através de símbolos.

Pilha Campainha

Bateria de acumuladores

Motor

Dínamo Interruptor

Alternador Botão de pressão

Lâmpada Condutor

M

G ~

G _

+ _

+ _

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Circuito elétrico aberto e fechado

+ _

O circuito eléctrico está aberto porque o interruptor não permite a passagem da corrente eléctrica logo a lâmpada estará apagada.

+ _

O circuito eléctrico está fechado porque o interruptor permite a passagem da corrente eléctrica logo a lâmpada estará acesa.

Um interruptor a comandar uma lâmpada.

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Efeitos da corrente elétricaA corrente eléctrica quando percorre um circuito eléctrico pode produzir os seguintes efeitos: Efeito calorífico, efeito luminoso, efeito magnético, efeito mecânico, efeito químico.

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Ligação em série de resistênciasAs resistências são ligadas umas a seguir às outras.

RT = R1 + R2 + R3

Síntese das características da associação sériea) A intensidade I é a mesma em todas as resistências b) A tensão total aplicada é igual à soma das tensões parciais nas diferentes resistências UT = U1 + U2 + U3 +...Un c) A resistência total equivalente é igual à soma das resistências parciais RT = R1+ R2 + R3+…Rn

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Receptores ligados em série

Inconvenientes da ligação em série de receptores:

•Se um dos receptores avariar (por exemplo uma lâmpada fundir) a corrente eléctrica já não passa para os outros receptores ou seja, o circuito fica interrompido para os restantes receptores.

•A tensão aplicada pelo gerador ao circuito divide-se pelo número de receptores.

+ _

9 Volt

3 Volt 3 Volt 3 Volt

Os receptores são ligados uns a seguir aos outros.

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Ligação em paralelo de resistênciasAs resistências estão ligadas em paralelo ou em derivação, quando as extremidades das resistências estão ligadas entre si.

Síntese das características da associação em paralelo:a) A tensão é a mesma em todas as resistências. b) A Intensidade total (IT) é igual à soma das intensidades parciais nas diferentes resistências IT = I1 + I2 + I3 +.....In c) A resistência total equivalente é igual à soma dos inversos das resistências parciais d) A resistência total equivalente é sempre menor que a menor das resistências parciais.

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Receptores ligados em paraleloOs receptores são ligados uns aos terminais dos outros.

Vantagens da ligação em paralelo dos receptores:

•Se um dos receptores avariar (por exemplo uma das lâmpadas fundir) os outros continuam a funcionar porque a corrente continua a poder passar por eles.

•A tensão aplicada pelo gerador ao circuito é a tensão que fica aplicada em cada receptor independentemente do seu número.

Por estes motivos é que todos os receptores das nossas casas estão ligados em paralelo.

+ _

9 Volt

9 Volt

9 Volt

9 Volt

Nó ou derivação

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Potência elétrica

A potência eléctrica de um equipamento pode ser calculada através da tensão aplicada e da corrente consumida.

A energia eléctrica (W) consumida por um equipamento é definida como sendo o produto da potência eléctrica pelo tempo.

A unidade de potência eléctrica (P) é o watt (W), do tempo (t) é a hora (h) logo, a unidade de energia elétrica é o Watt-hora (Wh)

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Efeito de Joule

Já foi referido que um dos efeitos da corrente elétrica é o efeito calorífico, ou seja, esta provoca o aquecimento de todos os condutores e aparelhos que percorre. Este efeito toma o nome de Efeito de Joule.

A energia elétrica transformada em energia calorífica no circuito elétrico de um recetor é diretamente proporcional à resistência deste, ao quadrado da intensidade da corrente que o percorre e ao tempo de passagem desta.

A corrente é expressa em amperes (A), a resistência em ohm (Ω), o tempo em segundos (s) e o calor é expresso em joules (J).

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Ligação do amperímetro e voltímetro

O Voltímetro é ligado em paralelo ou em derivação aos terminais do recetor ou do gerador

O Amperímetro é ligado em série no circuito.

+ _

A+ _

+ _

V+ _

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Multímetro

O multímetro é um aparelho de medida que permite medir a Intensidade da corrente eléctrica, a Tensão ou diferença de potencial, a Resistência eléctrica, verificar a continuidade eléctrica, etc.

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Transformações energéticasDínamo - Transforma energia mecânica em energia elétrica

η = Pu : Pa

η – rendimentoPu – Potência útil(Potência elétrica)

Pa – Potência absorvida (Potência mecânica)

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Transformações energéticasMotor – Transforma energia elétrica em energia mecânica

η = Pu : Pa

η – rendimentoPu – Potência útil(Potência mecânica)

Pa – Potência absorvida (Potência elétrica)

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Proteção das pessoasEm caso de electrocussão é importante seguir alguns passos para garantir os primeiros socorros: - Antes de avançar para a vítima deve desligar o disjuntor do circuito (ou o interruptor geral do quadro) que provocou o choque eléctrico. - Se não for possível, deve afastar a vítima dos condutores, garantindo primeiro o seu isolamento (colocar-se sobre uma base isolada – madeira, tapete borracha, etc.) ou utilizar equipamentos isolantes para afastar os condutores. - Se for necessário, aplicar os primeiros socorros à vítima (reanimação cárdio-respiratório) e chamar urgentemente o 112. - Arejar bem o local, desapertar roupa e sapatos. - Manter a vítima numa posição que mantenha a desobstrução das vias respiratórias.

Lucínio Preza de Araújo 27

Sensores e transdutores

TransdutorDispositivo que converte uma forma de energia noutra.É o caso das células fotovoltaicas que convertem directamente luz em energia eléctrica.

SensorDispositivo que converte uma forma de energia numa variação de uma grandeza eléctrica qualquer, como corrente ou resistência.Esse é o caso das LDR em que o valor da sua resistência varia com a luz que incide nela..