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Noções básicas de electricidade em corrente contínua

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Electrónica de Automação e Comando

1ºAno

Electricidade e Electrónica

MÓDULO Nº 1 – Corrente Contínua

Ano Lectivo: 2007/2008

Professor

Jorge Novo

U

I R x

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Planificação

Duração: 30 Horas

1. Apresentação

Este módulo tem carácter teórico-prático, por isso deverá decorrer em ambiente laboratorial de forma a permitir aos Alunos verificarem e confirmarem experimentalmente os fenómenos eléctricos analisados na parte teórica de corrente contínua.

2. Objectivos de Aprendizagem

• Identificar simbologia e grandezas de um circuito eléctrico.

• Enunciar e aplicar a lei de OHM.

• Identificar noções de medida e métodos de medida.

• Utilizar racionalmente os campos de medida de um aparelho de medida.

• Utilizar correctamente os aparelhos de medida.

• Identificar as várias associações de resistências.

• Identificar as grandezas energia e potência eléctrica e respectivas unidades SI e práticas.

• Relacionar as grandezas características de um gerador em vazio e em carga.

3. Âmbito dos Conteúdos

• As grandezas mais importantes do circuito eléctrico.

• A lei de OHM.

• A lei de JOULE.

• Os aparelhos e técnicas de medida.

4. Método e Avaliação

Serão realizadas 6 aulas práticas de 180 minutos e 6 aulas teóricas de 90 minutos. O conteúdo dos trabalhos abrange as matérias das aulas teóricas. Prevêem-se duas aulas para avaliações.

A avaliação do módulo reflecte as duas componentes do ensino praticado, sendo caracterizada pela seguinte expressão:

Nota final = 0,6 x Nota teste + 0,4 x Nota Trab. Práticos

A nota dos trabalhos práticos será a média aritmética dos trabalhos, reflectindo o desenvolvimento dos respectivos trabalhos com os seguintes parâmetros com igual valor:

1 - Conhecimentos para a execução do trabalho ; 2 - Desempenho na execução ;

3 - Interesse / Comportamento ; 4 - Relatório do trabalho

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1 - Introdução Como já do conhecimento geral nesta fase da aprendizagem, os átomos são constituídos por um núcleo

com protões (carga positiva) e neutrões e uma nuvem electrónica constituída por electrões (cargas negativas) que circulam em orbitas definidas conforme o tipo de átomos. Nalguns, os electrões facilmente abandonam o átomo para se deslocarem para outro átomo contíguo. Por fricção podemos fazer com que os electrões se transfiram de um material para outro ficando com excesso de cargas. Se friccionarmos uma barra de vidro esta perde electrões, e Se for de ebonite capta electrões podendo afastar ou atrair um Pêndulo leve. Podemos verificar que cargas com o mesmo sinal repelem-se e Cargas de sinal contrário atraem-se. Ao unirmos por meio de um condutor um material + + + + - - - - carregado negativamente, isto é com excesso de electrões com outro carregado positivamente , isto é com falta de electrões existe o deslocamento de + + + + - - - - - electrões para ocuparem o lugar nos átomos onde existe a sua falta . Existe assim movimento de electrões no sentido de (- ) para (+ ). A este movimento orientado de electrões dá –se o nome de Intensidade de Corrente Eléctrica , representa-se por uma seta nos circuitos tem como símbolo a letra I. O sentido real da dos electrões é deslocarem-se dos potenciais negativos para os potenciais positivos. Contudo, porque historicamente se considerava o contrário o sentido utilizado para análise de circuitos é o sentido convencional que é do (+) para o ( -) Um material carregado electricamente diz-se que tem um potencial eléctrico, o qual pode ser positivo ou negativo O potencial de A é Superior ao potencial de B Pois tem mais cargas eléctricas em A ----------- - - - - - - - A B ------------ - - - - - - -

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Podemos assim dizer que existe uma diferença de potencial de potencial A para B, ou seja uma tensão eléctrica que se representa pela letra U ou V e se mede em Volt [V]. Tensão = Diferença de Potencial unidade – Volt [ V ] Exemplos: Células foto-voltaicas – 10 a 20 mV Bateria de automóvel - 12 V Rede de alimentação Eléctrica – 230 V Linhas de energia de média tensão 15 a 30 KV Linhas de Alta Tensão – 240 KV a 1 MV ----------- - - - - - Quando ligamos dois materiais com diferentes potenciais por meio de um condutor vai existir passagem de electrões de um lado para o outro através do condutor . ----------- - - - - - A este movimento orientado de cargas eléctricas (electrões) chamamos Intensidade de corrente eléctrica, ou mais abreviadamente por corrente eléctrica e representa-se pela letra I e a unidade correspondente ao número de cargas que se desloca por unidade de tempo é o Ampere [ A ] ( Nota 1: A carga do electrão é : e = 1,6 x10 -19 ) ( Nota 2: Considera-se o potencial da terra zero Volt, e designa-se por Terra ) (Nota 3: Considera-se o potencial de referência zero como a massa , o qual pode ou não ser igual à terra) (nota 4 : múltiplos e submúltiplos de 10 ) Giga ( G ) Mega ( M ) Kilo ( K ) unidade mili (m ) micro ( µ) nano ( n ) 109

106

103

1

10-3

10-6

10-9

RESISTÊNCIAS A corrente eléctrica não circula do mesmo modo em todos os materiais. Assim, dependendo do material a movimentação dos electrões é diferenciada. Existem materiais que se deixam atravessar facilmente pela corrente eléctrica e são denominados por condutores, e outros que oferecem mais oposição à sua passagem e são denominados por resistências. Os materiais com elevada resistência são os isoladores. Assim temos: Resistência - Oposição à passagem da corrente Esta grandeza representa-se por R, tem o símbolo , e mede-se em OHM [ Ω ]

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A resistência dum condutor metálico depende de três factores: Comprimento , Secção ou área e material de que é constituída.

Isto é : R = ρ . L / s Em que R - Resistência [Ω ] ρ – Resistividade (característica do material [Ω.mm2/m] L – Comprimento [m] S – Área [ m2 ] Assim: - Quanto maior for o comprimento maior a resistência - Quanto maior for a resistividade maior a resistência - Quanto menor a área maior a resistência Resistividades específicas: [Ω.mm2/m ] Exercícios: 1 – Pretende-se construir uma resistência de 5 Ω com fio de uma liga metálica chamada Constantan que tem uma resistividade de 0,49 [Ω.mm2/m ], com 0,2 mm2 de diâmetro. Qual o comprimento de fio necessário ? 2 – Uma lâmpada incandescente tem um filamento de Tunguesténio de 70 mm de comprimento e 0,075 mm de diâmetro. Qual a sua resistência? 3 – Qual a resistência de um condutor de cobre de 1,5 mm2 de secção (utilizado nos circuitos de iluminação) com 1 km? 4 – Repita o exercício anterior para condutor de 2,5 mm2 (utilizado nas tomadas)

Material Resistividade

Prata 0,016

Zinco 0,061

Cobre 0,017

Alumínio 0,030

Ferro doce 0,130

Mercúrio 0,950

Carvão 60

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Tipos de resistências fixas: resistências aglomeradas (de grafite), resistências de camada ou película (de carvão ou liga metálica) e resistências bobinadas (de fio de liga de metais: cobre-níquel ou cobre-magnésio), e outras como as Termistores (resistências térmicas) PTC ou NTC , as LDR Light Deppendent Resistor , as VDR Voltage Deppendent Resistor Funções que podem ser desempenhadas por resistências num circuito: limitadores de corrente, divisores de tensão, atenuação, filtragem, polarização, carga, etc As resistências normais encontram-se identificadas por cores do seguinte modo:

Cor 1º e 2º algarismo Multiplicador Tolerância

Preto 0 x1

Castanho 1 x10

Vermelho 2 x100

Laranja 3 x1000

Amarelo 4 x10 000

Verde 5 x100 000

Azul 6 x1 000 000

Violeta 7 x10 000 000

Cinzento 8 -----

Branco 9 -----

Dourado ----- x0,1 (*) ± 5%

Prateado ----- x0,01 (*) ± 10%

Sem cor ----- ----- ± 20% Potência de dissipação das resistências Sempre que uma corrente passa através de uma resistência produz-se calor (perda de energia) que terá de ser dissipado para o exterior, para que a resistência não sobreaqueça e queime. A potência máxima de dissipação das resistências varia segundo o seu tamanho As resistências aglomeradas fabricam-se para 1/8W, 1/4W, 1/2W, 1W, 2W e 3W de dissipação. As resistências de camada de carvão fabricam-se para 1/10W ou 1/8W, 1/4W, 1/3W, 1/2W, 2/3W, 1W, 1,5W e 2W. As resistências de camada metálica fabricam-se normalmente para 1/4W e 1/2W. As resistências bobinadas fabricam-se desde 1W a várias centenas ou milhares de Watt

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U

I R x

U = R x I

Potências de dissipação mais usuais das resistências

Lei de Ohm Quando uma resistência é atravessada por uma corrente eléctrica esta provoca uma queda de potencial ou tensão que é proporcional à corrente que passa por ela. Portanto: A intensidade de corrente ( I ) depende do valor da tensão aplicada ( V ) e do valor da própria resistência. Isto é a lei de Ohm Ou I = U / R ; ou R = U / I

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Exercícios : Para os circuitos da figuras calcular os valores em falta. 1- 2- 3 - 4-

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Rtotal = R1 + R2 +R3 + …… Rn

ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS As resistências podem ser associadas em série ou em paralelo ou mista ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE Ligando as resistências como se representa na figura seguinte estas ficam ligadas em série e a queda de tensão total é igual à soma das quedas de tensão em cada uma delas. A corrente que atravessa as resistências é sempre a mesma. Será fácil entender que a oposição à corrente total é a soma das oposições de cada uma das resistências ou seja Ou tal como seria de esperar a resistência total de resistências ligadas em série é igual à soma das resistências RESISTÊNCIAS EM PARALELO Ligando os terminais das resistências entre eles tal como se representa na figura, efectua-se a ligação em paralelo.

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A soma das correntes que entram num nó é igual à soma das correntes que saem do nó

1 / Rtotal = 1/ R1 + 1/ R2 + 1/ R3 +… 1/Rn

Neste caso a tensão é igual em todas as resistências. A corrente I divide-se em I1, I2 e I3. isto é I = I1 + I2 + I3 ou seja a lei dos nós : Como: I1= U/R1 ; I2 =U/R2 ; I3 = U/R3 e I = U /Rtotal Então dividindo por U obtém-se a expressão para resistências em paralelo. No caso particular de duas resistências iguais em paralelo o valor da resistência total é equivalente ao valor de metade de uma delas. Ex. R//R Rtotal = R/2 Exercícios: Calcule a resistência equivalente dos circuito a seguir representados. 1- 2

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3 – 4 - 5 - 6 – 7 – 8 – Considerando o stock de resistências seguinte escolha associações de resistências de modo a construir os valores pedidos.

a) R = 1061 Ω b) R = 16.6 K Ω c) R = 26.7 K Ω d) R = 600 Ω e) R = 7.2 K Ω

Quant. Valor 2 10 Ω 5 22 Ω 5 100 Ω 3 1 K Ω 5 2.2 K Ω 5 10 K Ω 1 33 K Ω 2 47 K

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CONDENSADORES Constituição e funcionamento: O condensador é um dispositivo eléctrico constituído por duas placas condutoras paralelas que se chamam armaduras e estão separadas por um material isolante chamado dieléctrico. Representa-se esquematicamente pelo símbolo com a letra C que representa a capacidade, medida em farad [ F ] . . Os eléctrodos são em geral folhas de alumínio coladas sobre o dieléctrico, ou simplesmente um banho de prata depositado sobre a superfície do mesmo. Os condensadores de mica são vulgarmente encapsulados num invólucro de plástico moldado, o que confere resistência mecânica ao componente e isola os eléctrodos do contacto com o exterior. É comum os condensadores de mica existirem em gamas compreendidas entre o picofarad e as dezenas de nanofarad. Os condensadores de película consistem em pilhas de folhas de material dieléctrico intercaladas por eléctrodos metálicos Os condensadores cerâmicos são construídos a partir da deposição ou colagem de um metal bom condutor sobre uma cerâmica de elevada constante dieléctrica Os condensadores electrolíticos baseiam o seu princípio de funcionamento na criação de um dieléctrico de espessura micrométrica directamente na superfície de contacto entre dois materiais condutores. Por exemplo, os condensadores electrolíticos de alumínio líquido são construídos a partir de um conjunto de folhas de alumínio enroladas e intercaladas com um papel fino, absorvente e banhado num electrólito Os condensadores electrolíticos são componentes cujos terminais são geralmente polarizados, isto é têm polaridade. Ao ligarmos o circuito da figura a corrente passa pela resistência, ou seja os electrões vão circular até carregar a armadura. As armaduras vão acunular ou carrega cargas eléctricas No início do carregamento a corrente é elevada, mas depois vai diminuindo tal como se representa na representação temporal da figura seguinte.

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Uc

tempo

U

τ = R x C

Ctotal = C1 + C2 + …… Cn

Curva de carga do condensador Se retirarmos o condensador e ligarmos em paralelo com uma resistência este vai descarregar as cargas acumuladas . Não se deve “Shuntar” os terminais pois a descarga instantânea danifica o condensador. O tempo de carga e de descarga do condensador é proporciona à capacidade e também à resistência, ou seja:

Em que : τ – Tempo de carga / descarga

R – Resistência em Ohms

C – Capacidade em Farad Associação de condensadores em série Na associação de condensadores em série a capacidade equivalente é dada pela expressão: Associação de condensadores em paralelo Em paralelo a capacidade total é igual à soma das diversas capacidades Nota : Ao contrário das resistências

1/Ctotal = 1/ C1 + 1/C2 +…. 1/ Cn

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GERADORES A função dos geradores é transformar uma forma de energia em energia eléctrica mantendo a tensão nos terminais. Um gerador de corrente contínua tem 2 pólos : Um pólo positivo ( + ) e um pólo negativo ( - ). Pilhas As pilhas são geradores electroquímicos e são constituídos por dois metais ( ex.: cobre e zinco) e um electrolítico (ex.: Ácido Sulfúrico). Qundo se realiza esta experiência inicia-se Uma reação de oxi-redução em cad um dos eléctrodos de tal modo de ao fim de algun tempo o terminal de cobre tem um potencial positivo em relação ao terminal de zinco.

As pilhas secas são formadas por um cilindro de zinco metálico, que funciona como ânodo, separado das outras espécies químicas presentes na pilha por um papel poroso. O cátodo é o eléctrodo central. Este consiste de grafite coberto por uma camada de dióxido de manganês, carvão em pó e uma pasta húmida contendo cloreto de amónio e cloreto de zinco. Esta pilha tem carácter ácido, devido a presença de cloreto de amónio.

A expressão pilha seca é apenas uma designação

Comercial que foi criada há muitos anos para

diferenciar este tipo de pilha das pilhas até então

conhecidas, que utilizavam recipientes com

soluções aquosas.

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As pilhas comuns param de funcionar (descarregam) e não podem ser recarregada porque cessa seu funcionamento quando todo o dióxido de manganês é consumido.

Acumuladores Os acumuladores diferem das pilhas pelo facto de as suas reacções serem reversíveis. Os acumuladores caracterizam-se pela sua f.e.m. ou tensão e também pela sua energia. As baterias são associações de pilhas de chumbo que são recarregáveis. O potencial de cada pilha é aproximadamente 2V. Uma bateria de pilhas, que é a mais comum nos carros modernos, fornece uma tensão de 12V. Estas fontes de energia são caracterizadas pela sua tensão e pela sua energia, isto é Por exemplo U = 24 Volt ; W = 100 A. H Dínamos Um dínamo é um gerador de corrente não alternada por isso unidireccional. Quando se gira uma bobina (enrolamento de condutor isolado) dentro de um campo magnético formado por exemplo por ímanes cria-se f.e.m. (força electromotriz) induzida, isto é tensão eléctrica. Nos dínamos de bicicletas tal como se representa a seguir é este o principio de funcionamento.

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P = U x I

P

I U x

POTÊNCIA A potência é a energia por unidade de tempo consumida ou gerada. Assim se tivermos uma resistência ligada I a uma fonte de tensão e se aumentarmos a tensão, pela já conhecida lei de Ohm a corrente também aumenta. A potência é directamente proporcional à corrente e à tensão, mede-se em Watt [ W ] P – Potência em Watt [ W ] U – Tensão em Volt [ V ] I – Corrente em Ampere [ A ] Ou de outro modo como U=R.I substituído na expressão anterior também podemos ter :

P = R xI 2 Por vezes utilizam-se outras unidades como o cavalo-vapor (c.v.) ou h.p. (horse power) que equivale a 736 watt

U ↑↑↑↑ = R x I ↑↑↑↑

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W = P x t

Energia A energia eléctrica é a potência consumida ou fornecida num determinado tempo, ou seja: W – Energia [ w.s ] P - Potência [ W ] T - tempo [ s ] Muito usualmente utilizam-se múltiplos destas unidades tais como o KW.h (kilowatt x hora) Exercicios 1 – Para o circuito da figura determine : a) O valor da intensidade de corrente b) A potência consumida c) A energia consumida durante 10 minutos 2 – No circuito a figura a corrente é de 10 mA , determine: a) O valor da resistência R b) A potência consumida) c) A energia consumida durante 1 dia 3 – Para o circuito da figura calcule: a) O consumo da lâmpada L1 b) O consumo da lâmpada L2 c) A energia consumida pelas duas lâmpadas durante 1 dia