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Potencial Elétrico, Diferença de Potencial e Força Eletromotriz - Aula 3
• Tal como estamos habituados a perceber, qualquer objeto ao ser solto no ar cai imediatamente por ação de uma força.
• Esta força de atração é devido ao campo gravitacional da terra, necessário para que objetos e pessoas permaneçam sobre sua superfície.
• Tal como o campo gravitacional produzido em função da massa da terra (aprox. 6.1021 ton.), o Campo Elétrico também é criado em função de uma propriedade física, esta denominada Carga Elétrica.
• É devido as cargas elétricas e seus campos elétricos que forças de atração e repulsão podem ser verificadas. Veja a comparação:
• Enquanto que pela sua massa a terra atrai outro objeto de massa, o campo elétrico de uma carga atrai ou repele outra carga.
• Colocado a uma determinada altura, um objeto terá potencial para adquirir velocidade e alcançar o nível mais baixo do solo.
• Portanto, Potencial é o nome que se da a um tipo de energia que está associada a posição do objeto.
• Devido ao Campo Elétrico criado por uma carga maior (fonte) cargas menores (prova) ficam sujeitas a forças de ordem eletrostática.
• Quando uma carga de prova for colocada a uma certa
distância “d” da carga fonte, naquela posição, estará definido
um potencial, capaz de colocar esta carga em movimento.
• A analogia entre campo elétrico e campo gravitacional é possível pois ambos são denominados Conservativos.
• Aqui a energia, se conserva quando o objeto ou a carga se deslocam de um ponto (energia potencial) ganhando velocidade (energia cinética).
• Portanto, a capacidade do Campo Elétrico de “colocar” energia sobre uma carga padrão em função da posição desta é denominada Potencial Elétrico e simbolizado por V;
• Assim, diferentes posições representam diferentes potencias elétricos, logo se estabelecermos dois pontos distintos teremos uma diferença de potencial elétrico ou uma ddp dada em Volts.
• Em circuitos elétricos serão necessários dispositivos capazes manter uma ddp entre seus terminais de ligação.
• A estes dispositivos nos referiremos como fontes ou geradores, que a custa de um determinado tipo de energia, serão capazes de manter entre seus terminais a ddp que caracteriza Força Eletromotriz do dispositivo.
• Força Eletromotriz portanto é a propriedade que um dispositivo tem de produzir corrente elétrica em um circuito em função de um desequilíbrio permanente de cargas;
• A Força Eletromotriz é abreviada por FEM e geralmente denotada ela letra E;
• No SI (Sistema Internacional de Unidades) a FEM é dada em Volts(V);
• Sua grandeza relaciona a Quantidade de Energia “Ep” que pode ser imprimida (colocada) em uma carga “q” pela presença de um campo elétrico gerado por uma carga “Q”;
Onde: Ep Energia (J-Joule); q Carga (C-Coulomb); V Volts ( Joule/Coulomb);
• A força eletromotriz considerada inicialmente será contínua (CC), ou seja, não altera seu sentido e intensidade durante operação;
• A este tipo de FEM associaremos pilhas e baterias que por reações químicas internas estabelecem o desequilíbrio eletrostático.
Corrente Elétrica
• A corrente elétrica é formada pelo movimento ordenado de elétrons;
• A FEM impõe um excesso e uma deficiência de elétrons sobre o condutor criando um campo elétrico sobre seus terminais;
• É o campo elétrico portanto que impulsiona as cargas do pólo negativo em direção ao pólo positivo;
• A corrente é indicada por I e é dimensionada no SI (Sistema Internacional de Unidades) em ampères (A);
• Quando a corrente fluir em um único sentido, a corrente é dita contínua (CC), e quando o seu sentido variar, a corrente é dita alternada (CA);
• O fato da corrente ser CC ou CA depende da fonte ou gerador ligado ao circuito;
• Então, corrente elétrica é:
– Composta de cargas elétricas (elétrons);
– Produzida por uma fonte, FEM;
– É dada em Ampères (A) e simbolizada por I;
Medida Elétrica da Corrente e Velocidade de Deslocamento
• O fluxo de corrente é medido em ampères ou frações de ampères, por um Instrumento chamado Amperímetro; • Princípio de funcionamento do Amperímetro, suas escalas e bem como a ligação dele ao circuito serão verificadas mais adiante;
• O impulso dos elétrons livres não deve ser confundido com o conceito de fluxo de corrente que diz respeito à velocidade da luz;
• Quando uma voltagem é aplicada em um circuito, os elétrons livres percorrem pequena distância até colidirem com átomos;
• Essas colisões, normalmente, deslocam outros elétrons livres de seus átomos;
• E esses elétrons se movimentam na direção do terminal positivo do condutor, colidindo com outros átomos, assim deslocando-se com relativa e reduzida razão de velocidade;
• Experimentalmente a velocidade de
deslocamento da corrente elétrica gira na
ordem de cm/s (centímetros por segundo);
• Para se compreender o efeito de velocidade
quase instantânea da corrente elétrica, basta
uma visualização do modelo do longo tubo
repleto de bolas de aço;
• Pode-se ver que cada bola introduzida na
extremidade de entrada do tubo, que representa
um condutor, causará imediatamente a
expulsão da bola que estiver posicionada na
extremidade oposta;
Intensidade e Sentido da Corrente Elétrica
• A intensidade de Corrente é definida pela somatório do módulo das cargas que atravessam uma seção transversal de um condutor em um intervalo de tempo ∆t.
A corrente é simbolizada por I e sua intensidade é dada por:
• Uma corrente de 5 (A) significa que passam pela seção 5 C de carga por segundo;
• O sentido que se convencionou para a corrente elétrica no condutor é o sentido dos potenciais decrescentes. Ou seja, a corrente flui do positivo para o negativo;
• Note que o sentido convencional é oposto ao sentido real dos elétrons que tendem a ser repelidos pelo pólo negativo e atraídos pelo pólo positivo estabelecido pela FEM do dispositivo de alimentação.
• Portanto o sentido convencional da corrente nos condutores é contrário ao sentido real de deslocamento dos elétrons!
Resistência Elétrica – Aula 4
• A propriedade que um condutor de
eletricidade possui de limitar ou restringir o
fluxo de corrente elétrica é chamada de
Resistência Elétrica;
• Alguns materiais apresentam mais e outros
menos resistência;
• Os materiais que possuem baixa resistência
são denominados condutores.
• Exemplos: Metais em geral, grafite (carbono) e soluções eletrolíticas;
• No caso dos metais: Cobre, Alumínio, Prata, Ouro, Níquel, Cromo constituem os condutores mais comumente encontrados.
• Os materiais que possuem alta resistência são denominados isolantes;
• Exemplos: Borracha, PVC, silicone, madeira, cerâmica, ar e determinados tipos de óleos;
• Materiais oferecendo alguma resistência
para o fluxo de corrente, intercalados com os
melhores condutores e os piores (isoladores),
são, às vezes, referidos como "semicondutores"
e encontram sua melhor aplicação no campo
da eletrônica.
São o Silício e o Germânio;
• Os melhores condutores são prata, cobre, ouro e alumínio, mas materiais não-métalicos, como o carbono e soluções podem ser usados como condutores. • Materiais como borracha, vidro, cerâmica, sendo maus condutores, são normalmente usados como isoladores. O fluxo de corrente em alguns desses materiais é tão pequeno, que nem é considerado.
Unidade de Medida da Resistência no SI
• A unidade empregada para medir resistência é chamada Ohm. O símbolo desta unidade é a letra grega ÔMEGA Ω;
• Nas fórmulas matemáticas a letra "R“ refere-se a resistência;
• A resistência de um condutor,e a voltagem aplicada a ele determinam a quantidade de ampères (corrente) fluindo através desse condutor;
• Assim, 1 Ohm de resistência limitará o fluxo de corrente em 1 ampère, num condutor ao qual seja aplicada a voltagem de 1 volt;
• A interação entre as três grandezas anteriores é dada por uma fórmula denominada:
Primeira Lei de OHM:
Onde V é dado e volts (V) R dado em Ohms (Ω) I dado em Ampères (A)
• Conclusões sobre a 1.° Lei de Ohm:
• Para uma mesma tensão, resistência e corrente são grandezas inversamente proporcionais;
• Para uma mesma resistência, aumentar a passagem de corrente implica em aumento da queda de tensão;
• Variações da lei de Ohm:
• V = R.I Utilizado quando se tem a resistência e a corrente e deseja-se saber a Tensão;
• R = V Quando se tem a tensão e a corren-
I te e deseja-se saber a Resistência;
• I = V Quando se tem a tensão e a resis-
R e deseja-se saber a Corrente;
Fatores que Afetam a Resistência Elétrica
• Os fatores que efetivamente modificam a resistência de um condutor são:
• Material de fabricação;
• Comprimento;
• Área (Seção Transversal);
• Em menor grau, a temperatura também modifica a resistência do condutor por conta dos elétrons livres.
• O material de fabricação do condutor, o comprimento e a área se relacionam por uma expressão denominada:
• Segunda Lei de Ohm
Onde: ρ é resistividade Ω.m (SI)
L é o comprimento m (SI)
A é a Área em m2 (SI)
• Conclusões sobre a 2° Lei de Ohm
• A resistividade ρ será constante para o mesmo tipo de material;
• R e L são diretamente proporcionais, ou seja se L aumenta R aumenta também e vice-versa;
• R e A são inversamente proporcionais, se A aumenta R diminui e vice-versa;
Importante não Confundir!
• Resistividade = Característica do Material; ρ (rô)
• Resistência = Oposição a passagem de corrente;
• Resistor = O componente propriamente dito;
Exemplos de Aplicação da Primeira e Segunda Lei de Ohm
1) Considere um material condutor. Sabendo-se que este material ao ser submetido a uma ddp de 50V estabeleceu-se uma corrente elétrica de 12,5 A, calcule sua resistência elétrica.
2) Para o mesmo condutor de antes, determine a corrente se a ddp subir para 100V.
3) Obseve a figura e responda: Por que razão os Pássaros não tomam choque??? 4) Um condutor é submetido a um dos lados a um
potencial de 30V. Sabe-se que por este mesmo condutor, passam cerca de 5 A e o mesmo possui uma resistência de 4Ω. Determine a ddp aplicada sobre o condutor.
• 5) Observe as figuras. Existem três condutores que possuem respectivamente as seções transversais abaixo e todos são do mesmo material e possuem o mesmo comprimento.
• Classifique-os por resistência em ordem decrescente. Dado que:
r (a) (b) (c) b e h = l r = 1 mm D = 2r D = l√2