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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE DO PARANÁ – UENP – CAMPUS BANDEIRANTES

UNIDADE DIDÁTICA

O USO DA MECATRÔNICA COMO FERRAMENTA NA APRENDIZAGEM DOS CONTEÚDOS DE FÍSICA

MIGUEL KENNEDY MENDONÇA

JACAREZINHO - 2008UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE DO PARANÁ –

UENP – CAMPUS BANDEIRANTES

UNIDADE DIDÁTICA

O USO DA MECATRÔNICA COMO FERRAMENTA NA APRENDIZAGEM DOS CONTEÚDOS DE FÍSICA

MIGUEL KENNEDY MENDONÇA

Produção Didática apresentada ao Programa de Desenvolvimento Educacional da Secretaria Estadual de Educação do Estado do Paraná. Sob a orientação do Professor Mestre Mauro Januário.

JACAREZINHO - 2008

2

APRESENTAÇÃO

O grande desafio dos professores de Física é relacionar os conteúdos

de sala de aula com situações encontradas no cotidiano dos alunos e mostrar a

eles a importância e a utilidade dos conteúdos aprendidos, ou seja, mostrar a

eles que os conceitos físicos estão intimamente ligados ao desenvolvimento

tecnológico, e a partir deles é possível explicar o funcionamento dos

equipamentos eletro-eletrônicos presentes no seu cotidiano.

Para vencer esse desafio, devemos inserir as tecnologias na sala de

aula a partir de projetos pedagógicos em que os alunos possam ter uma

participação mais ativa no processo de aprendizagem. Dessa forma, será

possível despertar nos alunos o interesse pela Física; tornar as aulas mais

dinâmicas e interessantes. Formando nos alunos uma consciência científica,

fazendo-os enxergar a “grandiosidade dessa Ciência”.

Acredito que os projetos mecatrônicos, apresentados nessa unidade

didática possam contribuir para que as tecnologias sejam inseridas no

ambiente escolar, e assim integrar os alunos mais facilmente ao mundo real

que os cercam.

A Mecatrônica pode ser definida como a integração da Mecânica,

Eletrônica e Computação de forma concorrente.

Para a construção dos projetos mecatrônicos contidos nesta unidade

didática composta de dois capítulos, serão necessário um conhecimento básico

de eletrônica e computação.

No capítulo 1 desta unidade didática são abordados os componentes

eletrônicos : os seus aspectos, símbolos, funções e estrutura interna, com o

objetivo de familiarizar os alunos com esses componentes, e porque eles são

utilizados nos aparelhos eletro-eletrônicos. Este capítulo contém também

exercícios propostos e a construção de circuitos eletrônicos com o objetivo de

mostrar para os alunos o funcionamento destes componentes.

No capítulo 2 referente aos projetos mecatrônicos , são apresentados a

fundamentação teórica e a construção passo-a-passo dos projetos, separados

conforme os conteúdos estruturantes de Física. Este capítulo contém também

3

atividades referentes a cada projeto. Essa unidade didática não tem a

pretensão de ensinar mecatrônica ,mas através dos projetos mecatrônicos

ensinar os conteúdos de Física.

Espero que esse trabalho possa incentivar os professores

desenvolverem projetos na área da educação tecnológica onde a Mecatrônica

seja introduzida como ferramenta na aprendizagem dos conteúdos de Física.

4

SUMÁRIO

Unidade 1 – O uso da Mecatrônica como ferramenta na aprendizagem dos

conteúdos de Física...............................................................................................

Capítulo 1 – Os componentes eletrônicos.........................................................07

1.1 – Introdução.................................................................................................07

1.2 – Resistores: ...............................................................................................08

Exercícios propostos...............................................................................10

Atividade 1: Ligação série/paralelo.........................................................10

Atividade 2: Questões.............................................................................14

1.3 – Capacitores:.............................................................................................18

Atividade 3: O capacitor utilizado como temporizador..............................20

Atividade 4: Questões...............................................................................22

1.4 – Indutores:.................................................................................................23

Exercícios propostos................................................................................26

1.5 – Transformadores:.....................................................................................27


Atividade 5: Fonte de alta tensão...........................................................29

1.6 – Transdutores ou sensores:......................................................................34

Exercícios...............................................................................................38

Atividade 6: Desligando um motor com um relé e um ímã.....................38

1.7 – Diodos:....................................................................................................41


Atividade 7: Experiências com o diodo...................................................47


1.8 – Transistores bipolares:............................................................................51

Atividade 9: Provador de continuidade..................................................55

Atividade 10: O transistor como amplificador........................................58

Atividade 11: Questões.........................................................................60

1.9 – Transistores unijunção ( TUJ )...............................................................61

Exercícios propostos.............................................................................63

1.10 - Transistores de efeito de campo ( FET ).............................................64

5

Exercícios propostos............................................................................69

Atividade 11: Eletroscópio eletrônico...................................................69

Atividade 12: Questões........................................................................71

Capítulo 2 – Os projetos Mecatrônicos...........................................................72

2.1 – VEÍCULO ACIONADO PELA LUZ.........................................................72

Atividade 1: Veículo acionado pela luz..................................................72

Atividade 2: Questões............................................................................76

2.2 – PARAFUSO DE ARQUIMEDES............................................................78

Atividade 3: Automatizando o parafuso de Arquimedes.........................79


2.3 – ELEVADOR COM PARADA AUTOMÁTICA..........................................86

Atividade 5: Elevador com parada automática........................................86

Atividade 6: Questões..............................................................................91

2.4 - BRAÇO HIDRÁULICO.............................................................................92

Atividade 7: Braço hidráulico....................................................................93

Atividade 8: Questões..............................................................................99

REFERÊNCIAS...............................................................................................101

6

CAPÍTULO 1: OS COMPONENTES ELETRÔNICOS.

1.1– INTRODUÇÃO:

Os componentes eletrônicos presentes nos aparelhos eletro-eletrônicos

podem ser divididos em três categorias: os componentes passivos, ativos, e os

acessórios.

Os componentes passivos são aqueles que não amplificam nem geram

sinais sendo basicamente usados na função de polarização, acoplamento ou

desacoplamento de circuitos. São eles: os resistores, capacitores, indutores,

transformadores, diodos, transdutores ou sensores, e os varistores.

Os componentes ativos são aqueles que podem gerar ou amplificar

sinais. São eles os transistores bipolares, os transistores unijunção (TUJ), os

transistores de efeito de campo (FET), e os semicondutores da família dos

Tirestores ( SCR,GTO, TRIAC, SUS, SBS e DIAC ).

Os acessórios são aqueles componentes que sustentam partes de

circuitos ou fazem a sua conexão. São eles: placas de circuito impresso,

pontes de terminais , placa universal, placa matriz de contato, suporte de

pilhas, botões de controle, suporte de fusíveis, tomadas e

conectores,interruptores e chaves, cabos de ligação, caixas para montagem,

soquetes para circuitos integrados, radiadores de calor, bornes, garras de

jacaré, etc.

7

1.2 – Resistores:

Os resistores são condutores que oferecem uma resistência à passagem

da corrente elétrica. Essa resistência pelo efeito Joule gera calor. A resistência

é medida no sistema internacional de unidades (SI), em “ohm”, representado

pela letra grega ômega (Ω). Também usamos nas especificações de

resistências o múltiplos do ohm: o quilohm ( kΩ 103 ohms ) e o megohm (MΩ

106 ohms ).

No chuveiro, o calor produzido pelo resistor ( chamado erroneamente de

resistência elétrica do chuveiro), aquece a água; nas lâmpadas

incandescentes, o calor produzido pelo filamento de tungstênio produz luz. Nos

circuitos eletrônicos os resistores são usados para controlar a intensidade da

corrente elétrica, ou para fazer cair a tensão no circuito a um valor mais

conveniente. Esse calor fica armazenado no resistor e gradualmente vai sendo

transferido para o meio ambiente. Se o componente não fizer esta

transferência, ele acaba por aquecer demais e queima.

Os resistores usados nos circuitos eletrônicos , apresentam tamanhos e

formatos variados, e são feitos de materiais de diferentes resistividades.

Os resistores que se pode variar a sua resistência, são chamados de

resistores variáveis que são o potenciômetro e o trimpot.

Nem sempre dispomos de resistores que tenham a resistência elétrica

adequada para um determinado fim. Por isso, é preciso associá-los de modo a

obter a resistência elétrica

desejada. A grande maioria das associações de resistores pode ser

reduzida a dois tipos básicos: Associação em série e em paralelo (figura 1).

A figura 2, mostra os aspectos de alguns resistores usados nos circuitos

eletrônicos

Na atividade 1: ligação série/paralelo, serão discutidas as

características dessas associações.

8

Figura 1 – Associação em série e em paralelo

Figura 2 - Resistores

9

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1) Quais os materiais utilizados na construção dos resistores?

2) Quais os símbolos usados para representar ao resistores?

3) Construa a tabela do código de cores dos resistores.

4) Qual a resistência de um resistor com as seguintes cores

( vermelho, amarelo, verde e dourado) ?

5) Confronte o valor encontrado para a resistência do resistor da

questão 3, com o valor medido com um multímetro. Os valores

são os mesmos? Justifique.

6) Quais as cores de um resistor de resistência de 12MΩ, com

tolerância de 2% ?

ATIVIDADE 1: ligação série/paralelo.Esta atividade propõe a construção de um circuito elétrico onde são

observados as ligações em série e em paralelo.

Materiais utilizados:2 soquetes para lâmpadas de 110V ou 220V.

2 lâmpadas de 40W/110V

1 lâmpada de 60W/110V

1 lâmpada de 100W/110V

1 pedaço de madeira 30cm x 15cm

1 chave reversível (HH)

Diversos: cabo de alimentação, fios para a ligação, um multímetro.

Funcionamento:Quando colocamos a chave na posição série, a corrente elétrica que sai

da fonte de alimentação percorre o circuito num único sentido ( trajetória azul),

10

(figura 3). Portanto, a corrente elétrica que percorre as lâmpadas é a mesma

que sai da fonte. Outras características dessa associação são:

- A soma das tensões das lâmpadas é igual a tensão fornecida pela

fonte de alimentação.

- A resistência equivalente da associação das lâmpadas é igual a soma

das resistências de cada lâmpada. Ou seja, na ligação em série a resistência

equivalente aumenta.

Figura 3 – Ligação em série

11

Figura 4 – Ligação em paralelo

Quando colocamos a chave na posição paralelo, a corrente que sai da

fonte de alimentação segue por dois caminhos (trajetória azul e vermelho),

figura 4.

Portanto, a corrente elétrica que sai da fonte é a soma das correntes que

percorre cada lâmpada. Outras características dessa associação são:

- A tensão fornecida pela fonte de alimentação é a mesma em cada

lâmpada

.- A resistência equivalente da associação diminui

Na figura 5, temos o esquema elétrico da montagem ligação

série/paralelo,.

12

Figura 5 – Esquema elétrico da montagem série/paralelo

13

ATIVIDADE 2 : Questões.1) Verificação das características da ligação em série.

- Coloque as lâmpadas de 40W nos soquetes

- Coloque a chave na posição série

- Com um multímetro meça a tensão em cada lâmpada e a tensão

da fonte (figura 6a); e as correntes em cada lâmpada, e a corrente

fornecida pela fonte de alimentação (figura 6b).

a) A soma das tensões nas lâmpadas é igual à tensão da fonte?

b) A corrente que atravessa as lâmpadas é a mesma que sai da

fonte?

14

Figura 6 – Características da ligação em série.

15

2) Verificação das características da ligação em paralelo.

- Coloque as lâmpadas de 40W nos soquetes

- Coloque a chave na posição paralelo

- Com um multímetro meça a tensão da fonte, e a tensão em cada

lâmpada (figura 7a); e as correntes que percorrem cada lâmpada e a

corrente que sai da fonte (figura 7b).

a) A tensão em cada lâmpada é igual à tensão da fonte?

b) A soma das correntes que percorrem as lâmpadas é igual à

corrente que sai da fonte?

3) Determine para cada associação a resistência equivalente

(Req), usando a fórmula, ( U=Req x I ), sendo (U) a tensão da

fonte de alimentação e (I) a corrente que sai da fonte.Em qual

associação o valor é maior? Os valores encontrados estão de

acordo com as características das associações em série e

paralelo?

4) Colocando a lâmpada de 40W em série com a de 60W, qual

terá maior brilho? E se elas fossem ligadas em paralelo?

Explique.

5) Colocando a lâmpada de 60W em série com a de 100W, qual

terá maior brilho? E se elas fossem ligadas em paralelo?

Explique.

16

Figura 7- Características da associação em paralelo..

18

1.3- Capacitores:

A finalidade do capacitor é armazenar carga elétrica. Nos circuitos

eletrônicos os capacitores são usados como: temporizadores, filtros, como

espécie de reservatório de energia ou como amortecedores, evitando que

ocorram variações grandes de corrente no circuito.

Os capacitores são especificados pela sua capacitância (ou

capacidade), que é medida no (SI) em farad (F). São usados também os

submúltiplos microfarad (µF 10-6 F) , nanofarad (nF 10-9 F) e o picofarad (pF

10-12 F).

A capacitância é a capacidade do capacitor para armazenar cargas

elétricas nas suas armaduras.

Os capacitores são formados por duas placas de metal tendo entre elas

um material isolante (dielétrico) que lhe dá o nome. Assim, se o material

isolante for uma espécie de plástico chamado poliéster, teremos um capacitor

de poliéster. Geralmente os dielétricos são; a mica , cerâmica e o poliéster.

Os capacitores que usam como isolante entre suas placas, um meio fixo

ou sólido qualquer, como por exemplo; plástico, poliéster, mica, papel, etc,

apresentam baixa capacitância. Entretanto, quando necessitamos de

capacitores com capacitância maior que 1uF, são usados os chamados

capacitores eletrolíticos., cujo meio isolante é formado quimicamente.

Temos também capacitores específicos para determinadas freqüências.

Por exemplo:

Os capacitores tubulares, que são formados por folhas de condutores e

dielétricos enrolados, são usados em circuitos de baixas e médias freqüências;

enquanto os que possuem armaduras e dielétricos planos , são usados em

circuitos de altas freqüências.

A fim de obter maior capacitância são usados os capacitores

eletrolíticos, que são componentes polarizados, ou seja, a armadura positiva

deve ser sempre a mesma

Se houver uma inversão, tentando-se carregar a armadura positiva com

cargas negativa

o dielétrico será destruído e o capacitor inutilizado. Uma das armaduras

do capacitor eletrolítico é de alumínio, que, em contacto com uma substância

19

quimicamente ativa, se oxida formando uma finíssima camada de isolante, que

vai ser o dielétrico.

Dessa forma, como a capacitância é tanto maior, quanto mais fino for o

dielétrico, podemos obter capacitâncias muito grandes com componentes

relativamente pequenos.

Na família dos capacitores eletrolíticos temos um tipo que emprega uma

substância que permite obter capacitâncias ainda maiores do que as obtidas

pelo óxido de alumínio.

Trata-se do óxido de tântalo, o que nos leva aos capacitores de tântalos.

Além da capacitância os capacitores possuem ainda outra especificação

muito importante: a tensão de isolação ou trabalho.

Se aplicarmos uma tensão muito grande nas armaduras de um

capacitor, a ddp (diferença de potencial) entre estas armaduras pode ser

suficiente para provocar uma centelha que atravesse o dielétrico e cause a

destruição do componente.

Devido á presença do material isolante separando as placas condutoras,

o capacitor não permite a passagem de corrente contínua, mas permite a

passagem da corrente alternada. Num circuito de corrente alternada o

capacitor apresenta uma resistência a passagem da corrente. Essa resistência

recebe o nome de reatância capacitiva e é abreviada por XC.

A figura 8 mostra os aspectos de alguns capacitores.

Figura 8 - CapacitoresATIVIDADE 3: Capacitor utilizado como temporizador.

20

Materiais utilizados:

- 1 diodo 1N4004

- 1 resistor 220KΩ (vermelho, vermelho,amarelo)

- 1 lâmpada NEON, tipo NE-2

- 1 interruptor simples , tipo liga/desliga

- Capacitores de valores de capacitância variados, com tensão de

trabalho 150V, para rede de 110V; ou 250V, para rede de 220V.

- Diversos: cabo de alimentação, barra de conectores, fios de ligação,um

pedaço de madeira 20cm x 15cm.

Funcionamento:

- Com o interruptor desligado, coloque o capacitor entre os pontos

AeB( observe a polaridade, caso o capacitor seja eletrolítico). Figura 9a e 9b.

- Ligue o cabo de alimentação na tomada da parede, espere alguns

segundos ,geralmente o tempo (T ) que o capacitor leva para adquirir 2/3 da

sua carga total, depende do valor do resistor (R) e da capacitância do

capacitor( C), e é calculado pela seguinte fórmula: ( T=RxC ).

- Desligue o cabo da tomada, e ligue o interruptor. A lâmpada NEON,

acenderá e permanecerá acessa durante a descarga do capacitor.

- Repita o procedimento com os outros capacitores.

21

Figura 9 – Esquema elétrico da montagem do temporizador

ATIVIDADE 4: Questões.

22

1) Verificar a associação em série e em paralelo dos capacitores.

- Quando associamos dois ou mais capacitores em série, a

capacitância equivalente da associação diminui. Em paralelo, ela

aumenta.

- Coloque um capacitor eletrolítico de um determinado valor nos

pontos A e B. Meça o tempo (T).

- Associe dois capacitores idênticos ao do item anterior em série e

coloque-os nos pontos A e B. Meça o tempo, ele será a metade do

anterior.(T/2).

- Repita o procedimento com os capacitores ligados em paralelo.

Meça o tempo, ele será o dobro do tempo medido para o capacitor na

primeira experiência (2T).

2) Determine , através da fórmula ( T=RxC ), o tempo que a

lâmpada NEON permanece acesa , sendo o valor do resistor

220KΩ, e o valor da capacitância do capacitor 4700uF

3) Faça uma pesquisa sobre os símbolos, formatos e os

dielétricos usados na construção dos capacitores.

1.4 - Indutores:

23

Os indutores ou bobinas são componentes formados por espiras de fio

esmaltados que podem ser enrolados numa forma sem núcleo, com núcleo de

ferro ou ferrite. A figura 10, mostra o aspectos de um solenóide, uma bobina

com núcleo de ferro laminado, e bobinas sem núcleo,ou núcleo de ar.

Figura 10 – Bobinas e solenóideQualquer fio condutor enrolado em hélice cilíndrica, recebe o nome de

solenóide. .Quando o fio condutor é enrolado em diversas camadas

superpostas, como se fosse um carretel, ele é chamado de bobina. Em

linguagem corrente, porém, os termos solenóides e bobinas costumam ser

usados como sinônimos. Nos livros de Física do ensino médio, é mencionado

também, uma pequena bobina , cujo raio de cada espira é bem maior do a sua

espessura ( comprimento), que recebe o nome de bobina chata.. O campo

magnético no seu centro é inversamente proporcional ao raio das espiras;

enquanto no solenóide, também chamado de bobina longa , o campo

magnético é inversamente proporcional ao comprimento do solenóide.

Quando uma corrente elétrica percorre uma bobina num único

sentido,um campo magnético sensivelmente uniforme, desde que não

tomemos pontos muitos próximos das extremidades, é formado no seu interior,

e suficiente forte para atrair materiais ferromagnéticos como o ferro, por

exemplo. As linhas de indução criadas pelo campo magnético produz nas

extremidades da bobina pólos magnético norte e sul. Dessa forma a bobina ou

solenóide se comporta como se fosse um ímã. Para determinar os pólos norte

e sul de uma bobina ou solenóide , é usada a regra da mão direita, ou

24

colocando uma bússola numa das extremidades do solenóide conforme mostra

a figura 11.

Figura 11 – Bobinas e solenóides.

Nessa figura uma bobina de 300 espiras é ligada numa fonte de

corrente contínua de 12V. Se a extremidade da bobina, que está próximo da

bússola, atrair o pólo norte, esse será o pólo sul da bobina; a outra extremidade

será então o pólo norte da bobina.

A intensidade do campo magnético criado por um solenóide depende do

número de espiras, a intensidade da corrente do seu comprimento, e da forma

como são enrolados.Por exemplo , sem núcleo ou núcleo de ar , o campo

magnético será bem menor do que se o núcleo for de ferro ( a permeabilidade

magnética absoluta do meio ar é menor do que a do ferro). O solenóide com

um núcleo de ferro recebe o nome de eletroímã.

O relé, por exemplo, é um componente eletrônico constituído de um

simples eletroímã capaz de acionar, magneticamente, um ou mais contatos;

por essa razão , os relés são também chamados de interruptores

eletromagnéticos.

As bobinas ou indutores apresentam propriedades elétricas

principalmente em relação às variações rápidas de corrente. Estas

propriedades são dadas pelo que chamamos de indutância.

A indutância de uma bobina é medida em Henry (H) e também é comum

o uso de seus submúltiplos: o milihenry (mH), e o microhenhy (µH), ou ainda

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pelo número de espiras, diâmetro e comprimento, da forma , além do tipo do

núcleo Alguns indutores possuem núcleos ajustáveis para poder modificar sua

indutância.

Se uma bobina for percorrida por uma corrente variável, ou seja , uma

corrente cujo sentido varia periodicamente com uma determinada freqüência,

será criado um campo magnético variável. De acordo com a lei de Faraday, um

campo magnético variável produz corrente induzida num fio condutor devido á

criação de um campo elétrico variável na região em que se encontra o tal fio.

Essa variação periódica do campo elétrico e do campo magnético gera ondas

eletromagnéticas que podem propagar-se no espaço com a velocidade da luz

(300000Km/s) .

As ondas eletromagnéticas são responsáveis pela transmissão de

informações através do espaço, como por exemplo : som e imagem. A

produção dessas ondas é feita por circuitos eletrônicos denominados de

osciladores. Eles estão presentes na estação transmissora da informação (uma

emissora de TV, por exemplo) e nos aparelhos que recebem a transmissão (a

televisão de nossas casas).

A frequência dos osciladores, que não sejam controlados por cristal é

determinado por um circuito ressonante LC , um indutor (bobina) e um

capacitor, figura 12.

As bobinas de poucas espiras, sem núcleo ou com núcleo de ferrite

(que aumentam sua indutância) são usadas em circuitos de altas freqüências

ou que trabalham com variações muito rápidas de corrente. Já as bobinas de

muitas espiras, os choques de filtros, por exemplo, que podem ter núcleos de

ferrite ou mesmo ferro laminado trabalham com correntes de médias e baixas

freqüências.

Os indutores facilitam a circulação de uma corrente contínua, mas

oferece oposição à passagem de uma corrente alternada.. Esta oposição

oferecida pelos indutores recebe o nome de reatância indutiva e é abreviada

por XL.

26

Figura 12 – Circuito LC.

Além dos réles e osciladores, outros componentes eletrônicos como o

transformador , o alto-falante, o microfone magnético, os galvanômetros e

motores, funcionam baseados nos princípios do eletromagnetismo.

EXERCÍCIOS PROPOSTOS:

1) Como é feita a comunicação do som produzido na estação de

AM e FM até os receptores (rádios ) de nossas casas?

2) Como o som e as imagens produzidos nas emissoras de

televisão chegam até os televisores de nossas casas?

3) Como é feita a transmissão da internet via rádio até os

computadores de nossas casas?

4) Um carrinho de brinquedo de controle remoto, opera numa

freqüência de 27MHz Determine a indutância e o número de

espiras necessário para a construção dessa bobina de núcleo

de ar (u = 4π x 10-7). Sendo o valor da capacitância do

capacitor 10pf, diâmetro de cada espira 1cm, e o comprimento

da bobina também 1cm.

5) Faça uma pesquisa sobre os símbolos e aspectos de

solenóides usados nos circuitos eletrônicos.

27

1.5 – Transformadores:

O transformador básico é constituído por duas bobinas enroladas num

núcleo comum a ambos, que pode ser de ferrite, ferro laminado, ou núcleo de

ar. A figura 13, mostra um transformador elevador de tensão com núcleo de

ferro laminado, contendo 300 espiras na bobina do primário e 12000 espiras na

bobina do secundário. Na figura 14, temos um transformador abaixador de

tensão. São 300 espiras na bobina do primário, e 5 espiras na bobina do

secundário.

Figura 13 - Transformador elevador de tensão.

28

Figura 14 – Transformador abaixador de tensão

Quando estabelecemos uma corrente alternada no enrolamento primário

aparece em torno da sua bobina um campo magnético cujas linhas de indução

se expandem e contraem á mesma freqüência da corrente.

O resultado é que, cada vez que estas linhas cortam as espiras do outro

enrolamento é induzida uma tensão que aparece nos seus extremos. A tensão

tem polaridade dada pelo movimento das linhas de indução de modo que ela

também se inverte na mesma freqüência da corrente no primário. Obtemos

então no secundário do transformador uma tensão alternada de mesma

freqüência que a aplicada no enrolamento primário.

Os transformadores são usados para alterar as características de um

sinal ou ainda uma tensão alternada.

O tipo mais usado de transformador é o denominado transformador de

alimentação ou transformador de força. Este tipo de transformador é usado em

fontes de alimentação, tanto para reduzir a tensão da rede de energia para um

valor menor de acordo com a aplicação, como para isolar a rede de energia

evitando assim choques em quem tocar no circuito do aparelho. Eles também

podem produzir no secundário tensões maiores que as aplicadas no primário,

dependendo da relação entre o número de espiras do primário e secundário.

Aumentando-se a tensão no secundário, a corrente nesse enrolamento será

menor do que a corrente no enrolamento primário.

29

Os transformadores são especificados pela tensão de entrada

( primário ), tensão de saída e corrente de saída ( secundário ). A relação entre

as tensões no primário ( Vp) e secundário (Vs), e o número de espiras do

primário (Np) e secundário (Ns), é dada pela seguinte fórmula: ( Vp/Vs = Np/Ns

). Eles só podem operar com sinais alternados que tanto podem ser de baixas

freqüências ( como a tensão da rede de energia ), quanto de altas freqüências.


1) Determine a tensão e a corrente elétrica no secundário do

transformador mostrado na figura 13, sendo a tensão e a

corrente no primário respectivamente 120V, e 1A.

2) Repita os cálculos para o transformador mostrado na figura

14.

3) Por que, a espessura do fio da bobina do secundário do

transformador da figura 14, é bem maior do que o fio da

bobina do secundário do transformador mostrado na figura

13?

4) Qual a participação da bobina do carro na produção da faísca

das velas?

5) No motor movido a diesel é usado bobina? Por quê?

ATIVIDADE 5: Fonte de alta tensão.

Material utilizado:

- SCR –TIC106B, se a rede for 110V; e TIC106D, se a rede for 220V.

- lâmpada Neon comum.

- Diodo 1N4007

- Um potenciômetro de 1MΩ.

- R1 resistor de 220Ω x 10W, se a rede for 110V; ou 470Ω x 20W, se a

rede for 220V

- R2 resistor 47KΩ x 1/8W (amarelo, violeta, laranja).

- R3 resistor 10KΩ x 1/8W (marrom, preto, laranja).

30

- C1 capacitor 2uF x 200V, se a rede for 110V; ou 2uF x 450V, se a rede

for 220V.

- C2 capacitor de poliéster 47nF x 100V.

- Um interruptor simples. Tipo liga/desliga.

- Uma bobina de ignição de automóvel (T1), ( pode ser usada, desde

que esteja em bom estado de funcionamento).

- Um duplicador (R), ou triplicador usados em televisores.

- Diversos: caixa para a montagem, ponte de terminais, solda, cabo de

alimentação, e fios para a ligação.

Funcionamento:

A bobina é um transformador de alta tensão ( o número de espiras no

secundário é bem maior do que no primário ) que necessita de um corrente

variável ou pulsante no seu primário para que tenha uma produção contínua

de alta tensão no seu secundário. No circuito, quando o SCR liga, pela ação da

descarga na lâmpada neon C2, o capacitor C1 se descarrega produzindo um

forte pulso. O resultado é o aparecimento de uma alta tensão no secundário da

bobina. Esta fonte fornece um tensão pulsante de 10000V a 20000V

(dependendo das características da bobina), com uma freqüência de 10Hz a

100Hz. Esta tensão após passar pelo duplicador ou triplicador ela sai duplicada

ou triplicada e contínua. As figura 15 e 16, mostram o esquema elétrico da

montagem da fonte de alta tensão.

EXPERIÊNCIAS COM A FONTE DE ALTA TENSÃO

- Acendendo uma lâmpada fluorescente:

Aproximando a lâmpada do eletrodo de alta tensão segurando-a pelo

tubo, ela deverá acender, figura 17.

- Acendendo uma lâmpada néon:

Segurando a lâmpada néon com um alicate, aproxime-a do eletrodo da

alta tensão e ela acenderá, figura 18.

31

Observação: Faça as experiências sobre um tapete isolante para que

não ocorram fugas que podem causar uma pequena sensação de choque, não

muito agradável.

Outras experiências podem ser realizados, como por exemplo: vento

iônico (ionização dor ar), gaiola de Faraday , motor iônico, etc.

Figura 15 – Esquema elétrico da montagem da fonte de alta tensão.

32

Figura 16 – Esquema elétrico da montagem da fonte de alta tensão

33

Figura 17 – Acendendo uma lâmpada fluorescente.

Figura 18 – Acendendo uma lâmpada néon.

34

1.6 – TRANSDUTORES OU SENSORES:

Os transdutores ou sensores são dispositivos que transformam uma

forma de energia em outra mais apropriada no processamento. Os transdutores

convertem energia elétrica em outra forma de energia como o som, luz,

movimento etc. Por exemplo, o alto-falante, converte a corrente elétrica em

som. Os sensores, convertem alguma forma de energia em energia elétrica que

possa ser processada pelos circuitos eletrônicos. Por exemplo, o interruptor,

converte a pressão em corrente elétrica, Os sensores são considerados os

órgãos dos sentidos nos robôs, braços mecânicos, automatismos diversos,

automóveis, equipamentos médicos e industriais, e tudo mais que seja alvo da

mecatrônica.

- OS ALTO-FALANTES E FONES:Convertem energia elétrica em som. São especificados pela impedância

em ohms, potência em watts e pelo tamanho.

- OS MICROFONES:Convertem energia acústica ( som ) em energia elétrica.

O microfone dinâmico é um alto falante ao contrário (na verdade,

qualquer alto-falante também funciona como um microfone dinâmico). Quando

uma onda sonora incide em seu diafragma ela o faz vibrar e com isso a bobina

corta as linhas de força do campo magnético do ímã fazendo aparecer uma

corrente. Esta corrente é um retrato fiel do som original. Basta ampliá-la para

que ao ser aplicada num alto-falante ela reproduza o som original.

O microfone piezoelétrico utiliza um cristal que ao sofrer deformações

pela incidência de uma onda sonora, cria tensões que são o retrato fiel do som

original.

Finalmente, temos os microfones de eletreto. São formados por

substâncias que liberam cargas elétricas quando submetidos a deformações.

35

Estas cargas retratam o som original e podem controlar correntes mais

intensas a partir de transistores de efeito de campo. Os transistores

amplificadores já são incorporados aos próprios microfones deste tipo, o que

lhes garante enorme sensibilidade e tamanho reduzidos.

- AS LÂMPADAS:

As lâmpadas transformam energia elétrica em luz. Como exemplo, de

lâmpadas temos:

A lâmpada incandescente, produz luz, devido a passagem de uma

corrente elétrica pelo seu filamento.

A lâmpada fluorescente, e a neon , ambas produzem luz ,devido a

tensão aplicada nos seus terminais.

Os LEDs (diodos emissores de luz), são diodos especiais que convertem

energia elétrica em luz.

- OS MOTORES:

Convertem energia elétrica em movimento e força mecânica. Como

exemplo de motores temos: Os de corrente contínua, de passo, indução, e o

servomotor.

Os motores de corrente contínua ( DC ou CC ) rodam praticamente sem

controle, a não ser de velocidade, e são usados apenas nas aplicações que se

deseja movimento. Eles são especificados pela tensão de operação e pela

corrente que exigem, quando alimentados pela tensão de operação sob

determinada carga ou velocidade.

Os motores de passo são motores de precisão que se movem colocando

partes de um equipamento em posições definidas com altos graus de precisão.

Por exemplo, o posicionamento de leitura de um DVD, ou de impressão de uma

impressora. Além da tensão e corrente de operação de cada bobina, eles são

especificados pelo número de bobinas ou número de fases que possuem. Os

tipos mais comuns são os de duas e quatro fases.

36

Os motores de indução operam exclusivamente com corrente alternada,

obtem movimento sem ruídos ( o motor de indução não tem escovas),e

velocidades com pequena variação (dependendo da carga), e boa eficiência.

O servomotor é um dispositivo que converte um sinal elétrico, por

exemplo uma tensão, num movimento proporcional de uma alavanca ou ainda

um cursor. O servomotor básico consta de um motor que, por meio de um

sistema de redução ou não, aciona um dispositivo de realimentação e uma

alavanca. O dispositivo de realimentação serve para indicar a posição da

alavanca de modo que o circuito de controle possa leva-la até uma posição

desejada.

- OS SOLENÓIDES E RELÉS:

Os solenóides e relés convertem energia elétrica em mecânica.

Os solenóides são formados por uma bobina dentro da qual pode

deslizar um núcleo de material ferroso. Quando uma corrente percorre a

bobina, o campo magnético criado puxa o núcleo para dentro com força. Está

força pode ser usada para acionar os mais diversos dispositivos como, por

exemplo, abrir e fechar uma válvula de água numa máquina de lava, abrir a

fechadura de um portão, etc.

Os relés são chaves eletromagnéticas. Eles são formados por uma

bobina e um conjunto de contatos que podem ser acionados pela ação de um

campo magnético criado por uma bobina.

Aplicando uma tensão na bobina, ela atrai a armadura (que é uma peça

ferrosa presa aos contatos) de modo que eles se movimentam comutando

assim a corrente de um circuito externo.

Os relés são usados para se controlar circuitos a partir de correntes

fracas ou de forma isolada. Podemos aplicar uma baixa tensão a uma bobina

de relé para controlar um circuito de alta corrente que seja ligado aos seus

contatos.

- SENSORES MAGNÉTICOS:O tipo mais comum de sensor magnético é o interruptor de lâminas ou

reed-switch. Quando o campo magnético de um ímã ou de uma bobina age

37

sobre as lâminas , magnetizando-as, aparece uma força de atração que une

essas lâminas fechando o circuito em que o dispositivo está ligado.

- SENSORES RESISTIVOS: Os tipos mais comuns de sensores resistivos são os de temperatura, luz

e pressão.

Como sensores de temperatura temos: O NTCs ( Negative Temperature

Coeefficient ), a sua resistência diminui quando a temperatura aumenta. E os

PTCs ( Positive Temperature Coeefficient ), a sua resistência aumenta

quando a temperatura aumenta.

O tipo mais conhecido de sensor resistivo de luz é o LDR ( resistor

dependente de luz).

Os LDRs são muito sensíveis , apresentando uma resistência de

milhões de ohms no escuro e algumas dezenas ou centenas de ohms quando

iluminados.

- SENSORES MECÂNICOS:Os sensores mecânicos podem ser utilizados como detector de fim-de-

curso, detector de batidas, detector de posição e em muitas outras aplicações.

Como exemplo temos: o interruptor de pressão, o micro-switch, o sensor de

pêndulo, e a chave de mercúrio.

- SENSORES ÓPTICOS: Os sensores ópticos transformam a luz em corrente elétrica. Como

exemplos temos: Os fotodiodos, os fototransistores e as fotocélulas.Quando a

luz incide numa junção polarizada no sentido inverso, portadores de cargas são

liberados provocando uma pequena corrente de fuga da ordem de

milionésimos de ámpere, dependendo da intensidade da luz incidente Os

fototransistores operam segundo o mesmo princípio dos fotodiodos. Uma das

vantagens do fototransistor em relação ao fotodiodo é que podemos ter um

sinal amplificado, dependendo do modo como o utilizamos.

As fotocélulas ou células solares convertem energia luminosa ( energia

radiante) em energia elétrica.

38

Além dos sensores analisados, há outros que podem ser empregados

em automatismos, projetos mecatrônicos e robôs. Dentre eles destacamos os

seguintes: Sensores de aproximação, sensores de toque, sensores

piroelétricos, sensores de gás, sensores de pressão atmosférica, e sensores de

aceleração.


1) Como funcionam os sensores de aproximação usados nas

portas automáticas usadas nos grandes Shopping Centers?

2) Faça uma pesquisa a respeito dos materiais sensíveis a luz

utilizados nos LDRs, fotodiodos, fototransitores e fotocélulas.

3) Faça uma pesquisa sobre os símbolos e aspectos de sensores

e transdutores.

ATIVIDADE 6: Desligando um motor com um relé, e um ímã.

Materiais utilizados:- 5m de fio esmaltado número 26.

- 2 ímãs circulares de alto-falante, com diâmetros de 5,5cm cada.

- 1 sensor magnético reed-switch.

- 8 pilhas de 1,5V cada.

- 2 fixadores de trilhos de cortina.

- 1 parafuso de 7cm.

- Um interruptor do tipo liga/desliga.

- Uma lâmina de lata, medindo cerca de 8cm x 0,5cm.

- Um pedaço de madeira medindo cerca de 10cm x 8cm, para a

construção do réle.

- Um pedaço de madeira medindo cerca de 20cm x 15cm, para a

construção do motor.

- Diversos: suporte de pilhas, parafusos para fixação na madeira,

canaleta para passagem de fios, adesivo de epoxy, uma caneta sem carga.

39

Montagem do réle:

- Enrole no parafuso , de 200 a 300 espiras de fio, para a construção do

eletroímã.

- Fixe um parafuso na madeira, de maneira que o tubo fique encaixado

nele.

- Fixe com a massa epoxy a lâmina de lata no tubo da caneta, e na base

de madeira.

- Fixe o parafuso que é suporte do eletroímã na madeira, de maneira

que a lâmina fique a 2mm da cabeça do parafuso.

Montagem do motor:- Faça uma bobina de 10 espiras com o fio número 26. As extremidades

do fio usado deverão ficar com 8cm livres de cada lado.

- Com um pedaço de fio número 8, faça dois suportes para a bobina.

- Raspe o esmalte de cada extremidade da bobina somente num

hemisfério.

- Coloque a bobina entre os ímâs.

Na figura 19, temos os aspectos do réle e do motor.

Funcionamento:A corrente elétrica ao atravessar o eletroímã, após ter passado pelo

reed-switch, produz um campo magnético que atrai a lâmina fechando o

circuito formado pela bateria (B2), que alimenta o motor, e o motor. Dessa

forma o motor começa a funcionar. Se colocarmos um ímã próximo do reed-

switch as suas lâminas se abrirão, a corrente que alimenta a bobina é

interrompida, a lâmina volta a sua posição inicial, e o motor é desligado. Na

figura 20, temos a montagem do circuito elétrico formado pelo motor e réle.

40

Figura 19 – Aspectos do Réle , e do Motor.

Figura 20 - Esquema e montagem do circuito elétrico do motor e réle.

41

1.7 – Diodos:

O diodo é um componente eletrônico polarizado obtido quando,

juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes (um do tipo “P” e

um do tipo “N” ) formando entre eles uma junção semicondutora “PN”. O diodo

permite a passagem da corrente num único sentido, por essa razão ele é

utilizado num circuito eletrônico como retificador da corrente alternada em

contínua, além de outras funções.

O Germânio (Ge) e o Silício (Si), são semicondutores usados na

fabricação do material semicondutor do tipo “P e N”. Ambos têm na última

camada quatro elétrons.

Assim formando um cristal, tanto o Germânio como o Silício fazem com

que os átomos compartilhem os elétrons havendo sempre oito deles em torno

do núcleo de cada átomo, o que significa um equilíbrio estável.

De fato, os elétrons ficam tão firmemente presos aos átomos nestas

condições que não tendo movimento não podem funcionar como portadores de

carga e com isso transmitir a corrente elétrica. Por esse motivo o Germânio e o

Silício puros, na forma cristalina, apresentam uma resistência muito alta, muito

mais próxima dos isolantes do que propriamente dos condutores, se bem que

numa faixa intermediária. Nesta forma cristalina de grande pureza, eles não

servem para a elaboração de componentes eletrônicos, mas a situação pode

mudar com a adição de certas “impurezas” ao material.

Estas impurezas consistem na adição de algum elemento que tenha três

ou cinco elétrons na sua última camada, e se faz em proporções extremamente

pequenas, da ordem de uma parte por milhão.

A figura 21a, mostra um semicondutor tipo “N”, formado através da

adição do Arsênio(As), na estrutura cristalina do Germânio.

Como o átomo de Arsênio contém 5 elétrons na sua última camada,

sobra um elétron (o equilíbrio se dá com 8 elétrons) que adquire mobilidade

para servir de portador de cargas do material.

O resultado é que a resistividade ou capacidade de conduzir se altera e

o Germânio ou Silício se tornam um bom condutor de eletricidade.

Acrescentando na estrutura cristalina do Germânio ou Silício uma

impureza cujos átomos tenham três elétrons na sua última camada, como por

42

exemplo, o Índio(In), obtemos um material semicondutor do tipo “P” (figura

21b).

Veja que, no local em que se encontra o átomo de Índio não existe 8

elétrons para serem compartilhados (a soma agora é de 7 elétrons) , de modo

que sobra uma vaga, ou lacuna.

Esta lacuna também funciona como um portador de cargas, pois

elétrons que queiram se movimentar através do material podem “saltar” de

lacuna em lacuna obtendo-se um percurso com pouca resistência.

Como os portadores de cargas neste caso são lacunas, e a falta de

elétrons, corresponde a uma carga positiva, dizemos que o material

semicondutor assim obtido é do tipo “P” (P de positivo). Podemos formar

materiais semicondutores do tipo “N e P”, com elementos como o Germânio,

Silício, Selênio, Gálio, etc.

Figura 21 – Material semicondutor.

43

Conectando o pólo positivo da bateria no material “P” e o pólo negativo

no material “N’, a junção “PN”, fica polarizada no sentido direto (figura 22a). A

barreira de potencial que aparece na junção “PN” (devido a neutralização dos

elétrons do material “N”, com as lacunas do material “P” ) diminui, e uma

corrente intensa atravessa com facilidade a junção “PN”.

No entanto, se invertemos a polaridade da bateria em relação aos

semicondutores, o que ocorre é uma atração dos portadores de material N para

o pólo positivo e do material P para o negativo, ou seja, eles se afastam da

junção, conforme mostra a figura 22b.

O resultado é que em lugar de termos uma aproximação das cargas na

região da junção temos seu afastamento, com um aumento da barreira de

potencial que impede a circulação de qualquer corrente. O material polarizado

desta forma não deixa passar corrente alguma.

44

Figura 22 – Polarização do diodo.

Na prática uma pequena corrente, denominada “de fuga” circula, da

ordem milionésimos de ampére, devido ao fato de que o calor ambiente pode

“soltar” portadores de carga dos átomos da junção os quais se recombinam.

Esta junção “PN’, recebe o nome de diodo. Nos diodos de germânio, a

circulação da corrente começa ocorrer com uma tensão de aproximadamente

0,2V, e nos diodos de silício com cerca de 0,6V. Este pedaço de material

semicondutor”PN” é colocado dentro de um invólucro, conforme mostra a figura

23.

45

Figura 23 – Junção PN.

Os diodos são encontrados numa grande variedade de tamanhos e tipos

de acordo com a sua aplicação.Os diodos funcionam como vias de sentido

único para as correntes, ou seja, conduzem a corrente em um único sentido.

Os diodos comuns (diodo retificador , ou de uso geral), são

especificados em função de corrente máxima que podem conduzir no sentido

direto (If), e pela tensão máxima que suportam no sentido inverso (Vr). Por

exemplo, o diodo 1N4005, e um diodo retificador de Silício que suporta uma

corrente máxima de 1A no sentido direto, e uma tensão máxima no sentido

inverso de 600V.

Existem também, diodos especiais que apresentam propriedades

adicionais. Além de conduzir a corrente num único sentido, podem ser usados

46

em aplicações eletrônicas interessantes. Podemos citar os LEDs, que são

diodos que emitem luz (acendem) quando percorridos por uma corrente

elétrica. Há ainda os fotodiodos que deixam a corrente passar quando

iluminados e que, por isso, podem ser usados como sensores. Também

existem diodos que podem regular tensões e até mesmo gerar sinais de

freqüência muito altas como o diodo “zener” e os diodos “tunnel”,

respectivamente.

Enquanto nos diodos comuns a tensão máxima inversa pode causar a

queima do componente, o diodo zener é projetado para operar justamente com

esta tensão inversa máxima . Ou seja, enquanto o diodo comum funciona

somente quando polarizado diretamente, o diodo zener funciona somente

quando polarizado inversamente.

A figura 24,mostra os símbolos e aspectos de alguns diodos.

47

Figura 24 - Símbolos e aspectos de alguns diodos.

EXERCICÍOS PROPOSTOS:

1) Qual a função do diodo 1N4004, usado no temporizador da

atividade 2 ?

2) Qual a função do diodo 1N4007, usado na fonte de alta tensão

da atividade 6 ?

3) Qual a corrente máxima direta e tensão máxima inversa dos

diodos 1N4004, e 1N4007 ?

4) Explique a emissão de luz produzida pelo LED.

48

5) A emissão de luz pelo LED, tem ligação com o efeito

fotoelétrico?

ATIVIDADE 7: Experiências com o diodo.

Material utilizado:- Um diodo 1N4004.

- Duas chaves HH (2 pólos x 2 posições).

- Uma lâmpada 60W/110V, ou 60W/220V.

- Um soquete para a lâmpada.

- Um led vermelho.

- Um resistor de 470Ω x 1/8W (amarelo, violeta, marrom).

- Quatro pilhas de 1,5V cada.

- Diversos: suporte para as pilhas, madeira para a fixação dos

circuitos, ponte de terminais, fios de ligação, solda.

Experiência 1: O diodo na corrente alternada.A figura 25 mostra o esquema elétrico da montagem.

49

Figura 25 – O diodo na corrente alternada

Funcionamento:A corrente alternada fornecida pela rede é composta de semi-ciclos

positivos e semi-ciclos negativos. Quando ligamos a chave na posição em

que o diodo fica em série com a lâmpada; os semi-ciclos positivos polarizam

o diodo no sentido direto. A corrente passa através do diodo e chega até a

50

lâmpada. Já os semi-ciclos negativos são impedidos de atravessar o diodo,

pois eles polarizam o diodo no sentido inverso.

Mudando a posição da chave, tanto os semi-ciclos positivos quantos

os negativos atravessam a lâmpada.

Experiência 2: O diodo na corrente contínua.Afigura 26, mostra o esquema elétrico da montagem.

Figura 26 – O diodo na corrente contínua

51

Funcionamento:

O led é um diodo emissor de luz. Quando a chave é colocada na

posição em que o led fica polarizado no sentido direto, a corrente passa e

ele acende. Mudando a posição da chave, o led não acende porque fica

polarizado no sentido inverso.


1) Qual a tensão na lâmpada na experiência 1, com a chave na

posição em que o diodo fica em série com a lâmpada ? Qual a

sua potência?

2) Mudando a posição da chave o brilho da lâmpada é maior? pôr

que?

3) Na experiência 1, uma lâmpada de 150W/110V, acenderá com a

chave em qualquer posição? Pôr que?

4) A corrente máxima e a tensão máxima inversa de um diodo

são respectivamente 0.5A e 5V. Uma lâmpada de 6V/0,5A é

ligada em série com esse diodo.A lâmpada acenderá se a

polarização do diodo for direta ou inversa? Explique.

52

1.8 – TRANSISTORES BIPOLARES:

Os transistores são componentes formados por três pedaços de

materiais semicondutores como o Silício e o Germânio dos tipos “P” e “N”.

Para obter uma estrutura equivalente a um transistor devemos empilhar

ou formar três regiões semicondutoras de polaridades alternadas de modo que

entre eles existam duas junções. As regiões semicondutoras receberão os

nomes de emissor (E), base (B), e coletor (C). Podemos fazer a estrutura

indicada de duas formas diferentes, o que nos leva a dois tipos de transistores:

o “PNP”, e o “NPN”. Podemos comparar a estrutura interna do transistor a dois

diodos comuns ligados anodo com anodo, ou catodo com catodo. A figura 27,

mostra a estrutura e os símbolos dos transistores bipolares.

Figura 27- Estrutura e símbolos dos transisitores bipolares

53

Os transistores são os componentes mais importantes dos circuitos

eletrônicos, pois podem gerar e amplificar sinais, além de funcionar como

chaves controladas eletrônicamente.

Para que o transistor funcione, ou seja, amplifique um sinal, é necessário

que ele seja polarizado corretamente.

Na figura 28, temos um transistor NPN, e a sua estrutura interna

representada por dois diodos. No diodo de baixo que está polarizado

diretamente, portanto permitindo a passagem da corrente, a corrente sai do

pólo positivo, atravessa a base e o emissor, e chega ao pólo negativo (sentido

convencional da corrente; o sentido real da corrente é do pólo negativo para o

positivo). Durante esse trajeto, o diodo de cima fica polarizado inversamente,

impedindo que essa corrente circule da base para o coletor. Isso faz então com

que uma forte corrente possa atravessar o transistor, entre os terminais “C” e

“E”.

Como ambas as correntes (tanto a fraca, como a forte ) saem pelo

emissor, podemos então afirmar que a corrente do emissor é a soma das

correntes de base e de coletor.A corrente de emissor (forte) ou do coletor ( se

considerarmos o sentido real da corrente), é dentro de certos limites

diretamente proporcional à corrente (fraca) de base.

A relação entre a corrente de base e a corrente de coletor, determina o

fator de amplificação ou ganho do transistor (Hfe).

Tirando as inversões de polaridade, o transístor PNP se comporta de

maneira idêntica ao NPN.

54

Figura 28- Polarização do transistor.No corpo do transistor está impresso um código, que dá informações

sobre o seu tipo função e potência. Por exemplo: BC548, BD136, TIP32,

BF254.

O BC548, transistor NPN de Germânio, de uso geral e de baixa potência

(amplifica sinais de pequena intensidade e baixa freqüência).

O BD136, transistor PNP de Germânio, e o TIP32 são destinados a

operarem em circuitos com correntes intensas, mas com sinais de baixa

freqüência. Os transistores desta família operam com correntes de coletor

máxima de até 15 ampères. Tensões máximas entre coletor e emissor na faixa

de 20 a 100V, e freqüência que varia de 100KHz até perto de 40MHz.

O BF254, transistor NPN de Germânio é destinado a amplificar ou gerar

sinais de freqüências elevadas, mas com pequenas intensidade. A figura 29,

mostra os aspectos de alguns transistores.

55

Figura 29 – Aspectos de alguns transistores.

Para que os transistores funcionem corretamente e não acabem

inutilizados é necessário respeitar alguns parâmetros tais como:

Ic. máx. – È a corrente máxima de coletor.

Vce. máx. – È a máxima tensão aplicável entre o coletor e o emissor.

Hfe – É o ganho ou fator de amplificação do transistor.

Pc. máx. – É a potência ( em watts) máxima obtida no coletor do

transistor.

F. máx – È a máxima freqüência de funcionamento, sem que o ganho do

transistor se reduza a menos que um..

A figura 30, mostra para um transistor NPN os principais parâmetros a

serem medidos, calculados ou conhecidos, para que possamos operar o

transistor corretamente:

Ib – corrente de base.

Ic – corrente de coletor.

Ie – corrente de emissor.

Rb – resistor de base (ou de polarização).

Rc – resistor de coletor (ou de carga).

Vce – tensão medida entre os pontos A e B.

Vcb – tensão medida entre os pontos A e a base.

Vbe – tensão medida entre a base e o ponto B.

Vin – tensão de entrada, medida entre a base e o ponto B.

Vout – tensão de saída, medida entre coletor e o ponto B.

56

Figura 30 - Parâmetros do transistor bipolar.

ATIVIDADE 9: Provador de continuidade.Material utilizado:- R1 - resistor 10KΩ x 1/4W ( marrom, preto, laranja).

- R2 – resistor 500Ω x 1/4W ( verde, preto, marrom).

- Um LED vermelho comum.

- T1- transistor BC548, NPN.

- P1 – ponta de prova vermelha.

- P2 – ponta de prova preta.

- Duas pilhas de 1,5V cada

- Um pedaço de madeira 20cm x 15cm..

- Diversos: ponte de terminais, suporte para as pilhas, fios de ligação

57

Na figura 31, temos o esquema elétrico do provador de continuidade.

Figura 31 – Esquema elétrico da montagem do provador de continuidade.

Procedimentos:A fim de testar o aparelho, vamos utilizar o transistor BC548 (NPN). Na

figura 32a, os diodos que representam a estrutura interna do transistor é

58

polarizado no sentido direto, nota -se que o led acende nas duas situações. Se

isso não ocorrer o transistor estará em curto, Na figura 32b, os diodos são

polarizados no sentido inverso, o led deve ficar apagado nas duas situações.

Se isso não ocorrer, o transistor estará aberto Mas falta ainda provar a

continuidade entre o coletor e o emissor, figura 32c. Durante o teste o led deve

ficar apagado nas duas situações. Se isso não ocorrer o transistor estará em

curto.

Figura 32 – Teste de continuidade

59

ATIVIDADE 10: O transistor como amplificador.Materiais utilizados:- T1- transistor BC548 (NPN).

- R1- resistor de 470Ω x 1/4W

- R2- resistor de 500Ω x 1/4W.

- P1- potenciômetro ou trimpot de 1MΩx 1/4W.

- Um LED vermelho comum.

- P- ponte de terminais.


- Suporte para as pilhas.

- Um pedaço de madeira 15cm x 20cm.

A figura 33, mostra o esquema elétrico da montagem.

60

Figura 33 - esquema elétrico da montagem do transistor como amplificador

Funcionamento:Com o trimpot na posição de máxima resistência, ligamos o interruptor.

Embora o transistor esteja polarizado no sentido de conduzir, a corrente de

base é fraca e consequentemente a corrente de coletor também, o que leva o

led acender com um brilho muito fraco. Além da corrente de base,uma tensão

mínima de 0,6V (para o transistor de Germânio esse valor é de 0,2V, e o de

Silício 0,6V) deve ser aplicada a base para vencer a barreira de potencial da

junção emissor-base e o transistor comece a conduzir. A medida que

61

diminuímos a resistência do trimpot, a corrente de base aumenta e

consequentemente a corrente de coletor também, vemos que o brilho do led

aumenta. Chega entretanto um instante em que o led atinge o brilho máximo. O

transistor estará saturado e mesmo continuando a diminuir a resistência do

trimpot não temos aumento correspondente de corrente de coletor.

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1) Com o provador de continuidade, determine os terminais base,

coletor e emissor dos transistores TIP121 e BC548.

2) O transistor TIP121 (ganho HFE – 1000),é usado num cicuito

eletrônico como chave (modo saturado) para ligar e desligar

um motor cuja tensão e corrente são respectivamente 6V e

500mA.Determine:

a) O resistor de base;

b) A corrente de base.

3) Faça uma pesquisa sobre os circuitos integrados.

62

1.9 – TRANSISTOR UNIJUNÇÃO ( TUJ ) :

O transistor unijunção ( TUJ ) é formado por apenas dois blocos de

material semicondutor, um do tipo “P” e um do tipo “N”. O material “P”,

entretanto, é de dimensões bem reduzidas (em relação ao material “N”),

ficando com que incrustado ou embutido em determinado ponto da superfície

do material “N”. O termo unijunção é devido a única junção existente entre eles,

figura 34.

Figura 34 - Transistor Unijunção (TUJ).

Podemos comparar a estrutura interna do TUJ, a um diodo com o seu

terminal de catodo ligado á junção de dois resistores chamados de resistores

de bases, Rb1 e Rb2.

Isto quer dizer que podemos interpretar da seguinte maneira: o bloco

relativamente grande de material “N’ não passa de um bloco resistivo, e a

junção do material “N” com o material “P” age como se fosse um diodo, figura

35.

63

Figura 35 – Estrutura interna do TUJ.

Sendo o bloco “N”, um material semicondutor, a sua resistência é muito

alta, logo Rb1 e Rb2 são altos.

Se aplicarmos uma tensão positiva ao terminal B2 e negativa ao terminal

B1, uma pequena corrente percorrerá os resistores em série Rb1 e Rb2.

Para que o TUJ, funcione é necessário que apliquemos uma tensão

positiva acima de 0,6V (tensão mínima) no seu terminal emissor, o que fará

com que o diodo interno fique polarizado diretamente em relação a B1.

Essa tensão fará com que a resistência interna da base caía

drasticamente para um valor muito baixo, fazendo com que uma considerável

corrente passa a percorrer o componente no sentido B2-B1. Uma corrente

(chamada corrente de emissor) também, passa a percorrer o componente no

sentido E-B1, figura 36.

64

Figura 36 – Polarização do TUJ.

Não é difícil perceber, então, que o TUJ age como se fosse um

interruptor controlado, onde B2 e B1 são os terminais do interruptor, e o

emissor (E), o terminal de controle ou autorização. Devido a essa característica

de lidar com a corrente num regime de praticamente “tudo ou nada”, o TUJ não

se presta muito bem para trabalhar como amplificador. Mas pode ser utilizados

nos circuitos como oscilador.


1) Quais os parâmetros usados para o TUJ?

2) Faça uma pesquisa sobre os códigos e aspecto do TUJ.

65

1.10 – TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO ( FET ):

Embora o FET admita mais de um método de disposição física

interna dos materiais que o constituem, o FET do tipo mais comum,

chamado de FET de barreira, é constituído da seguinte forma: a um bloco

de material semicondutor “P” ou “N” são ligados através de contatos, dois

terminais metálicos chamados de dreno ( D ) e fonte ( S ). Acoplado a esse

bloco principal de material semicondutor existe no FET, uma incrustação de

material “N”, se o bloco principal for “P” ou “P” se o bloco principal for de

material “N”, ao qual está conectado um terceiro terminal externo chamado

porta ou comporta ( G ), através do qual podemos controlar o fluxo de

elétrons que passam pelo bloco principal, figura 37. Se o material incrustado

no bloco principal do semicondutor for do tipo “N”, temos o FET de canal

“N”; se for “P”, temos o FET de canal “P”.

66

Figura 37 – Transistor de efeito de campo (FET).

O transistor de efeito de campo é um dispositivo excitado por tensão.

Isso quer dizer que uma variação de tensão aplicada ao terminal de controle

67

( porta ) é que determina uma variação no sinal obtido saída; diferente do

transistor comum (bipolar) que é um dispositivo excitado por correntes, ou

seja, é uma variação de corrente no seu terminal de controle (base), que

determina uma variação no seu sinal de saída.

A função do terminal “G” (porta) é controlar a passagem dos elétrons

que saem do terminal “S” (fonte) e chega até o terminal ”D” (dreno). Por

essa razão o terminal “S” (fonte ) é polarizado negativamente, enquanto o

terminal “D” (dreno), é polarizado positivamente.

Se for aplicada uma tensão negativa ao terminal “G” (porta) do FET

de canal “N”, forma-se um campo elétrico, também chamado de área de

deplexão de polaridade negativa. Dependendo da intensidade da

polarização aplicada ao terminal “G” (porta), esse campo pode penetrar

mais ou menos no bloco no bloco principal do FET, apertando ou

estreitando o canal por onde passam os elétrons. Quanto mais negativo

estiver o terminal “G” (porta), maior será o campo e mais estreito será o

canal (passam menos elétrons). Por outro lado, se aplicarmos polarização

positiva de certa intensidade ao “G”(porta), o campo elétrico diminui, o canal

interno se alarga , e passam mais elétrons. Figura 38.

68

Figura 38 – Polarização do FET.

Os pequenos transistores de efeito de campo podem ser usados

como amplificadores e osciladores enquanto que os maiores denominados

POWER FETs ou ainda POWER MOSFETs ou transistores de efeito de

campo de potência podem controlar correntes muito intensas (de até

dezenas de ámperes), sendo por isso, muito empregados em controles de

motores nos projetos de Mecatrônica.

O MOS-FET, vem da sua denominação em inglês “Metal Oxide

Semiconductor Field-Effect Transistor”ou traduzindo , transistor de efeito de

campo de óxido de metal semicondutor.

A base de montagem do semicondutor é um substrato, de material

“P” ou “N”, que conforme o nome sugere serve apenas de suporte físico

para a montagem dos demais elementos. Neste substrato ‘P” por exemplo,

69

são difundidos duas regiões de material semicondutor do tipo “N” que são

interligados por um pedaço de material condutor que forma o canal.

Sobre o canal é colocada uma placa de filme metálica e isolando-a

do material condutor do canal existe uma finíssima camada de óxido de

silício.

Os eletrodos ligados ao material “N” recebem o nome de fonte (S) e

dreno (D). No material condutor isolado pela capa de óxido de silício temos

um eletrodo que recebe o nome de porta ou comporta (G), figura 39. A

figura 40, mostra os símbolos dos MOSFETs.

Figura 3 – Estrutura do MOSFET.

70

Figura 40 – Símbolos dos MOSFETs.


1) Quais os parâmetros dos FETs e POWER-FETs ?

2) Faça uma pesquisa sobre os componentes eletrônicos SCR e

TRIAC, que são membros da família dos Tirestores.

ATIVIDADE 12: Eletroscópio eletrônico. As figuras 41 e 42, mostram o esquema elétrico da montagem.

Material utilizado: - R1 - resistor de 1,5KΩ x 1/4W ( marrom, verde, vermelho)

- R2 - resistor de 4,7KΩ x 1/4W (amarelo, violeta, vermelho).

- R3 - resistor de 10MΩ x 1/4W (marrom, preto, azul)

- R4 - resistor de 150Ω x 1/4W ( marrom, verde, marrom).

- C1 - capacitor de 0,47uF x 12V, qualquer tipo.

71

-Um transistor BC307 ( pode ser usado outro PNP de áudio, baixa

potência,

Por exemplo, o BC558 ou equivalente).

-Um FET F245C ou equivalente.

-Um LED vermelho.

-Um interruptor simples, tipo liga/desliga

-Quatro pilhas de 1,5V cada.

-Um pedaço de fio de cobre nº 10 ou 12, com cerca 10 a 15cm.., para

a antena do Eletroscópio.

-Uma caixa de preferência metálica. Se não for metálica, resvista-a

com papel alumínio, de maneira que o papel fique em contato direto com o

operador.

-Diversos: ponte de terminais, suporte para as pilhas, fios de ligação.

Figura 40 – Esquema elétrico da montagem do Eletroscópio eletrônico

72

Figura 41 – Esquema elétrico da montagem do Eletroscópio Eletrônico.


1) Explique o funcionamento do eletroscópio da atividade 12 ?

2) Descalço, e depois de sapato ou tênis aproxime a sua mão da

antena do eletroscópio. Em qual situação o LED acenderá

com maior brilho? Explique.

3) Aproxime da antena do eletroscópio um corpo carregado

positivamente, e depois um corpo carregado negativamente.

Em qual situação o LED acenderá com maior brilho? Explique.

73

4) Na questão 3, o brilho do LED será maior se a quantidade de

cargas do corpo carregado negativamente aumentar?

Explique.

CAPÍTULO 2: PROJETOS MECATRÔNICOS.

2.1 – VEÍCULO ACIONADO PELA LUZ.

- Conteúdo Estruturante: Movimento.

- Conteúdo Específico: Composição de Movimentos.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.

Existem diversas situações práticas em que um móvel se encontra em

movimento em relação a um referencial, enquanto este, por sua vez,

movimenta-se em relação a um outro referencial. Como exemplo têm-se: um

homem caminhando dentro de um trem em movimento; ou o movimento de

uma pedra lançada obliquamente em relação à superfície da terra onde o

movimento da pedra pode ser decomposto em dois movimentos, um em

relação a horizontal e outro em relação a vertical. A

composição desses movimentos obedece ao princípio da simultaneidade de

Galileu: O movimento de um corpo pode ser resultado da composição de

outros movimentos realizados simultaneamente.

Segundo esse princípio para um observador fora do trem (referencial

“A”) a velocidade do homem caminhando dentro do trem e no mesmo sentido

do movimento do trem, será a soma da velocidade do homem em movimento

dentro do trem (Vh) , com a velocidade do trem (Vt) em relação a estrada

(referencial”B”).

Embora as distâncias , velocidades e trajetórias em relação a cada

referencial variem, o tempo de duração do processo se mantém constante, de

acordo com a Mecânica de Newton que pressupõe a existência de um tempo

(tempo absoluto) que passa com igual rapidez em todos os sistemas de

referência, e que ele é independente do estado de movimento dos sistemas de

referência.

74

ATIVIDADE 1: Veículo acionado pela luz.

Material utilizado:

- Um caminhão de brinquedo, tipo baú ( 25cm x 12cm x 12cm).

- Dois carrinhos de 3cm x 1.5cm, cada.

- Uma pedaço de madeira de 50cm x 12cm.

- Quatro roldanas de 4cm de diâmetros cada.

- Duas roldanas de 5cm de diâmetros cada.

- Uma roldana de 1.5cm de diâmetro.

- Uma correia de borracha.

- T1- transistor TIP122.

- R1- resistor 4,7MΩ x 1/8W (amarelo, violeta, verde).

- Um LDR redondo comum.

- Um motor CC (corrente contínua), de 6V com engrenagens para

diminuir a sua velocidade.

- Um interruptor simples, tipo liga/desliga.


- Um suporte para pilhas pequenas.

- Ponte de terminais.

- Diversos: barbante, suporte de trilhos para cortinas, canudo de plástico,

canaleta usada para a passagem de fios, solda , fios de ligação, cola e

parafusos com porca.

CONSTRUÇÃO:

- Corte duas canaletas de 40cm cada, e cole sobre a madeira (pista em

cima do caminhão).

- Fixe as roldanas de 4cm de diâmetro cada, através do suporte de

trilhos, e parafuse-as na pista. Centralize-as.

- Parafuse a pista em cima baú do caminhão.

- Fure a pista para que o barbante chegue até as roldanas.

- Coloque a roldana de 1,5cm de diâmetro no eixo traseiro do caminhão.

- Cole as roldanas de 5cm de diâmetro e fixe-as dentro do baú do

caminhão.

75

- Faça a adaptação do motor no eixo da roda dianteira.

As figuras 1,2,3 e 4 mostram os aspectos da montagem do caminhão.

Na figura 5, temos o circuito eletrônico.

Figura 1 – O caminhão pronto.

Figura 2- A pista em cima do caminhão.

76

Figura 3 – Adaptação das roldanas na roda traseira.

Figura 4 – Adaptação do motor na roda dianteira.

77

Figura 5 – Circuito eletrônico do veículo acionado pela luz.

FUNCIONAMENTO.

Quando ligamos o interruptor, a luz que incide no LDR, aciona o motor e

movimenta o caminhão. Em cima do caminhão, há uma pista e um sistema de

roldanas que movimentam os carrinhos dentro das canaletas, um no mesmo

sentido do caminhão, e o outro no sentido contrário do caminhão, conseguindo

assim o efeito da composição de movimento. Quando o carrinho que se

movimento no mesmo sentido do caminhão chega ao final da pista, ele

bloqueia a luz , a resistência do LDR aumenta, e o motor é desligado

automaticamente.


O carrinho movimenta-se na mesma direção do caminhão.

78

1) A distância percorrida pelo carrinho até atingir o final da

canaleta é a mesma do caminhão? Explique.

2) Com um cronômetro, determine o tempo gasto para o carrinho

atingir o final da canaleta.. Qual a velocidade média do

carrinho e do caminhão durante esse intervalo de tempo?

3) Para um observador fora do conjunto caminhão-pista

(referencial “A”), a velocidade média do carrinho é maior do

que a do caminhão? Explique.

4) Responda as questões 1,2,e 3, com o carrinho movimentando-

se no sentido contrário ao do caminhão.

79

2.2 – O PARAFUSO DE ARQUIMEDES.


- Conteúdo Específico: Máquinas simples.


Parafuso de Arquimedes ou bomba de parafuso é uma máquina

utilizada para transferir líquidos entre dois pontos com elevações diferentes. A

sua invenção é atribuída a Arquimedes, apesar de existirem registros escritos

sobre os jardins suspensos da Babilónia que descrevem um aparelho idêntico

utilizado na Mesopotâmia cerca de 300 anos antes do seu nascimento,

Na antiguidade o parafuso de Arquimedes era utilizado em sistemas de

irrigação, pelos romanos, para retirar água de minas.

Ele pode também ser utilizado para bombeamento de lamas, e esgotos;

na remoção de terra durante as operações de escavações, e no transporte de

inúmeros materiais, principalmente grãos.

Existem algumas bombas de parafuso de 6m de altura funcionando na

Av. Atlântica, em Copacabana, no Rio de Janeiro, para bombear os esgotos da

Zona Sul dentro do interceptor até o emissário submarino de Ipanema.

O parafuso de Arquimedes , nada mais é que uma sucessão de planos

inclinados. O plano inclinado é uma máquina simples que facilita a realização

de um trabalho. Ele permite que se eleve um determinado objeto com menor

força , porém será necessário que o objeto percorra uma distância maior ao

longo do plano do que se ele fosse elevado, para a mesma altura

verticalmente, figura 6.

80

http://pt.wikipedia.org/wiki/Mesopot%C3%A2mia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Jardins_suspensos_da_Babil%C3%B3nia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Arquimedes

http://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido

http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina

Figura 6 – Plano inclinado.

Ao girar o parafuso, a água sobe gradualmente pela espiral, sendo

transportada de um nível mais baixo para outro mais alto. Observe que a água

percorre uma distância maior dentro da mangueira, essa distância é

compensada com a diminuição na força utilizada para elevar a água do nível

mais baixo para outro mais alto.

ATIVIDADE 3: Automatizando o parafuso de Arquimedes.

Material utilizado:- Madeira para o suporte do Parafuso de Arquimedes.

Um pedaço de madeira medindo 40cm x 4cm x 2cm, outro de 37cm x

13cm x 2cm, e dois de 15cm x 3cm x 2cm.

- Dois metros de mangueira de 0,5cm de diâmetro.

- Um pedaço de cano PVC de 60cm de comprimento e 40mm de

diâmetro.

- Uma luva de PVC de 40mm.

- Uma tampa de PVC de 40mm.

- Dois recipientes de plástico, um com dimensões 25cm x 17cm x 5cm,

e outro com dimensões 18cm x 12cm x 5cm.

- Um motor de corrente contínua de 6V, com sistema de engrenagens.

81

- Um relé de 6V x 100mA

- Um diodo 1N4148.

- R1, resistor de 4,7KΩ x 1/4W ( amarelo, violeta, vermelho).

- T1, transistor BC337.

- Quatro pilhas pequenas de 1,5V cada.

- Um suporte para 4 pilhas pequenas.

- Um conector DB25 Macho.

- Diversos: pontede terminais e fios de ligação.

CONSTRUÇÃO:- Pregue a base de madeira com o suporte que irá sustentar o eixo

central do parafusode modo que formem um ângulo de 90°.

- Pregue na base os dois pedaços de madeira que servirão de suporte

para o recipiente de plástico menor. Cole o recipiente nesse suporte.

- Corte um pedaço de 10cm do cano de PVC. Faça um furo para

encaixar o eixo central do parafuso de Arquimedes. Este pedaço de cano,

deverá ser fixado no fundo do recipiente , no nível mais baixo.

- Pegue os 50cm restante do cano de PVC, coloque a tampa de PVC

com o parafuso de aproximadamente 6cm , no centro da tampa. Do outro lado

do cano, coloque a luva e faça a adaptação do sitema motor-engrenagens no

interior da luva. No experimento foi adaptado uma roda de carrinho de

brinquedo (com as dimensões internas da luva) no eixo ligado ao sistema

motor-engrenagens , e essa roda após ser introduzida na luva, ela foi

parafusada.

- Faça um furo na madeira, para apoiar o eixo ligado ao sistema motor-

engrenagens, de maneira que o parafuso de Arquimedes fique inclinado.

- Enrole 11 voltas da mangueira ao redor do cano de PVC, entre a luva e

a tampa.

Observação:

A distância entre as espiras (voltas) feitas com a mangueira devem ser

iguais.

O ângulo formado entre o eixo do parafuso e a horizontal (a) , deve ser

menor do que o ângulo formado entre um trecho reto da mangueira e o eixo do

parafuso (b), figura 7.

82

- Faça a adaptação do sistema motor-engrenagens no suporte de

madeira.

- Coloque o parafuso de Arquimedes entre o suporte de madeira e o

pedaço de cano fixado no recipiente mais baixo, centralize-o.

Figura 7 – Relação entre os ângulos.

As figuras 8, 9 e 10 mostram os detalhes da construção. Na figura 11,

temos o circuito eletrônico.

A cor correspondente ao pino 2 do cabo DB25 é o azul claro com lista

branca; e do pino 19 é o azul escuro com lista branca. Em caso de dúvida, faça

o teste de continuidade com o multímetro.

83

Figura 8 – O Parafuso de Arquimedes.

Figura 9 – Adaptação da luva de PVC.

84

Figura 10 – Ponto de apoio do Parafuso de Arquimedes.

Figura 11 – Circuito eletrônico do Parafuso de Arquimedes.

LINGUAGEM LOGO PARA O CONTROLE DO MOTOR

aprenda controle

criejanela “main “d1 [Mecatronica Fácil - Controle] 10 10 150 50

85

criebotão “d1 “b1 “Liga 10 10 40 20 [LIGA]

criebotão “d1 “b2 “Desliga 60 10 40 20 [DESLIGA]

fim

aprenda desliga

portasaídab 888 0

fim

aprenda liga

potasaídab 888 1

fim

Observação: O SuperLogo 3.0 está disponível no site da NIED ( Núcleo

de informática Aplicada à Educação ) da Universidade Estadual de Campinas.

FUNCIONAMENTO:

Ao acionar o motor através da porta paralela com 25 pinos, o parafuso

entra em movimento de rotação.

A ponta da mangueira ao penetrar na água, leva para o seu interior uma

quantidade de água. Essa água é empurrada na direção do nível mais alto

devido a pressão exercida pelo ar que penetra na mangueira assim que ela

emerge da água. O ciclo então se repete, e dessa forma a água é transportada

através da mangueira até o nível mais alto.

Observação:

A mangueira não deve estar totalmente imersa, pois necessita de ar

para que ocorra o seu funcionamento.

A velocidade do parafuso também deve ser controlada.Quanto mais

rápido menor a quantidade de ar que penetra na mangueira.


1) Escreva a expressão da potência média em função da densidade e

do volume de água.

86

2) Qual a potência média útil necessária para o motor elevar a água do

nível mais baixo para o nível mais alto no Parafuso de Arquimedes num

intervalo de um minuto?

Procedimentos:- Com a mangueira cheia de água, coloque um béquer no nível mais

alto.

- Ligue o motor durante um intervalo de tempo de um minuto.

- Desligue o motor, e verifique o volume de água contido no béquer.

- Meça a altura entre os dois níveis.

- Faça as transformações das medidas das grandezas Físicas

encontradas para o sistema S.I.

- Com a expressão encontrada na questão número 1, determine a

potência.

3) Determine o trabalho útil realizado pelo motor nesse intervalo de

tempo.

4) Determine a vazão da água, nesse intervalo de tempo em

centímetros cúbicos por segundo.

87

2.3 – ELEVADOR COM PARADA AUTOMÁTICA.


- Conteúdo Específico: Segunda Lei de Newton.


A primeira descrição de um elevador foi feita por Vitrúvio, arquiteto

romano, que viveu no século I a.C. Consistia em uma cabina movida

verticalmente por tração humana, hidráulica ou animal, com o auxílio de um

contrapeso. A finalidade era transportar pessoas ou cargas.

O que acontece com um corpo sobre o piso de um elevador?

Para responder essa pergunta vamos recorrer ao princípio fundamental

da dinâmica, ou segunda lei de Newton. As três leis de Newton constituem a

base da mecânica, isto é, são os princípios sobre os quais se apóia o estudo

dos movimentos que ocorrem na natureza.

A segunda Lei de Newton estabelece uma relação entre a resultante das

forças que agem num corpo e a aceleração adquirida por esse corpo. Ela

mostra que a força é a responsável pela variação da velocidade de um corpo.

Ao aplicarmos a 2ª Lei de Newton para um corpo dentro de um elevador

em movimento verificaremos que a força exercida pelo corpo sobre o piso do

elevador terá o seu valor alterado dependendo do tipo de movimento

executado pelo elevador. Se esse corpo fosse colocado sobre uma balança

dentro do elevador, o seu peso medido pela balança poderia ser maior, menor,

não sofrer alteração ou até mesmo ser zero, enquanto a sua massa não

sofreria nenhuma alteração.

Atividade 5: Elevador com parada automática.

Material utilizado:- 3,6 m de cano PVC 3/4

- 8 junções T de PVC 3/4

- 1,2m de canaleta utilizada para passagem de fios.

- Dois pedaços de madeira de dimensões 24cm x 18cm x 2cm, cada.

88

- 16 ganchos pequenos para prender o fio de nylon.

- Uma polia para ser adaptada no eixo motor-engrenagens.

- 2,5m de fio fino, para as ligações.

- Um relé de 6V x 100ma.

- Três reed-switches;

- U m interruptor simples, tipo liga/desliga;

- Um interruptor de pressão;

- Uma chave HH, duas posições;

- Um motor de corrente contínua com engrenagens;

- Um ímã pequeno;

- Quatro pilhas médias ou grandes (ou fonte de alimentação de 6V);

- Suporte para as pilhas;

- Diversos: Caixa para colocar o circuito eletrônico, papel Paraná para a

confecção da caixa do elevador, cola e tesoura.

CONSTRUÇÃO

- Serre o cano de PVC, a fim de obter quatro pedaços de 70cm e

quatro de 18cm, encaixe os nas junções T e monte a estrutura do elevador:

- Parafuse os pedaços de madeira nessa estrutura:

- Com o papelão, construa a cabine do elevador com as dimensões

12cm x 12cm x 10cm;

- Coloque um gancho em cada vértice e um em cima da cabine, no seu

centro:

- Fixe quatro ganchos na madeira do piso e quatro na madeirado teto do

elevador;

- Passe o fio de nylon entre os ganchos da cabine do elevador e prenda-

os nos ganchos do piso e do teto (o fio de nylon deve ser bem esticado);

- Amarre um pedaço de barbante entre a polia e o gancho colocada em

cima da cabine;

- Fixe a caixa com o circuito eletrônico e o sistema motor-engrenagens

na parte de cima da estrutura do elevador;

- Fixe os reed-switches na canaleta

89

As figuras 12,13 e 14 mostram os detalhes da construção. Na figura 15,

temos o circuito eletrônico.

Figura 12 – O elevador pronto.

Figura 13 – A cabine do elevador.

90

Figura 14 – Reed-switch no último andar.

91

Figura 15 – Circuito eletrônico do elevador com parada automática.

FUNCIONAMENTO

Ligando-se o interruptor e colocando a chave na posição “sobe”,

pressiona-se por um instante o interruptor de pressão, o motor é acionado e o

elevador sobe. Ao passar pelo reed-switch correspondente a cada andar

(térreo primeiro e último andar), o ímã que está posicionado atrás da cabine do

elevador atrai as lâminas do reed-switch, magnetizando-as, aparece então uma

força de atração que une essas lâminas. Uma corrente elétrica atravessa o

reed-switch, acionando o relé que desliga o motor. Para reativar o sistema

basta apertar o interruptor de pressão.

92

Para o elevador descer, coloque a chave na posição “descer”, e

pressiona-se por um momento o interruptor de pressão.


Observação: Para realizar as experiências e responder as questões,

retire o ímã que está posicionado atrás da cabine do elevador.

1) A velocidade média da cabine do elevador é maior na subida

ou na descida? Explique.

2) O peso de um corpo colocado dentro da cabine do elevador

será maior, menor ou não sofrerá alterações durante a subida

do elevador? Justifique utilizando a 2ª Lei de Newton. E

durante a descida?

3) A força que o corpo exerce no piso da cabine da cabine do

elevador é igual a tração no cabo de sustentação durante a

subida? Explique. E durante a descida?

4) Qual será a aceleração do corpo se arrebentar o cabo de

sustentação da cabine do elevador no momento que ela

começar a descer?

5) Qual será a velocidade do corpo no instante que a cabine do

elevador atingir o andar térreo?

93

2.4 – O BRAÇO HIDRÁULICO.

Conteúdo Estuturante: Movimento

Conteúdo Específico: Princípio de Pascal.


O Princípio de Pascal pode ser enunciado da seguinte maneira: o

acréscimo de pressão numa região de um fluido em equilíbrio transmite-se

integralmente ás demais regiões do fluido.

Uma das maiores aplicações do Princípio de Pascal é a prensa

hidráulica, mas existem outras, tais como o freio hidráulico, cadeira de dentista,

elevador de automóvel, direção hidráulica de veículo e trem de aterrissagem de

avião.

A prensa hidráulica é um dispositivo multiplicador de força, ela é

composta de dois êmbolos cujas seções transversais têm áreas diferentes e se

movimentam dentro de um vaso comunicante que contém um liquido

incompressível.Ao aplicarmos uma força no êmbolo menor, o acréscimo de

pressão produzido por essa força será transmitida integralmente através do

líquido e o êmbolo de área maior será empurrado para cima com maior força,

figura16. Há, portanto, uma troca de forças e deslocamento entre os êmbolos.

No êmbolo de área menor a força é pequena e o deslocamento é grande, já no

êmbolo de maior área a força é grande é o deslocamento é pequeno.

O funcionamento do braço hidráulico que vamos construir é baseado na

prensa hidráulica

94

Figura 16 – Prensa hidráulica.

ATIVIDADE 7: O braço hidráulico.

Material utilizado:- Uma redução de PVC, 3/4 para ½;

- 1m de cano PVC 3/4 de polegada;

- 20cm de cano PVC ½ polegada;

- 1m de cano PVC de 32mm de diâmetro

- 50cm de cano PVC de 40mm de diâmetro;

- Um T de PVC 3/4;

- Uma curva de PVC ¾;

- Uma tampa de PVC 40mm;

- 2 joelhos de PVC 45º ;

- Duas serras de aço (usadas);

- 10 seringas de 20ml cada;

- 3m de mangueira de soro;

- 5 parafusos de 5cm x 3mm, com porcas;

95


- 10 parafusos de 1,5cm x 3mm, com porcas, com porcas


- 2 suportes para thilhos de cortina;

- Uma tábua de dimensões 25cm x 28cm x 2,5cm;

CONSTRUÇÃO:

- Faça um furo no centro da tábua, e coloque a redução de PVC 3/4 para

½.

- Fixe um pedaço de cano PVC de 32mm de diâmetro na tábua.

- Coloque uma seringa de 20ml dentro de pedaço de cano de PVC de ¾.

- Coloque o conjunto seringa-cano 3/4, dentro do cano de 32mm.

- Encaixe um pedaço de cano de PVC 3/4, com 20cm de comprimento

na redução ¾ para 1/2, figura 17.

Figura 17 – Movimento de rotação.

- Corte um pedaço de cano ( PVC de 32mm), com 42cm de

comprimento.

96

- Faça um furo a 19cm de uma de suas extremidades. Na outra

extremidade coloque dois pedaços de serra de 7cm de comprimento cada

(articulação do braço).

- Corte um pedaço de cano ( PVC ¾), com 35cm de comprimento, faça

um recorte a 19cm, e um furo a 30cm de uma de suas extremidades. Encaixe a

curva de PVC 3/4 , e nela um pedaço de cano (PVC ¾), com 9cm de

comprimento. Na outra extremidade coloque um seringa, e um pedaço de cano

(PVC 32mm) com 8cm de comprimento.

- Parafuse-os conforme mostra a figura 18.

Figura 18 – Articulação do braço.

- Corte um pedaço de cano (PVC 32mm) com 28cm de comprimento,

coloque em uma de suas extremidades uma seringa e na outra, fixe dois

pedaços de serra de 7cm cada (articulação do braço).


coloque em um de suas extremidades dois pedaços de serra de 7cm cada

(articulação do punho) e. o suporte para trilhos de cortina, figura 19.

- Coloque o cano (PVC 32mm) dentro do cano (PVC 40mm), e parafuse

o êmbolo da seringa no suporte para trilhos de cortina.

97

- Encaixe as articulações conforme mostra a figura 20.

- Coloque no Te de ¾, uma seringa. Encaixe no TE, um pedaço de cano

(PVC ½) com 14cm de comprimento através de um pedaço de cano (PVC ¾)

conforme mostra a figura 21.


coloque em uma de suas extremidades dois pedaços de serra (articulação do

punho), e na outra a tampa (PVC 40mm) com a seringa, e encaixe a garra,

figura 22. A figura 23 mostra o encaixe das articulações do punho.

- Coloque água nas seringas (não deixe bolhas de ar no sistema

seringa-mangueira).

- Faça a ligação das seringas com as mangueiras. A figura 24 mostra o

braço hidráulico pronto.

Figura 19 – Articulação do punho.

98

Figura 20 – Encaixe das articulações do braço.

Figura 21- Dispositivo responsável pela movimentação do punho.

99

Figura 22 – Encaixe da garra no punho.

Figura 23 – Encaixe das articulações do punho.

100

Figura 24 – Braço hidráulico pronto.

FUNCIONAMENTO

O braço hidráulico executa 5 movimentos: movimento de rotação,

deslocamento na vertical, alongamento do braço, movimento do punho, e o

movimento da garra. Os movimentos são produzidos por seringas contendo

água, unidas por meio de uma mangueira.

Quando apertamos ou puxamos o êmbolo da seringa, a força exercida

sobre o êmbolo transmite através do líquido (água) uma pressão, que empurra

o êmbolo da outra seringa com uma determinada força, movimentando o braço.

Como as áreas dos êmbolos das seringas são iguais não haverá multiplicação

de força, somente a transmissão de movimento.


1) Qual o tipo de alavanca que o braço hidráulico pode ser

classificado? Considere o braço esticado. Explique.

101

2) Um corpo de massa 50g é mantido em repouso pelo braço

hidráulico a uma determinada altura da mesa de apoio. Nessa

posição, o braço forma com a vertical um ângulo de 30º. Qual

o momento da força em relação a articulação do braço?

Considere o braço esticado, e a sua massa igual a 600g.

3) Quais as vantagens e desvantagens de usar o óleo usado

para cozinhar, ao invés de água nas seringas e mangueiras do

braço hidráulico?

4) Faça uma pesquisa sobre o óleo-hidráulico.

102

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