of 36/36
CEFET – Campos / Módulo 1 Apostila de Eletricidade Básica 1 ELETROSTÁTICA A matéria é constituída de partículas extremamente pequenas denominadas átomos, que, por sua vez, são formados de prótons e nêutrons, aglomerados nos núcleos, em torno dos quais movimentam-se elétrons. Exemplos átomo de carbono átomo de alumínio ( 6 prótons, 6 nêutrons, 6 elétrons) ( 13 prótons, 14 nêtrons, 13 elétrons) Experiências realizadas em laboratórios, mostram que elétrons e prótons interagem, isto é, exercem forças elétricas entre si: se colocarmos dois prótons um perto do outro, eles se repelem; o mesmo ocorre com dois elétrons. Entretanto, um próton e um elétron atraem-se mutuamente. Para explicar as causas dessas interações dizemos que elétrons e prótons possuem cargas elétricas de espécies diferentes. Por convenção, a carga elétrica do próton é positiva e a do elétron negativa. Diz-se também que o elétron é uma carga negativa e o próton é uma carga positiva. Os nêutrons não exercem ações elétricas entre si, portanto não possuem cargas elétricas. A interação entre partículas, como os elétrons e os prótons, permite-nos enunciar o princípio da atração e repulsão, da seguinte forma: Cargas elétricas com mesmo sinal se repelem. Cargas elétricas com sinais contrários se atraem. Condutores e isolantes Um corpo ou meio material (sólido, líquido ou gasoso) é condutor de eletricidade quando as cargas elétricas podem mover-se com facilidade em seu interior; caso contrário, ele é denominado isolante ou dielétrico. Exemplo de condutores: cobre, alumínio, prata, bronze, ferro, níquel, platina, soluções de sal, corpo humano, Terra etc. Exemplos de isolantes: vidro, porcelana, borracha, baquelite, mica, ebonite, madeira seca, parafina, água pura, vácuo etc. repulsão atração

Apostila eletricidade cefet

  • View
    6.938

  • Download
    7

Embed Size (px)

DESCRIPTION

 

Text of Apostila eletricidade cefet

  • 1. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 1ELETROSTTICA A matria constituda de partculas extremamente pequenas denominadas tomos, que, por suavez, so formados de prtons e nutrons, aglomerados nos ncleos, em torno dos quais movimentam-seeltrons.Exemplos tomo de carbono tomo de alumnio( 6 prtons, 6 nutrons, 6 eltrons) ( 13 prtons, 14 ntrons, 13 eltrons) Experincias realizadas em laboratrios, mostram que eltrons e prtons interagem, isto , exercemforas eltricas entre si: se colocarmos dois prtons um perto do outro, eles se repelem; o mesmo ocorrecom dois eltrons. Entretanto, um prton e um eltron atraem-se mutuamente. repulso atrao Para explicar as causas dessas interaes dizemos que eltrons e prtons possuem cargaseltricas de espcies diferentes. Por conveno, a carga eltrica do prton positiva e a do eltron negativa. Diz-se tambm que oeltron uma carga negativa e o prton uma carga positiva. Os nutrons no exercem aes eltricas entre si, portanto no possuem cargas eltricas. A interao entre partculas, como os eltrons e os prtons, permite-nos enunciar o princpio daatrao e repulso, da seguinte forma: Cargas eltricas com mesmo sinal se repelem. Cargas eltricas com sinais contrrios se atraem.Condutores e isolantes Um corpo ou meio material (slido, lquido ou gasoso) condutor de eletricidade quando ascargas eltricas podem mover-se com facilidade em seu interior; caso contrrio, ele denominado isolanteou dieltrico.Exemplo de condutores: cobre, alumnio, prata, bronze, ferro, nquel, platina, solues de sal, corpohumano, Terra etc.Exemplos de isolantes: vidro, porcelana, borracha, baquelite, mica, ebonite, madeira seca, parafina,gua pura, vcuo etc.
  • 2. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 2Eletrizao Um corpo est eletrizado quando o nmero de eltrons( n2 ) diferente do nmero de prtons ( np ) . Um corpo est carregado positivamente: se np > ne . negativamente: se ne > np. Um corpo est eletricamente neutro: np = ne. corpo carregado corpo carregado corpo neutro positivamente negativamente (ou descarregado) A) Eletrizao por atrito Atritando-se, entre si, dois corpos isolantes A e B, os eltrons so forados a passar de um corpo a outro. O corpo que perdeu eltrons fica carregado positivamente, enquanto o outro, que ganhou eltrons, fica carregado negativamente. esta regio foi esta regio foi atritada e atritada e perdeu eltrons ganhou eltrons isolante eletrizado isolante eletrizado positivamente negativamente
  • 3. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 3 B) Eletrizao por contato No processo de eletrizao por contato, verificamos que: Aps o contato, o corpo neutro fica eletrizado com cargas eltricas de mesmo sinal que as do corpo carregado. Condutor neutro aps o contato durante o contato antes do contato Condutor neutro Observao: Eltrons que se libertaram das camadas mais afastadas do ncleo atmico so denominados eltrons livres. antes do contato durante o contato aps o contato C) Eletrizao por induoNo processo de eletrizao por induo, h separao de cargas do condutor, isto , uma parte do condutorfica eletrizada positivamente, enquanto a outra parte fica eletrizada negativamente.Observao: O corpo A das figuras chama-se indutor, e o corpo B, induzido. Condutor neutro antes da aproximao aps a aproximao condutor neutro antes da aproximao aps a aproximao Nas figuras anteriores, se mantivermos o corpo A prximo de B e ligarmos B Terra atravs de umfio condutor, pode acontecer o seguinte:
  • 4. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 4 a) se A positivo, os eltrons da Terra sobem e neutralizam as cargas positivas de B. O corpo B fica carregado negativamente; B Terra b) se A negativo, as cargas negativas de B escoam para a Terra. O corpo B fica carregado positivamente. A B Terra O corpo humano um condutor de eletricidade. Portanto, a ligao Terra pode ser feita, tambm,encostando-se o dedo no corpo induzindo B. Quando se desfaz a ligao Terra e se afasta o corpo indutor A, o corpo induzido B ficacarregado negativamente, no caso a, e positivamente no caso b.Comentrio: Quando um corpo eletrizado, no h criao nem destruio de cargas eltricas: as cargaseltricas apenas passam de um corpo a outro (eletrizao por atrito e por contato) ou se separam dentrodele (eletrizao por induo).CORRENTE ELTRICA O movimento ordenado de cargas eltricas denominado corrente eltrica. Entende-se pormovimento ordenado o movimento semelhante ao dos soldados marchando em uma parada militar. movimento desordenado movimento ordenado de cargas eltricas de cargas eltricas As cargas eltricas que constituem a corrente eltrica so os eltrons livres (eltrons que sedestacaram do tomo).
  • 5. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 5Unidade de intensidade de corrente eltrica Em homenagem ao fsico francs Andr Marie Ampre (1775-1836), a intensidade da correnteeltrica , no SI, medida em ampre (smbolo A).Sentido convencional da corrente eltrica O sentido da corrente eltrica , por conveno, contrrio ao do deslocamento das cargasnegativas. cargas negativas circuito eltrico fechado sentido convencional da corrente eltricaAlgumas intensidades de corrente eltrica: Lmpada comum: 0,5 A a 2 A ferro eltrico: 4 A a 8 A chuveiro e torneira eltrica: 10 A a 20 A locomotiva eltrica: 1000 A Na prtica, a intensidade da corrente eltrica medida por aparelhos chamadosampermetros. O ampermetro intercalado em um circuito eltrico, de maneira a ser atravessado pelacorrente eltrica cuja a intensidade se quer medir. ampermetro lmpada Ampermetro medindo a intesidade Desenho esquemtico da da corrente eltrica figura ao lado
  • 6. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 6 Classificao da corrente eltrica A corrente eltrica pode ser de dois tipos: corrente contnua (CC) e corrente alternada (CA) Corrente Contnua Quando os eltrons livres ou os onsse movem em um nico sentido, temos acorrente contnua. Por exemplo, pilhas ebaterias fornecem corrente contnua. Pilha fornece CC. Bateria ( ou acumulador) fornece CC. Corrente alternada A corrente eltrica que muda de sentido em intervalos de tempo iguais denomina-se correntealternada. Por exemplo: os geradores de usinas hidreltricas em geral fornecem corrente alternada; ascorrentes das instalaes eltricas de nossas casas so alternadas
  • 7. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 7 CHOQUE ELTRICO A gravidade do choque eltrico que age diretamente no sistema nervoso do corpo humano,podendo provocar desde pequenas contraes musculares at a morte determinada tanto pelaintensidade da corrente eltrica como pelo caminho que ela percorre no corpo da pessoa. A menor intensidade da corrente que percebemos como um formigamento de 1 mA (miliampre).Uma corrente com intensidade de 10 mA faz a pessoa perder o controle muscular. O valor entre 10 mA at3 A pode ser mortal se atravessar o trax da pessoa, pois atinge o corao, modificando seu ritmo efazendo com que ele pare de bombear o sangue; a pessoa ento pode morrer em poucos minutos.Intensidades acima de 3 A levam morte certa por asfixia em poucos segundos. O choque mais grave o que atravessa o trax, pois afeta o corao. Nesse caso, mesmo umaintensidade no muito alta da corrente pode ser fatal. Por outro lado, uma corrente de alta intensidade quecircule de uma perna a outra pode resultar s em queimaduras locais, sem leses mais srias. O quadro abaixo mostra a porcentagem da corrente eltrica que passa pelo corao em funo dotipo de contato: Diferena de potencial eltrico A pilha fornece energia s cargas para que elas se movimentem, formando a corrente eltrica. Essaenergia chama-se energia potencial eltrica; portanto, as cargas de uma corrente eltrica possuemenergia potencial eltrica. A ddp medida em V (Volts) e pode ser representada pela letra U. Na prtica, a ddp ou tenso eltrica medida por aparelhos chamados voltmetros. O voltmetro ligado em paralelo com o trecho do circuito (veja o esquema) cuja ddp quer se medir. pilha + lmpada pilha V voltmetro Desenho esquemtico Voltmetro medindo a ddp nos terminais da lmpada. Quando um fio ligado aos plos de uma pilha (oubateria), os eltrons da corrente eltrica vo do plo negativo eltrons(potencial menor) para o plo positivo (potencial maior),enquanto o sentido da corrente eltrica do plo positivo para io negativo, por conveno. sentido convencional da corrente eltrica
  • 8. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 8Aspectos da Fsica do Raio: buscando elucidarum fenmeno pouco compreendido.Fonte: InternetDirceu da Silva (gepCE - FE/UNICAMP) [email protected] de Barros Filho (gepCE - FE/UNICAMP) [email protected] C. N. Lacerda Neto (gepCE - FE/UNICAMP) [email protected] comum encontrarmos em livros didticos e pra-didticos comentrios e observaes sobre o raio. Quaseque invariavelmente estes apresentam erros conceituais e analogias imprecisas; s vezes encontramosvrios aspectos mticos e lendrios associados aos conceitos. Assim, este breve artigo tem por objetivoapresentar o fenmeno raio, para professores, na tentativa de elucidar o que venha a ser esse fenmenonatural, alm de aspectos ligados a ele.Um pouco de histria do fenmeno.At meados do sculo XVIII, o raio era associado a uma manifestao dos cus, ora como castigo ora comoevento natural, sem uma relao causal explicativa. Foi s em 1750, que Benjamin Franklin, cientistaamador e estadista, props um experimento para provar que o raio era um fenmeno eltrico. Neste mesmoperodo, marcado pelo estudo dos fenmenos eletrostticos, havia diversos avanos cientficos em curso:mquinas eletrostticas, os conceitos de isolantes e condutores, os capacitores (garrafas de Leiden) etc.Franklin havia se interessado pela eletricidade e j havia realizado diversas experincias, nos crculos decincias europeus.Assim, em uma publicao, onde ele era o editor, The Poor Richard (aluso aos atuais Estados Unidos, queeram nesse perodo colnia da Inglaterra), Franklin descreve uma experincia, usando uma analogia comfenmenos observados em laboratrio: Deveria erguer-se no alto de um monte, uma guarita de madeira,com uma haste de ferro no seu topo. Dentro desta, seria colocada outra haste cravada no solo. Alm disso,o cho no interior da guarita necessitaria ter uma base isolante (placa de vidro ou madeira). No momento deformao de uma tempestade, um homem deveria ficar em p sobre a base isolante, segurando com umadas mos, na haste cravada e aproximar a outra da haste fixa no telhado da guarita.Com isso, Franklin previa que fascas deveriam saltar pela mo prxima da haste, de forma semelhante queocorria com as experincias nos geradores eletrostticos e assim, confirmaria, por analogia, a causa eltricado raio.Em 1752, Alibard, outro cientista amador, contratou um sargento aposentado do exrcito francs pararealizar a experincia, na regio da Frana que faz divisa com a Sua. De fato, Alibard, constatou aproduo de fasca e escreve uma carta para Franklin. Como este agora estava na Filadlfia, a cartademora muito a chegar. Assim, sem conhecimento do sucesso da sua proposta, Franklin resolve, porausncia de montes altos na regio, mudar a experincia e acaba por soltar um papagaio, no momentoque se formava uma tempestade. Para tal, usa um cordo resistente e um fio metlico muito fino, paraleloao cordo. Amarra a chave da porta da sua casa prximo sua mo e observa saltarem fascas dos ns dasua mo para a chave.As duas experincias so muito perigosas! Se um raio tivesse, cado em qualquer delas, os envolvidosteriam sido mortos instantaneamente. Na poca de Franklin, no se conhecia as magnitudes do fenmeno.Provado que o raio era um fenmeno eltrico, Franklin, usando novamente uma analogia com asexperincias de laboratrio com eletricidade esttica, prope um artefato para eliminar os raios: o pra-raios, que consistia em haste pontiagudas ligadas por fios condutores a outras hastes cravadas no solo.Com esse artefato, Franklin esperava que a nuvem de tempestade fosse descarregada sem a produo deuma fasca, ou seja sem haver o choque do raio. Esse idia foi retirada de uma fato facilmente observadoem experincias com geradores eletrostticos.Em certas condies de laboratrio, fcil verificar que quando um gerador est carregado, aoaproximarmos um corpo rombudo aterrado, h a produo de uma fasca. Caso contrrio, aproximando-seum corpo pontiagudo aterrado, h a neutralizao eltrica do gerador, sem a produo de fascas. Estefenmeno explicado pelo poder das pontas, que devido geometria ponteaguda, apresenta um campoeltrico muito intenso na ponta. Isto faz com que haja movimentao das cargas (do gerador para a pontaou vice-versa) sem a produo da ruptura do dieltrico do ar (isolao do ar). A figura 1, representa asituao descrita.
  • 9. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 9Em 1755, alguns desses dispositivos so instalados em um prdio pblico em Londres e aps sete meses,entes foram atingidos por raios. Franklin esto, muda as suas concepes e passa a advogar que os pra-raios se no podiam eliminar os raios, pelo menos seriam um local mais favorvel queda dos mesmos.At hoje encontramos em diversos livros a idia errnea de que os pra-raios podem eliminar os raios.Muito dessa afirmao baseia-se na falta de conhecimento e na interpretao do nome pra (contra) raios.A eletrizao da nuvem de tempestade.H conhecimento de pelo menos dez teorias diferentes para a formao de uma nuvem de tempestade, acmulos nimbus (cmulo = alto, grande e nimbu = chuvoso), segundo Martin Uman (Uman, M. A (1984).Lightning, New York, Dover Publications) a teoria mais aceita a de Simpson que usa um fenmenointeressante para justificar a eletrizao das nuvens.Se pegarmos, por exemplo uma barra de gelo, e colocarmos nas suas extremidades dois eletrodos, ligadospor um voltmetro e em seguida, fizermos uma das extremidades mais fria que a outra - derramando initrognio lquido, por exemplo - iremos observar uma tenso ou ddp entre os dois extremos.Este fenmeno, efeito termoinico, explicado pela agitao diferenciada das partes da barra de gelo, jque a temperatura uma grandeza associada ao grau de agitao das partculas dos corpos. Quanto maiora temperatura maior a agitao e vice versa. Assim, o lado de maior temperatura, devido a maior agitao,acaba roubando eltrons do lado mais frio, tornando-se levemente negativo (vide figura 2)A nuvem de tempestade formada quando h uma inverso trmica, aps um perodo de intensaevaporao, a entrada na regio de uma massa de ar frio provoca a condensao e a solidificao depequenos aglomerados de gua.Dessa forma, passa-se a ter pequenos cristais de gelo deriva. A inverso trmica provoca um turbilho decorrentes de ar ascendentes e descendentes no interior na nuvem, fazendo com que os cristais de gelocolidam e passem a crescer pela agregao de outros.Esse processo, tambm faz com que ao serem carregados pelas correntezas de ar sejam esfriados. Comoo gelo um bom isolante trmico, passa a haver uma diferena de temperatura entre o centro do granizo(pedras de gelo observadas nas tempestades) e exterior.
  • 10. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 10Transportando o efeito termoinico para esse caso, temos que na parte interior - de maior temperatura -haver acumulo de cargas negativas e na parte exterior - de menor temperatura - haver acmulo de cargaspositivas (ausncia de negativas) (vide figura 3).Se o fenmeno no fosse dinmico, estaria dada a eletrizao da nuvem, mas como h um turbilho decorrentes de ar no interior da nuvem, esses granizos so arrastados para cima e para baixo, vindo a colidirentre si e com flocos de gelo menores, que esto eletricamente neutros, pois sendo muito pequenos desprezvel a diferena de temperatura entre o seu interior e exterior.Quando os granizos chocam-se com os pequenos cristais de gelo, roubam cargas eltricas deles, deixando-os positivos e ficando, aps muito choques negativos. Isto , na realidade os granizos, so neutralizadosexternamente, mas como tinham excesso de cargas negativas na parte interior, acabam ficando negativos(vide figura 4).Ao final de algumas dezenas de minutos, teremos a seguinte configurao:O pequenos cristais (positivos) tm maior probabilidade de serem arrastados para o topo da nuvem, osgranizos que sofreram choques (negativos), tero maior probabilidade de estarem na regio central danuvem, em queda ou sendo arrastados ou sustentados pelas correntes de ar ascendentes e os granizosque sofreram pouco choques (ainda positivos) estaro na base da nuvem. Estes ltimos, sofreram poucoschoques, porque provavelmente foram os primeiros a serem formados, o que justifica a quase ausncia doscristais menores para que pudessem sofrer os choques (vide figura 5).Esse processo de acmulo de cargas eltricas ir ocorrendo at a formao do raio.Em mdia, as trs regies eletrizadas, possuem a seguinte quantidade de cargas, superior +35 C, mediana-40 C e inferior +5 C (C = coulomb).O mecanismo de propagao do raio: muito alm de um fasca gigantesca.Como representamos na figura 5, a nuvem de tempestade tem dimenses gigantescas, por esse motivo epelo acmulo de gelo em seu interior, a luz do sol desviada e blindada, fazendo com que o cu torne-secinzento.Em 90% dos casos, o raio inicia-se, pela ruptura do dieltrico (isolao) do ar, entre as regies mediana einferior (um conjunto de fascas entre as duas regies) e acaba por ionizar o ar entre estas duas regies(figura 6a).Uma vez estando o ar ionizado, isto , bom condutor de eletricidade, h um rearranjo eltrico e inicia-se adescida de uma corrente de eltrons que buscar o solo. Essa corrente na maioria das vezes no sobe,
  • 11. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 11devido a longa distncia at o topo da nuvem e assim, quanto mais elevado mais rarefeito o ar, maior adificuldade de circulao de eletricidade.Devido ao fato de ser muito elevado o valor do campo eltrico na ponta dessa corrente, o ar circunvizinhoir ficando ionizado pela expulso de eltrons das molculas do ar e assim, o caminho ir sendo traadopara a descida desse primeiro choque, chamado de condutor por passos.Devido aos ventos sempre presentes nas tempestades (devidos inverso trmica) esse choque ir ter umcaminho muito ramificado e sinuoso (figuras 6b e 6c).Na medida que esse condutor se aproxima do solo, h por induo eltrica, uma movimentao de cargasno solo, fazendo com que os objetos, edificaes, rvores etc. fiquem positivamente carregados.Em uma distncia que varia de aproximadamente 70 a 110m, a quantidade de cargas acumuladas no solo tal que ocorre a ruptura do dieltrico (isolao) do ar entre a ponta do condutor por passos e um objeto ouedificao (figura 6d). A partir desse instante, passa-se a ter definido o caminho do raio.Ato contnuo, as cargas na nuvem esto em constante rearranjo e um choque de grande valor de correnteeltrica desce pelo caminho ionizado, o choque de retorno (figura 6e). Esse nome devido ao sentidoconvencional da corrente eltrica.Historicamente, acreditava-se que a corrente eltrica seria o movimento de cargas positivas. Aps asexperincias de Rutherford e da estruturao do modelo atmico de Bohr, por coerncia, passou-se aacreditar que o que se movimenta so eltrons e no prtons, pois estes esto ligados no interior do ncleoatmico.Mesmo assim, manteve-se a idia de corrente de prtons, s sentido contrrio de eltrons. Temosento, a corrente convencional e a dita real. Se a real percorre da nuvem para o solo, a convencional ir dosolo para a nuvem. Por esse motivo, o choque citado chamado de choque de retorno, pois refere-se corrente convencional (vide figura 7).
  • 12. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 12Este choque tem em mdia um valor de pico de 20.000 A, sendo que j foi medido experimentalmentechoques de retorno que atingiram o valor mximo de 160.000 A.Este choque movimenta uma quantidade grande de cargas eltricas, provocando um aquecimentoespetacular do ar, o que falaremos mais adiante.Aps o choque de retorno, comum haver ainda uma grande quantidade de cargas eltricas na nuvem.Lembrando sempre que as cargas esto em constante rearranjo, um novo choque fraco buscar o solonovamente, o condutor dardo.O mecanismo de propagao semelhante ao condutor por passo, porm como h um caminho fracamenteionizado, devido ao choque de retorno, este novo choque mais dirigido, menos sinuoso, da o nome dardo(figura 6f).Subseqentemente ao choque dardo, outro choque de retorno deve ocorrer (figura 6g), porm com correnteeltrica menos intensa.Se ainda houver cargas suficientes na nuvem, ocorrer novo condutor dardo (figura 6h) e novo choque deretorno (figura 6i).Em mdia no fenmeno ocorrem 3 a 4 choque. H registros experimentais, que mostram um raio que semanifestou em 56 choques!O mais incrvel que todo esse processo dura em mdia 0,2 s (dois dcimos de segundo)Para que o raio ocorresse atravs de uma fasca direta seria necessrio que a tenso ou ddp entre a nuveme o solo fosse muito maior do que em mdia. Por esse motivo, ocorre todo o processo descrito.Alguns dados sobre o fenmenoDe forma mais ilustrativas, apresentamos a seguir algumas estatsticas sobre o fenmeno raio: Tenso ou ddp entre nuvem e solo, no inicio do choque : 100 milhes a 1 bilho de volts. Pico mdio de corrente nuvem-solo : 20.000 a 160.000 ampres. Pico de temperatura do ar mdio no canal formado pelo raio:30.000 C. Comparao - Temperatura mdia da superfcie do sol: 6000 C. Mdia da durao do pico de corrente no choque de retorno: 1/1000 s. Dimetro estimado do canal por onde passa a corrente do raio (no ar): 1,3 a 2,5 cm. Comprimento mdio do raio: 3,5 a 12 km. Nmero (mdio) de tempestades com raios que esto ocorrendo neste instante no planeta Terra: 2.000 H 100 flashes de raios por segundo na Terra. Estima-se que nos USA de 500 a 1000 pessoas so atingidas por raios, todos os anos. S o Empire State building na cidade de Nova York atingido por 8 raios, em mdia, por ano. A Ilha de Java, na Indonsia, tem o maior nmero de tempestades por ano: 233, em mdia. Nmero de raios por dia no planeta Terra: 8 milhes.O trovo e o relmpago: fenmenos adjacentes passagem de corrente eltricaQuando falamos do raio, devemos deixar claro que este constitudo por trs fenmenos: As correnteseltricas dos choques, os troves e os relmpagos.Como mostramos acima, a passagem de corrente eltrica em um meio mau condutor de eletricidade,provoca uma repentina elevao da temperatura do canal por onde circula a corrente eltrica. Em umcilindro(sinuoso) de aproximadamente 1,3 a 2,5 cm, a temperatura do ar chega a valores, em mdia de30.000 C. Como essa circulao demora em mdia 1 a 3 milionsimos de segundo, ocorrem um expansodo ar, tal como na exploso de uma bomba de grande porte. Este canal, explode ao p da letra, provocandouma onda de choque (agora mecnico) supersnica que se afasta do canal da corrente do raio. Essefenmeno chamado de Trovo.Como o raio se repete 3 a 4 vezes, em mdia, h 3 a 4 ondas sonoras formadas no fenmeno. Devido aocurto intervalo de tempo de durao de todo evento, no conseguimos distingui-las.No caso do relmpagos, o fenmeno explicado pelo fato de que, ao circular a corrente eltrica do raio peloar (meio pouco condutor), eltrons das molculas dos gases constituintes so expulsas por repulso. Aocessar a corrente, o ar ficou ionizado (molculas com eltrons a menos). Quando os eltrons retornam smolculas, estes devolvem a energia que adquiriram, no processo de repulso. Essa energia devolvidasob a forma de radiao, desde o infravermelho at o ultravioleta, passando pela luz visvel. O que nsconstatamos, evidentemente, a parte visvel.Como apresentamos anteriormente, o raio se repete vrias vezes, isto explica porque os relmpagos sotremidos no cu, isto , so vrios flashes luminosos. guisa de conclusesNeste breve artigo, buscamos apresentar o fenmeno raio, um breve histrico do trabalho de Franklin, oprocesso de eletrizao das nuvens de tempestade e o seu mecanismo de propagao
  • 13. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 13Podemos constatar que o fenmeno no simples ou de fcil explicao, pois ainda h aspecto ou tipo deraio que so explicados atravs de teorias pouco abrangentes, como o caso das bolas de raio (lightningballs), que buscaremos tratar em outra ocasio.Tentamos com este, mostrar que o raio no uma simples fasca entre as nuvens e o solo, pois envolve ummecanismo de auto-propagao complexo, apesar da familiaridade que temos com o fenmeno comoespectadores.Outras confuses so associadas aos pra-raios. Muitos acreditam que as pontas destes so eficazes eindispensveis para a segurana, mas como mostramos, o raio auto propagvel e s se defineaproximadamente entre 70 e 110 m do solo. Alm do mais, a base da nuvem est em mdia a 3,5 km dosolo, o que faz com que um ponta de alguns centmetros seja desprezvel. Para essa distncia, uma casamediana, pode ser considerada como um ponto, o que dir a haste de um pra-raios.Outro aspecto o poder atribudo ao pra-raios de atrair os raios, o que acreditamos ter sido eliminado,frente exposio do mecanismo de propagao do raio.Poderamos fazer um comentrio final sobre a periculosidade do fenmeno. De fato, o raio muito perigoso. um fenmeno que poucos conseguem sobreviver aps serem atingidos. Aqueles que sobrevivem,acabaram com vrias seqelas, sobretudo motoras, devido a intensidade da corrente eltrica. Em muitosrelatos, sabe-se que essas pessoas no foram atingidas pela corrente principal do raio, mas sim por choqueou fascas laterais, de menor intensidade.Para se proteger do raio, evite campos abertos nos momentos de tempestade, pois dessa forma, vocpassa a ser um dos possveis pontos de contato, rvores isoladas, pois pode receber parte do raio, que aoatingir uma estrutura, acaba por se ramificar.Evite tambm ficar em piscinas ou lagos, nos momentos de tempestade. Se estes locais receberem umraio, a corrente eltrica circular por toda a gua, inclusive pelo corpo humano.Para maiores dados e informaes pode-se consultar na internet os sites:http://sunmlb.nws.fit.edu/newho.html e http://wvlightning.com/, onde se encontram endereosinteressantes, aspectos sobre a proteo contra os raios, dados recentes, explicaes sobre o fenmenoetc.RESISTORESResistncia eltrica 1 lei de Ohm Se uma pessoa passar no meio de uma multido, por exemplo, em um salo de baile, encontraruma srie de dificuldades, as quais aumentaro medida que a multido se agitar, isto , ela encontrarresistncia na sua caminhada. Em um condutor eltrico ocorre fenmeno anlogo. Os tomos e ons do condutor esto semprevibrando em torno de sua posio de equilbrio; portanto as cargas eltricas que constituem a correnteeltrica encontram oposio ou resistncia ao seu movimento. tomo vibrando eltron livre. fio eltrico Os dispositivos construdos para produzir resistncia a passagem da corrente eltrica sodenominados resistores. Os resistores so utilizados para: transformar energia eltrica em calor, como nos chuveiros, aquecedores e ferro eltrico; controlar a intensidade da corrente eltrica; produzir queda de tenso.
  • 14. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 14Representao simblica do resistor RDefinio de resistncia eltrica Denomina-se resistncia eltrica de um resistor a razo entre a ddp nos seus terminais e aintensidade da corrente que o atravessa. U U R= i R I Unidade de resistncia eltrica No SI, em homenagem ao cientista alemo Georg Simon Ohm (1787-1854), a unidade deresistncia eltrica o ohm (smbolo , letra grega maiscula mega). A resistncia eltrica medida porum aparelho chamado Ohmmetro. U 1volt 1V De R = , temos: 1 ohm = 1= i 1ampre 1A Os mltiplos do ohm so: Quiloohm (K) = 10 3 Megaohm (M) = 10 6 Exemplo Quando uma corrente de intensidade 5 A percorre um resistor, a ddp nos seus terminais de 60 V. Quanto vale a resistncia desse resistor? 60 V U R= i Sendo U= 60 V e i = 5 A, temos: 60V ampermetro R= R = 12 5A
  • 15. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 15 Exerccio 1) Em um resistor , de resistncia igual a 10 , passa uma corrente com a intensidade de 2A. Calcule a tenso do resistor. 2) A ddp nos terminais de um resistor, de resistncia igual a 200 , de 60 V. Qual a corrente que atravessa o resistor? Exerccio 1) Calcule o valor da resistncia dos seguintes resitores: a) marrom, preto, marrom, prata: b) vermelho, preto, vermelho, ouro: 1 lei de Ohm Atravs de estudos experimentais, Georg Simon Ohm concluiu que, mantendo-se a temperatura constante, a resistncia eltrica de alguns condutores, como os metais e a grafite, no varia quando se modifica a tenso nos seus terminais. Tais condutores so denominados condutores hmicos ou lineares. Os demais condutores so denominados no hmicos ou no lineares, como por exemplo, o gs contido em um tubo de iluminao. Enunciado da 1 lei de Ohm Mantendo-se constante a temperatura de um condutor hmico, a tenso eltrica nos seus terminais diretamente proporcional intensidade da corrente que o atravessa e a R constante. U U Isso significa que a relao constante, mas, como = R, podemos dizer que a resistncia de i ium condutor hmico constante.
  • 16. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 16 O grfico da tenso U em funo da intensidade da corrente i, nos condutores hmicos , uma retainclinada em relao aos eixos. U1 U2 R U3 = = = ... = R (constante) i1 i2 i3 R R curva caracterstica do resistor hmico Exerccio1) Atravs do grfico dado, calcule: a) A resitncia eltrica. b) A ddp quando i = 1,8 A 1,0 2,0 3,0Potncia eltrica dissipada no resistorOs eltrons de uma corrente eltrica esto em movimento graas energia recebida de uma fonte, porexemplo, a pilha. Quando colidem com os tomos ou os ons do resistor, parte dessa energia transformada em calor, aquecendo o resistor. A corrente eltrica aquece o resistor. (efeito Joule) A dissipao de energia em um resistor, sob forma de calor, foi estudada por Joule e chamadaefeito Joule. Ocorre no chuveiro, filamentos das lmpadas de incandescncia, ferro de passar roupa,fusveis e em todos os dispositivos dotados de resistores. Os resistores transformam em calor toda aenergia eltrica consumida.Clculo da potncia dissipada por um resistorNo captulo anterior, vimos que: P= U . i (1) UDe R= , temos: U= R . i (2) i 2Substituindo (2) em (1), temos: P= R . i . i P=R.i 2 U U U2Como i = , temos tambm: P = R . P= R R R
  • 17. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 17A unidade de potncia W (Watts). Exerccio1) Em um resistor , de resistncia igual a 10 , passa uma corrente com a intensidade de 2A. Calcule a potncia dissipada pelo resistor.2) A ddp nos terminais de um resistor, de resistncia igual a 200 , de 60 V. Qual a potncia dissipada pelo resistor?3) Em uma lmpada eltrica vem inscrito 100 W 110 V. Quanto vale a resistncia dessa lmpada?4) Um resistor, de resistncia igual a 5 ohms, pode dissipar at 20 watts de potncia , sem se danificar. Calcule a corrente mxima que o resistor pode suportar.Resistividade 2 lei de Ohm Alm de verificar a relao entre a tenso e a intensidade da corrente em condutor, o fsico alemoGeorg Simon Ohm verificou que a resistncia eltrica de um condutor depende do tipo de material e dassuas dimenses. Esta verificao est sintetizada na lei conhecida como 2 lei de Ohm.Enunciado da 2 lei de OhmA resistncia eltrica de um condutor: a) depende do material; b) diretamente proporcional ao seu comprimento ; l c) inversamente proporcional rea A de sua seco transversal. Isso significa que, para um mesmo tipo de material, a resistncia aumenta quando se aumenta ocomprimento do condutor, e diminui quando se aumenta a sua grossura. A a unidade de ser: l R= . cm. ou . m. l A constante de proporcionalidade (letra grega ro) denomina-se resistividade do material. A resistividade de um material depende da sua natureza (cobre, alumnio, prata etc.) e da sua temperatura. Tabela de resistividade a 20 C Material ( . m) -8 prata 1,6 . 10 -8 Cobre 1,7 . 10 -8 Bronze 1,8 . 10 -8 Alumnio 2,8 . 10 -8 Tungstnio 5,5 . 10 -8 Nquel 7,8 . 10 -7 Ferro 1,0 . 10 -7 Platina 1,1 . 10 -7 Manganina 4,3 . 10 -7 Constant 5,0 . 10 -7 Nquel-cromo 1,1 . 10 -5 -4 Carbono (grafita) 2 . 10 a 1 . 10
  • 18. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 18 Exerccio 21) Calcule a resistividade de um condutor metlico de 3 cm de comprimento, 1 cm de rea da seco transversal e resistncia igual a 6 . 22) Quanto vale a resistividade de um condutor de 12 cm de comprimento, 16 mm de rea da seco transversal e resistncia de 60 ?3) Determine a resistncia eltrica de um fio de nquel-cromo de 20 cm de comprimento e a rea da seco transversal igual a 4 . 10 m . A resistividade do nquel-cromo 1,1 . 10 . m. -8 2 -6 ASSOCIAO DE RESISTORES 1 Associao de Resistores em Srie. Dois ou mais resistores esto associados em srie quando so percorridos pela mesma corrente eltrica. i Como U = R . i: VA -VB = R1 . i VB VC = R2 . i ou VA - VD = (R1 + R2 + R3) . i (1) VC - VD = R3 . i Resistor equivalente associao anterior um resistor que, submetido mesma ddp total, percorrido pela mesma corrente, isto : VA VD = R . i (2) Comparando (1) e (2), temos: R = R1 + R2 + R3 Para um nmero n de resistores: R = R1 + R2 + ... + Rn Alm disso: U = U1 + U2 + ... + Un U1, U2... Un so as ddp nos resistores R1, R2 ... Rn U a ddp no resistor equivalente R. 2 Associao de Resistores em Paralelo Dois ou mais resistores esto associados em paralelo quando submetidos mesma ddp.
  • 19. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 19 R1 i i1 i2 R2 i3 A R3 B Observe que i = i1 + i2 + i3 De acordo com a 1 lei de Ohm: VA - VB VA - VB VA - VB i1 = , i2 = e i3 = R1 R2 R3Considerando que i = i1 + i2 + i3 , ento: i = (VA -VB) ( 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 ) (1) O resistor equivalente associao acima um resistor que, submetido mesma ddp, percorrido pela mesma corrente total i. i R A B VA - VB i= (2) R Comparando (1) e (2), temos: 1 1 1 1 = + + R R1 R 2 R 3 Para um nmero n de resistores: 1 1 1 1 = + + ... + R R1 R 2 Rn Alm disso: i = i1 + i2 + ... + in Quando apenas dois resistores R1 e R2 esto ligados em paralelo, a resistncia equivalente obtida dividindo-se o produto pela soma de R1 e R2. R1
  • 20. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 20 R2 1 R 2 + R1 = R R 1 .R 2 R 1 .R 2 R= R1 + R 2ExemploAs lmpadas e os aparelhos eltricos de uma residncia esto associados (ligados) em paralelo.Observao: Em algumas cidades, todas as ligaes so de 220 V.Este tipo de associao tem a vantagem de que, se uma das lmpadas queima, as demais continuamfuncionando normalmente, pois a corrente eltrica s interrompida na lmpada queimada.3 Associao mista de resistores Uma associao de resistores chamada mista quando contm resistores associados em srie eem paralelo. Para se obter a resistncia equivalente a uma associao mista, resolvem-se primeiro asassociaes que , com certeza, esto em srie ou em paralelo. conveniente ir mudando o desenho medida que se resolve cada associao. Resistores em srie: um depois do outro, sem ramificao. Resistores em paralelo: ligados aos mesmos pontos. Por exemplo, na associao abaixo: R3 R1 R2A B C D R4R1 e R2 esto em srie, pois em est em seguida ao outro, sem ramificao;R3 e R4 esto em paralelo, pois esto ligados aos mesmos pontos C e D.
  • 21. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 21Ateno: R2 e R3 no esto em srie, pois entre eles h uma ramificao para R4; analogamente, R2 e R4no esto em srie. Exerccio1) Na associao da figura, a tenso no resistor R1 vale 18 V, e a tenso total nos dois resistores de 48 V. Calcule: a) a resistncia R1; b) a tenso no resistor R2; i = 0,6 A c) a resistncia R2. R1 R22) Dois resistores R1 = 2 e R2 = 6 esto associados em srie. A corrente que passa pelos resistores de 4 A. Faa o esquema e calcule: a) a resistncia equivalente. b) A ddp em cada resistor. c) A ddp total. d) A potncia dissipada em cada resistor. e) A potncia total.3) A intensidade da corrente que atravessa dois resistores (de valores R1=1K e R2=2K) associados em srie vale 0,5A. Faa o esquema e calcule: a) a resistncia equivalente. b) a ddp em cada resistor . c) a ddp total. d) a potncia dissipada em cada resistor. e) a potncia total.4) Um resistor de 5 ohms ligado em srie com um resistor de 20 ohms. Aplica-se uma tenso total de 50 volts. Faa o esquema e responda : a) Qual a resistncia equivalente associao? b) Qual a intensidade da corrente que percorre os resistores? c) Qual a ddp em cada resistor?5) A intensidade da corrente no resistor R2 da figura de 0,8 A. A resistncia equivalente associao vale 40 , e a ddp no resistor R2 de 12 V. Calcule: R1 R2 a) a ddp no resistor R1; b) a resistncia R1; c) a resistncia R2; U2 = 12 V6) Na associao da figura, a tenso U1 = 15 V. Determine: a) a intensidade da corrente que percorre a associao. b) a tenso entre os pontos A e B. U1 A B R1 = 10 R2 = 30
  • 22. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 227) Na associao esquematizada, o resistor R3 dissipa a potncia de 27 W, e a ddp no resistor R1 vale 9V. Calcule: a) a resistncia R3. b) a intensidade da corrente em cada resistor. c) a resistncia equivalente. d) a potncia total dissipada nos resistores.8) Dois resistores, R1 = 2 e R2 = 6 esto associados em paralelo, e a ddp total vale 6 V. Faa o esquema e calcule: a) a resistncia equivalente. b) a corrente em cada resistor. c) a corrente total. d) a potncia dissipada em cada resistor . e) a potncia total dissipada.9) Na associao da figura, a corrente que passa por R1 3 A.Calcule: R1= 8 a) a resistncia equivalente. b) a corrente que passa por R2.10) Dois resistores R1 e R2 so ligados em paralelo. Sendo R1 diferente de R2: a) as tenses em R1 e R2 so iguais ou diferentes? b) as intensidades da corrente em R1 e R2 so iguais ou diferentes? c) a intensidade da corrente maior na resistncia de maior valor?11) Calcule a resistncia equivalente associao: 4 3 4A B 1012) A ddp entre os pontos A e B do circuito da figura vale 30 V. Determine: a) a resistncia equivalente . b) a intensidade da corrente em cada resistor. 3 5
  • 23. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 2313) No circuito esquematizado, a tenso entre os pontos A e B vale 100 V. Determine: a) a resistncia equivalente. b) a corrente em cada resistor. 10 10 8A B 314) Calcule a resistncia equivalente associao: 20 8 a) 30 b) R5 = 2 c) R3 = 5 R5=1 R4=3 4 6 5 d) A 20 B 12
  • 24. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 24Curto-circuito Dizemos que dois pontos de um circuito esto em curto-circuito quando esses pontos so ligados porum condutor de resistncia desprezvel. Supondo que um aparelho eltrico seja percorrido por uma corrente i, se ligarmos um fio de resistnciadesprezvel em paralelo, provocaremos um curto-circuito entre A e B: toda acorrente i se desviar pelo fio(resistncia desprezvel), e o aparelho deixar de funcionar.15) Calcule a resistncia equivalente associao: fio de resistncia desprezvel 20 20 20 B AOS MLTIPLOS E SUBMLTIPLOS / NOTAO CIENTFICAFonte: Prof. Lauro Pereira Martins NOME SMBOLO FATOR DE MULTIPLICAO A fim de facilitar a compreenso de 12 grandezas, foram criados os mltiplos e Tera T 10 9 submltiplos de uma unidade padro. Giga G 10 6 Exemplos: Mega M 10 3 a - Um pacote de feijo tem 1000 gramas. Quilo K 10 2 Porm mais fcil dizer 1 Quilograma Hecto h 10 1 (Kg), que um mltiplo do grama. Deca da 10 0 b - Uma rgua tem 0,3 metros. Dizendo Unidade 10 que ela tem 30 centmetros (cm), bsica -1 entendemos mais fcil. O cm um Deci d 10 submltiplo do metro. -2 Centi c 10 A tabela mostra os mltiplos e -3 Mili m 10 submltiplos das unidades mais usadas. -6 Micro 10 -9 Nano n 10 -12 Pico p 10 -15 Femto f 10 -18 Atto a 10Potncia de 10 : Na eletrnica e eltrica normal usarmos potncia de 10 para representar grandezas muitograndes ou pequenas : 9 -310 = 1.000.000.000 = Giga = G 10 = 0,001 = Mili = m 6 -610 = 1.000.000 = Mega = M 10 = 0,000001 = Micro= 3 -910 = 1.000 = Quilo = K 10 = 0,000000001 = nano = 0 -1210 = 1 10 = 0,000000000001 =pico =Regras matemticas : x y x+ y10 x 10 = 10 x y x -y10 / 10 = 10s podemos somar quando temos o mesmo expoente: x x x10 . 10 + 5 . 10 = 15 . 10
  • 25. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 25Exerccios:1) Escreva sob a forma numrica os valores em 3) Escreva sob a forma numrica os valores emmltiplos e submltiplos do volt: mltiplos e submltiplos do ampre: a) 100V = a) 1mA = 0 b) 10x10 V = b) 0,1A = c) 350KV = c) 10nA = d) 0,1mV = d) 5KA = e) 10KV = e) 1000A = f) 0,1KV = f) 2500pA =2) Escreva sob a forma de mltiplos e 3) Escreva sob a forma de mltiplos esubmltiplos, utilizando os smbolos, os valores submltiplos os valores numricos donumricos da grandeza volt a seguir, respeitando ampre:a notao cientfica: a) 0,001A = a) 1000000 V = b) 0,0001A = b) 0,000015V = -9 c) 10x10 A = c) 0,001 V = -12 d) 20x10 A = d) 0,2135 V = e) 0,000001A = e) 0,0001 V 3 f) 150x10 A = f) 39000 V =INSTRUMENTOS DE MEDIDA Voc j sabe, mas vamos relembrar: ampermetro (A) o aparelho usado para medir a intensidade da corrente eltrica de um circuito; voltmetro (V) o aparelho que fornece o valor da ddp entre os terminais de qualquer trecho do circuito. Agora, vamos acrescentar outras informaes sobre esses dois instrumentos de medida. Ampermetro O ampermetro A deve ter uma resistncia interna desprezvel (r = 0), para no interferir naresistncia eltrica (R) do circuito. Nesta condio o ampermetro considerado ideal. Veja a fotografia de um ampermetro, um esquema de sua conexo no circuito e o smbolo (A) doampermetro aplicado noutro esquema , mais simplificado: A i .A. + _ i Instalado em srie com o trecho do circuito onde se deseja medir a intensidade da corrente, omximo valor que o ampermetro pode registrar denominado fundo de escala.
  • 26. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 26 Quando a corrente eltrica que atravessa o circuito superior ao fundo de escala, pode-seassociar em paralelo ao ampermetro uma resistncia eltrica denominada shunt, que em ingls significadesvio. RS i2 rA : resistncia interna do ampermetro i2 RS : resistncia do Shunt . P i1 rA A . Q O shunt faz desviar para si a parte da corrente eltrica superior ao fundo de escala, impedindoassim a danificao do ampermetro. Em alguns ampermetros, geralmente o shunt j vem instalado. Voltmetro Para fornecer a ddp entre os terminais de um trecho do circuito, o voltmetro deve ser: colocado em paralelo a esse trecho; ideal, isto , ter resistncia eltrica r infinita, caso em que a corrente eltrica no se devia para ele. Para ser considerada infinita, a resistncia r do voltmetro deve ser suficientemente elevada, emcomparao com a resistncia R do circuito. Veja a fotografia de um voltmetro e os esquemas de sua conexo no circuito eltrico, juntamente comum ampermetro: EXERCCIOS1) Dispondo de uma bateria, um voltmetro, um ampermetro e um resistor de resistncia R, desenhar umcircuito no qual seja possvel determinar o valor de R.2) Determinar a resistncia Rs do shunt associado a um ampermetro, cuja resistncia interna r de 20. Sabe-se que a mxima corrente que o ampermetro pode suportar de 2,5 A e que a corrente eltricaque percorre o circuito de 15 A.ATERRAMENTOFonte: internet (www.gabrieltorres.com.br) Muitos leitores nos escrevem perguntando sobre o que aterramento e se ele realmente necessrio. Eletricidade s existe quando h diferena de potencial. Por exemplo, se temos dois fios, um com potencial 12 e outro com potencial 0, ento temos uma diferena de potencial de 12 V. Se temos dois fios com potencial 12, ento no h diferena de potencial e a tenso eltrica obtida entre esses dois fios ser zero. Assim, a rede eltrica formada por dois fios, um chamado fase e outro
  • 27. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 27chamado neutro. O fio neutro possui potencial zero e o fio fase por onde a tenso eltrica transmitida.Como haver diferena de potencial entre a fase e o neutro, haver tenso eltrica. Na rede eltrica atenso alternada, j que potencial eltrico do fio fase uma forma de onda senoidal, isto , varia ao longodo tempo.O terra um sinal que contm zero volt absoluto. Ele usado para igualar o potencial eltrico entreequipamentos eltricos. Normalmente o terra ligado carcaa metlica do equipamento. Emequipamentos onde o gabinete de plstico, o terra ligado carcaa metlica existente no interior doequipamento.Voc deve estar se perguntando qual a diferena entre o terra e o neutro, j que ambos possuempotencial zero.Acontece que o fio neutro pode ficar "sujo" devido a fugas apresentadas pelos equipamentos eltricospresentes na sua casa ou trabalho. Por exemplo, ele vem da rua com potencial zero mas, devido aosequipamentos que existem em sua casa, houve uma fuga (que normal) e o neutro passou a ter umpotencial ligeiramente maior, digamos 6 V. Se comparado com o fio fase, ento, a diferena de potencialbaixou, nesse caso, 6 V. Mas, como os equipamentos eltricos normalmente possuem uma tolerncia alta,essa queda na tenso no alterar funcionamento deles (a tenso baixou de 127 V para 121 V nesseexemplo, o que far com que os equipamentos continuem funcionando normalmente).O terra apresenta, portanto, um potencial de zero volt absoluto. Isso conseguido atravs da instalao deuma barra de ferro no solo (e da o nome "terra"). Como a terra uma fonte inesgotvel de eltrons, o seupotencial inaltervel. Caso algum equipamento tente "sujar" o terra (como ocorre com o neutro), o excessode tenso encaminhado para a terra, mantendo o potencial eltrico sempre em zero.A questo que o fio terra s faz sentido quando estamos operando com equipamentos eltricos que iroser interligados entre si e onde no pode haver diferena de potencial entre eles. Para um ferro de passarroupas, para um liqidificador e para uma lmpada, o uso do fio terra no faz o menor sentido, j que elesno precisam de uma referncia do zero volt absoluto, pois a tolerncia desses equipamentos permite aeles operarem corretamente mesmo quando o fio neutro est "sujo".Por esse motivo que nas instalaes eltricas residenciais s h, na maioria das vezes, os fios fase eneutro, j que assume-se que voc no ter em casa equipamentos eltricos que necessitem deaterramento.Voc j tomou choque ao abrir a porta de uma geladeira? Isso ocorre caso o potencial eltrico da carcaada geladeira no igual a zero. Como voc est com os ps no cho (que possui potencial zero), haveruma diferena de potencial entre voc e a geladeira, que criar uma corrente eltrica to logo voc encostena carcaa metlica da geladeira, fazendo com que voc sinta o choque.Esse mesmo tipo de problema pode ocorrer com o gabinete do seu computador ou com qualquerequipamento eltrico ou eletrnico que possua carcaa metlica.A funo do fio terra prover zero volt absoluto. O terra ligado diretamente carcaa metlica doequipamento e, com isso, voc nunca tomar esse tipo de choque em equipamentos corretamenteaterrados.Agora imagine que voc esteja ligando o micro a uma impressora. Essa ligao feita atravs de um cabo,correto? O que acontecer se o potencial eltrico da carcaa do computador for diferente do potencialeltrico da carcaa da impressora? Na pior das hipteses, voc queimar a porta paralela do seu micro ouda sua impressora.Outra situao muito comum entre micros conectados em rede. Se os micros no estiverem aterrados,voc poder queimar a placa de rede deles, caso a carcaa deles possuam potenciais eltricos diferentes.O cabo da rede far o papel de interligar a carcaa dos micros, fazendo com que haja um choque entre eles(assim como voc tomou um choque na porta da geladeira ou no gabinete do micro). Esse choque umadiferena de potencial e far com que, no caso mais simples, a rede no funcione e, no caso mais grave,voc queime as placas de rede dos micros que possuem diferena de potencial entre eles. J viu o quepode ocorrer em redes contendo vrios micros ( bvio que esse problema s ocorre em redes usandocabos metlicos, que conduzem eletricidade; em redes usando fibras pticas esse tipo de problema noocorre, j que ele transmite luz e no eletricidade).Dessa forma, pode haver diferena de potencial entre equipamentos que possam ser interligados. A soluopara no haver essa diferena de potencial o aterramento. S que, como vimos, a maioria dos prdios no
  • 28. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 28possui fio terra e muitas vezes sai caro (e complicado) criar o terra (pois, como vimos na semana passada, necessrio enterrar uma barra de ferro na terra - se voc mora em uma casa, isso moleza, mas digamosque voc more no 10 andar de um prdio).Ento, qual a soluo para no haver diferena de potencial entre os equipamentos? A no ser que vocesteja trabalhando em uma empresa onde h vrios computadores ligados em rede (e a realmente torna-senecessrio criar um terra verdadeiro), pode-se usar a tcnica do "terra virtual".Em seu micro, voc no ter esse problema de diferena de potencial entre os seus equipamentos se vocigualar o potencial deles. Para isso, basta interligar os fios terra deles. O seu estabilizador de tenso podefazer isso por voc. Basta voc no cortar o pino terra dos seus equipamentos e lig-los ao mesmoestabilizador para que o potencial deles seja igualado, j que o estabilizador interliga os pinos terra dosequipamentos. O nico problema ser se houver diferena de potencial entre voc e a carcaa do gabinete(porque voc tomar um "choquinho" toda vez em que encostar no gabinete) ou se voc for ligar vriosmicros em rede. A o terra ser necessrio.Para criar um terra verdadeiro, aconselhamos procurar um eletricista especializado em instalaes prediais.(Explicaes baseadas nas redes eltricas de 110 V)TRANSFORMADORES Alguns dos primeiros sistemas de fornecimento de eletricidade para a populao distribuam-seatravs de corrente continua (CC) , como a da bateria dos automveis e das pilhas comuns. Nesse tipode corrente o sentido do campo eltrico permanece sempre o mesmo e, conseqentemente, o sentido dacorrente i tambm permanece inalterado, pois as cargas se deslocam sempre num mesmo sentido ao longodo fio. Outros sistemas de fornecimento de eletricidade faziam a distribuio por corrente alternada (CA),em que os eltrons alteram sistematicamente o sentido de seu fluxo. Ou seja, o campo eltrico estabelecidono fio do condutor da corrente alternada muda periodicamente de sentido. Assim, as cargas eltricas no fiooscilam, deslocando-se ora em um sentido, ora em outro. Tambm as voltagens estabelecidas pelo diversos fornecedores de eletricidade variavam muito. Quando a utilizao da eletricidade cresceu, foi preciso padronizar os sistemas. Isso no sfacilitaria a transmisso da energia eltricas das usinas at os pontos de consumo, como tambm permitiriasimplificar o projeto e a construo de equipamentos eltricos. Assim, no mundo todo, a eletricidade passou a ser fornecida em corrente alternada de 220 V ou 110V. A corrente alternada tem uma grande vantagem sobre a contnua: sua voltagem pode sermodificada (aumentada ou diminuda), o que muitas vezes necessrio em diversas instalaes eltricas,inclusive nas de nossas residncias. A modificao de voltagem da corrente alternada feita por transformador, um dispositivoconstitudo de uma pea de ferro em torno da qual so enroladas duas bobinas. Veja o esquema: ncleo linha de induo de ferro Smbolo do transformador. Esquema do transformador.
  • 29. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 29 Nas extremidades da primeira bobina (enrolamento primrio, que vem da usina trazendo a correntecom determinada voltagem at o transformador), aplicada a voltagem V1, que vai ser transformada. Apsa transformao, essa voltagem passa um valor V2, nas extremidades da bobina (o enrolamento secundriodo transformador, que leva a corrente transformada para os locais de consumo). A transformao de voltagem permite que a eletricidade produzida por geradores na usina sejaconvertida para uma voltagem muito mais alta e transmitida atravs de cabos para locais distantes. Comvoltagem alta, menos corrente necessrio para transmitir certa quantidade de energia. Assim, aumentando a voltagem e diminuindo a corrente, as perdas de energia eltrica soreduzidas, tornando o sistema muito mais eficiente. Nos pontos de consumo, outros transformadores, acoplados a determinados aparelhos eltricos(como o televisor), realizam nova transformao da voltagem, quando necessrio. A relao entre as voltagens no enrolamento primrio e no secundrio, bem como as correntesnecessrias nesses enrolamentos, pode ser facilmente obtida: se o primrio tem Np espiras e o secundrioNs, a voltagem no primrio (Vp) est relacionada voltagem no secundrio (Vs) por Vp/Vs = Np/Ns, e ascorrentes por Ip/Is = Ns/Np. Desse modo, um transformador ideal (que no dissipa energia), com 100espiras no enrolamento primrio e 50 espiras no enrolamento secundrio, percorrido por uma corrente de2A, sob 110V, fornece no enrolamento secundrio, uma corrente de 1A sob 55V.CAPACITOR O capacitor um componente, que tem como finalidade, armazenar energia eltrica. formado por duas placas condutoras, tambm denominadas de armaduras, separadas por um material isolante ou dieltrico, ligados a estas placas condutoras, esto os terminais para conexo deste com outros componentes, conforme mostra a figura ao lado. Capacitncia (C) a caracterstica que o capacitor apresenta de armazenar mais ou menos cargaseltricas por unidade de tenso. Portanto, podemos escrever a relao: Q C= U onde: C= capacitncia, Q= carga eltrica e U= tenso Quando aplicarmos uma tenso igual a 1 volt (V) e o capacitor armazenar 1 Coulomb(C), teremosento uma capacitncia igual a 1 Farad (F) . Devido s dificuldades construtivas, os capacitores encontram-se situados em faixa de valoressubmltiplos do Farad como o micro Farad (F), nano Farad (nF) e o pico Farad (pF). 1 F = 10- 6 F -9 1nF = 10 F 1pF = 10 12 F Alm do valor da capacitncia, preciso especificar o valor limite da tenso a ser aplicada entreseus terminais. Esse valor denominado tenso de isolao e varia conforme o tipo de capacitor. Na prtica, encontramos vrios tipos de capacitores, com aplicaes especficas, dependendo deaspectos construtivos, tais como, material utilizado como dieltrico, tipo de armaduras e encapsulamento. Normalmente, o valor da capacitncia, a tenso de isolao e a tolerncia so impressos no prprioencapsulamento do capacitor, toda via em alguns tipos como os de polister metalizado, estes parmetrosso especificados por um cdigo de cores. GERADORES ELTRICOS Geradores eltricos so dispositivos que mantm entre seus terminais uma diferena de potencial,obtida a partir de uma converso de outro tipo de energia em energia eltrica. Essa converso pode ser de vrias formas, destacando-se os geradores que transformam energiamecnica, qumica e trmica em energia eltrica, denominados respectivamente de geradoreseletromecnicos, eletroqumicos e eletrotrmicos.
  • 30. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 30 Como exemplos de geradores eletroqumicos temos as pilhas e baterias, que a partir de umareao qumica, separam as cargas eltricas positivas das negativas, provocando o aparecimento de umatenso eltrica entre dois terminais denominados plos. Como geradores eletromecnicos temos: os dnamos e os alternadores, que a partir de ummovimento mecnico geram respectivamente energia eltrica contnua e alternada. Como geradores termoeltricos temos o par-termoeltrico onde 2 metais diferentes recebem calore, proporcionalmente geram uma tenso entre seus terminais. Um gerador eltrico alimentando uma carga, deve fornecer tenso e corrente que esta exigir.Portanto, na ralidade, o gerador fornece tenso e corrente. O gerador ideal aquele que fornece uma tenso constante, denominada de Fora Eletromotriz(E), qualquer que seja a corrente exigida pela carga. Seu smbolo e sua curva caracterstica, tenso emfuno da corrente, so mostrados na figura 1. .a) b) U E E V I . 0 IFigura 1 (a) Gerador ideal (b) Curva caracterstica de um gerador ideal. O gerador real ir perder energia internamente, e portanto, a tenso de sada no ser constante,sendo atenuada com o aumento da corrente exigida pela carga. Podemos representar essa perda por umaresistncia interna (r) , e conseqentemente, o gerador real como um gerador ideal em srie com estaresistncia, conforme mostra a figura 2. Do circuito equivalente ao gerador real, observamos que a resistncia interna causa uma queda datenso de sada, quando este estiver alimentando uma carga. Essa situao mostrada na figura 3. Figura 3 Figura 2Aplicando a Lei de Ohm, podemos escrever: E I= E = (r + RL) . I E = rI + RLI r + RLOnde: RLI = U U = E rI equao do gerador real. Da equao obtemos a curva caracterstica do gerador real, que vista na figura 4. U E 0 I
  • 31. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 31 Figura 4 Caracterstica de um gerador real. Pela curva, notamos que, ao aumentarmos o valor da corrente, a tenso diminui e quando estaatingir o valor zero, teremos um valor de corrente que denominada de corrente de curto-circuito (lcc),pois nessas condies o gerador encontra-se curto-circuitado. A caracterstica completa mostrada na figura 5. U E 0 ICC I Figura 5 Caracterstica completa de um gerador real. Na condio de curto-circuito, temos que: E U = E rI 0 = E rIcc Icc = r A corrente de curto-circuito bem como a resistncia interna do gerador, devem ser obtidasexperimentalmente, ou seja, levantando-se a curva caracterstica do gerador e extraindo desta, esses doisparmetros, conforme mostramos a seguir na figura 6. U E V ( V E r = tg = e Icc = I r 0 I IFigura 6 Curva caracterstica de um gerador real.Exemplo: O grfico da figura 11.7 representa a curva caracterstica de um gerador. Determinar aresistncia interna, a corrente de curto-circuito e a equao do gerador.
  • 32. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 32LEIS DE KIRCHHOFF 1. LEI DE KIRCHHOFF PARA A TENSO (LEI DAS MALHAS): A tenso aplicada a um circuito fechado igual a soma das quedas de tenso naquele circuito. Fato estudado nos circuitos em srie. Tenso aplicada = soma de quedas de tenso Va = V1 + V2 + V3 ou Va V1 V2 V3 = 0 ou V = 0 A soma algbrica das tenses em qualquer circuito fechado igual a zero. Atribumos o sinal positivo (+) para o aumento de tenso e o sinal negativo (-) para a queda de tenso na frmula V = 0. Exemplo 1: V = 0 Va V1 V2 V3 = 0 100 50 30 20 = 0 0=0 Figura 1 Se percorrermos o circuito comeando pelo terminal negativo da fonte e passando pela mesma, esse percurso corresponde a um aumento de tenso. Continuamos a percorrer o circuito do terminal positivo da fonte e passando por todos os resistores e voltamos ao terminal negativo da fonte. Logo: Se percorrermos o circuito no sentido abcda, atravessamos Va do para o + e Va = + 100V (aumento). Atravessaremos V1 do + para o e V1 = - 50V (queda), e assim por diante. Exemplo 2: Determine o sentido da tenso ao longo do circuito abcda da figura 2 e a seguir escreva as expresses para as tenses ao longo do circuito. Figura 2
  • 33. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 33 Exemplo 3: Determine a tenso Vb do circuito da figura 3. Figura 3 2. LEI DE KIRCHHOFF PARA CORRENTE (LEI DOS NS): A soma das correntes que entram em uma juno igual a soma das correntes que saem da juno. Suponha que tenhamos seis correntes saindo e entrando numa juno comum ou num ponto, como por exemplo, o ponto P da figura. Esse ponto comum tambm chamado de n. Exemplo 4: A soma das correntes que entram = a soma das correntes que saem. I1 + I3 + I4 + I6 = I2 + I5 Se considerarmos as correntes que entram numa juno como positivas ( + ) e as correntes que saem como negativas ( - ), ento: I1 I2 + I3 + I4 I5 + I6 = 0 ou I = 0 Exemplo 5: Escreva a equao para a corrente I1 nas figuras 5 a) e b) Figura 5 3. A CORRENTE NAS MALHAS: As leis de Kirchhoff podem ser simplificadas atravs de um mtodo que utiliza as correntes nas malhas. Uma malha qualquer percurso fechado de um circuito. No se leva em conta se o percurso contm ou no uma fonte de alimentao. Ao se resolver um circuito utilizando as correntes nas malhas, precisamos escolher previamente, quais os percursos que formaro as malhas. A seguir, designamos para cada malha a sua respectiva corrente de malha. Por convenincia, as correntes da malha so indicadas no sentido horrio. Aplica-se ento a Lei de Kirchhoff para a tenso ao longo dos percursos de cada malha. As equaes resultantes determinam as correntes de malhas desconhecidas. A partir dessas correntes, pode-se calcular a tenso ou a corrente de cada resistor.
  • 34. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 34 Exemplo 6: + Va I1R1 I1R2 + I2R2 = 0 - I2R2 + I1R2 I2R3 Vb = 0 Exemplo 7: Dada a figura 7, calcule todas as correntes das malhas e as tenses no circuito. Figura 7 Exerccios: 1.
  • 35. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 35 2. 3. 4.
  • 36. CEFET Campos / Mdulo 1 Apostila de Eletricidade Bsica 36 5.CEFET Campos / 2002Este material se destina s aulas de Eletricidade Bsica do Curso Tcnico deInformtica.Carga Horria: 40 aulas/semestre (2 aulas semanais/20 semanas)Elaborao: Prof. Cibelle Degel BarbosaDigitao: Dayse Silva de Queiroz Gilmara de Lima SilvaBibliografia: Ueno, Paulo T. Noes Fundamentais de Fsica. Vol. 03. Moderna. 1990. Gussow, Milton. Eletricidade Bsica. 2 Edio. Makron Books. 2001. Paran. Fsica Volume 3 Eletricidade. tica. 1994.