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OSTENSIVO EPM-007 APOSTILA DA DISCIPLINA DE ELETROELETRÔNICA MARINHA DO BRASIL ESCOLA DE APRENDIZES-MARINHEIROS DO CEARÁ 2022 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - II - REV.2 ELETROELETRÔNICA MARINHA DO BRASIL ESCOLA DE APRENDIZES-MARINHEIROS DO CEARÁ 2022 TIPO: MANUAL FINALIDADE: DIDÁTICA OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - III - REV.2 ATO DE APROVAÇÃO Aprovo, para emprego nas Escolas de Aprendizes Marinheiros, a publicação EMN-007 – APOSTILA DA DISCIPLINA DE ELETROELETRÔNICA, elaborada pela EAMCE, para o Curso de formação de Marinheiros para a Ativa. Fortaleza, CE. Em de outubro de 2022. DANIEL ROCHA Capitão de Fragata Comandante ASSINADO DIGITALMENTE OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - IV - REV.2 ÍNDICE Folha de Rosto ..............................................................................................................................................................II Ato de Aprovação ....................................................................................................................................................... III Índice ........................................................................................................................................................................... IV Introdução .................................................................................................................................................................... X CAPÍTULO 1 – CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE 1.1 - Transformações de energia elétrica ............................................................................................ 1-1 1.1.1 - Usina Hidrelétrica ....................................................................................................................... 1-1 1.1.2 - Usina Termoelétrica .................................................................................................................... 1-2 1.1.3 - Usina Nuclear .............................................................................................................................. 1-2 1.1.4 - Energia Química........................................................................................................................... 1-3 1.1.4.1 - Pilhas ........................................................................................................................................... 1-3 1.1.4.2 - Baterias ....................................................................................................................................... 1-4 1.1.5 - Energia solar (Painéis fotovoltaicos). .......................................................................................... 1-5 1.2 - Transformações de energia utilizadas no contexto marinheiro… ................................................ 1-6 1.3- Grandezas Elétricas ..................................................................................................................... 1-6 1.3.1 - O Átomo - Noção de Carga Elétrica (Q). ...................................................................................... 1-6 1.3.2 - Condutores e isolantes elétricos .................................................................................................. 1-8 1.3.3 - Processo de Eletrização… ............................................................................................................ 1-8 1.3.3.1 - Eletrização por atrito. ................................................................................................................. 1-8 1.3.3.2 - Eletrização por contato… ............................................................................................................ 1-9 1.3.3.3 - Eletrização por indução. ............................................................................................................ 1-10 Exercícios Propostos .................................................................................................................. 1-11 1.3.4 - Força Elétrica (F). ....................................................................................................................... 1-17 1.3.5 - Campo Elétrico (E). .................................................................................................................... 1-18 1.3.6 - Trabalho e Voltagem (U). ............................................................................................................ 1-18 1.3.7 - Corrente Elétrica (I). ................................................................................................................... 1-19 1.3.7.1 - O que é uma corrente elétrica? .................................................................................................. 1-19 1.3.7.2- Intensidade e unidade da corrente elétrica ............................................................................... 1-20 1.3.7.3 - Sentido da corrente elétrica....................................................................................................... 1-21 Exercícios Propostos .................................................................................................................. 1-21 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - V - REV.2 1.3.8 - Resistência Elétrica (R). .............................................................................................................. 1-22 1.3.9- Potência Elétrica (P)… ................................................................................................................ 1-23 1.3.10 - Consumo de energia elétrica ...................................................................................................... 1-23 1.3.11- Unidades de medidas mais comuns utilizadas na Eletricidade .................................................. 1-24 1.3.12- Múltiplos e submúltiplos de unidades de medida ...................................................................... 1-24 1.3.13- Código de cores para resistores ................................................................................................. 1-25 CAPÍTULO 2 – REGRAS BÁSICA DE SEGURANÇA DURANTE OS ENSAIOS DE ELETRICIDADE 2.1 - Introdução ................................................................................................................................... 2-1 2.2 - O choque elétrico e suas consequências ..................................................................................... 2-1 2.2.1- Tipos de choques elétricos .......................................................................................................... 2-12.2.2- Percurso das correntes no corpo humano. ................................................................................. 2-2 2.2.3- Efeitos da corrente elétrica no corpo humano. ........................................................................... 2-3 2.3 - Procedimentos de segurança durante os ensaios elétricos ......................................................... 2-3 2.3.1- Comportamento no Laboratório. ................................................................................................ 2-3 2.3.2- Procedimentos de segurança para o manuseio de instrumentos e equipamentos de medição e teste ......................................................................................................................................... 2-4 2.3.3- Montagem e execução - Cuidados gerais .................................................................................... 2-4 2.3.4- Montagem dos circuitos e preparação para energização. ........................................................... 2-4 2.3.5- Cuidados na operação de circuitos energizados .......................................................................... 2-5 2.4- Instrumentos Elétricos de Medida .............................................................................................. 2-5 2.4.1- Amperímetro ‐ medida de corrente elétrica ............................................................................... 2-5 2.4.1.1- Procedimentos para utilização do Amperímetro. ........................................................................ 2-6 2.4.2- Medidor de D.D.P: Voltímetro. .................................................................................................... 2-6 2.4.3- Ohmímetro ‐ medida de resistência elétrica ............................................................................... 2-6 2.4.4- Multímetro digital ....................................................................................................................... 2-6 2.4.5- Multímetro analógico. ................................................................................................................. 2-7 2.4.6- Calibragem de instrumentos de medida ..................................................................................... 2-8 2.4.7- Instrumentos de Medição e Teste: Medição com multímetro analógico. .................................... 2-9 2.4.7.1- Utilizando cada função do multímetro.............................................................…………..... 2-10 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - VI - REV.2 CAPÍTULO 3 – MANUSEIO DE CIRCUITOS ELETROELETRÔNICOS BÁSICOS 3.1- Circuitos elétricos ....................................................................................................................... 3-1 3.1.1- Resistência Elétrica ..................................................................................................................... 3-1 3.1.2- Resistor Elétrico. .......................................................................................................................... 3-1 3.1.3- A 1ª Lei de Ohm .......................................................................................................................... 3-1 3.1.3.1- Resistor Ôhmico. ........................................................................................................................ 3-2 3.1.3.2- Unidade de Resistencia Elétrica .................................................................................................. 3-2 3.1.3.3- Resistores não ôhmicos .............................................................................................................. 3-2 Problemas resolvidos ................................................................................................................. 3-3 3.1.4- Resistividade e a 2ª Lei de Ohm .................................................................................................. 3-3 Problemas resolvidos .................................................................................................................. 3-4 3.1.5- O Efeito Joule .............................................................................................................................. 3-5 3.2- Associações de resistores ........................................................................................................... 3-5 3.2.1- Associações em série de resistores ............................................................................................. 3-5 Problemas propostos .................................................................................................................. 3-7 3.2.2- Associações em paralelo de resistores ........................................................................................ 3-7 Problemas propostos .................................................................................................................. 3-8 3.2.3 - Associações mistas de resistores ................................................................................................ 3-9 Problemas propostos ................................................................................................................. 3-13 3.3- Geradores Elétricos .................................................................................................................... 3-16 3.3.1- Força Eletromotriz ..................................................................................................................... 3-16 3.3.2 - Gerador ideal ............................................................................................................................. 3-17 3.3.3- Gerador real ............................................................................................................................... 3-17 3.3.4- Gerador em aberto ..................................................................................................................... 3-18 3.3.5- Gerador em Curto circuito. ........................................................................................................ 3-18 3.3.6- Tipos de Geradores .................................................................................................................... 3-18 Problemas resolvidos ................................................................................................................. 3-19 3.3.7- Associação de geradores em série e paralelo. ........................................................................... 3-21 3.3.7.1- Em série ..................................................................................................................................... 3-21 Problemas resolvido .................................................................................................................. 3-21 3.3.7.2- Em paralelo. ............................................................................................................................... 3-22 Problemas propostos ................................................................................................................. 3-22 3.3.7.3- Mista ......................................................................................................................................... 3-22 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - VII - REV.2 Problemas propostos .................................................................................................................3-22 3.4- Capacitores ou Condensadores .................................................................................................. 3-23 3.4.1- Capacitor Plano. ......................................................................................................................... 3-24 3.4.2- Capacidade ou Capacitância de um Capacitor ........................................................................... 3-25 3.4.3- Aplicações dos Capacitores ........................................................................................................ 3-25 3.4.3.1- Tasers ......................................................................................................................................... 3-26 3.4.4- Associação de Capacitores ......................................................................................................... 3-28 3.4.4.1- Associação em série de capacitores ........................................................................................... 3-28 3.4.4.2- Associação em paralelo de capacitores ...................................................................................... 3-29 Problemas resolvidos: ................................................................................................................. 3-31 Problemas propostos ................................................................................................................. 3-32 CAPÍTULO 4 – O MAGNETISMO NO CONTEXTO MARINHEIRO 4.1- Magnetismo. .............................................................................................................................. 4-1 4.1.1 - Polos de um ímã ........................................................................................................................ 4-1 4.1.2- Campo Magnético… ................................................................................................................... 4-3 4.1.3- Magnetismo Terrestre ............................................................................................................... 4-3 4.1.4- Linhas de indução do Campo Magnético. .................................................................................. 4-3 4.1.5- Força Magnética ........................................................................................................................ 4-4 4.1.6- Substâncias Magnéticas ............................................................................................................ 4-5 Problemas Propostos ................................................................................................................. 4-7 4.2- Força Eletromotriz Induzida ....................................................................................................... 4-8 4.3- Corrente Induzida ...................................................................................................................... 4-9 4.4- Fluxo Magnético. ....................................................................................................................... 4-9 4.5- Lei de Faraday ........................................................................................................................... 4-10 4.6- O gerador de corrente alternada .............................................................................................. 4-10 4.7- Lei de Lenz .................................................................................................................................4-11 4.8- Experimento de Oersted. ...........................................................................................................4-11 Problemas propostos ................................................................................................................ 4-12 4.9- Transformador .......................................................................................................................... 4-15 4.9.1- Como funciona o transformador… ............................................................................................ 4-15 4.9.2- Relação de transformação da voltagem entre o primário e o secundário. ................................ 4-16 4.9.3- Tipos dos transformadores ....................................................................................................... 4-16 Problemas Propostos ................................................................................................................ 4-17 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - VIII - REV.2 4.10- Corrente Contínua (CC) e Corrente Alternada (CA)… .................................................................4-20 4.10.1- Corrente Contínua (CC)… ...........................................................................................................4-20 4.10.2- Corrente Alternada (CA) .............................................................................................................4-20 4.10.3- Valor Eficaz .................................................................................................................................4-21 4.11- Osciloscópio. ..............................................................................................................................4-21 4.11.1- Utilizando o Osciloscópio. ..........................................................................................................4-23 4.11.2- Características da onda senoidal - Grandezas Elétricas Mensuráveis .........................................4-23 CAPÍTULO 5 – PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DE CIRCUITOS DE CC E CA 5.1- Definição de Circuito Elétrico. .................................................................................................... 5-1 5.2- Circuitos CC em Série ................................................................................................................. 5-1 5.3- Circuito CC em Paralelo… ........................................................................................................... 5-2 5.4- Indutores Elétricos ..................................................................................................................... 5-3 5.4.1- Tipos de Indutores ..................................................................................................................... 5-3 5.5- Circuitos de Corrente Alternada CA ou AC… ............................................................................... 5-5 5.5.1- Circuitos Resistivos, Capacitivos ou Indutivos ............................................................................ 5-5 5.5.2- Circuito RL e RC. ......................................................................................................................... 5-8 CAPÍTULO 6 – DISPOSITIVOS DE CONTROLE E DE SEGURANÇA: DISJUNTOR E FUSÍVEL. 6.1- Fusível ........................................................................................................................................ 6-1 6.2- Disjuntores ................................................................................................................................. 6-2 CAPÍTULO 7 – RECEPTORES ELÉTRICOS E ASSOCIAÇÃO DE GERADORES E RECEPTORES 7.1- Receptores Elétricos .................................................................................................................. 7-1 7.2- Equação do receptor elétrico… .................................................................................................. 7-2 7.3- Curto-Circuito. ........................................................................................................................... 7-3 7.4- Associações de Resistores, Geradores e Receptores ..................................................................7-4 7.4.1- Lei de Pouillet ............................................................................................................................. 7-4 Problemas propostos ................................................................................................................. 7-6 7.4.2- Circuito elétrico de malha única com Geradores e Receptores (Lei de Pouillet). ....................... 7-7 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - IX - REV.2 CAPÍTULO 8 – CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS: DIODO, LED E TRANSISTOR. 8.1- Semicondutores ......................................................................................................................... 8-1 8.1.1- Semicondutor do tipo N ............................................................................................................. 8-1 8.1.2- Semicondutor tipo P ................................................................................................................. 8-2 8.1.3- Fluxo de corrente no semicondutor “dopado” tipo N ............................................................... 8-2 8.1.4- Fluxo de corrente no semicondutor “dopado” tipo P ................................................................ 8-2 8.2- Diodo de junção PN ................................................................................................................... 8-3 8.2.1- Função do diodo em um circuito. .............................................................................................. 8-4 8.2.2- Diodo do tipo LED...................................................................................................................... 8-5 8.3- Transistor ................................................................................................................................... 8-5 8.3.1- Transistor do tipo NPN e PNP ..................................................................................................... 8-6 8.3.1.1- Corrente no transistor de junção NPN ........................................................................................ 8-6 8.3.1.2- Corrente no transistor de junção PNP ........................................................................................ 8-7 8.3.2- Comparação do transistor com a válvula tríodo. ........................................................................ 8-8 8.4- Radar .......................................................................................................................................... 8-8 ANEXO A - Referências Bibliográficas ..................................................................................................... A-1 ANEXO B - Exercícios Propostos .............................................................................................................. B-1 ANEXO C - Gabarito ................................................................................................................................. C-1 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - X - REV.2 INTRODUÇÃO 1 - PROPÓSITO Esta apostila tem como propósito apresentar aos alunos do Curso de Formação de Marinheiros para a Ativa (C-FMN), os conteúdos da disciplina de Eletroeletrônica, cujos assuntos foram extraídos de publicações de fácil compreensão, atendendo às exigências curriculares. 2 – DESCRIÇÃO Esta publicação foi dividida em oito capítulos e três anexos, assim distribuídos: Capítulo 1 – Conceitos Básicos de Eletricidade; Capítulo 2 – Regras Básicas de Segurança Durante os Ensaios de Eletricidade; Capítulo 3 – Manuseio de Circuitos Eletroeletrônicos Básicos; Capítulo 4 – O Magnetismo no contexto Marinheiro; Capítulo 5 – Principais características de Circuitos de CC e CA; Capítulo 6 – Dispositivos de Controle e de Segurança: Disjuntor e Fusível; Capítulo 7 – Receptores Elétricos e Associação de Geradores e Receptores; Capítulo 8 – Características Básicas dos Componentes Eletrônicos: Diodo, Led e Transistor; Anexo A – Referências Bibliográficas; Anexo B – Exercícios Propostos; e Anexo C – Gabarito. 3 - EDIÇÃO Esta apostila foi revisada em SET2022 pelo SO-Refº-EL-SB PAULO Fernandes Costa da Silva, Coordenador da disciplina de Eletroeletrônica na EAMCE. A análise pedagógica foi realizada pela 1ºT(RM2-T) KAMILA da Silva Assunção, Encarregada do Serviço de Orientação Pedagógica, revisada ortograficamente pela SC CLEIDE Bezerra Ribeiro, docente da disciplina de Língua Portuguesa, formatada pela 1ºSG-PD CRISTIANE Carvalho Silva Cardoso, Auxiliar do Serviço de Orientação Pedagógica e ratificada pelos(as) Coordenadores(as) de Eletroeletrônica das demais EAM. Prioritariamente, esta publicação destina-se à instrução dos alunos do C-FMN. 4 – PRINCIPAIS MODIFICAÇÕES Nesta revisão, as principais modificações são: - De algumas imagens ilustrativas ao longo dos capítulos; e - Inclusão de um anexo com exercícios de fixação. 5 – CLASSIFICAÇÃO Esta publicação é classificada, de acordo com o Manual de Publicações da Marinha – EMA 411 (7ªREV), em: não controlada, ostensiva, didática e manual. 6 – SUBSTITUIÇÃO Esta publicação substitui a EPM-007 – Apostila da disciplina de Eletroeletrônica, editada em 2019. OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 1 1 - CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE 1.1 – TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA ELÉTRICA Sabemos que a energia elétrica utilizada em nosso dia a dia chega até nós por meio da corrente alternada. Esta corrente é produzida nas grandes centrais elétricas por geradores. Estes geradores nada mais são do que dispositivos que transformam qualquer forma de energia em energia elétrica. A seguir, citaremos alguns exemplos dessas transformações. 1.1.1- USINA HIDRELÉTRICA Em uma usina hidrelétrica a energia mecânica da queda da água é aproveitada para colocar o gerador em rotação e, portanto, nestas usinas, temos transformação de energia mecânica em energia elétrica. Figura 1: Esquema de uma Usina Hidrelétrica. (Disponível em: https://upload.wikimedia.org/Wikipédia/commons/7/71/Hydroelectric_dam_portuguese.PNG) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Hydroelectric_dam_portuguese.PNG https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Hydroelectric_dam_portuguese.PNG OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 2 - REV. 1 1.1.2- USINA TERMOELÉTRICA Nas usinas termoelétricas, o gerador é acionado pelo vapor de água que saí de uma caldeira aquecida. Para aquecer esta caldeira, utiliza-se o calor produzido na combustão de óleo, carvão, etc. e, assim, nestas usinas, temos a transformação de energia térmica em energia elétrica. Figura 2: Esquema de uma Usina termoelétrica. (Disponível em: https://www.coladaweb.com/geografia/fontes-de-energia/usina-termoeletrica) 1.1.3- USINA NUCLEAR As usinas nucleares funcionam da mesma maneira que uma usina termoelétrica, com a única diferença de que o calor utilizado para produzir o vapor que aciona o gerador é obtido por meio de reações nucleares que se desenvolvem em um reator atômico. Portanto, temos a transformação de energia nuclear em energia elétrica. Figura 3: Esquema de uma Usina Nuclear. (Disponível em: Https://www.todamateria.com.br/usina-nuclear/) http://www.coladaweb.com/geografia/fontes-de-energia/usina-termoeletrica) http://www.todamateria.com.br/usina-nuclear/) OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO- 1 - 3 - REV. 1 1.1.4- ENERGIA QUÍMICA Atualmente, há um grande interesse em pesquisa para obtenção de novos tipos de pilhas ou baterias, em virtude do emprego, cada vez maior, destes dispositivos em um número muito grande de aparelhos cujo funcionamento é baseado na energia elétrica. Em circuitos diversos, de relógios, rádios, celulares, brinquedos, automóvel elétrico, etc., as pilhas ou baterias são usadas com enorme frequência. Em circuitos eletrônicos miniaturizados, geralmente, são utilizadas pilhas de pequenas dimensões, porem em outros casos específicos, como por exemplo, automóveis elétricos, aparelhos portáteis de comunicações, etc. são exigidos tipos especiais de baterias, capazes de fornecer correntes de maior intensidade e de longa duração. Assim, grandes esforções vêm sendo desenvolvidos pela ciência e pela tecnologia modernas para atender essa grande demanda. As pilhas e baterias são dispositivos que transformam a energia química em energia elétrica. 1.1.4.1- PILHAS A primeira pilha (Figura 4) foi construída por Alessandro Volta, em 1799. A pilha de Volta, pilha voltaica (Figura 5), que consiste de 2 metais diferentes, chamados eletrodos. Por exemplo, um eletrodo de Ferro (Fe) e outro de Cobre (Cu). Quando mergulhados em uma solução eletrolítica (eletrólito) de água (H2O) e ácido, ocorre a movimentação de elétrons de um eletrodo para outro. Figura 4: Pilha de Alessandro Volta. Figura 5: Pilha galvânica. Uma pilha fácil de ser construída é a pilha de Daniell, formada por um sistema Cobre/Zinco. Quando estes materiais são postos em contato elétrico, as reações que se processam são a redução do cobre e a oxidação do zinco. A Figura 6 mostra um esquema de uma pilha Cu/Zn, em cada meia célula há um eletrodo (de Zn ou Cu) e um eletrólito (ZnSO4 e CuSO4 dissolvidos). Os eletrodos são OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 4 - REV. 1 ligados por meio de um fio elétrico a um medidor de voltagem (voltímetro). As soluções se mantêm ligadas eletricamente por meio de uma ponte salina (feita de NaCl e H2O), que deixa passar apenas os íons da solução. Quando a concentração de ambos os eletrólitos atinge condições ideais, esta pilha produz uma diferença de potencial padrão de 1,1 V. Figura 6: Pilha de Daniell. (Disponível em: http://www.aulasdequimica.com.br/infografico-pilha-de-daniell/) 1.1.4.2- BATERIAS As baterias são classificadas em duas categorias: as baterias primárias, que após o seu uso por certo tempo se descarregam e são descartáveis, e as baterias secundárias, que podem ser recarregadas algumas vezes, o que as tornam mais econômicas. Ambas fornecem uma energia por um preço mais elevado do que aquela que se pode obter nas tomadas de nossas casas, produzidas nas grandes usinas e distribuída comercialmente. As baterias podem ser consideradas como sendo um conjunto de pilhas para aumentar a tensão fornecida. Um exemplo comum são as baterias de chumbo ácido, geralmente usadas em automóveis, são formadas internamente por 6 “pilhas” de 2V, totalizando 12V. Em cada pilha o polo positivo (cátodo) é formado por placas de chumbo revestidas com óxido de chumbo (PbO2), e o polo negativo (ânodo) é formado por placas de chumbo. Os dois polos são mergulhados em uma solução de ácido sulfúrico. As baterias mais utilizadas universalmente são: as pilhas secas e as baterias de automóvel que são produzidas em larga escala. http://www.aulasdequimica.com.br/infografico-pilha-de-daniell/ OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 5 - REV. 1 Figura 7: Esquema interno de uma bateria. (Disponível em: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/acumuladores-chumbo.htm) 1.1.5- ENERGIA SOLAR (PAINÉIS FOTOVOLTAICOS) Os painéis fotovoltaicos convertem energia luminosa solar em energia elétrica. Sua parte mais importante são as células fotovoltaicas de silício (Si) (Figura 8). A concepção mais comum de painéis fotovoltaicos (placas fotovoltaicas) utiliza dois tipos diferentes de silício. Isto é, para criar cargas negativas e positivas. Para criar uma carga negativa, o silício é combinado com boro, e para criar uma carga positiva, o silício é combinado com o fósforo. Figura 8: Esquema interno de uma célula fotovoltaica. (Disponível em: https://www.researchgate.net/figure/Figura-22-Esquema-de-Funcionamiento-de- una- Celula-Fotovoltaica-18_fig1_233425138) Esta combinação cria mais elétrons no silício carregado positivamente e menos elétrons no Silício carregado negativamente. O silício carregado positivamente é “sanduichado” com o silício carregado negativamente, isso permite a célula de silício reagir com o Sol, produzindo energia elétrica. Portanto, enquanto houver incidência de luz, este dispositivo é capaz de fornecer uma corrente elétrica a um circuito externo. Porém, essa corrente apresenta pequena intensidade e são utilizadas para alimentar circuitos que demandam pouca energia (relógios, calculadores, etc.). Pra circuitos que demandam correntes mais intensas (satélites artificiais, foguetes não tripulados e até mesmo motores), são associadas várias células básicas. https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/acumuladores-chumbo.htm http://www.researchgate.net/figure/Figura-22-Esquema-de-Funcionamiento-de-una- http://www.researchgate.net/figure/Figura-22-Esquema-de-Funcionamiento-de-una- OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 6 - REV. 1 1.2 -TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA UTILIZADAS NO CONTEXTO MARINHEIRO Na maioria das embarcações utilizadas pela Marinha do Brasil a energia elétrica utilizada é produzida pelos motores a diesel acoplada a geradores elétricos (diesel-elétrico). Nesse processo a energia mecânica gerada pela queima do combustível (diesel) nos motores é utilizada nos geradores elétricos para produzir energia elétrica. No passado, diversas embarcações utilizavam a energia térmica. A energia derivada do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis (como carvão mineral, óleo, gás, entre outros). Atualmente, está em desenvolvimento na Marinha do Brasil outra fonte de calor (fissão nuclear, em usinas nucleares) que será utilizado no 1º submarino nuclear desenvolvido no Brasil (PROSUB). Todas essas usinas funcionam da maneira semelhante: primeiramente aquece-se uma caldeira com água, essa água será transformada em vapor, cuja força movimentará as pás de uma turbina que por sua vez movimentará um gerador. Figura 9: Foto de um Gerador diesel-elétrico do NApOC Purus. 1.3- GRANDEZAS ELÉTRICAS 1.3.1- O ÁTOMO - NOÇÃO DE CARGA ELÉTRICA (Q) Todos os corpos são formados de átomos. Cada átomo é constituído de partículas elementares: os elétrons, os prótons e os nêutrons. Embora hoje existam modelos mais complexos para explicar como essas partículas se distribuem no átomo, para simplificar, exemplificaremos com o modelo planetário. Segundo esse modelo, os prótons e os nêutrons estão coesos localizados em uma região central denominada núcleo, enquanto os elétrons giram ao seu redor, constituindo a eletrosfera. Por meio de experiências OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 7 - REV. 1 constata-se que os prótons se repelem, o mesmo acontece com os elétrons. Entre o próton e o elétron existe uma atração. Para explicar essas ocorrências, estabeleceu-se que os prótons e os elétrons possuem uma propriedade física à qual se deu o nome de carga elétrica. Figura 10: Modelo Planetário do átomo. (Disponível em: https://www.todamateria.com.br/modelo-atomico-de-rutherford/) Experiências mostram que os prótons e elétrons têm comportamentos elétricos opostos. Por isso convencionou-se que há duas espécies de cargas elétricas: a positiva (carga elétrica do próton) e a negativa (varga elétrica do elétron). Os nêutrons não apresentam essapropriedade física, isto é, os nêutrons não têm carga elétrica. No átomo, o número de prótons é igual ao número de elétrons: dizemos que o átomo é eletricamente neutro. No núcleo, a intensa força de repulsão entre os prótons é equilibrada por outra força, de natureza não elétrica e não gravitacional, que mantém os prótons e os nêutrons. Essa força é chamada de força nuclear. Por sua própria distribuição, os elétrons podem mais facilmente abandonar o átomo, ou elétrons de fora podem se agregar a ele. Com isso, o átomo pode perder a sua neutralidade, adquirindo uma carga positiva (se perder elétrons) ou negativa (se ganhar elétron). É essa possibilidade de elétrons se transferirem entre átomos que explica a eletrização dos corpos ao serem atritados. Prótons: carga elétrica positiva Elétrons: carga elétrica negativa Nêutrons: não têm carga elétrica https://www.todamateria.com.br/modelo-atomico-de-rutherford/ OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 8 - REV. 1 1.3.2- CONDUTORES E ISOLANTES ELÉTRICOS Como vimos anteriormente, os corpos são constituídos de átomos e estes possuem partículas eletrizadas (prótons e elétrons). Quando vários átomos se reúnem para formar certos sólidos, como, por exemplo, os metais, os elétrons das órbitas mais externas não permanecem ligados aos seus respectivos átomos, adquirindo liberdade de se movimentar no interior do sólido. Estes elétrons são denominados elétrons livres. Portanto, nos sólidos que possuem elétrons livres é possível que a carga elétrica seja transportada através deles e, por isto, dizemos que estes materiais são condutores de eletricidade. Figura 11: Elétrons livres. (Disponível em: https://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/02/el%C3%A9trons-livres.jpg) Ao contrário dos condutores, existem sólidos nos quais os elétrons estão firmemente ligados aos seus respectivos átomos, isto é, estas substâncias não possuem elétrons livres (ou o número de elétrons livres é relativamente pequeno). Portanto, não será possível o deslocamento de carga elétrica através destes corpos, que são denominados isolantes elétricos ou dielétricos. A porcelana, a borracha, o vidro, o plástico, o papel, a madeira, etc. são exemplos típicos de isolantes. 1.3.3- PROCESSO DE ELETRIZAÇÃO Os corpos que apresentam excesso ou falta de elétrons são chamados de eletrizados. Existem três processo de eletrização: atrito, contato e indução. 1.3.3.1- ELETRIZAÇÃO POR ATRITO Quando o ar está seco, é possível produzir fagulhas esfregando os pés em um tapete e aproximando a mão da maçaneta, de uma torneira ou mesmo de uma pessoa. Também podem surgir centelhas quando você despe um suéter ou remove as roupas de uma secadora. As centelhas e a “atração eletrostática” são, em geral, consideradas mera http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/02/el%C3%A9trons-livres.jpg) OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 9 - REV. 1 curiosidade. Porém, se você produz uma centelha elétrica ao manipular um microcircuito, o componente pode ser inutilizado. Num navio de guerra, como nas Fragatas da MB, muitos comandos hidráulicos são controlados por microcircuitos, exigindo todo o cuidado em seu manuseio e manutenção. Estes exemplos revelam que existem cargas elétricas nos corpos em geral. Na verdade, todos os corpos contêm muitas cargas elétricas. A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais de que é feita a matéria: em outras palavras, é uma propriedade associada à própria existência das partículas. Na eletrização por atrito, além de adquirirem cargas elétricas de sinais opostos, os corpos apresentam quantidades de cargas elétricas de mesmo valor absoluto. O princípio da atração e repulsão permite enunciar que cargas elétricas de mesmo sinal repelem- se; e cargas elétricas de sinais opostos atraem-se. Em geral, tanto o repouso quanto o movimento destas cargas de um corpo para outro geram efeitos importantes que são utilizados em vários dispositivos elétricos e eletrônicos. Por ora, saiba que a unidade de medida de carga elétrica no SI é o Coulomb, representado pela letra C. Figura 12: Processo de eletrização por atrito. (Disponível em: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/processos-eletrizacao.htm) 1.3.3.2- ELETRIZAÇÃO POR CONTATO Colocando-se em contato dois condutores A e B, um eletrizado (A) e outro neutro (B), B se eletriza com carga de mesmo sinal que A. Se A está positivamente eletrizado, ao entrar em contato com B atrai parte dos elétrons livres de B. Assim, A continua positivamente eletrizado, mas com uma carga menor, e B, que estava neutro, fica positivamente eletrizado. Figura 13: Processo de eletrização por contato. (Disponível em: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/a-eletrizacao-por-contato.htm) OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 10 - REV. 1 Estando A negativamente eletrizado, seus elétrons em excesso estão distribuídos em sua superfície externa. Ao entrar em contato com B, esses elétrons em excesso espalham-se pela superfície externa do conjunto. Assim, A continua negativo, mas com um menor número de elétrons em excesso, e B, que estava neutro, eletriza-se negativamente. Figura 14: Processo de eletrização por contato. (Disponível em: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/a-eletrizacao-por-contato.htm) 1.3.3.3- ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO Aproxime, sem que se toquem, um corpo “A”, positivamente eletrizado, e um condutor “B”, neutro. Alguns elétrons livres desse condutor são atraídos por “A” e se acumulam na região de “B” mais próxima de “A”. A região de “B” mais afastada de “A” fica com falta de elétrons e, portando, com excesso de cargas positivas. Esse fenômeno de separação de cargas em um condutor pela simples presença de outro corpo eletrizado é denominado indução eletrostática. O corpo eletrizado “A” é o indutor e o condutor “B”, que sofreu o processo de separação de cargas, é o induzido. Figura 15: Processo de eletrização por indução. (Disponível em: http://seusaber.com.br/fisica/processos-de-eletrizacao-resumo-atritocontato-e- inducao.html) Afastando-se o indutor, o induzido volta à situação inicial. Para que “B” fique eletrizado, deve-se, após aproximar “A” de “B”, realizar a seguinte sequência de operações: 1º) Na presença do indutor liga-se o induzido a Terra (basta encostar o dedo do induzido). Ao ligar o induzido a Terra, os elétrons escoam da Terra para ele, neutralizando a carga positiva induzida em “B”. Nesse processo, neutralizam-se as cargas do induzido que têm o mesmo sinal da carga do indutor. http://seusaber.com.br/fisica/processos-de-eletrizacao-resumo-atritocontato-e- OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 11 - REV. 1 2º) Na presença do indutor, desfaz-se a ligação do induzido com a Terra. 3º) Afasta-se o indutor. Os elétrons em excesso no induzido espalham-se imediatamente por ele. Assim, “B” eletriza-se negativamente. Figura 16: Processo de eletrização por indução (indutor e induzido). (Disponível em: https://essaseoutras.com.br/eletrizacao-por-inducao-explicacao-exemplos-desenhos- e-exercicios/) Esse é o processo de eletrização por indução. Na eletrização por indução, o induzido eletriza-se com a carga de sinal contrário à do indutor. A carga do indutor não se altera. Para compreender como aparelhos elétricos e eletrônicos funcionam basicamente, devemos agora conhecer outras grandezas físicas que se originam dos efeitos da presença das cargas elétricas. 1.1 - PROBLEMAS PROPOSTOS : 1. O átomo é a menor partícula que identifica um elemento químico. Ele possui duas partes, a saber: uma delas é o núcleo, constituído por prótons e nêutrons, e a outra é a região externa – a eletrosfera-, por onde circulam os elétrons. Alguns experimentos permitiram a descoberta das características das partículas constituintes do átomo. Em relação a essascaracterísticas, indique a alternativa correta. a) prótons e elétrons possuem massas iguais e cargas elétricas de sinais opostos. b) entre as partículas atômicas, os elétrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo. c) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo. d) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm mais massa, mas ocupam um volume muito pequeno em relação ao volume total do átomo. https://essaseoutras.com.br/eletrizacao-por-inducao-explicacao-exemplos-desenhos- OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 12 - REV. 1 2. O átomo de Rutherford (1911) foi comparado ao sistema planetário (o núcleo atômico representa o sol e a eletrosfera, os planetas): Eletrosfera é a região do átomo que: a) contém as partículas de carga elétrica negativa. b) contém as partículas de carga elétrica positiva. c) contém nêutrons. d) concentra praticamente toda a massa do átomo. e) contém prótons e nêutrons. 3. As principais partículas elementares constituintes do átomo são: a) prótons, elétrons e carga elétrica. b) prótons, nêutrons e elétrons. c) elétrons, nêutrons e átomo. d) nêutrons, negativa e positiva. 4. Um isolante elétrico: a) não pode ser carregado eletricamente; b) não contém elétrons; c) tem de estar no estado sólido; d) tem, necessariamente, resistência elétrica pequena; e) não pode ser metálico. 5. Assinale a afirmativa CORRETA sobre o conceito de carga elétrica. a) É a quantidade de elétrons em um corpo. b) É uma propriedade da matéria. c) É o que é transportado pela corrente elétrica. d) É o que se converte em energia elétrica em um circuito. 6. Um sistema é constituído por um corpo de massa M, carregado positivamente com carga Q, e por outro corpo de massa M, carregado negativamente com carga Q. Em relação a este sistema pode-se dizer que: a) sua carga total é -Q e sua massa total é 2M. b) sua carga total é nula e sua massa total é nula. c) sua carga total é +2Q e sua massa total é 2M. d) sua carga total é +Q e sua massa total é nula. e) sua carga total é nula e sua massa total é 2M. OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 13 - REV. 1 7. Um marinheiro de cabelos compridos, num dia bastante seco, percebe que depois de pentear seus cabelos o pente utilizado atrai pedaços de papel. Isto ocorre por que a) o pente se eletrizou por atrito. b) os pedaços de papel estavam eletrizados. c) o papel é um bom condutor elétrico. d) há atração gravitacional entre o pente e os pedaços de papel. e) o pente é um bom condutor elétrico. 8. Os corpos x e y são eletrizados por atrito, tendo o corpo x cedido elétrons a y. Em seguida, outro corpo, z, inicialmente neutro, é eletrizado por contato com o corpo x. Ao final dos processos citados, as cargas elétricas de x, y e z são, respectivamente, a) positiva, negativa e positiva b) negativa, positiva e negativa c) positiva, positiva e positiva d) negativa, negativa e positiva e) positiva, positiva e negativa 9. Em dias frios e secos, podemos levar um choque elétrico quando, ao sair de um automóvel, colocamos a mão na porta para fechá-la. Sobre esse fenômeno de descarga elétrica, é correto afirmar: a) O automóvel está eletricamente carregado. b) O automóvel está magnetizado. c) A porta do automóvel está a um mesmo potencial que a Terra. d) A porta do automóvel é um isolante elétrico. e) As cargas magnéticas se descarregam durante o choque. 10. Hoje se observa que a geração de eletricidade estática por atrito é mais comum do que se pode imaginar e com várias aplicações. A respeito destas experiências, analise as proposições a seguir. I. Em regiões de clima seco é relativamente comum um passageiro sentir um pequeno choque ao descer de um veículo e tocá-lo. Isto ocorre porque, sendo o ar seco, bom isolante elétrico, a eletricidade estática adquirida por atrito não se escoa para o ambiente, e o passageiro, ao descer, faz a ligação do veículo com o solo. II. Ao caminharmos sobre um tapete de lã, o atrito dos sapatos com o tapete pode gerar cargas que se acumulam em nosso corpo. Se tocarmos a maçaneta de uma porta, nessas condições, poderá saltar uma faísca, produzindo um leve choque. Este processo é conhecido como eletrização por indução. OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 14 - REV. 1 III. É muito comum observar-se, em caminhões que transportam combustíveis, uma corrente pendurada na carroceria, que é arrastada no chão. Isso é necessário para garantir a descarga constante da carroceria que, sem isso, pode, devido ao atrito com o ar durante o movimento, apresentar diferenças de potencial, em relação ao solo, suficientemente altas para colocar em risco a carga inflamável. IV. Quando penteamos o cabelo num dia seco, podemos notar que os fios repelem-se uns aos outros. Isso ocorre porque os fios de cabelo, em atrito com o pente, eletrizam-se com carga de mesmo sinal. A partir da análise feita, assinale a alternativa correta: a) Apenas as proposições I e II são verdadeiras. b) Apenas as proposições I e III são verdadeiras. c) Apenas as proposições II e IV são verdadeiras. d) Apenas as proposições I, III e IV são verdadeiras. e) Todas as proposições são verdadeiras. 11. (COLÉGIO NAVAL-RJ) Fenômenos elétricos e fenômenos magnéticos fazem parte da vida diária das pessoas. Em relação a esses fenômenos, assinale a opção correta de acordo com os conhecimentos da física. a) O polo norte da agulha magnética de uma bússola será atraído pelo polo sul geográfico da Terra, pois polos de nomes diferentes se atraem. b) Nos telefones existem eletroímãs que, como se sabe, funcionam devido à passagem da corrente elétrica, que transfere elétrons para o núcleo de ferro do eletroímã. c) A eletricidade estática acumulada num corpo pode provocar faíscas. Por isso, nos navios que transportam petróleo, os tripulantes não devem usar sapatos com solado de borracha, que é um isolante elétrico. d) Corpos condutores de eletricidade ficam eletrizados mais facilmente que os corpos isolantes, pois nos isolantes os elétrons não se movem. e) Na eletrização por atrito os corpos ficam eletrizados com cargas de sinais contrários. Assim, o corpo que ficou eletrizado positivamente ganhou prótons e o que ficou negativamente eletrizado ganhou elétrons. OSTENSIVO EMN-007 OSTENSIVO - 1 - 15 - REV. 1 12. Um bastão isolante eletricamente carregado atrai uma bolinha condutora A e repele uma outra bolinha condutora B, penduradas, cada uma, na ponta de um fio leve e isolante. Pode-se concluir que: a) a bolinha B não está carregada. b) a bolinha A pode não estar carregada. c) ambas as bolinhas estão carregadas igualmente. d) a bolinha B está carregada positivamente. 13. A indução eletrostática consiste no fenômeno da separação de cargas em um corpo condutor (induzido), devido à proximidade de outro corpo eletrizado (indutor). Preparando-se para uma prova de física, um estudante anota em seu resumo os passos a serem seguidos para eletrizar um corpo neutro por indução, e a conclusão a respeito da carga adquirida por ele. Passos a serem seguidos: I. Aproximar o indutor do induzido, sem tocá-lo. II. Conectar o induzido a Terra. III. Afastar o indutor. IV. Desconectar o induzido da Terra. Conclusão: No final do processo, o induzido terá adquirido cargas de sinais iguais às do indutor. Ao mostrar o resumo para seu professor, ouviu dele que, para ficar correto, ele deverá a) inverter o passo III com IV, e que sua conclusão está correta. b) inverter o passo III com IV, e que sua conclusão está errada. c) inverter o passo I com II, e que sua conclusão está errada. d) inverter o passo I com II, e que sua conclusão está correta. e) inverter o passo II com III, e que sua conclusão está errada. OSTENSIVOEMN-007 OSTENSIVO - 1 - 16 - REV. 1 14. Assinale V (verdadeiro) ou F (falso) em cada uma das afirmativas: ( ) Dois corpos eletrizados negativamente quando aproximados um do outro, se repelem. ( ) Dois corpos eletrizados, um positivamente e outro negativamente, quando aproximados um do outro, se atraem. ( ) Dois corpos eletrizados positivamente, quando aproximados um do outro se atraem. 15. Com base no conceito de condutividade elétrica dos materiais, marque a alternativa correta: a) Somente os metais podem conduzir eletricidade. b) Em hipótese alguma, um dielétrico pode conduzir corrente elétrica. c) Os metais destacam-se como bons condutores elétricos porque possuem excesso de prótons em sua estrutura atômica. d) Os materiais que são isolantes elétricos possuem alta condutividade elétrica. e) Um metal é melhor condutor por possuir elétrons livres em excesso. 16. A respeito da condutividade elétrica marque a alternativa correta: a) Os metais são considerados excelentes dielétricos. b) Não existe a possibilidade de um dielétrico conduzir corrente elétrica. c) Se um dielétrico for submetido a uma alta tensão, existe a possibilidade de sua rigidez dielétrica ser rompida e ele conduzir corrente elétrica. d) O fenômeno dos raios é possível porque as nuvens atritam-se, gerando eletricidade estática, e os elétrons em excesso aproveitam a alta condutividade do ar e vem até a terra. e) Os dielétricos possuem elétrons livres. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 17 - REV. 1 1.3.4- FORÇA ELÉTRICA (F) Define-se carga elétrica puntiforme como sendo o corpo eletrizado cujas dimensões podem ser desprezadas em relação às distâncias que o separam de outros corpos eletrizados. Considere duas cargas elétricas puntiformes Q1 e Q2 separadas pela distância d e situadas no vácuo. Entre elas ocorre atração, se tiverem sinais opostos, ou repulsão, se tiverem mesmo sinal, com forças de mesma intensidade, mesma direção e sentidos opostos, de acordo com o princípio da ação e reação. Figura 17: Cargas elétricas puntiformes Q1 e Q2 separadas pela distância d e situadas no vácuo. (Disponível em: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/a-lei-coulomb.htm) A intensidade da força de ação mútua entre as cargas supostas no vácuo depende da distância d entre as cargas e dos valores das cargas Q1 e Q2. Devido a isso, a força elétrica é de ação curta e cai rapidamente, quando a distância diminui, governando a maioria dos fenômenos físicos no mundo microscópico. A intensidade da força de ação mútua entre duas cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Enunciado conhecido como a Lei de Coulomb. Por esse motivo essa força é também chamada de força coulombiana, por conta dos experimentos realizados por Charles-Augustin de Coulomb em 1875. Graças à natureza desta força, os átomos estão unidos para formar moléculas, assim como sólidos e líquidos. Os circuitos elétricos de um navio dependem da produção da chamada corrente elétrica, e a força coulombiana exerce papel direto nisso. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 18 - REV. 1 1.3.5- CAMPO ELÉTRICO (E) No estudo da Gravitação, a massa de um corpo cria uma região denominada campo gravitacional, que lhe possibilita trocar forças de campo gravitacional com outras massas. Analogamente, duas cargas elétricas puntiformes, estando em repouso relativo, trocam forças entre si, gerando um campo elétrico. O campo elétrico é que permite que a força elétrica exista e mova os elétrons num fio condutor, por exemplo, gerando quaisquer correntes elétricas conhecidas. Dizemos que em um ponto do espaço existe um campo elétrico quando uma carga q, colocada neste ponto, for solicitada por uma força de origem elétrica. Os capacitores, dispositivos que armazenam energia elétrica, também geram o campo elétrico, pois, quando descarregados, geram correntes que tem várias utilidades: uma delas é dar a partida de motores elétricos para vencer sua inércia. Figura 18: Campo elétrico. (Disponível em: https://osfundamentosdafisica.blogspot.com/2016/04/cursos-do-blog- eletricidade.html) 1.3.6-TRABALHO E VOLTAGEM (U) Suponha um corpo eletrizado criando um campo elétrico no espaço em sua volta. Considere dois pontos, A e B, neste campo elétrico. Se uma carga de prova positiva q for abandonada em A, sobre ele atuará uma força elétrica F devida ao campo. Suponha ainda que, sob ação desta força, a carga se desloque de A para B. Como sabemos, neste deslocamento, a força elétrica estará realizando um trabalho (W). Em outras palavras, esse trabalho representa uma quantidade de energia que a força elétrica transfere para a carga q em seu deslocamento de A para B. Uma grandeza muito importante no estudo dos fenômenos elétricos está relacionada com este trabalho. Esta grandeza é denominada diferença de potencial (DDP) entre os pontos A e B, sendo representada por UA – UB ou, apenas, U . U= W q https://osfundamentosdafisica.blogspot.com/2016/04/cursos-do-blog-%20eletricidade.html OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 19 - REV. 1 Figura 19: Diferença de potencial (ddp). Logo, a diferença de potencial (DDP) entre os pontos A e B, também chamada de voltagem ou tensão elétrica. A DDP, no SI, é medida em joules por coulomb, sendo denominada Volt (V). A tensão é identificada em todos os aparelhos elétricos para informar ao usuário em que condições ele funciona adequadamente. A tensão, aliada à corrente, permite que calculemos quanto um aparelho consome energia elétrica. O conceito de voltagem está muito relacionado com nossa vida diária. Você já deve ter ouvido falar, por exemplo, que em nossas casas existem tomadas de 110V. Como vimos, sendo 110V = 110J/ C, isto significa que, se um parelho elétrico for ligado nesta tomada, cada carga de 1C que se deslocar de um terminal para outro (de A para B) receberá 110J de energia do campo elétrico existente na tomada (a carga, por sua vez, transfere ao aparelho esta energia que recebeu do campo elétrico). Figura 20: Tomadas de tensão. 1.3.7- CORRENTE ELÉTRICA (I) Ao ligarmos um aparelho elétrico numa tensão, instantaneamente um campo elétrico é produzido e gera forças elétricas sobre cada elétron nos fios condutores. Como o campo tem orientação bem definida, as cargas elétricas movimentam-se ordenadamente, formando o que chamados de corrente elétrica. 1.3.7.1- O QUE É UMA CORRENTE ELÉTRICA? Quando um campo elétrico é estabelecido em um condutor qualquer, as cargas livres aí presentes entram em movimento sob a ação deste campo. Dizemos que este deslocamento de cargas constitui uma corrente elétrica. Nos metais, a corrente elétrica é constituída por elétrons livres em movimento. Nos líquidos, as cargas livres que se movimentam são íons positivos e íons negativos enquanto, nos gases, são íons positivos, íons negativos e também elétrons livres. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 20 - REV. 1 Conforme a NATUREZA da carga que a forma, a corrente pode ser: a) IÔNICA – íons no interior de baterias; e b) ELETRÔNICA – elétrons livres em condutores metálicos. Figura 21: Corrente elétrica. (Disponível em: https://osfundamentosdafisica.blogspot.com/2016/04/cursos-do-blog-eletricidade.html) Conforme o SENTIDO com o qual a carga se move, a corrente pode ser: a) CONTÍNUA – quando seu sentido não se altera ao longo do tempo; e b) ALTERNADA – quando o sentido muda periodicamente. Figura 22: Símbolos de corrente alternada (AC e corrente contínua DC). 1.3.7.2- INTENSIDADE E UNIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA Suponhamos que um fio condutor está sendo percorrido por uma corrente elétricae admitamos que, durante um intervalo de tempo t, passe pela sua área de secção transversal uma carga Q. Podemos definir a intensidade de corrente elétrica I como sendo o quociente: A unidade de medida de intensidade de corrente elétrica no SI é o ampere (A), em homenagem ao cientista francês André-Marie Ampère. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 21 - REV. 1 A medida da corrente é muito importante em circuitos elétricos, uma vez que é ela que transporta a energia da fonte (gerador) para o consumidor (receptor) de energia. Com ela, ainda podemos dimensionar adequadamente os fios condutores para que não haja acidentes, além de todo o circuito. Devem existir duas condições para se estabelecer uma corrente elétrica entre dois pontos: a) um percurso entre dois pontos e ao longo do qual as cargas elétricas possam se movimentar, ou seja, um caminho condutor elétrico; e b) uma tensão (DDP) entre dois pontos do percurso. 1.3.7.3- SENTIDO DA CORRENTE ELÉTRICA Em um condutor metálico, a corrente real é constituída por elétrons em movimento. Entretanto, vamos imaginá-la substituída pela corrente convencional, de cargas positivas, movendo-se no sentido do campo elétrico. Em nosso curso, quando nos referimos a uma corrente elétrica, fica estabelecido que estamos tratando da corrente convencional, a não ser que seja especificado o contrário. Figura 23: Sentido da Corrente elétrica. (Disponível em: https://www.ebah.com.br/content/ABAAABov0AJ/fisica-aula-20-carga-eletrica-corrente- eletrica) 1.2 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. Uma corrente elétrica de intensidade igual a 5 A percorre um fio condutor. Determine o valor da carga que passa através de uma secção transversal em 1 minuto. 2. Por um fio condutor metálico passam 2,0.1020 elétrons durante 4s. Calcule a intensidade de corrente elétrica que atravessa esse condutor metálico. (Dada a carga elementar do elétron e = 1,6.10-19 C). https://www.ebah.com.br/content/ABAAABov0AJ/fisica-aula-20-carga-eletrica-corrente-eletrica https://www.ebah.com.br/content/ABAAABov0AJ/fisica-aula-20-carga-eletrica-corrente-eletrica OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 22 - REV. 1 3. A corrente elétrica nos condutores metálicos é constituída de: a) Elétrons livres no sentido convencional. b) Cargas positivas no sentido convencional. c) Elétrons livres no sentido oposto ao convencional. d) Cargas positivas no sentido oposto ao convencional. e) Íons positivos e negativos fluindo na estrutura cristalizada do metal. 4. Numa secção transversal de um fio condutor passa uma carga de 10C a cada 2,0s. A intensidade da corrente elétrica neste fio será de: a) 5,0mA b) 10mA c) 0,50A d) 5,0A e) 10A 5. Com base nos sentidos da corrente elétrica, explique: a) O sentido real da corrente elétrica. b) O sentido convencional da corrente elétrica. 6. Quais os tipos de corrente elétrica? 7. Com base no conceito de corrente elétrica, responda as questões abaixo: a) O que é corrente contínua? b) O que é corrente alternada? 1.3.8- RESISTÊNCIA ELÉTRICA (R) É a grandeza elétrica que mede a oposição à passagem da corrente elétrica. Esta oposição ocorre devida ao fato dos elétrons livres chocarem-se uns contra os outros elétrons e com a rede atômica da substância pela qual a corrente flui. Todas as substâncias possuem R, mas quando seu valor é razoavelmente baixo, elas são denominamos de CONDUTORAS, como por exemplo: o cobre, a prata e o alumínio. Já os ditos condutores pobres ou ISOLANTES oferecem alta resistência: vidro, a borracha e o papel seco. A unidade de medida é o Ohm (Ω). O instrumento que mede resistência elétrica é o Ohmímetro. Quando um condutor apresenta uma resistência elétrica, ele é denominado um resistor, sendo, entretanto, comum usar-se o termo “resistência” como sinônimo de “resistor”. Nos diagramas de circuitos elétricos, um resistor é representado por uma linha “quebrada”. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 23 - REV. 1 1.3.9- POTÊNCIA ELÉTRICA (P) De uma maneira geral, os aparelhos elétricos são dispositivos que transformam energia elétrica em outras formas de energia. Por exemplo, um motor elétrico, a energia elétrica é transformada em energia mecânica de rotação do motor; em uma lâmpada de vapor de mercúrio, a energia elétrica é transformada em energia luminosa, etc. Para entender melhor estas transformações, supondo-se uma carga q deslocando-se do um ponto A para o ponto B em um condutor, durante um intervalo de tempo Δt, devido à DDP U, o trabalho W realizado pelas forças elétricas é: Onde: U = UA – UB Entretanto, I = q / Δt ; logo, P = T / Δt P = q . U / Δt ; WAB = q . U P = U . I Conclusão, entre os pontos A e B temos um resistor R, que pela lei de Ohm U = R . I. Fazendo-se a substituição encontrou P = R . I2 e P = U2 / R No SI, as unidades são: P=>Watt(W) U => Volt (V) I => Ampere (A) A energia que as cargas perdem nesse processo não desaparece: ela é transferida para o aparelho, aparecendo sob outra forma de energia. A unidade de medida da Potência elétrica no SI é dada em joule/segundo = 1W. Portanto, por exemplo, um motor de P = 600W significa que, a cada 600J de energia elétrica são transformadas em energia mecânica de rotação do motor (desprezando as perdas por aquecimento no motor). 1.3.10- CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA. Na entrada de eletricidade de qualquer local (casas ou indústrias), existe um medidor instalado pela companhia de eletricidade. O objetivo desse aparelho é medir a quantidade de energia elétrica usada nesse local durante certo tempo (normalmente 30 dias). Sabemos que: Potência = energia tempo energia = potência x tempo OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 24 - REV. 1 Portanto, quando maior for à potência de um aparelho e quanto maior for o tempo que ele permanecer ligado, maior será a quantidade de energia elétrica que ele utilizará (transformando-a em outras formas). Existe uma unidade de medida prática de consumo de energia elétrica no SI, é o quilowatt-hora ou KWh, que aparece nas contas de luz. Potência em quilowatt (KW) e o tempo em hora (h). O consumo de energia elétrica é calculado através da expressão: E = P . Δt Observação: 1KWh = 103 . 3600s = 3,6 . 106 joule (J) 1.3.11- UNIDADES DE MEDIDAS MAIS COMUNS UTILIZADAS NA ELETRICIDADE A tabela abaixo apresenta as unidades de medidas elétricas pertencentes ao Sistema Internacional de Unidades: Tabela 1: Tabela das grandezas elétricas mais comuns. (Disponível em: http://blog.cursoeletricaecia.com.br/unidades-e-grandezas-eletricas-curso-de- eletronica- aula-3/ http://blog.cursoeletricaecia.com.br/unidades-e-grandezas-eletricas-curso-de- eletronica-aula-3/) 1.3.12- MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DE UNIDADES DE MEDIDA É muito comum na eletricidade trabalharmos com números muito pequenos e números muito grandes como unidade de medidas das grandezas elétrica. Para facilitar a escrita dessas grandezas utilizamos submúltiplos e múltiplos para representar os números. Como exemplo, citaremos os submúltiplos e múltiplos de duas grandezas elétricas. Submúltiplos da Capacitância: a) 1 milifaraday equivale a 10-3 x 1F = 1milifaraday = 1mF ; b) 1 microfaraday equivale a 10-6 x 1F = 1microfaraday = 1μF ; c) 1 nanofaraday equivale a 10-9 x 1F = 1microfaraday = 1nF ; d) 1 picofaraday equivale a 10-12 x 1F = 1picofaraday = 1pF ; http://blog.cursoeletricaecia.com.br/unidades-e-grandezas-eletricas-curso-de- http://blog.cursoeletricaecia.com.br/unidades-e-grandezas-eletricas-curso-de- OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 25 - REV. 1 Múltiplos da resistência elétrica: a) 1 Megohm equivale a 1.000.000 x 1Ω = 1Megohm = 1MΩ; b) 1 Quilohm equivale a 1000 x 1Ω = 1Quilohm = 1KΩ; c) 1 Miliohm equivale a 1Ω / 1000 = 1Milohm = 1mΩ ou 10-3 Ω d) 1Microhm vale 1Ω/ 1.000.000 = 1 μΩ ou 10-6 Ω. Tabela 2: A 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) introduziu no SI uma série de nomes, símbolos, múltiplos e submúltiplos que utilizamos frequentemente na área elétrica. (Disponível em: https://profcide.blogspot.com/2012/07/como-utilizar-corretamente-as- unidades.html) 1.3.13- Código de cores para resistores Como vimos, os Resistores são dispositivos de circuitos elétricos que consomem energia elétrica e a convertem em energia térmica (efeito joule). Os resistores são empregados em circuitos eletrônicos tais como, televisores, rádios, computadores, aparelhos de som e outros. O valor da resistência pode ser indicado através da tabela do código de cores. https://profcide.blogspot.com/2012/07/como-utilizar-corretamente-as-%20unidades.html OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 1 - 26 - REV. 1 Figura 24: Tabela de códigos de cores para a leitura de resistores. (Disponível em: http://blog.baudaeletronica.com.br/como-ler-valores-em-resistores/) Os resistores poderão ter três ou quatro faixas de cores: as duas primeiras faixas indicam os valores dos algarismos significativos do valor da resistência, e a terceira faixa, o fator multiplica. http://blog.baudaeletronica.com.br/como-ler-valores-em-resistores/) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 2 2- REGRAS BÁSICAS DE SEGURANÇA DURANTE OS ENSAIOS DE ELETRICIDADE 2 .1- INTRODUÇÃO A melhor maneira de prevenir acidentes fatais com eletricidade é evitar que o corpo das pessoas se torne parte do circuito elétrico. Isso pode ocorrer de várias formas, com efeitos distintos para cada tipo de situação. Um acidente com eletricidade nem sempre está relacionado diretamente com o efeito do choque elétrico, mas sim com situações perigosas que ele pode desencadear. Após um choque, por exemplo, uma pessoa pode derrubar uma panela com óleo quente em cima de uma criança na cozinha, cair de um andaime, derrubar uma ferramenta do telhado em alguém, etc. Devido ao fato da eletricidade ser “invisível”, as chances de ocorrência de acidentes são maiores do que comparadas às de outros riscos físicos como a exposição ao calor, por exemplo. O uso da eletricidade exige do profissional da área precauções para diminuir o risco associado à negligência por falta de conhecimento. Portanto, as pessoas devem ser informadas sobre os riscos a que estão expostas, conhecer os efeitos e as medidas de segurança. As ações e medidas de segurança propostas neste documento têm apenas caráter informativo, isentando qualquer responsabilidade relativa à execução dos procedimentos aqui informados. Recomenda‐se que acidentes com vítimas em estado grave e/ou perda de consciência devem ser atendidos somente pelas equipes médicas existentes nesta Escola. 2.2 - O CHOQUE ELÉTRICO E SUAS CONSEQUÊNCIAS O choque elétrico é causado por uma corrente elétrica que passa através do corpo humano ou de um animal qualquer. Vários efeitos do choque podem ser observados dependendo de alguns fatores como a região do corpo que é atravessada pela corrente. 2.2.1- TIPOS DE CHOQUES ELÉTRICOS O choque elétrico ocorre apenas quando o contato é feito entre dois pontos (ou contatos) do circuito com tensão distinta, ou seja, a tensão é aplicada através do corpo humano. Existem diversas formas de um o corpo humano ser inserido como condutor nestes dois pontos do circuito elétrico, quais sejam: OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 2 - REV. 1 a) Entre uma parte energizada e outra não energizada Este choque elétrico pode ocorrer, por exemplo, ao toque em uma das fases e, ao mesmo tempo, no fio neutro ou no fio terra (ou ao chão, estando descalço), tal como na Figura 25. Nesta condição a corrente atravessa o coração, na maioria dos casos. A pessoa será submetida a uma tensão de 110 ou 127 V. Figura 25: Choque elétrico entre uma parte energizada e outra não energizada. (Fonte: Manual de segurança em laboratórios de eletricidade do PEA-POLI-USP) b) Entre duas partes energizadas Este choque elétrico é muito semelhante ao do item anterior, porém, ocorre quando duas fases distintas e energizadas são tocadas por duas partes distintas do corpo da pessoa. A tensão a qual a pessoa é submetida é maior do que no caso anterior (em geral, será de 220 V). Desta forma, a corrente que percorrerá o corpo também é maior e pode provocar danos mais sérios, tendo grande probabilidade de passar pelo coração. 2.2.2 - PERCURSO DAS CORRENTES NO CORPO HUMANO O caminho que a corrente elétrica percorre através do corpo humano está diretamente ligado com as consequências físicas do choque. a) passando entre os dedos da mesma mão: não há risco de morte, mas pode gerar queimaduras e até perda dos dedos (dependendo da tensão e do tempo de exposição). b) entrando por uma mão e saindo pela outra: é o mais perigoso, pois atravessa o tórax inteiro, pode causar parada cardíaca. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 3 - REV. 1 Figura 26: Choque elétrico entrando por uma mão e saindo pela outra. c) entrando por uma mão e saindo por um dos pés: a corrente atravessa parte do tórax, centros nervosos, diafragma. Pode causar fibrilação ventricular e asfixia, bem como parada cardíaca. O condutor no pé da pessoa pode ser o próprio chão, o qual está no mesmo nível de tensão do fio terra ou o fio neutro. d) entrando por um pé e saindo pelo outro: atravessa pé, coxas, pernas e abdômen. É um caminho com menos perigo que os dois anteriores, mas os órgãos abdominais e os músculos dos membros inferiores podem sofrer perturbações. 2.2.3 – EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA NO CORPO HUMANO A intensidade da corrente é, entretanto, fator mais relevante nas sensações e consequências do choque elétrico. Estudos cuidadosos deste fenômeno permitiram chegar aos seguintes valores aproximados: ➢ uma corrente de 1mA a 10mA provoca apenas uma sensação e formigamento; ➢ correntes de 10mA a 20mA já causam sensações dolorosas; ➢ correntes superiores a 20mA e inferiores a 100mA causam, em geral, grandes dificuldades respiratórias; ➢ correntes superiores a 100mA são extremamente perigosas, podendo causar a morte da pessoa, por provocar contrações rápidas e irregulares do coração (fibrilação cardíaca); ➢ correntes superiores a 200mA não causam fibrilação, porém dão graves queimaduras e conduzem a parada cardíaca. Por outro lado, a voltagem não é determinante neste fenômeno. Entretanto, voltagens relativamente pequenas podem causar graves danos, dependendo da resistência humana. 2.3 - PROCEDIMENTOS DE SEGURANÇA DURANTE OS ENSAIOS ELÉTRICOS 2.3.1- COMPORTAMENTO NO LABORATÓRIO a) Cortesia, respeito e colaboração contribuem para o bom andamento dos procedimentos experimentais e são aliados importantes na prevenção de acidentes; b) A distração ocasionada por brincadeiras durante a montagem e execução dos experimentos é perigosa, pois pode provocar graves acidentes. Portanto, deve‐se evitar qualquer tipo de brincadeira nos laboratórios didáticos; OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 4 - REV. 1 c) Não se deve ingerir bebidas alcoólicas e/ou medicamentos, que possam alterar os níveis de consciência, antes e durante a montagem e execução dos experimentos. Essas substâncias podem alterar os reflexos e, portanto, predispõem aos acidentes. Além disso, o cansaço pode causar sonolência e também predispor aos acidentes. 2.3.2- PROCEDIMENTOS DE SEGURANÇA PARA O MANUSEIO DE INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO E TESTE Nesta etapa, apresentamos os procedimentos para a condução segura dos experimentos nos laboratórios didáticos de eletroeletrônica. Serão apresentados (as): a) as práticas seguras para a montagem e execuçãodos experimentos; b) os equipamentos de medição utilizados nesse laboratório, bem como as recomendações para sua utilização; e c) as considerações acerca do comportamento em sala de aula. 2.3.3- MONTAGEM E EXECUÇÃO - CUIDADOS GERAIS a) Manter a bancada de trabalho limpa e organizada. Esse procedimento auxilia a compreensão dos circuitos elétricos que compõem as montagens experimentais e pode facilitar a identificação de eventuais erros; b) Os circuitos elétricos devem ser montados de modo a facilitar a compreensão dos respectivos esquemas elétricos. A organização das bancadas e das montagens dos circuitos é de grande importância na prevenção de acidentes; c) O trabalho com ferramentas, equipamentos e demais instrumentos de laboratório deve ser conduzido após a obtenção de instruções adequadas sobre o seu funcionamento; d) Deve‐se utilizar esses dispositivos de acordo com suas especificações de uso. Sendo assim, antes de efetuar montagens experimentais certifique‐se de que está utilizando corretamente esses dispositivos; e) Deve‐se verificar previamente a adequação dos condutores e contatos elétricos utilizados em montagens experimentais, particularmente as montagens sujeitas à circulação de corrente elétrica de magnitude elevada; f) Antes de manusear os circuitos elétricos que compõem as montagens experimentais deve‐se verificar se os mesmos estão desenergizados (fontes de alimentação desligadas e capacitores descarregados, por exemplo); e g) TODOS os alunos integrantes de cada equipe de laboratório devem conferir com atenção as conexões elétricas efetuadas nas suas respectivas montagens experimentais. 2.3.4 - MONTAGEM DOS CIRCUITOS E PREPARAÇÃO PARA ENERGIZAÇÃO a) Antes de iniciar a montagem dos circuitos elétricos deve‐se verificar o estado geral dos instrumentos de medição, condutores e terminais de conexão; b) Deve‐se proceder com a montagem das conexões elétricas dos circuitos, com o painel de alimentação desligado; OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 5 - REV. 1 c) Visto que nos laboratórios didáticos é usual que haja mais de um valor de tensão disponível nas bancadas, deve‐se verificar o valor correto da tensão de alimentação dos circuitos elétricos antes de colocá‐los em funcionamento; d) Deve‐se verificar os circuitos elétricos de forma minuciosa antes de colocá‐los em funcionamento. Além disso, antes de energizar a bancada e as montagens experimentais, a equipe de alunos deve solicitar a autorização do professor; e) O aluno responsável pela energização dos circuitos elétricos, que integram as montagens experimentais, deve informar a todos os integrantes da sua equipe o momento em que pretende energizá‐los. 2.3.5 - CUIDADOS NA OPERAÇÃO DE CIRCUITOS ENERGIZADOS a) Não se devem alterar as conexões dos elementos que compõem os circuitos elétricos (máquinas, transformadores, etc.) quando esses circuitos estiverem energizados, exceto sob instrução do professor ou técnico responsável. A manobra de elementos energizados, que possuem características indutivas, pode produzir sobre tensões elevadas; b) Não se deve desconectar e/ou conectar terminais de fios condutores dos elementos que compõem os circuitos elétricos ou dos instrumentos de medida, sob o risco de que esses terminais permaneçam energizados; c) A abertura de um circuito elétrico energizado por uma simples desconexão de um fio ou de uma chave convencional (sem câmara de extinção de arco) pode resultar no arco elétrico, provocando temperaturas muito altas que podem vaporizar ou fundir o metal dos condutores (ou outros materiais do equipamento); e d) Especificamente para o caso de circuitos com máquinas elétricas rotativas, não se deve tentar segurar, nem mesmo tocar o eixo mecânico em rotação. Antes de tocar o eixo deve‐ se assegurar que o mesmo encontra‐se parado e que a máquina encontra‐se desligada. 2.4- INSTRUMENTOS ELÉTRICOS DE MEDIDA Trabalhando com circuitos elétricos, temos frequentemente a necessidade de conhecer os valores das grandezas envolvidas nos circuitos. A seguir, analisaremos como podemos medir, utilizando aparelhos apropriados, três grandezas importantes em determinados circuitos elétricos: a intensidade da corrente, a diferença de potencial e a resistência elétrica. 2.4.1- AMPERÍMETRO ‐ MEDIDA DE CORRENTE ELÉTRICA Qualquer aparelho que indique a presença de corrente elétrica em um circuito é denominado galvanômetro. Se a escala deste aparelho for graduada de tal maneira que seja possível medir a intensidade da corrente elétrica, o aparelho receberá o nome de amperímetro. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 6 - REV. 1 2.4.1.1 – PROCEDIMENTOS PARA UTILIZAÇÃO DO AMPERÍMETRO a) Antes de iniciar a medida de corrente elétrica deve‐se verificar se a mesma não ultrapassa a capacidade máxima do instrumento utilizado; b) Em seguida, deve‐se desenergizar o circuito antes de proceder com a conexão do amperímetro; c) Deve‐se selecionar no instrumento o tipo de corrente a ser medida (C.A. ou C.C.), a partir da chave seletora do amperímetro; d) Após a seleção do tipo de corrente a ser medida, deve‐se estimar o seu valor e seleci- onar a escala adequada no instrumento. Caso não seja possível efetuar essa estimativa prévia, deve‐se posicionar a chave seletora do amperímetro no seu valor máximo; e e) Deve‐se conectar as pontas de prova do instrumento em série com o ramo do circuito elétrico em que se deseja efetuar a medição e, com o circuito energizado, pode‐se proceder com a leitura. 2.4.2 - MEDIDOR DE D.D.P: VOLTÍMETRO A medida da diferença de potencial entre dois pontos é feita por aparelhos denominados Voltímetro. Sua resistência interna deve ser muito grande para não alterar a DDP a medir. O Voltímetro é um aparelho de alta sensibilidade: uma pequena corrente é capaz de deslocar o seu ponteiro. Um galvanômetro tem uma resistência interna muito pequena, enquanto um voltímetro deve ter resistência interna muito grande, o que se faz para um galvanômetro funcionar como Voltímetro é associar em série com ele uma resistência muito grande. Neste caso, será denominado resistor multiplicador (RM). 2.4.3 - OHMÍMETRO ‐ MEDIDA DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA A medida direta do valor de uma resistência elétrica R pode ser feita por meio de aparelho denominado Ohmímetro. a) Deve‐se desenergizar o circuito antes de proceder com a conexão do Ohmímetro; b) Deve‐se estimar o valor da resistência a ser medida e selecionar a escala adequada no instrumento. Caso não seja possível efetuar essa estimativa prévia, deve‐se posicionar a chave seletora do Ohmímetro no seu valor máximo; c) Deve‐se conectar as pontas de prova do instrumento em paralelo com o elemento do circuito elétrico que se deseja efetuar a medição de resistência, com o elemento desconectado do circuito, a menos que se deseje efetuar a medição da resistência equivalente de uma parte desse circuito. Além disso, para garantir que todos os capacitores do circuito estejam descarregados, deve‐se medir a tensão entre os dois pontos. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 7 - REV. 1 2.4.4 – MULTÍMETRO DIGITAL A operação dos instrumentos de medição normalmente é feita com os circuitos energizados e, portanto, são necessários cuidados no seu manuseio. A figura a seguir ilustra um instrumento, denominado multímetro, capaz de efetuar medidas de tensões, correntes e resistências elétricas. Figura 27: Multímetro digital. (Fonte: Manual de segurança em laboratórios de eletricidade do PEA-POLI-USP) 2.4.5 – MULTÍMETRO ANALÓGICO Este aparelho reúne os três medidores: Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro. Para selecionar o instrumento que se fará uso basta usar a chave rotativa seletora que se encontra no centro do aparelho. Figura 28: Multímetros analógicos. (Disponível em: http://www.eletronicadigital.com/site/instrumentos-medicao/6-multimetro-analogico.html) Tensão contínua Tensão Alternada t Resistencia Ω Corrente Ponteira Vermelha Tensão Ponteira Vermelha Resistencia e Corrente Ponteira vermelha 10A Ponteira Preta Comum http://www.eletronicadigital.com/site/instrumentos-medicao/6-multimetro-%20analogico.html OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 8 - REV. 1 2.4.6 – CALIBRAGEM DE INSTRUMENTOS DE MEDIDA A calibração de um instrumento de medida é um procedimento que estabelece o erro de medição e a incerteza de medida associada deste instrumento, ao compará-lo a um padrão. Antes de começar a utilizar o multímetro analógico, devemos aprontá-lo para o uso, a maioria dos multímetros necessita de pilhas e de baterias para executar certas medições da resistência elétrica. Dependendo do modelo adquirido, o instrumento poderá utilizar uma ou mais pilhas e baterias, que deverão ser instaladas pelo usuário. Antes de iniciar os testes, verifique se o ponteiro, em sua posição de descanso, posiciona-se corretamente na marca ∞ (infinito), como mostrado na Figura 29. Se necessitar de ajuste, gire vagarosamente com uma chave de fenda o parafuso plástico, posicionando corretamente o ponteiro na posição de descanso. Figura 29: Posição de descanso do ponteiro de um medidor analógico. ATENÇÃO! AJUSTE SOMENTE SE FOR NECESSÁRIO! O passo seguinte é verificar se está funcionando corretamente (Figura 30). Para isso, coloque a chave de funções na posição X10K, encoste as duas pontas de prova, o ponteiro se deslocará para a direita e deverá se posicionar em cima da indicação 0 OHM (observe na primeira faixa de escalas de cima para baixo), caso contrário, ajuste o botão para que o ponteiro se posicione corretamente. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 9 - REV. 1 Figura 30: Verificando o funcionamento. Agora passe a chave seletora de funções para a posição Ω X1 e novamente ajuste o ponteiro para a posição 0 OHM; feito o ajuste corretamente, isso comprova que as pilhas e baterias foram corretamente instaladas no instrumento. Caso não consiga posicionar corretamente o ponteiro como indicado, troque as pilhas e baterias por outras, preferivelmente novas. Nos multímetros analógicos, toda vez que selecionamos uma escala entre X1 e X10K na função Ω (OHM), antes de realizar a medição, devemos zerar o instrumento, verificando se o ponteiro está ajustado na posição 0Ω (zero OHM). Caso contrário, o valor lido na escala no momento da medição será incorreto. Nas demais funções como AC V, DC V e DC mA não é necessário realizar o ajuste. 2.4.7 - INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO E TESTE: MEDIÇÃO COM MULTÍMETRO ANALÓGICO Inicialmente, temos que saber que se trata de um instrumento sensível e antes de realizar qualquer medição, devemos temos ter uma noção do que estamos medindo. A maioria dos multímetros analógicos tem 4 funções básicas: a) Ω (OHM); b) AC V (Tensão corrente alternada); c) DC V (Tensão em corrente contínua); e d) DC mA (Corrente elétrica contínua). Alguns com mais escalas e outros com menos. Observe a escala da Figura 31: OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 10 - REV. 1 Figura 31: Escala de um multímetro analógico. A primeira faixa da escala é destinada para leituras da função Ω, seu valor é dado em ohms. Após a linha reflexiva, temos as escalas 10, 50 e 250, que são utilizadas para a leitura de AC V, DC V e DC mA. As demais escalas são projetadas para as funções especiais que cada modelo possui. Exemplo: este modelo em questão tem uma função para teste de pilhas e baterias (BATT), para isso utilizamos a última escala com a chave de funções na posição BATT 1.5V ou 9V. 2.4.7.1 - UTILIZANDO CADA FUNÇÃO DO MULTÍMETRO a) Função Ω As posições X1 a X10K (Figura 32) servem para medir a resistência elétrica que certos componentes ou circuitos oferecem à passagem da corrente elétrica. Podemos utilizá- lo para verificar a continuidade de um circuito, verificar se existe uma trilha aberta nas placas de circuitos, verificar continuidade ou curto-circuito em terminais ou cabos. Figura 32: Função Ω. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 11 - REV. 1 A medição deve ser realizada com o circuito desligado e descarregado. Também serve para testar componentes eletrônicos. O valor a ser lido na escala é multiplicado pela posição da chave de funções em Ω. Exemplo: Se a chave de funções estiver na posição X1 e o valor lido na escala for 20, então 20X1=20 Ω (OHM). Se tivesse em X100 e o valor lido na escala for 15, então 15X100=1500 Ω, (abreviando 1500Ω = 1,5KΩ ou 1K5Ω) e assim sucessivamente para as outras escalas. Cada valor lido na escala deve ser multiplicado pela posição da chave de funções em Ω do multímetro. Para observar o valor que está sendo lido utilize a primeira faixa da escala do instrumento. Figura 33: Leitura da medida com função Ω. b) Função AC V A função AC V, mostrada na Figura 34, é destinada para medições de tensões em circuitos de corrente alternada (AC). Encontramos este tipo de tensão AC na rede elétrica de nossas casas, na saída de estabilizadores e nobreaks e também na saída de transformadores AC/AC. Figura 34: Função AC V. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 12 - REV. 1 Para a verificação do valor medido (Figura 35) utilizaremos a quarta escala ACV (em vermelho). Figura 35: Verificando a medição na função AC V. A função AC V utiliza a escala numérica da função DC V, isso quer dizer que ao ler um valor na função AC V utilizaremos a escala AC V (em vermelho) com a numeração da escala DC V (em preto). Posicionando a chave de funções na posição AC V, você conseguirá medir as seguintes tensões de acordo com a tabela a seguir. Posição chave funções ACV Valor máximo a ser medido Escala para leitura 1000 1000 volts AC 10 (acrescentar dois zeros imaginários) 250 250 volts AC 250 50 50 volts AC 50 10 10 volts AC 10 Tabela 3: Atenção: Nunca tente medir tensões acima do indicado, posicione a chave seletora de funções corretamente para evitar danos ao multímetro. c) Função DC V A função DC V (Figura 36) é utilizada para a medição de tensões contínuas, podemos encontrar este tipo de tensões em pilhas, baterias, na saída de fontes AC/DC, e nos circuitos eletrônicos em geral. Figura 36: Função DC V. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 13 - REV. 1 O ponto de referência para medir tensões DC é o 0 volt (terra ou negativo da fonte). Para a medição de tensão DC com o multímetro analógico devemos observar a posição correta das pontas; sendo a ponta vermelha (+) no positivo e a ponta preta. (-) no negativo, ou 0 volt. A INVERSÃO DAS PONTAS EM RELAÇÃO AO CIRCUITO MOVIMENTARÁ O PONTEIRO PARA A ESQUERDA, PODENDO DANIFICAR O MULTÍMETRO! Para a verificação do valor medido utilizaremos a segunda escala DCV, A (em preto), como vê na Figura 37. Figura 37: Verificação de medição na escala DCV, A. A função DC V utiliza a escala numérica da função DC V, isso quer dizer que ao ler um valor na função DC V utilizaremos a escala DC V (em preto). Posicionando a chave de funções na posição DC V, você conseguirá medir as seguintes tensões de acordo com a tabela abaixo: Posição chave de funções DC V Valor máximo a ser medido Escala para leitura 1000 1000 volts DC 10 (acrescentar dois zeros imaginários) 250 250 volts DC 250 50 50 volts DC 50 10 10 volts DC 10 2.5 2.5 volts DC (*) 250 0.5 0.5 volts DC (*) 50 0.1 0.1 volt DC (*) 10 Tabela 4: (*) Multiplicar o valor lido na escala por 0,01. Atenção: Nunca tente medir tensões acima do indicado, posicione corretamente a chave seletora de funções para evitar danos ao multímetro. d) Função DCmA A função DcmA (Figura 38) é utilizada paramedições da corrente elétrica que percorre o circuito. Realizamos este tipo de medição em circuitos que são alimentados com tensão em corrente contínua (DC). OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 14 - REV. 1 Para observar a corrente elétrica que percorre um circuito, devemos introduzir o multímetro em série com o circuito a ser medido. Geralmente realizamos as medições na linha positiva do circuito, para isso ligamos a ponta vermelha (+) no lado da fonte de alimentação (gerador) e a ponta preta (-) no lado do circuito a ser medido. Também podemos realizar medições no lado negativo da linha de alimentação, para isso ligamos a ponta preta (-) no lado do gerador e a ponta vermelha do multímetro no lado do circuito a ser medido. ATENÇÃO! Se ao realizar a medição, o ponteiro do multímetro mover para a esquerda, inverta a posição das pontas para a posição correta. Quando não sabemos o quanto vamos medir no local, devemos sempre começar selecionando a chave de funções no maior valor, para depois ir reduzindo seu valor até obter uma leitura adequada na escala. Para a verificação do valor medido (Figura 38), utilizaremos a segunda escala DCV, A (em preto), com as três escala numérica, observe em nossa escala abaixo. Figura 38: Verificação da medição em DCmA. A função DC mA utiliza a escala numérica da função DC V, isso quer dizer que ao ler um valor na função DC mA utilizaremos a escala DC V, A (em preto). Posicionando a chave de funções na posição DC mA, você conseguirá medir a corrente elétrica de um circuito de acordo com a tabela abaixo: Posição chave de funções DCmA Valor máximo a ser medido Escala para leitura 250 250 mA 250 25 25 mA 250 2,5 2,5 mA 250 50µA 50 µA 50 Tabela 5: Atenção: Nunca tente medir correntes acima do indicado, posicione corretamente a chave seletora de funções para evitar danos ao multímetro. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 2 - 15 - REV. 1 Figura 39: Função DCmA. Outras funções que podem ser encontradas no multímetro são utilizadas para teste(s): a) de pilhas e baterias (1.5V e 9V); b) em transístores bipolar (hFE); c) de diodos; d) de capacitores; e) de indutores; f) sonoro de continuidade (“beeeeep”); e g) em circuitos de RF. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 3 3 - MANUSEIOS DOS CIRCUITOS ELETROELETRÔNICOS BÁSICOS 3.1 - CIRCUITOS ELÉTRICOS 3.1.1 – RESISTÊNCIA ELÉTRICA A resistência elétrica é uma propriedade que os alguns materiais em geral têm de se opor à passagem de corrente elétrica através dele. Os chamados resistores (Figura 40) são componentes elétricos que têm tipicamente esta função. Neles, a energia elétrica é convertida em calor e a isso damos o nome de Efeito Joule. Figura 40: Resistores. 3.1.2 – RESISTOR ELÉTRICO O elemento de circuito cuja função exclusiva é efetuar a conversão de energia elétrica em energia térmica recebe o nome de resistor. Exemplos de resistores: filamentos de tungstênio em lâmpadas elétrica incandescente, fios de nicromo enrolados em hélice de chuveiros etc. 3.1.3 – A 1ª LEI DE OHM Ohm verificou, experimentalmente, que mantida a temperatura constante, o quociente da ddp aplicada pela respectiva intensidade de corrente elétrica resultava em uma constante característica do resistor: U =constante=R A grandeza R assim introduzida foi denominada resistência elétrica do resistor. A resistência elétrica não depende da ddp aplicada ao resistor e nem da intensidade de corrente elétrica que o percorre, mas do condutor e de sua temperatura. De um modo geral, tem-se: U = R. i i = U ou R = U R i OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 2 - REV. 1 Essas fórmulas traduzem a lei de Ohm, que relaciona a causa do movimento das cargas elétricas (a ddp U) com o efeito (passagem da corrente elétrica i). 3.1.3.1 – RESISTOR ÔHMICO Um resistor que obedece à lei de Ohm é denominado resistor ôhmico. 3.1.3.2 – UNIDADE DE RESISTENCIA ELÉTRICA No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de resistência elétrica denomina-se ohm (símbolo Ω), sendo que 1Ω = 1V 1 A Como já vimos, é de emprego frequente um múltiplo do ohm: o quiloohm (kΩ), que vale: 1kΩ = 103Ω. 3.1.3.3 – RESISTORES NÃO ÔHMICOS Para resistores que não obedecem à lei de Ohm, a curva característica passa pela U origem, mas não é uma reta. Esses resistores não ôhmicos são denominados condutores não lineares. Para eles, define-se resistência aparente em cada ponto da curva pelo quociente: Figura 41: Condutores ôhmicos (reta) e não ôhmicos (curvas). (Disponível em: http://fismatica.com.br/Fisica/Fisica_03/Eletromagnetismo/Eletricidade/ Eletrodinamica/ Eletricidade_Eletrodinamica_Aula_04_Resistores_Eletricos_Graficos_7249358030.html) Rap = U1 i1 R’ap = U2 i2 http://fismatica.com.br/Fisica/Fisica_03/Eletromagnetismo/Eletricidade/ OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 3 - REV. 1 PROBLEMAS RESOLVIDOS: 1. O filamento de uma lâmpada incandescente tem 120Ω. Determine a intensidade da corrente elétrica que se desloca por ele, sabendo-se que a ddp entre os terminais do circuito é de 240V. Dados: aplicar a Lei de Ohm I = U / R nos problemas que se seguem. Solução: I=U/R ; I=240/120 = 2,0A 2. Num fio condutor com resistência R=20Ω circula uma corrente de intensidade I=5A. Determine a d.d.p. entre seus terminais. Solução: U=I.R; U=5.20 = 100V 3. Determine a resistência R de um circuito elétrico que está sendo percorrida por corrente I = 0,5A e na qual está sendo aplicada uma ddp = 20V. Solução: R=E/I; R=2,0 / 0,5; R= 40Ω 4. Através de um resistor elétrico R=1,5Ω circula uma corrente elétrica I=1,5A. Determine a d.d.p. entre as extremidades desse resistor. Solução: U=I.R; U=1,5.1,5; R=2,25V 5. Determine a d.d.p entre os terminais de um circuito elétrico com resistência R=50Ω, que está sendo percorrida por uma I=10A. Solução: U=I.R; U=10.50; U=500V 3.1.4 – RESISTIVIDADE E A 2ª LEI DE OHM Verifica-se que a resistência elétrica de um resistor depende do material que o constitui, de suas dimensões e de sua temperatura. De resultados experimentais, concluímos que a resistência elétrica R de um resistor em dada temperatura é: ➢ Diretamente proporcional ao seu comprimento (L); ➢ Inversamente proporcional à sua área de seção transversal (A); ➢ Depende do material que o constitui (ρ). Podemos, então, escrever a seguinte relação: 𝑅 = 𝜌. 𝐿 𝐴 Conhecida a resistividade de um material, pode-se criar um dispositivo, composto do respectivo material, que tenha um valor conhecido para a resistência elétrica. Assim sendo, podemos controlar as respectivas intensidades das correntes elétricas que atravessam um determinado circuito eletrônico. Essa equação ficou conhecida como sendo a 2ª Lei de Ohm. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 4 - REV. 1 -8 2 -8 No SI, as unidades de medida são: R - em Ohm (Ω) L - em metro (m) ρ - em Ohm. metro (Ω . m) A - em (m2) Tabela 6: Resistividade (ρ) de algun materiais. PROBLEMAS RESOLVIDOS: 1. Determine a resistência de um fio de cobre de 10m de comprimento e secção transversal de 3,4.10-8 m2. A resistividade do cobre é: 1,7.10-8 Ω.m Dados: L = 10m; A = 3,4 . 10 m ; ρ = 1,7.10 Ω.m Solução: R = ρ . L / A; R = 5,0Ω 2. Determine a resistência de um fio condutor de 2m de comprimento e 0,2cm2 de área de secção transversal, cuja resistividade vale 1,7.10-8 Ω.m. Dados: ρ = 1,7.10-8 Ω.m; L = 2m; A = 0,2 cm2 => A= 0,2.10-4 m2; Solução= (ρ.L) / A; R=17.10-4 Ω OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 5 - REV. 1 3. Um fio condutor de comprimento igual a 2m apresenta resistência elétrica de 10Ω. Sabendo-se que a resistividade desse fio é de 10,0 . 10-8 Ω.m, determine a área de secção reta. Dados: ρ = 10,0. 10-8 Ω.m ; L = 2m; R = 10Ω Solução: 2,0.10-8 m2 3.1.5 – O EFEITO JOULE Nos aquecedores em geral (chuveiros, torneiras, ferros de passar etc.) ocorre à transformação de energia elétrica em energia térmica, fenômeno esse denominado efeito térmico ou efeito Joule, que ocorre devido ao choque dos elétrons livres contra os átomos do condutor. Nesse choque, os elétrons transferem aos átomos a energia elétrica que receberam do gerador, a qual é transformada em energia térmica, causando a elevação da temperatura do condutor. 3.2. ASSOCIAÇÕES DE RESISTORES Nos circuitos eletrônicos em geral, os resistores são encontrados associados em série ou em paralelo e, muitas vezes, em associações mistas, que são compostos por conjuntos de associações em série e em paralelo. 3.2.1- ASSOCIAÇÕES EM SÉRIE DE RESISTORES No caso da associação em série, a corrente elétrica i é a mesma para todos os resistores do circuito. A somatória das quedas de tensão no circuito é igual à tensão aplicada nos extremos A e B do circuito. Na Figura 42 temos a representação de dois resistores associados em um circuito em série. Figura 42: Esquema de dois resistores associados em série. E para as tensões no circuito, teremos: i1 = i2 = ... = in U = U1 + U2 + ... + Un Sabemos que a tensão aplicada U é proporcional à corrente: U = i.R OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 6 - REV. 1 Deste modo, podemos escrever para uma associação de resistores, a tensão aplicada Ueq em função da corrente e da resistência equivalente Req: Ueq = i.Req Para vários resistores, teremos: Como: i.Req = i1.R1 + i2.R2 + ... + in.Rn i1 = i2 = ... = in Então podemos escrever: i.Req = i.R1 + i.R2 + ... + i.Rn Desta forma, eliminamos i da expressão acima e obtemos: Req = R1 + R2 + ... + Rn Ou seja, a resistência equivalente é simplesmente a soma das resistências oferecidas por cada resistor. Quando o circuito se divide em ramificações, a corrente se divide entre estas ramificações do circuito. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 7 - REV. 1 3.1 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. De acordo com o desenho do circuito abaixo, determine a intensidade de corrente elétrica e a queda de tensão em R3, 2. Determine a tensão aplicada à fonte do circuito abaixo, sabendo-se que a intensidade de corrente é 2 A. 3.2.2- ASSOCIAÇÕES EM PARALELO DE RESISTORES A associação em paralelo de resistores tem as seguintes características: Figura 43: Dois Resistores associados em paralelo. a) A corrente elétrica que passa pelo circuito todo é igual à soma das correntes elétricas que passa por cada um dos resistores da associação. Dessa forma, podemos escrever: ieq = i1 + i2 + ... + in b) A diferença de potencial em um dos resistores é igual à diferença de potencial dos outros resistores: Como: Ueq = U1 = U2 = ... = Un i = U/R OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 8 - REV. 1 Podemos escrever a corrente que percorre todo o circuito como sendo: ieq = U/Req Consequentemente, teremos: U/Req = U/R1 + U/R2 + ... + U/Rn Podemos eliminar U das expressões acima e finalmente escrever: 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn Para uma associação de 2 resistores, teremos: 1/Req = 1/R1 + 1/R2 Neste caso podemos simplificar, isolando Req e obter uma fórmula prática: Req = R1.R2/(R1 + R2) 3.2 3.2 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. Qual o valor da resistência equivalente do circuito desenhado abaixo? 2. Qual o valor da resistência equivalente do circuito desenhado abaixo? 3. Qual o valor da resistência equivalente do circuito desenhado abaixo? OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 9 - REV. 1 4. A d.d.p. entre os pontos A e B da associação de três resistores em paralelo, constante do desenho abaixo, é de 24Volts. Determine: a) a resistência equivalente: 2Ω b) a intensidade de corrente em cada resistor: I1=4A, I2=6A e I3=2A c) a intensidade de corrente total: 12A 5. A d.d.p. entre os terminais A e B da associação de três resistores em paralelo, constante do desenho abaixo, é de 12Volts. Determine: a) Resistência equivalente: 3Ω b) A intensidade de corrente em cada resistor: I1 = 1A, I2 = 1A e I3 = 2A 3.2.3- ASSOCIAÇÕES MISTAS DE RESISTORES No caso da associação mista, temos um combinado dos dois tipos de associação de resistores: série e paralelo. Para determinar a resistência equivalente, devemos começar pelas malhas independentes, ou seja, aquelas cujo resultado não dependa das outras malhas do circuito. Veja como proceder num circuito como o da Figura 44. Figura 44: Associação mista de resistores. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 10 - REV. 1 Aparentemente, é um circuito complexo. Mas separamos os trechos independentes de malha, circulando-os em vermelho e renomeando-os, também em vermelho. É o que mostra a Figura 45. Note que no meio do circuito, temos basicamente uma linha de corrente que obrigatoriamente passa pelo resistor R7. Figura 45: Circuito separado por trechos independentes. Note que o circuito apresenta cinco trechos independentes, em série. São eles Req1, Req2, Req4, Rreq6 e R7 (R7 vermelho, claro). Req3 é o único trecho independente em paralelo. Após os cálculos da resistência equivalente em cada trecho, teremos um “novo circuito”, igual ao da Figura 46. Figura 46: Circuito após os cálculos da resistência equivalente em cada trecho. Delimitamos em azul, para fins de análise, os resistores independentes, e os renomeamos também com azul conforme mostra a Figura 47. Figura 47: Circuito separado por resistores independentes. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 11 - REV. 1 Após efetuar os cálculos, obtemos um circuito genérico, mostrado na Figura 48. Figura 48: Circuito após os cálculos da resistência equivalente em cada trecho. Novamente separamos e renomeamos em verde cada resistor ou associação, conforme mostra a Figura 49. Figura 49: Circuito separado por resistores independentes. Novamente, fazemos os cálculos e obtemos o circuito genérico mostrado na Figura 50. Figura 50: Circuito após os cálculos da resistência equivalente em cada trecho. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 12 - REV. 1 Separamos e renomeamos os trechos independentes do circuito em dourado, conforme Figura 51. Figura 51: Circuito separado por trechos independentes. Fazemos novamente o cálculo, de modo a obter um circuito equivalente ao mostrado na figura anterior, que segue. Figura 52: Circuito após os cálculos da resistência equivalente em cada trecho. Temos apenas um trecho independente agora. Só pra manter a sequência, delimitarmos agora com cinza e renomearemos, conforme Figura 53. Figura 53: Circuito com apenas um trecho independente. O resistor equivalente TOTAL do circuito será a soma de Req1 com Req2, da Figura 53. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 13 - REV. 1 3.3 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. Determinar a resistência equivalente do circuito desenhado abaixo: 2. A D.D.P. entre os resistores R1, R2 e R3 da figura abaixo é a mesma, pois estão associados em paralelo e o resistor R4 está ligado em série. Sendo a d.d.p. do circuito igual a 28Volts, determine a Resistência equivalente e a Corrente total: 3. Na associação dos resistores do circuito abaixo, determine a resistência equivalente: 4. A diferença de potencial entre os extremos de uma associação em série de dois resistoresde resistências 10Ω e 100 Ω é 220V. Qual é a diferença de potencial entre os extremos do resistor de 10 Ω? 5. Dois resistores de resistência R1 = 5 Ω e R2 = 10 Ω são associados em série fazendo parte de um circuito elétrico. A tensão U1 medida nos terminais de R1 é igual a 100V. Nessas condições, determine a corrente que passa por R2 e a tensão em seus terminais. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 14 - REV. 1 6. Os pontos A e B da figura são os terminais de uma associação em série de três resistores de resistência R1 = 1Ω, R2 = 3Ω e R3 = 5Ω. Estabelece-se entre A e B uma diferença de potencial U = 18V. Determine a resistência equivalente entre os pontos A e B; calcule a intensidade da corrente e a ddp em cada resistor. 7. No circuito esquematizado abaixo, determine a resistência equivalente entre os extremos A e B. 8. Abaixo temos esquematizada uma associação de resistências. Qual é o valor da resistência equivalente entre os pontos A e B? 9. (ITA-SP) Determine a intensidade da corrente que atravessa o resistor R2 da figura quando a tensão entre os pontos A e B for igual a V e as resistências R1; R2 e R3 forem iguais a R. a) V/R b) V/3R c) 3V/R d) 2V/3R e) nenhuma das anteriores 10. Entre os pontos A e B, é aplicada uma diferença de potencial de 30 V. A intensidade da corrente elétrica no resistor de 10 Ω é: a) 1,0 A b) 1,5 A c) 2,0 A d) 2,5 A e) 3,0 A 11. A figura abaixo representa o trecho AB de um circuito elétrico, onde a diferença de potencial entre os pontos A e B é de 30 V. A resistência equivalente desse trecho e as correntes nos ramos i1 e i2 são, respectivamente: a) 5 Ω; 9,0 A e 6,0 A b) 12 Ω; 1,0 A e 1,5 Ω c) 20 Ω; 1,0 A e 1,5 A d) 50 Ω; 1,5 A e 1,0 A e) 600 Ω; 9,0 A e 6,0 A OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 15 - REV. 1 12. Qual a resistência equivalente da associação a seguir? a) 80 Ω b) 100 Ω c) 90 Ω d) 62 Ω e) 84 Ω 13. Analise as afirmações a seguir, referentes a um circuito contendo três resistores de resistências diferentes, associados em paralelo e submetidos a uma diferença de potencial, verificando se são verdadeiras ou falsas. I. A resistência do resistor equivalente é menor do que a menor das resistências dos resistores do conjunto; II. A corrente elétrica é menor no resistor de maior resistência; III. A potência elétrica dissipada é maior no resistor de maior resistência. A sequência correta é: a) F, V, F b) V, F, F c) V, V, V d) V, V, F e) F, F, V OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 16 - REV. 1 3.3 – GERADORES ELÉTRICOS Geradores elétricos são aparelhos que convertem energia. O nome gerador elétrico sugere um conceito muito errado, pois a energia não é gerada e sim transformada, já que dessa forma o Princípio da Conservação de energia seria violado. Figura 54: Grupo gerador diesel. Figura 55: Pilhas. Acima, nas Figuras 54 e 55, temos, respectivamente, dois tipos de geradores elétricos o da esquerda que transforma energia proveniente da queima de combustíveis em energia elétrica, e o da direita que são pilhas que transformam a energia química em elétrica. 3.3.1- FORÇA ELETROMOTRIZ Já vimos que uma pilha ou uma bateria estabelecem e mantêm uma diferença de potencial entre seus polos. Se ligarmos um motor nos polos positivo e negativo dessa bateria, uma corrente elétrica circulará do polo A para o polo B, fazendo funcionar o motor. Figura 56: Esquema de uma ligação bateria e motor. (Disponível em: https://osfundamentosdafisica. blogspot.com/2013/09/cursos-do-blog- eletricidade_18.html) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 17 - REV. 1 No exterior da bateria, as cargas elétricas que constituem a corrente, deslocam-se naturalmente do polo positivo (potencial maior) pata o polo negativo (potencial menor). Entretanto, ao chegarem em B, para completar o circuito, estas cargas devem ser transportadas no interior da bateria de B para A. Este deslocamento de cargas não se faz naturalmente, pois o potencial B é menor do que A. O deslocamento de B para A ocorre porque, no interior a bateria, devido às reações químicas, as cargas são forçadas a se deslocar de B para A, completando o circuito e voltando a circular, de A para B, no exterior da bateria. Em outras palavras, a bateria é um dispositivo que, consumindo energia química, realiza um trabalho sobre as cargas, entregando a elas certa quantidade de energia (energia elétrica) ao elevar o potencial destas cargas no deslocamento do polo negativo para o polo positivo. Existem vários dispositivos elétricos que, como uma bateria, são capazes de realizar um trabalho sobre as cargas elétricas que passam através deles, aumentando o potencial destas cargas. Tais dispositivos são denominados geradores de corrente ou geradores de força eletromotriz (geradores de f.e.m.). Assim, uma pilha (ou uma bateria) é um gerador de f.e.m., pois utiliza energia química, que é transferida para as cargas sob a forma de energia elétrica. 3.3.2- GERADOR IDEAL Considerando que a função básica de um gerador elétrico é abastecer um circuito, temos que analisar o gerador ideal e o real. O gerador ideal é um que seja capaz de fornecer às cargas elétricas que o atravessam toda a energia gerada. A tensão elétrica medida entre seus polos leva o nome de força eletromotriz (f.e.m.), e será representada por E. Figura 57: Representação de um gerador ideal. 3.3.3- GERADOR REAL O gerador real é aquele no qual a corrente elétrica que o atravessa sofre certa resistência “r”, a resistência interna do gerador. Figura 58: Representação de um gerador real. “A equação para um gerador real, devido à resistência interna e à perda de energia se dará “por” i.r”, assim temos que: V = E - i.r OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 18 - REV. 1 O gerador real fica caracterizado por dois parâmetros: a f.e.m. E a resistência interna r. Observando a equação do gerador real, temos uma equação de uma reta. Assim, podemos representá-lo por: Figura 59: Gráfico do gerador real. 3.3.4- GERADOR EM ABERTO Quando i = 0, temos U = E. Esse caso é chamado gerador em aberto. 3.3.5- GERADOR EM CURTO CIRCUITO O caso U = 0 ocorre quando ligamos os polos A e B do gerador por um fio de resistência nula, isto é, colocamos os terminais do gerador em curto-circuito. Por isso, a corrente nesse caso é chamada de corrente de curto-circuito (icc). Figura 60: Gerador em curto circuito. 3.3.6- TIPOS DE GERADORES Como já vimos, existem vários tipos de geradores, sendo que o gerador mecânico é o mais comum dentre eles. A tipologia indica a forma de energia utilizada para gerar energia elétrica. a) Gerador Mecânico - utiliza energia mecânica e a converte em energia elétrica. Exemplo: alternadores de carro. b) Gerador Químico - utiliza energia química, ou potencial, e a converte em energia elétrica. Exemplo: pilhas. c) Gerador Térmico - utiliza energia térmica e a converte em energia elétrica. Exemplo: turbinas a vapor. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 19 - REV. 1 d) Gerador Luminoso - utiliza energia luminosa e a converte em energia elétrica. Exemplo: placas solares. e) Gerador Eólico - utiliza energia eólica e a converte em energia elétrica. Exemplo: aero geradores. PROBLEMAS RESOLVIDOS: Exemplo 1) Um gerador de força eletromotriz E = 60 V e resistência interna r = 2,0 é ligado a um fio de resistência R como ilustra a Figura 61. Figura 61: Gerador em curto circuito. a) Determine a intensidade da corrente que percorre o gerador, quando R = 4,0Ω·. b) Determine a intensidade de corrente que percorre o gerador, quando R = 1,0Ω·. c) Sendo U a tensão entre os polos do gerador, esboce o gráfico de U em função de i. Resoluçãoa) Sendo R = 4,0Ω, o circuito da Figura 62 pode ser substituído pelo circuito da Figura 63, onde R' = R + r = 4,0 + 2,0 = 6,0Ω, pois os resistores de resistências r e R estão em série. Figura 62: Gerador em curto circuito. Figura 63: Gerador em curto circuito. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 20 - REV. 1 Da Figura 63 tiramos que: 60 = (6,0). i i = 10 A b) Para R = 1,0Ω, o circuito da Figura 64 pode ser substituído pelo da Figura 65, onde R'' = R + r = 1,0 + 2,0. R'' = 3,0 Figura 64: Gerador em curto circuito. Figura 65: Gerador em curto circuito. Da Figura 65, temos: 60 = (3,0). 1 i = 20 A c) A equação do gerador neste caso é: U = E – ri U = 60 – 2,0 Para obtermos a intensidade da corrente de curto-circuito (icc), fazemos U = 0 na equação. Com os valores obtidos, temos a tabela a seguir. Com os valores da tabela, construímos o gráfico pedido. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 21 - REV. 1 i (A) U (V) 0 60 10 40 20 20 30 0 3.3.7- ASSOCIAÇÃO DE GERADORES EM SÉRIE E PARALELO 3.3.7.1- EM SÉRIE Na associação série de duas ou mais pilhas, liga-se o terminal positivo (+) com o terminal negativo (–), as tensões se somam e a corrente é comum ao circuito. Figura 66: Associação de geradores em série. (Disponível em: http://fisicaevestibular.com.br/novo/eletricidade/eletrodinamica/geradores- associacao-de- geradores/) PROBLEMA RESOLVIDO: 1. Quatro pilhas com 1,5V cada uma estão ligadas em série a um resistor de resistência 12Ω. Desprezando-se a resistência interna das mesmas, podemos afirmar que a d.d.p. entre os terminais da associação e a corrente elétrica são respectivamente: Dados: A corrente elétrica tem o mesmo sentido e é comum em todas as pilhas. Solução: d.d.p. = U1 + U2 + U3 + U4 = 4 . 1,5 = 6,0V; I = 6,0 / 12 = 0,5A Resposta: 6,0V e 0,5A http://fisicaevestibular.com.br/novo/eletricidade/eletrodinamica/geradores- OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 22 - REV. 1 3.3.7.2- EM PARALELO Na associação em paralelo de duas ou mais pilhas, os terminais de cada uma deve ser ligado da seguinte maneira: positivo (+) com positivo (+); negativo (–) com negativo (–). Nesse caso, o potencial de cada fonte é mantido no resistor e a capacidade de fornecimento de corrente aumenta. 3.4 - PROBLEMA PROPOSTO: 1. Supondo quatro pilhas de 2,0V cada, ligadas em paralelo a um resistor de resistência 4Ω. Desprezando-se a resistência interna das mesmas, podemos afirmar que a D.D.P. aplicada ao resistor e à corrente elétrica que o percorre são, respectivamente: 3.3.7.3- MISTA Na associação mista, as propriedades são as mesmas dos circuitos em série e em paralelo. 3.5 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. No desenho abaixo, seis pilhas com 1,0V cada uma, estão associadas em série. Podemos afirmar que a corrente em cada resistor vale, respectivamente: OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 23 - REV. 1 2. No desenho abaixo, três pilhas com 1,5V cada uma, estão associadas em paralelo. Podemos afirmar que a corrente no resistor vale: 3. No desenho do circuito abaixo, dois ramos de pilhas em série estão associados em circuito misto. Sabendo-se que cada pilha tem uma d.d.p. com 1,5V cada uma, podemos afirmar que a corrente nos resistores vale: 3.4 – CAPACITORES OU CONDENSADORES Capacitores ou condensadores são elementos elétricos capazes de armazenar carga elétrica e, consequentemente, energia potencial elétrica. Podem ser esféricos, cilíndricos ou planos, constituindo-se de dois condutores denominados armaduras que, ao serem eletrizados, num processo de indução total, armazenam cargas elétricas de mesmo valor absoluto, porém de sinais contrários. O capacitor tem inúmeras aplicações na eletrônica, podendo servir para armazenar energia elétrica, carregando-se e descarregando-se muitas vezes por segundo. Na eletrônica, para pequenas variações da diferença de potencial, o capacitor pode fornecer ou absorver cargas elétricas ou ainda, gerar campos elétricos de diferentes intensidades. Figura 67: Exemplos de capacitores disponíveis em diversos componentes. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 24 - REV. 1 3.4.1 - CAPACITOR PLANO É constituído por duas placas iguais, planas e paralelas que, ao serem conectadas a um gerador, adquirem cargas elétricas, como mostra a Figura 68. Figura 68: Capacitor de placas paralelas. O símbolo do capacitor é constituído por duas barras iguais e planas que representam as armaduras do capacitor plano. Figura 69: Representação gráfica de um Capacitor. Qualquer que seja o tipo de capacitor, sua representação será a mesma do capacitor plano. Quando as placas das armaduras estão eletricamente neutras, dizemos que o capacitor está descarregado. Ao conectarmos o capacitor a um gerador, ocorre um fluxo ordenado de elétrons nos fios de conexão, pois inicialmente há uma diferença de potencial entre a armadura e o terminal do gerador ao qual está ligada. Na Figura 68, a armadura A tem, inicialmente, potencial elétrico nulo e está conectada ao terminal positivo da pilha; logo, os elétrons migram da armadura para a pilha, já a armadura B, que também tem potencial elétrico nulo, está conectada ao terminal negativo da pilha, e assim elétrons migram do terminal da pilha para a armadura B. Acontece que, enquanto a armadura A está perdendo elétrons, ela está se eletrizando positivamente e seu potencial elétrico está aumentando; o mesmo ocorre na armadura B, só que ao contrário, ou ocorre na armadura B, só que ao contrário, ou seja, B está ganhando elétrons, eletrizando-se negativamente, e seu potencial elétrico está diminuindo. Esse processo cessa ao equilibrarem-se os potenciais elétricos das armaduras com os potenciais elétricos dos terminais do gerador, ou seja, quando a diferença de potencial elétrico (ddp) entre as armaduras do capacitor for igual à ddp nos terminais do gerador, e nesse caso dizemos que o capacitor está carregado com carga elétrica máxima. Num circuito, só há corrente elétrica no ramo que contém o capacitor enquanto este estiver em carga ou em descarga. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 25 - REV. 1 3.4.2- CAPACIDADE OU CAPACITÂNCIA DE UM CAPACITOR A carga elétrica armazenada em um capacitor é diretamente proporcional à diferença de potencial elétrico ao qual foi submetido. Assim sendo, definimos capacidade eletrostática C de um capacitor como a razão entre o valor absoluto da carga elétrica Q que foi movimentada de uma armadura para outra e a d.d.p. (U) nos seus terminais. Essa carga elétrica corresponde à carga de sua armadura positiva. Figura 70: Capacitância deum Capacitor. Figura 71: Capacitores fixos. Figura 72: Capacitor variável. A capacidade eletrostática de um capacitor depende da forma e dimensões de suas armaduras e do dielétrico (material isolante) entre as mesmas. A unidade de capacidade eletrostática, no Sistema Internacional de Unidades (SI), é o Farad (F). 3.4.3- APLICAÇÕES DOS CAPACITORES Capacitor é um componente eletrônico muito utilizado em circuitos elétricos que é constituído por duas placas condutoras chamadas de armaduras, entre as quais existe um material isolante denominado dielétrico. Existem capacitores esféricos, cilíndricos, planos, e vários outros tipos de capacitores, no entanto eles desempenham a mesma função, que é a de carregar e descarregar cargas elétricas. Os capacitores são empregados nos mais variados circuitos elétricos e desempenham sempre um papel muito importante, que é o de armazenar cargas elétricas para depois descarregá-lasem um determinado momento específico. Eles são utilizados, por exemplo, em circuitos retificadores, circuitos ressonantes e em divisores de frequências. Em um rádio, a antena capta as ondas que são emitidas pelas estações transmissoras e cada estação possui uma frequência determinada. Na antena há um receptor que sintoniza inúmeras estações graças ao circuito ressonante. Esse circuito transforma corrente alternada em corrente contínua e é constituído basicamente por um capacitor variável que fica em paralelo com uma bobina. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 26 - REV. 1 Para cada valor de capacitância do capacitor, o receptor ajusta o aparelho de rádio ao comprimento de onda que é transmitido pela emissora de rádio, ou seja, ele sintoniza a estação de rádio que corresponde a uma frequência de onda específica. Os capacitores têm uma propriedade que é a de bloquear correntes contínuas e alternadas de baixas frequências e facilitar a passagem de correntes alternadas de altas frequências. Essa propriedade é utilizada para separar sons agudos de uma música, por exemplo, encaminhando esses sons para os alto- falantes que são adequados para fazer a reprodução desse tipo de som. Esses alto-falantes são chamados de tweeter. Os sons graves são sons de baixas frequências, e eles são reproduzidos pelos chamados woofers. Um capacitor, com capacitância e tipo adequado, faz o bloqueio dessas baixas frequências deixando passar somente os sons de frequências mais elevadas, que são os sons agudos. Dessa forma, ocorre a separação de sons agudos e graves. 3.4.3.1 – TASERS Tasers são armas de eletrochoque que usam uma corrente elétrica para imobilizar pessoas que estejam representando alguma ameaça a alguém ou à ordem pública. No Brasil, o uso dessa arma está restrito a policiais, militares e seguranças. Em outros países, como os Estados Unidos, civis também podem comprar e usar tasers de potência controlada. Figura 73: Interior de um Taser. A arma possui uma trava de segurança que deve ser desativada antes de pressionar o gatilho. Além de evitar disparos acidentais, essa trava também pode ser usada para interromper a descarga elétrica a qualquer momento. Figura 74: outro modelo de Taser. Ao dispará-la, o circuito eletrônico faz com que o nitrogênio comprimido saia rapidamente da cápsula, criando assim a pressão necessária para que os eletrodos sejam disparados contra o agressor. Rebarbas presentes nos eletrodos impedem que a vítima retire-os facilmente do corpo. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 27 - REV. 1 Simultaneamente, o sistema interno da arma cria e trata a corrente elétrica que será descarregada por meio dos fios de cobre. Capacitores, transformadores e um gerador de pulso são peças fundamentais nesse processo, já que aumentam a voltagem e diminuem a intensidade da carga antes de descarregá-la no agressor. Os capacitores têm uma propriedade que é a de bloquear correntes contínuas e alternadas de baixas frequências e facilitar a passagem de correntes alternadas de altas frequências. Essa propriedade é utilizada para separar sons agudos de uma música, por exemplo, encaminhando esses sons para os alto-falantes que são adequados para fazer a reprodução desse tipo de som. Figura 75: Alto-falantes. Nos motores monofásicos a corrente na partida não é suficiente para gerar movimento do rotor. Portanto, é necessária a existência de uma fonte auxiliar de carga. Quando a peça girante alcança a velocidade nominal, o capacitor é retirado do circuito por uma chave centrífuga, posto que a essa altura o eixo seja capaz de girar sozinho. Quando o circuito é desligado, a chave fecha por ação de uma mola permitindo que o capacitor possa recarregar e atuar sobre o sistema novamente durante o arranque. Figura 76: Partida de motores. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 28 - REV. 1 3.4.4- - ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES Da mesma forma que os resistores, geradores e receptores, os capacitores também podem ser associados em série, em paralelo ou em associações mistas. 3.4.4.1- ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE DE CAPACITORES Dois ou mais capacitores estarão associados em série quando entre eles não houver nó, ficando, dessa forma, a armadura negativa ligada diretamente à armadura positiva do outro. Ao estabelecermos uma diferença de potencial elétrico nos terminais da associação, haverá movimentação de elétrons nos fios que unem os capacitores até que estes estejam completamente carregados. Observemos a figura abaixo representando essa associação. Figura 77: Capacitores associados em série. Ao ser conectado ao terminal positivo da pilha, a armadura do capacitor C1 fica eletrizada positivamente e induz uma separação de cargas no fio que o liga ao capacitor C2, atraindo elétrons para sua outra armadura que fica eletrizada negativamente e, consequentemente, eletrizando a armadura positiva do capacitor C2, que por sua vez induz uma separação de cargas no fio que une este ao capacitor C3, e assim por diante. Esse fato nos permite concluir que: – todos os capacitores ficam carregados com a mesma carga elétrica Q; – a carga elétrica armazenada na associação é igual a Q, pois foi essa quantidade que a pilha movimentou da armadura positiva do capacitor C1 para a armadura negativa do capacitor C3; – por ser uma associação em série, a ddp U nos terminais da associação é igual soma das DDP individuais em cada capacitor. Denominamos Capacitor Equivalente aquele capacitor que, submetido à mesma ddp U que a associação, adquire a mesma carga elétrica Q da associação. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 29 - REV. 1 Para a associação em série temos: Figura 78: Capacitância Equivalente. Sendo a DDP em cada capacitor: Para o capacitor equivalente temos: e, como, então, a capacidade eletrostática do capacitor equivalente pode ser calculada pela expressão: Observação! Regra prática válida somente para dois capacitores em série de cada vez: que, invertendo, fica 3.4.4.2- ASSOCIAÇÃO EM PARALELO DE CAPACITORES Dois ou mais capacitores estão associados em paralelo quando seus terminais estão ligados aos mesmos nós e, consequentemente, sujeitos à mesma diferença de potencial U. Na Figura 79, os capacitores estão com seus terminais ligados aos mesmos nós A e B. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 30 - REV. 1 Figura 79: Associação de capacitores em paralelo. Conectando os nós A e B aos terminais da pilha, os capacitores ficam sujeitos à mesma ddp U e, se suas capacidades eletrostáticas forem diferentes, adquirem cargas elétricas Q1 e Q2 diferentes entre si. As armaduras ligadas ao nó A cedem elétrons para a pilha e as ligadas ao nó B recebem elétrons da pilha, de modo que a carga elétrica total movimentada pela pilha, das armaduras positivas para as negativas, é igual à soma das cargas Q1 e Q2, até atingido o equilíbrio eletrostático. Portanto, concluímos que: – a carga elétrica Q armazenada na associação é igual à soma das cargas elétricas armazenadas em cada capacitor: – essa carga elétrica é igual à quantidade de carga elétrica movimentada pela pilha das armaduras positivas para as negativas dos capacitores da associação; – por ser uma associação em paralelo, a ddp U nos terminais A e B da associação é a mesma para todos os capacitores. Calculemos a capacidade eletrostática do Capacitor Equivalente dessa associação. Figura 80: Capacitância Equivalente. Sendo a carga elétrica armazenada em cada capacitor: Q1 = C1·U e Q2 = C2·U, para o capacitor equivalente temos: Q = Cp·U e, como Q = Q1 + Q2, então Cp·U = C1·U + C2·U, ou seja, a capacidade eletrostática do capacitor equivalente pode ser calculada pela expressão: OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO- 3 - 31 - REV. 1 PROBLEMAS RESOLVIDOS: 1) Três capacitores são ligados em série, conforme abaixo. A capacitância do primeiro é expressa por C1=5µF, assim segue C2=3µF e C3=7µF. Essa associação está combinada por uma DDP de 12V. Pede-se: a) A capacitância equivalente (Ceq). b) A carga (Q) de cada capacitor. c) A diferença de potencial elétrico (DDP) de cada capacitor. Solução: a) 1/Ceq= 1/5µF +1/3µF+1/7µf Ceq = 1, 478µF b) Q=const; Q1=Q2=Q3 C=Q/ V 1,478uF=Q/ 12 Q=17,7µC c) Capacitor 1→ U=Q/C1→ U =17,7µC/5µF=3,6V Capacitor 2 → U=Q/C2→ U=17,7µC/3µF=5,9V Capacitor 3 → U=Q/C3→ U=17,7µC/7µF=2,5V 2) Três capacitores C1=6µF, C2=2µF e C3= 4µF são ligados em paralelo. Essa associação está combinada por uma DDP de 24V. Pede-se: a) A capacitância equivalente (Ceq). b) A carga(Q) elétrica de cada capacitor. Solução: a) Ceq= C1+C2+C3= 6F+2µF+4µF=12µF b) V=const; V=24V; Q1=C1.V=6µFx24V=144µC Q2=C2.V=2µFx24=48µC Q3=C3.V=4µF x 24=96µC OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 32 - REV. 1 3) Se C1=2µF, C2=3µF e C3=5µF. Calcular a capacitância equivalente da associação. Solução: Inicialmente resolvemos o circuito em paralelo, depois “juntamos” com o capacitor em série. Tomemos C1 e C2: C12 = C1+C2 = 2µF + 3µF = 5µF “Juntando” C12 e C3 (Série) 1/Ceq = 1/C12+1/C3 1/Ceq = 1/5µF +1/5µF Ceq = 2,5µF 3.6 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1- Com base no conceito de capacitância e da energia potencial elétrica armazenada em um capacitor, julgue os itens a seguir: I. A capacitância é diretamente proporcional à permissividade elétrica do meio onde está o capacitor. II. Quanto maior a distância entre as placas de um capacitor, maior será sua capacitância. III. A energia potencial elétrica armazenada em um capacitor não depende da capacitância, mas apenas da diferença de potencial estabelecida entre as placas de um capacitor. IV. Os desfibriladores são exemplos de aplicação do estudo de capacitores. V. A área das placas paralelas que compõem o capacitor é diretamente proporcional à capacitância. Está correto o que se afirma em: a) I, II, IV e V b) I, II, III e V c) I, II, III, IV e V d) III, IV e V e) I, IV e V OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 3 - 33 - REV. 1 2- Considere um capacitor composto por duas placas condutoras paralelas que está sujeito a uma diferença de potencial de 100V, representado na figura a seguir: Preencha os campos com V (verdadeiro) ou F (falso): I. ( ) o potencial elétrico na placa A é maior que na placa B. II. ( ) entre as placas há um campo elétrico cujo sentido vai da placa B para a placa A. III. ( ) se a capacitância deste capacitor for igual a 1,00μF, a carga elétrica em cada placa terá módulo igual a 10,0μC. IV. ( ) um elétron que estiver localizado entre as placas, será acelerado em direção à placa A. V. ( ) se a distância entre as placas for reduzida à metade, a capacitância do capacitor irá duplicar. VI. ( ) este capacitor pode ser usado como um elemento para armazenar energia. 3- A principal função de um capacitor é: a) Produzir D.D.P. b) Armazenar energia elétrica. c) Dissipar energia elétrica. d) Aumentar a resistência do circuito elétrico. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 4 4- O MAGNETISMO NO CONTEXTO MARINHEIRO 4.1 – MAGNETISMO O nome magnetismo vem de Magnésia, pequena região da Ásia Menor, onde foi encontrado em grande abundância um mineral naturalmente magnético. A pedra desse mineral é chamada magnetita (Fe3O4 – ímã natural). Atualmente, são mais usados ímãs artificiais que são obtidos por meio de determinados processos de imantação. 4.1.1 – POLOS DE UM ÍMÃ Verificou-se que os pedações de ferro eram atraídos com maior intensidade por certas partes do ímã, as quais foram denominadas de polos do ímã. 1º - Polos de um ímã - Região onde as ações magnéticas são mais intensas. Figura 81: Representação dos polos de um ímã. Disponível em: (http://educacao.globo.com/fisica/assunto/eletromagnetismo/imas-e-magnetismo.html) http://educacao.globo.com/fisica/assunto/eletromagnetismo/imas-e-magnetismo.html) http://educacao.globo.com/fisica/assunto/eletromagnetismo/imas-e-magnetismo.html) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 2 - REV. 1 – Polos de mesmo nome se repelem e de nomes diferentes se atraem Figura 82: Representação dos nomes dos polos de um ímã. Disponível em: (https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/ imasemagnetos.php) 2º - Inseparabilidade dos polos - Quando um ímã é dividido em várias partes, cada uma das partes comporta-se como um novo ímã. Aparecem sempre os dois polos. Figura 83: Representação da inseparabilidade dos polos de um ímã. Disponível em: (http://www.fisicavivencial.pro.br/sites/default/files/sf/312SF/05_teoria_frame.htm) Se tomarmos um ímã, de formato alongado, e pendurarmos pelo seu centro de massa, veremos que ele fica alinhado na direção geográfica norte-sul. A extremidade que aponta para o polo norte geográfico é chamado polo norte do ímã. A outra aponta para o sul geográfico, é denominada polo sul do ímã. A bússola é um aparelho que explora essa característica, constituído apenas de uma agulha imantada, apoiada pelo seu centro de massa. http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/ http://www.fisicavivencial.pro.br/sites/default/files/sf/312SF/05_teoria_frame.htm) http://www.fisicavivencial.pro.br/sites/default/files/sf/312SF/05_teoria_frame.htm) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 3 - REV. 1 4.1.2- CAMPO MAGNÉTICO A força magnética é uma força de campo, ou seja, atua mesmo que não haja contato entre os corpos. Logo, é conveniente imaginar a transmissão dessa ação por um agente que denominamos de campo magnético. Campo magnético é a região do espaço onde um pequeno corpo de prova fica sujeito a uma força de origem magnética. Esse corpo de prova pode ser um pequeno objeto de material que apresente propriedades magnéticas. Representamos o campo magnético em cada ponto de uma região pelo vetor campo magnético ( B́ ). 4.1.3- MAGNETISMO TERRESTRE A Terra é um grande ímã. Sob a influência exclusiva do campo magnético da Terra, o polo norte da bússola aponta para o polo norte geográfico, portanto o polo norte geográfico da Terra é um polo sul em termos magnéticos. O polo norte geográfico da Terra contém um polo sul em termos magnéticos e o polo sul geográfico da Terra contém um polo norte em termos magnéticos. Figura 84: Polos magnéticos terrestres. Disponível em: (http://fisicaevestibular.com.br/novo/eletricidade/eletromagnetismo/imas-e-campo- magnetico/) 4.1.4- LINHAS DE INDUÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO Para construir as linhas de campo, podemos usar o conceito de domínio magnético. Cada domínio magnético é um pequeno ímã. Internamente as linhas de campo vão do polo sul ao polo norte e externamente do polo norte para o polo sul. http://fisicaevestibular.com.br/novo/eletricidade/eletromagnetismo/imas-e-campo- http://fisicaevestibular.com.br/novo/eletricidade/eletromagnetismo/imas-e-campo- OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 4 - REV. 1 Figura 85: Linhas de indução. Disponível em: (https://www.mesoatomic.com/pt-br/fisica/eletromagnetismo/eletromagnetismo/campo- magnetico ) Em um campo magnético as linhas de indução do campo magnético são tais que o vetor campo magnético apresenta as seguintes características: a) sua direção é sempre tangente às linhas de campo em qualquer ponto dentro do campo magnético; b) seu sentido é o mesmo da linha de indução campo magnético; e c) sua intensidadeé proporcional à densidade das linhas de indução campo magnético. No SI a unidade do vetor campo magnético ́ β é denominada Tesla (T). 4.1.5- FORÇA MAGNÉTICA Consideremos um fio retilíneo, de comprimento L, percorrido por uma corrente i, colocado em um campo magnético em uma direção perpendicular ao vetor B́ . Sabemos que a corrente elétrica no fio pode ser considerada, para todos os efeitos, como sendo constituída por cargas positivas em movimento. Então, o campo magnético atuará sobre estas cargas móveis, exercendo em cada uma a pequena força. A resultante dessas pequenas forças que atuam no fio metálico é denominada força magnética. Figura 86: Força magnética. Disponível em: (https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/forca-magnetica-um-condutor-retilineo.htm) https://www.mesoatomic.com/pt-br/fisica/eletromagnetismo/eletromagnetismo/campo-magnetico https://www.mesoatomic.com/pt-br/fisica/eletromagnetismo/eletromagnetismo/campo-magnetico OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 5 - REV. 1 A regra do tapa pode ser utilizada para determinar o sentido da força que atua sobre um fio que produz uma corrente elétrica, colocada em um campo magnético. Figura 87: Regra do tapa. Disponível em: (https://pt.khanacademy.org/science/physics/magnetic- forces-and-magnetic- fields/magnets-magnetic/a/what-is-magnetic-force) 4.1.6- SUBSTÂNCIAS MAGNÉTICAS Quando um campo magnético atua em um meio material qualquer, este meio sofre uma modificação e dizemos que ele se imanta (ou se magnetiza). Pois no interior de qualquer substância existem correntes elétricas elementares, constituídas pelos movimentos dos elétrons nos átimos destas substâncias e correntes devido à rotação do elétron sobre si próprio. Estas correntes elementares criam pequenos campos magnéticos, de modo que cada átomo pode ser considerado um pequeno ímã (ímã elementar). No interior de um material em seu estado normal (não magnetizado), estes ímãs elementares encontram-se orientados inteiramente ao acaso, de modo que os campos criados pelos átomos das substancia tendem a se anular, com isso essa substância não apresentará nenhum efeito magnético. Entretanto, se este material for colocado dentro de um campo magnético, este campo atuará sobre os ímãs elementares, tendendo a orientá-los. Este material passará a apresentar efeitos magnéticos externos apreciáveis (substância imantada ou magnetizada). Cientistas mostraram que a presença de grande parte das substâncias encontradas na natureza provoca alterações muito pequenas no campo magnético, pois elas são fracamente imantadas. As substâncias podem ser separadas em dois grupos distintos: a) Paramagnéticas: são aquelas que, ao serem colocadas em um campo magnético, se imantam de maneira a provocar um pequeno aumento no valor do campo magnético em um ponto qualquer. Os ímãs elementares tendem a se orientarem no mesmo sentido do campo aplicado, fazendo com que o campo resultante tenha um valor um pouco maior do que o inicial. O alumínio, o magnésio, a platina, o sulfato de cobre, etc. são exemplos de conhecidos de substâncias paramagnéticas. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 6 - REV. 1 Figura 88: Substância paramagnética. b) Diamagnéticas: são substâncias que ao serem colocadas em um campo magnético, têm seus ímãs elementares orientados em sentido contrário do campo aplicado. Assim, elas estabelecem um campo magnético em sentido contrário ao deste campo aplicado, fazendo com que o campo resultante tenha um valor um pouco menor do que o inicial. Podemos citar, como exemplos: bismuto, o cobre, a água, a prata, o ouro, o chumbo, etc. c) Ferromagnéticas: são substâncias que ao serem colocadas em um campo magnético, se imantam fortemente, de modo que o campo que elas estabelecem é muitas vezes maior do que o campo aplicado (centenas ou até milhares de vezes maiores do que o campo inicial). Exemplos: ferro, cobalto, níquel e ligas que contenham esses elementos. Essas substâncias são utilizadas quando desejamos obter campos magnéticos com valores elevados, sendo denominado eletroímã e utilizados em diversas situações. Com por exemplo em guindastes para transportar cargas pesadas. Figura 89: Substância ferromagnética. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 7 - REV. 1 4.1 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. (FUVEST) A figura I representa um ímã permanente em forma de barra, onde N e S indicam, respectivamente, polos norte e sul. Suponha que a barra seja dividida em três pedaços, como mostra a figura II. Colocando lado a lado os dois pedaços extremos, como indicado na figura III, é correto afirmar que eles a) se atrairão, pois A é polo norte e B é polo sul. b) se atrairão, pois A é polo sul e B é polo norte. c) não serão atraídos nem repelidos. d) se repelirão, pois A é polo norte e B é polo sul. e) se repelirão, pois A é polo sul e B é polo norte. 2. (UEL) Considere as seguintes afirmativas: I - Um prego será atraído por um ímã somente se já estiver imantado. II - As linhas de força de um campo magnético são fechadas. III - Correntes elétricas fluindo por dois condutores paralelos provocam força magnética entre eles. Pode-se afirmar que somente a) I é correta. b) II é correta. c) III é correta. d) I e II são corretas. e) II e III são corretas. 3. (UFSM) Considere as afirmações a seguir, a respeito de ímãs. I. Convencionou-se que o polo norte de um ímã é aquela extremidade que, quando o ímã pode girar livremente, aponta o norte geográfico da Terra. II. polos magnéticos de mesmo nome se repelem e polos e polos magnéticos de nomes contrários se atraem. III. Quando se quebra, ao meio, um ímã em forma de barra, obtêm-se dois novos ímãs, cada um com apenas um polo magnético. Está (ão) correta(s) a) apenas I. b) apenas II. c) apenas III. d) apenas I e II. e) apenas II e III. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 8 - REV. 1 4. (UERJ) As linhas de indução de um campo magnético uniforme são mostradas abaixo. Designando por N o polo norte e por S o polo sul de um ímã colocado no mesmo plano da figura, é possível concluir que o ímã permanecerá em repouso se estiver na seguinte posição: 4.2- FORÇA ELETROMOTRIZ INDUZIDA A produção de corrente elétrica necessita de um consumo de uma forma qualquer de energia. Até a época de Faraday, somente a energia química era transformada em energia elétrica (pilhas e baterias). Porém, esse processo não era capaz de produzir grandes quantidades de energia (iluminar cidade ou alimentar indústrias). Faraday, em 1931, descobriu o fenômeno da indução eletromagnética e provocou uma verdadeira revolução no estudo do Eletromagnetismo. Com a sua descoberta foi possível à construção de dínamos (aparelhos cujo funcionamento se baseia no princípio da indução eletromagnética) que transformam energia mecânica em energia elétrica. Figura 90: Dínamo. Disponível em: (https://portalfisica.com/index.php/2019/05/19/assista-a-el- mejor-dinamo- obtencion-de-corriente-electrica-por-medio-del-magnetismo-no-youtube/) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 9 - REV. 1 4.3- CORRENTE INDUZIDA Se fizermos um condutor deslizar sobre outro, fixo, dobrado em forma de U, onde se adapta um amperímetro A de zero central, para indicar o sentido da corrente (circuito fechado). A ddp entre os terminais do condutor móvel determinará a passagem de uma corrente denominada corrente induzida. Esse Fenômeno é semelhante àquele que ocorre no interior de um gerador elétrico. Figura 91: Corrente induzida. Disponível em: (https://alunosonline.uol.com.br/fisica/calculo-corrente-eletrica-induzida.html) A ddp estabelecida corresponde a uma força eletromotriz que, nesse caso, é chamada fem induzida. A fem induzida é medida em volt (V) no SI. Para manter a corrente induzida, devemosmanter a velocidade. A energia elétrica é gerada pelo trabalho realizado por um agente externo. Se invertermos a sentido da velocidade, inverteremos o sentido da corrente induzida. 4.4 - FLUXO MAGNÉTICO O fluxo magnético através de uma superfície pode ser interpretado em termos do número de linhas de indução que furam esta superfície: quanto maior for o número de linhas de indução que atravessam a superfície, maior será a valor do fluxo. Figura 92: Fluxo magnético. Disponível em: (https://alunosonline.uol.com.br/fisica/calculo-corrente-eletrica-induzida.html) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 10 - REV. 1 4.5 - LEI DE FARADAY Por meio de experimentos, Faraday observou que sempre que uma fem induzida aparecia em um circuito, estava ocorrendo uma variação do fluxo magnético através do circuito. Sendo assim, quando um ímã se aproxima ou se afasta de uma espira, o fluxo magnético através desta espira está variando e, mais uma vez, uma fem é induzida no circuito. Esse fenômeno foi denominado indução eletromagnética e o resultado que acabamos de estudar tornaram-se conhecido como Lei de Faraday da indução Eletromagnética. Figura 93: Lei de Faraday. Disponível em: (https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Lei-deFaraday-Lenz_fig2_324418349) 4.6 - O GERADOR DE CORRENTE ALTERNADA O princípio de básico utilizado na construção de dínamos (geradores capazes de produzir grandes quantidades de energia) é baseado na Lei de Faraday. Figura 94: Gerador de Corrente Alternada. Disponível em: (https://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2Froot%2Fpagcopel2.nsf %2Fdocs%2F40A0E2ABD99123CF0325740C00496689) https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Lei-deFaraday-Lenz_fig2_324418349 http://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2Froot%2Fpagcopel2.nsf OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 11 - REV. 1 Quando a espira gira dentro de um campo magnético produz uma fem induzida na espira. Durante uma meia-volta da espira, o fluxo magnético através dela está aumentando e, ao efetuar a meia-volta seguinte, o fluxo está diminuindo. Por este motivo, a corrente induzida aparecerá no circuito, ora em um sentido, ora em sentido contrário. Sendo assim, a espira girando dentro de um campo magnético gera uma corrente alternada. Esse é o princípio de funcionamento dos grandes geradores encontrados nas usinas hidrelétricas. 4.7-LEI DE LENZ O cientista H. Lenz apresentou uma “regra” que nos permite indicar o sentido da corrente induzida gerado pelo movimento de um ímã próximo a essa espira. A lei de Lenz diz o seguinte: A corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o campo magnético que ela cria tende a contrária a variação do fluxo magnético que a originou. Quando a corrente induzida é estabelecida em virtude de um aumento do fluxo magnético, o seu sentido é tal que o campo por ela criado tem sentido contrário ao campo magnético existente no interior do circuito. Quando a corrente induzida é estabelecida em virtude de uma diminuição do fluxo magnético, o seu sentido é tal que o campo por ela criado tem o mesmo sentido do campo magnético existente no interior do circuito. Figura 95: Sentido da Corrente Induzida. Disponível em: (https://www.todamateria.com.br/inducao-eletromagnetica/) 4.8 - EXPERIMENTO DE OERSTED Em 1820, Hans Cristian Oersted construiu um circuito ligado a uma bateria inicialmente com a chave aberta, com um fio condutor esticado sobre uma bússola disposta na direção Norte– Sul que, por ação do campo magnético terrestre, ficou alinhada nessa condição. a) Ao fechar o circuito, a agulha magnética sofre um desvio, devido à influência do campo magnético; b) Com a corrente muito intensa, o campo magnético aumentava proporcionalmente e a agulha magnética chegava a ficar perpendicular ao fio esticado; e c) Abrindo o circuito, a agulha tornava a se orientar ao longo do campo terrestre http://www.todamateria.com.br/inducao-eletromagnetica/) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 12 - REV. 1 Figura 96: Bússola alinhada com o condutor. Figura 97: Bússola inclinada em relação ao condutor. Verificou-se, portanto, que o campo magnético em torno do fio reto é circular e concêntrico no condutor, conforme figura seguinte. Figura 98: Campo magnético gerado por um fio reto. 4.2 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. (MACKENZIE 0000) As linhas de indução de um campo magnético são: a) o lugar geométrico dos pontos, onde a intensidade do campo magnético é constante. b) as trajetórias descritas por cargas elétricas num campo magnético. c) aquelas que em cada ponto tangenciam o vetor indução magnética, orientadas no seu sentido. d) aquelas que partem do pólo norte de um ímã e vão até o infinito. e) nenhuma das anteriores é correta. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 13 - REV. 1 2. (UNEMAT 2008) Analise as afirmativas abaixo. I. A agulha magnética de uma bússola colocada nas proximidades de um fio percorrido por corrente elétrica sofre desvio devido à ação do campo elétrico criado nas proximidades desse fio. II. Ao se partir um ímã ao meio, obtêm-se dois ímãs menores, cada um com seu polo norte e seu polo sul. III. A existência de ímãs permanentes se explica com base na ordenação espontânea de pequenos ímãs elementares, presentes em seu interior. IV. As linhas de indução de um campo magnético partem do pólo norte e dirigem-se ao polo sul magnético. Assinale a alternativa CORRETA. a) Somente I e II são corretas. b) Somente I, II e IV são corretas. c) Somente I, III e IV são corretas. d) Somente II e IV são corretas. e) Somente III e IV são corretas. 3. (UFSC) Uma bússola aponta aproximadamente para o Norte geográfico por que: I) o Norte geográfico é aproximadamente o norte magnético. II) o Norte geográfico é aproximadamente o sul magnético. III) o Sul geográfico é aproximadamente o norte magnético. IV) o sul geográfico é aproximadamente o sul magnético. Está (ão) correta(s): a) II e III b) I e IV c) somente II d) somente III e) somente IV 4. (ITA-SP) Um pedaço de ferro é posto nas proximidades de um ímã, conforme o esquema abaixo. Qual é a única afirmação correta relativa à situação em apreço? a) é o imã que atrai o ferro. b) é o ferro que atrai o ímã. c) a atração do ferro pelo ímã é mais intensa do que a atração do ímã pelo fero. d) a atração do ímã pelo ferro é mais intensa do que a atração do ferro pelo ímã. e) a atração do ferro pelo ímã é igual à atração do ímã pelo ferro. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 14 - REV. 1 5. (UFRS) Uma pequena bússola é colocada próxima de um ímã permanente. Em quais posições assinaladas na figura a extremidade norte da agulha apontará para o alto da página? a) somente em A ou D b) somente em B ou C c) somente em A, B ou D d) somente em B, C ou D e) em A, B, C ou D 6. (UFES) Quando magnetizamos uma barra de ferro estamos: a) retirando elétrons da barra b) acrescentando elétrons à barra c) retirando ímãs elementares da barra d) acrescentando ímãs elementares da barra e) orientando os ímãs elementares da barra 7. (UFPA) Para ser atraído por um ímã, um parafuso precisa ser: a) mais pesado que o ímã b) mais leve que o ímã c) de latão e cobre d) imantado pela aproximação do ímã e) formando por uma liga de cobre e zinco 8. (UFMA) Por mais que cortemos um ímã, nunca conseguiremos separar seus polos. Qual o nome deste fenômeno? a) Desintegrabilidade dos polos b) Separabilidade dos polos OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 15 - REV. 1 4.9 - TRANSFORMADOR Em diversas instalações elétricas e até mesmo em nossas residências tem-se, muitas vezes, a necessidade de aumentar ou diminuir a voltagem que é fornecida pelas companhias de eletricidade. O dispositivo que nos permiteresolver este problema é denominado transformador. Figura 99: Imagem de um transformador. O transformador é um dispositivo elétrico, sem partes móveis, constituída de uma peça de ferro denominada núcleo do transformador, em torno do qual são enroladas duas bobinas. Em uma dessas bobinas é aplicada uma voltagem V1 (enrolamento primário) que desejamos transformar, isto é, que desejamos aumentar ou diminuir. Figura 100: Esquema das partes de um transformador. Disponível em: (http://macao.communications.museum/por/exhibition/secondfloor/MoreInfo/2_4_2_Transformer.html) A voltagem V2 é estabelecida na outra extremidade da bobina (enrolamento secundário) do transformador. 4.9.1- COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR Se aplicarmos uma voltagem alternada V1 no primário de um transformador, a corrente que percorrerá as espiras do primário também será alternada. Com isso, o campo magnético estabelecido no núcleo de ferro sofrerá flutuações sucessivas e, consequentemente, o fluxo magnético através do secundário estará aumentando ou diminuindo periodicamente no decorrer do tempo. Por este motivo, uma fem será induzida nas espiras do secundário, fazendo aparecer uma V2 nos extremos da bobina. http://macao.communications.museum/por/exhibition/secondfloor/MoreInfo/2_4_2_Transformer.html) http://macao.communications.museum/por/exhibition/secondfloor/MoreInfo/2_4_2_Transformer.html) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 16 - REV. 1 4.9.2 - RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO DA VOLTAGEM ENTRE O PRIMÁRIO E O SECUNDÁRIO O transformador pode ser utilizado para aumentar ou diminuir a voltagem de corrente alternada. Para isto, ele é composto por um número de espiras no primário (N1) e por um número de espiras no secundário (N2). A partir da lei de Faraday é possível demonstrar que a seguinte relação é válida: V 2 N2 = V 1 N 1 Com esta expressão concluímos que, se o número de espiras do secundário for maior do que no primário N2 ˃ N1, teremos V2 ˃ V1. Esse transformador é utilizado para elevar a voltagem. Por outro lado, se tivermos N2 ˂ N1, teremos V2 ˂ V1, ou seja, o transformador está sendo usado para diminuir a voltagem. O transformador não pode criar energia. A energia fornecida ao aparelho não pode ser maior do que aquela fornecida ao primário do transformador. Resumindo, a potência obtida no secundário não pode ser superior à potência fornecida ao primário do transformador. 4.9.3- TIPOS DOS TRANSFORMADORES a) Abaixador – É aquele que recebe a tensão de linha com um valor maior e a fornece com um valor menor. Figura 101: Transformador abaixador. b) Elevador – É aquele que recebe a tensão de linha com um valor menor e a fornece com um valor maior. Figura 102: Transformador elevador. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 17 - REV. 1 c) Igualador – É aquele que recebe a tensão de linha com um determinado valor e a transfere com o mesmo valor. Figura 103: Transformador igualador. 4.3 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1. Determine a tensão no secundário de um transformado com os seguintes dados: Ns = 100; Np = 1000; e Up = 120V 2. O transformador do desenho abaixo apresenta os seguintes dados: Up = 120V; Us = 600V; Ip = 5A. Podemos afirmar que Is vale: 3. Sabendo-se que a potência do circuito primário é igual à potência do circuito secundário de um transformador (Pp = Ps), podemos afirmar que a corrente no secundário do transformador igualador equivale a: 4. Determine a tensão no primário de um transformador com os seguintes dados: Us = 1,5V; Is = 4A; Ip = 2A. 5. O primário de um transformador alimentado por uma corrente elétrica alternada tem mais espiras do que o secundário. Nesse caso, comparado com o primário, no secundário: a) a diferença de potencial é a mesma e a corrente elétrica é contínua b) a diferença de potencial é a mesma e a corrente elétrica é alternada c) a diferença de potencial é menor e a corrente elétrica é alternada d) a diferença de potencial é maior e a corrente elétrica é alternada e) a diferença de potencial é maior e a corrente elétrica é contínua OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 18 - REV. 1 6. As companhias de distribuição de energia elétrica utilizam transformadores nas linhas de transmissão. Um determinado transformador é utilizado para baixar a diferença de potencial de 3 800 V (rede urbana) para 115 V (uso residencial). Nesse transformador: I. O número de espiras no primário é maior que no secundário; II. A corrente elétrica no primário é menor que no secundário; III. A diferença de potencial no secundário é contínua. Das afirmações acima: a) Somente I é correta. b) Somente II é correta. c) Somente I e II são corretas. d) Somente I e III são corretas. e) I, II e III são corretas. 7. A tensão elétrica fornecida pelas empresas energéticas em alguns estados do Brasil é 220V, porém muitos aparelhos domésticos trabalham com tensões bem inferiores e já possuem transformadores integrados. Supondo que um aparelho funcione com tensão elétrica de 20V e possua um transformador integrado com 1500 espiras no enrolamento primário. Quantas espiras são necessárias no enrolamento secundário para que a tensão não supere os 20V? 8. A corrente elétrica que passa pelo enrolamento primário do transformador, que tem 800 espiras, é iP = 15A. Calcule a corrente no enrolamento secundário do transformador, sabendo que ele possui 100 espiras. 9. Marque a alternativa ERRADA. a) Transformadores são dispositivos eletromagnéticos que transformam o valor da tensão elétrica alternada, aplicada em sua entrada, para uma tensão alternada diferente na saída. b) Os transformadores podem ser usados tanto para aumentar quanto para diminuir o valor da tensão. c) Um transformador consiste em duas bobinas enroladas no mesmo núcleo de ferro. d) Um transformador consiste em uma bobina enrolada em dois núcleos de ferro. e) Em transformadores com dois enrolamentos, é comum denominá-los de enrolamento primário e enrolamento secundário. 10. Entre os dispositivos elétricos citados nas alternativas, qual o que só pode funcionar com corrente elétrica alternada? a) Rádio b) Transformador c) Lâmpada incandescente d) Chuveiro e) Ferro de passar roupa. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 19 - REV. 1 11. Uma máquina de solda elétrica precisa operar com uma corrente elétrica de 400 A para que haja potência dissipada suficiente para fundir as peças metálicas. A potência necessária é dada por P =R.i2, onde R é a resistência dos eletrodos de solda. Com a intenção de obter esse valor de corrente elétrica, utiliza-se um transformador, que está ligado a uma rede elétrica cuja tensão vale 110 V, e pode fornecer um máximo de 40 A. Qual deve ser a razão do número de espiras entre o enrolamento primário e o secundário do transformador, e qual a tensão de saída? a) N1/N2 = 5; V = 9 b) N1/N2 = 10; V = 11 c) N1/N2 = 15; V = 15 d) N1/N2 = 20; V = 20 e) N1/N2 = 25; V = 22 12. Num transformador, a razão entre o número de espiras no primário (N1) e o número de espiras no secundário (N2) é N1/N2 = 10. Aplicando-se uma diferença de potencial alternada V1 no primário, a diferença de potencial induzida no secundário é V2. Supondo tratar-se de um transformador ideal, qual a relação entre V2 e V1? a) V2 = V1/100 b) V2 = 10V1 c) V2 = 100V1 d) V2 = V1 e) V2 = V1/10 13. Um transformador possui 50 espiras no enrolamento primário e 200 espiras no secundário. Ao ligar o primário a uma bateria de tensão contínua e constante de 12 V, o valor da tensão de saída, no enrolamento secundário, é igual a: a) 12 V, pois a tensão de saída é igual à tensão de entrada. b) zero, pois o número de espiras do enrolamento secundário é maior do que o dobro do número de espiras do primário. c) zero,pois não há força eletromotriz induzida nas espiras do secundário. d) 72 V, pois a razão entre a tensão de saída e a tensão de entrada é igual à razão entre o número de espiras do enrolamento secundário e o número de espiras do enrolamento primário. e) 48 V, pois a razão entre a tensão de entrada e a tensão de saída é igual à razão entre o número de espiras do enrolamento primário e o número de espiras do enrolamento secundário. 14. Num transformador, a razão entre o número de espiras no primário (N1) e o número de espiras no secundário (N2) é N1/N2 = 20. Aplicando-se uma diferença de potencial alternada V1 no primário, a diferença de potencial induzida no secundário é V2. Supondo tratar-se de um transformador ideal, qual a relação entre V2 e V1? a) V2 = V1 d) V2 = V1/20 b) V2 = 20V1 e) V2 = V1/200 c) V2 = 200V1 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 20 - REV. 1 15. Um CD player portátil é alimentado por um transformador que baixa a tensão de120 V para 12 V. Sabe-se que esse transformador tem 200 espiras no primário e que o CD é alimentado através do secundário. A potência fornecida ao primário é 2,0 W. Supondo que não há dissipação de energia no transformador determine: a) O número de espiras no secundário b) A corrente no secundário 4.10 - CORRENTE CONTÍNUA (CC) E CORRENTE ALTERNADA (CA) Podemos classificar a corrente elétrica em função de sua intensidade e de seu sentido no decorrer do tempo. Podemos, então, ter dois tipos de corrente elétrica: contínua e alternada. 4.10.1 - CORRENTE CONTÍNUA (CC) É aquela em que o sentido permanece constante no decorrer do tempo. Este tipo de corrente é fornecido por pilhas comuns e baterias de automóvel. O gráfico i x t: Figura 104: Gráfico da corrente Contínua. 4.10.2-CORRENTE ALTERNADA É aquela cuja intensidade varia de forma senoidal com o tempo e o sentido inverte periodicamente. Este tipo de corrente é usado nas residências. O gráfico i x t: Figura 105: Gráfico da Corrente Alternada. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 21 - REV. 1 Essa “alternância” pode ou não ser periódica. A corrente alternada gerada normalmente segue uma função do tipo seno ou cosseno. Observe que a tensão assume valores entre +V e –V, que são o máximo e mínimo. A corrente também altera seu sentido entre +I e -I, que são o máximo e mínimo. (valor de pico a pico) é a distância entre o valor máximo e mínimo. Os equipamentos elétricos recebem essa tensão num valor padrão de 380V/220V/110V e em 50/60 Hz. O sistema eletrônico do equipamento é responsável por deixar a tensão contínua e são chamados de circuitos retificadores. 4.10.3- VALOR EFICAZ Chama-se valor eficaz de uma corrente elétrica alternada o valor que teria uma corrente contínua que produzir a mesma potência elétrica que a referida corrente alternada, ao aplicá- la sobre uma mesma resistência elétrica. Para um sinal senoidal, o valor eficaz da tensão e da corrente elétrica é: Figura 106: Valor Eficaz da Tensão Alternada. Nele: Up e Ip são a tensão de pico e a corrente de pico. A tensão eficaz é conhecida ainda como Urms. Uef = Urms = 0,707 Up. Exemplo: Se a tensão de pico de um circuito é 100 V, o valor eficaz ou rms é: Uef = Urms = 0,707 x 100 = 70,7 V “Isto significa que um resistor conectado a uma fonte de sinal alternada de 100V produzirá o mesmo calor que se fosse colocado em uma fonte de 70,7V de sinal contínuo”. 4.11- OSCILOSCÓPIO O osciloscópio é um instrumento de medição que permite visualizar graficamente sinais eléctricos. Na maioria das aplicações, o osciloscópio mostra como um sinal elétrico varia no tempo. Neste caso, o eixo vertical (YY) representa a amplitude do sinal (tensão) e o eixo horizontal (XX) representa o tempo. A intensidade (ou brilho) do écran é por vezes chamada de eixo dos ZZ. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 22 - REV. 1 Figura 107: Tela de um Osciloscópio. Um gráfico deste tipo poderá nos dizer diversas coisas acerca de um sinal. Permite determinar: 1. os valores de tensão e temporais de um sinal; 2. a frequência de um sinal periódico; 3. a componente contínua (CC) e alternada (CA) de um sinal. Permite detectar a interferência de ruído num sinal e, por vezes, eliminá-lo; e 4. comparar dois sinais num dado circuito, nomeadamente à entrada e a saída, permitindo tirar as mais variadas conclusões, tais como se um dado componente está avariado. Outras potencialidades surgem na utilização do modo ‘xy’, bem como nos osciloscópios digitais, que incorporam muitas funcionalidades adicionais. O osciloscópio tem um aspecto que se assemelha a um televisor, excetuando a grelha inscrita no écran e a grande quantidade de comandos. O painel frontal do osciloscópio tem os comandos divididos em grupos, organizados segundo a sua funcionalidade. Existe um grupo de comandos para o controlo do eixo vertical (amplitude do sinal), outro para o controle do eixo horizontal (tempo) e outro ainda para controlar os parâmetros do écran (intensidade, focagem, etc.). O osciloscópio utilizado no Laboratório de Instrumentação e Medidas Elétricas OSCILOSCÓPIO DIGITAL (DIGITAL OSCILLOSCOPE) MVB DSO, da marca Minipa representado na a seguir. Figura 108: OSCILOSCÓPIO DIGITAL (DIGITAL OSCILLOSCOPE) MVB DSO. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 23 - REV. 1 4.11.1- UTILIZANDO O OSCILOSCÓPIO O osciloscópio é utilizado por diversos profissionais, num sem número de aplicações, tão variadas como a reparação de televisores, a análise do funcionamento das unidades eletrônicas de controle dos automóveis, a análise de vibrações (de um motor, por exemplo), o projeto de circuitos de condicionamento de sinal (para sistemas de instrumentação, por exemplo) ou sistemas biomédicos. Figura 109: Medição de luminosidade por intermédio de um transdutor (célula fotoelétrica). [Tektronics, 1997a] A utilidade do osciloscópio não se limita ao mundo da eletricidade/eletrônica. Com o transdutor apropriado, o osciloscópio poderá utilizar-se para visualizar e medir qualquer tipo de grandeza física. Um transdutor é um dispositivo que cria um sinal elétrico a partir de um estímulo de outro tipo de grandeza, tal como som, luz ou calor (caso da célula fotoelétrica apresentada na Figura 109). Embora os osciloscópios digitais permitam analisar sinais transitórios (que só acontecem uma vez), tal como os apresentados na Figura 110 (degrau (step) e impulso (pulse)), o osciloscópio é, por princípio, um instrumento de medição adequado a medir (analisar) sinais periódicos. Figura 110: Sinais não periódicos (degrau e impulso). ([Tektronics, 1997a]) 4.11.2-CARACTERÍSTICAS DA ONDA SENOIDAL - GRANDEZAS ELÉTRICAS MENSURÁVEIS No nível das grandezas (elétricas) que podem ser medidas através de um osciloscópio, as mais comuns são as seguintes: OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 24 - REV. 1 a) PERÍODO E FREQUÊNCIA Se um sinal se repete no tempo, ele tem uma frequência de repetição. Esta frequência (f) é medida em Hertz (Hz) e é igual ao número de vezes que o sinal se repete por segundo (número de ciclos por segundo). Analogamente, um sinal periódico tem um período (T), que é o tempo que o sinal leva a completar um ciclo. O período e a frequência são inversos um do outro, isto é, f = 1/ T. A Figura 111 serve como exemplo, onde a onda senoidal tem um período de 1/3 de segundo, correspondendo a uma frequência de 3 Hz. Figura 111: Período e frequência da onda senoidal. ([Tektronics, 1997a]) b) AMPLITUDE (DA TENSÃO ELÉTRICA) Com um osciloscópiopodem medir-se amplitudes de sinais, nomeadamente amplitudes de pico e pico a pico. A forma de onda apresentada na Figura 112 tem uma amplitude (de pico) de 1 V e uma amplitude pico a pico. de 2 V. Figura 112: Fase de uma onda sinusoidal. ([Tektronics, 1997a]) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 4 - 25 - REV. 1 c) DESFASAMENTO Para entender o que é o desfasamento entre duas ondas, é necessário apreender o conceito de fase. É importante salientar que este conceito apenas se aplica a ondas sinusoidais. Olhando para a Figura 112 pode considerar-se que como o sinal é sinusoidal, a cada instante de tempo pode corresponder um ângulo (de 0º a 360º). Isto facilita a análise de ondas sinusoidais, no sentido em que o ângulo de fase não depende da frequência do sinal. Podemos então referir-nos a ângulos de fase para descrever em que parte do período é que o sinal se encontra (20º, 60º, 180º, por exemplo), em vez de nos referirmos a tempo (1,35 ms ou 4,2 s, por exemplo). O desfasamento (ou diferença de fase) representa o atraso (no tempo ou em fase) entre dois sinais da mesma frequência. Na Figura 113, a tensão diz-se 90º em avanço relativamente à corrente, dado que a onda de tensão chega ao seu máximo (por exemplo) exatamente 1/4 de período antes do máximo da onda da corrente (360º / 4 = 90º). Figura 113: Desfasamento entre duas ondas. ([Tektronics, 1997a]) O desfasamento é extremamente importante na análise de certos circuitos elétricos e eletrônicos. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 5 5 - PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DE CIRCUITOS DE CC E CA 5.1- DEFINIÇÃO DE CIRCUITO ELÉTRICO É o caminho fechado por onde circula a corrente elétrica. Caso o movimento das cargas elétricas seja sempre no mesmo sentido, o circuito elétrico é chamado de Circuito de Corrente Contínua (CC ou DC). Figura 114: Exemplo de um circuito resistivo em CC. 5.2- CIRCUITOS CC EM SÉRIE Um circuito série é aquele que permite somente um percurso para a passagem da corrente. Características: 1) A corrente “I” é a mesma em todos os pontos do circuito. 2) A resistência total é a soma das resistências do circuito (associação série). 3) A tensão total é a soma das tensões nos terminais dos resistores em série. Figura 115: Circuito Série. Disponível em: (https://sites.google.com/site/fisicacbtis162/services/2-4-5-circuitos-en-serie-1). Nesta associação estão representados resistores associados em série. Note que, neste tipo de associação, a corrente elétrica “I” não se divide. https://sites.google.com/site/fisicacbtis162/services/2-4-5-circuitos-en-serie-1 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 2 - REV. 1 Substituindo os resistores componentes pela resistência total que os representa, temos: A resistência total de uma associação; matematicamente, temos: RT = R1 + R2 + R3 + ... + Rn Então, para se determinar a resistência total, substituindo o “R” pelos valores de cada resistência componente de associação. Veja a aplicação dessa fórmula na associação dada anteriormente, onde: R1 = 3 Ω; R2 = 2 Ω e R3 = 5 Ω Substituindo e calculando, temos: RT = R1 + R2 + R3 RT = 3 +2 + 5 RT = 10 Ω No circuito série o RT será sempre maior que qualquer resistor. 5.3- CIRCUITO CC EM PARALELO Nesta associação estão representados resistores associados em paralelo. Note que, neste tipo de associação, a corrente elétrica “I” se divide no nó. Substituindo os resistores componentes pela resistência total que os representa, temos: 1 - Para associação de resistores em paralelo com dois resistores, temos a fórmula: Figura 116: Circuito em Paralelo. Como os valores dos seus resistores são: R1 = 12Ω e R2 = 6Ω, substituindo em R1 e R2 pelos valores correspondentes dos resistores componentes, terão: Quando temos uma associação de vários resistores e que estes possuem valores diferenciados, através da soma dos inversos de cada resistor, obtém-se o inverso total. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 3 - REV. 1 5.4- INDUTORES ELÉTRICOS A indução eletromagnética é um fenômeno causado por um campo magnético e gera corrente elétrica. Uma área delimitada por um determinado condutor sofre variação no de fluxo de indução magnética, que a atravessa, surge entre seus terminais uma força eletromotriz (fem). Caso seus terminais estiverem ligados a um aparelho elétrico, gerará corrente, chamada corrente induzida. A indutância é a grandeza física relacionada aos indutores, representada pela letra L e medida em Henry (H). É um parâmetro que relaciona a tensão induzida no campo magnético e a corrente responsável pelo surgimento deste campo. A tensão nos terminais do indutor é proporcional a corrente que nele passa. O indutor, também chamado de solenoide ou bobina, é um dispositivo elétrico passivo, capaz de armazenar energia criada em um campo magnético formado por uma corrente alternada (CA). Este componente é usado em circuitos elétricos, eletrônicos e digitais, para armazenar energia através de um campo magnético. Indutores são usados para impedir variações de corrente elétrica, para formar um transformador e também em filtros que excluem sinais em alta frequência, os filtros do tipo passa baixa. Ao ler essas definições, concluímos que os indutores e os capacitores têm em comum a capacidade de armazenar energia. Assim como os capacitores, os indutores se opõem a corrente alternada. Também em comparação aos capacitores, dizemos que: - Quanto mais rápida a variação da corrente em um espaço de tempo, maior é a quantidade de tensão nos terminais do indutor; e - Não serão aceitas variações bruscas de corrente. 5.4.1- TIPOS DE INDUTORES Os indutores podem se diferenciar nas características construtivas de cada modelo. Veja abaixo os principais tipos de indutores: Figura 117: Tipos de indutores. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 4 - REV. 1 Figura 118: Representação gráfica dos indutores. a) Núcleo de ar: nos indutores de núcleo de ar não se usa material ferromagnético no núcleo, como citado anteriormente. Esse possui perdas baixas, o que resulta em uma alta frequência. De baixa indutância e usado para altas frequências. b) Núcleo ferromagnético: nestes modelos, o núcleo é feito de um material ferromagnético, o que resulta em uma indutância muito maior, porém, também ocasiona em perdas. A indutância maior é graças ao material, pois ele é capaz de concentrar melhor o campo magnético. c) Núcleo laminado: usados em indutores de baixa frequência e transformadores. O núcleo é feito por lâminas de material aço-silício e é envolvido por verniz isolante. Esses compostos não são escolhidos à toa. O verniz previne perdas por corrente parasita, e o silício adicionado ao aço faz com que a histerese no material seja reduzida. d) Núcleo de ferrite: estes indutores são feitos de um tipo de cerâmica ferromagnética, que tem um melhor desempenho em altas frequências, nas quais são mais empregadas. Não apresentam correntes parasitas além de baixa histerese. e) Bobinas toroidais: o núcleo toroidal geralmente é feito de ferrite, e tem um formato de rosca. Graças a este formato, é criado um caminho pelo qual o campo magnético circula. Este tipo de núcleo é usado em bobinas que têm formato de bastão. Neste caso, o campo magnético sofre perdas ao circular de uma extremidade a outra, pelo contato com o ar. Por isso, este núcleo foi projetado para fazer um caminho para este campo, evitando o número de perdas. A energia armazenada no indutor (medida em joules) é igual à quantidade de trabalho necessária para estabelecer o fluxo no indutor, ou seja, o campo magnético. Sabemos que o campo magnético existente no interior de uma bobina depende da corrente elétrica que passa por ela. Caso haja variação na intensidade da corrente elétrica, podemos perceber que o campo magnético dentrodessa bobina também sofre uma variação. Como resultado dessa interação, surge uma força eletromotriz induzida na bobina. Essa força também é proporcional, ou melhor, depende da variação da corrente elétrica. Damos o nome a esta interação (fenômeno) de autoindução, pois a variação na corrente elétrica dessa espira faz surgir na própria espira uma força eletromotriz. Representamos a força eletromotriz com o símbolo ε. E esta força ε está diretamente relacionada à taxa de variação da corrente elétrica na bobina. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 5 - REV. 1 Na equação acima, a letra L é uma constante de proporcionalidade, denominada indutância da espira. Ela depende das dimensões geométricas do material, como o raio e o número de voltas da espira. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de indutância é o henry, abreviada por H. Em razão disso, as espiras também podem ser denominadas indutores, sendo bastante úteis em eletrônica, pois têm a capacidade de armazenar energia elétrica no seu campo magnético interior. 5.5 - CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA CA OU AC Nos circuitos de corrente contínua, a resistência elétrica é a única grandeza que expressa o impedimento à passagem da corrente elétrica. Em corrente alternada, existem outros efeitos além do resistivo que influenciam a passagem de corrente no circuito; por exemplo, a indutância quando o circuito contém bobinas, ou a capacitância quando o circuito contém capacitores. Deste modo, a razão tensão/corrente em um circuito de corrente alternada não depende apenas das resistências elétricas do mesmo. Por esse motivo, a razão entre tensão e corrente em um circuito de corrente alternada recebe outro nome: impedância, um termo que foi proposto por Oliver Heaviside em 1886. Heaviside deu grandes contribuições à teoria eletromagnética, tendo reformulado as equações de Maxwell na notação vetorial moderna. As contribuições de Heaviside também incluem o cálculo vetorial, métodos de resolução de equações diferenciais e teoria de circuitos elétricos e linhas de transmissão, além de ter introduzido outros termos como indutância, condutância e eletretos. A impedância de um circuito é composta de três componentes: • ZR: componente resistiva da impedância ou simplesmente resistência (R); • ZC: componente capacitiva da impedância ou reatância capacitiva (XC); • ZL: componente indutiva da impedância ou reatância indutiva (XL); Outra grandeza importante na descrição de circuitos de corrente alterna é a frequência das tensões e correntes do circuito. A frequência linear é medida em Hertz (Hz) e é igual ao número de ciclos por segundo; seu símbolo é usualmente f. A frequência angular é medida em rad/s e é igual à taxa de variação da fase da corrente; seu símbolo é normalmente ω. A relação entre as duas é: ω = 2. π f 5.5.1- CIRCUITOS RESISTIVOS, CAPACITIVOS OU INDUTIVOS. Na prática, é impossível obter circuitos de corrente alternada com características puramente resistivas, indutivas ou capacitivas. Mesmo assim é didático tratar esses casos ideais, para se ter uma ideia de seu comportamento. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 6 - REV. 1 a) Circuito Puramente Resistivo: Anteriormente, estudamos os efeitos da tensão e da corrente contínua em resistores. Agora vamos estudar um resistor submetido a uma fonte de tensão alternada. Figura 119: Circuito puramente resistivo. Neste caso, observamos que tensão e corrente variam cossenoidalmente no tempo, e não existe diferença de fase entre ambas. A impedância do circuito, em módulo, é dada pela razão entres os valores de pico da tensão (Vo) e da corrente (Io): Z = R Portanto, neste caso a impedância é simplesmente a resistência do circuito. b) Circuito Puramente Capacitivo: Na Figura 120 mostramos um capacitor submetido a uma diferença de potencial V com uma carga acumulado no capacitor Q. Figura 120: Circuito puramente capacitivo. Neste caso, observamos que tensão e corrente variam no tempo, mas estão fora de fase por um ângulo de 90° (π/2 rad). Em um circuito puramente capacitivo a corrente é adiantada em relação à tensão (ou seja, o pico de corrente ocorre antes do pico de tensão). Note que esse comportamento é de fato esperado, pois assim que o capacitor descarregado é ligado no circuito a corrente é máxima e a tensão é mínima (pois o capacitor está descarregado) e à medida que o tempo passa a corrente diminui e a tensão aumenta (a carga vai se acumulando nas placas do capacitor) e depois de certo tempo a corrente é zero e a tensão é máxima (capacitor carregado). OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 7 - REV. 1 A impedância capacitiva (ou reatância capacitiva) é inversamente proporcional à frequência da tensão alternada. No limite de tensão contínua, vai a infinito, o que significa que não há corrente. De fato, quando um capacitor é ligado a uma fonte de tensão contínua, ele se carrega (usualmente de forma rápida) até a tensão da fonte e a corrente deixa de circular. c) Circuito Puramente Indutivo: Na Figura 121 mostramos um indutor submetido a uma força eletromotriz V. Figura 121: Circuito puramente indutivo. A tensão e a corrente variam periodicamente no tempo, e estão fora de fase por um ângulo de 90°. Entretanto, no caso do circuito puramente indutivo a corrente é atrasada em relação à tensão. Esse resultado pode ser compreendido qualitativamente se lembrarmos de que a força contra eletromotriz no indutor é proporcional à taxa de variação da corrente no tempo (lei de Faraday-Lenz). Quando o indutor é ligado ao circuito ele se comporta como um curto-circuito (estamos desprezando o efeito resistivo) e a corrente tende a aumentar rapidamente (máxima taxa de variação) e imediatamente aparece uma tensão nos terminais do indutor (força contra-eletromomotriz) de modo a impedir que a corrente se estabeleça. À medida que o tempo passa a forma eletromotriz da fonte faz com que a corrente vai se estabelecendo de forma mais lenta e a tensão no indutor vai diminuindo até que a corrente atinja um valor que equilíbrio e a tensão nos terminais do indutor seja nula. O pico de máxima tensão no indutor ocorre antes da máxima corrente e, portanto, a tensão está adiantada em relação a corrente. A impedância de um circuito puramente indutivo cresce com a frequência, e vai à zero em circuitos de corrente contínua. De fato, como nesses circuitos a corrente não varia, a tensão sobre o indutor é nula. Um indutor real (bobina) é composto por muitas voltas de fios enrolados e possui, além da indutância, uma resistência. Assim, costuma-se dizer que na prática toda indutância vem sempre acompanhada de uma resistência. Porém essa afirmação não é totalmente verdadeira, já que hoje existem materiais que em baixas temperaturas podem atingir o estado supercondutor e ter resistência elétrica nula. Tensão Corrente OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 8 - REV. 1 Em outras palavras uma bobina feita de um material supercondutor é um indutor puro, ou seja, converte energia elétrica em energia magnética da forma mais eficiente possível. Isso pode parecer a princípio uma idealização sem muita aplicação, mas, de fato, nos equipamentos de ressonância magnética nuclear, comuns em hospitais hoje em dia, a geração do alto campo magnético necessário ao experimento (ou exame clínico, no caso) é feita através de um solenóide feito de material supercondutor, justamente para aproveitar essa máxima eficiência na conversão de energia elétrica em energia magnética. 5.5.2- CIRCUITO RL E RC Podemos associar em circuitos resistor e indutor (chamado de circuito RL) e também podemos associar resistor e capacitor (chamado circuito RC). Os circuitos RL e RC possuem propriedades muito interessantes quanto analisadas em funçãoda frequência. Esses circuitos funcionam como filtros elétricos e são utilizados em instalações elétricas e equipamentos eletrônicos para rejeitar ruído e para protegê-los, por exemplo, contra transientes induzidos pela queda de raios durante as tormentas. a) FILTRO RC (OU “PASSA-ALTA”) A associação em série de um resistor e um capacitor (mostrado na Figura 122) forma um circuito simples, porém de muita utilidade. Neste circuito, observa-se um comportamento característico da tensão no resistor (VR) em função da frequência. Para altas frequências, a tensão de VR é aproximadamente igual à tensão de entrada do gerador (Vo). Em baixas frequências, VR é menor que a tensão de entrada. Logo este circuito privilegia a passagem de correntes alternadas com altas frequências, sendo por isso conhecido como filtro passa-alta. Na frequência ωo = /1 RC , metade da potência fornecida é atenuada pelo circuito, e por isso esse valor é denominado frequência de meia-potência. Figura 122: Circuito RC. b) Filtro RL (ou “passa-baixa”) Da mesma forma, a associação em série de um resistor e um indutor forma um outro circuito de grande utilidade. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 5 - 9 - REV. 1 Neste circuito, a tensão VR é aproximadamente igual à tensão Vo a baixas frequências. Em altas frequências a tensão VR sobre a resistência (ou seja, a corrente) é atenuada e por isso o filtro é denominado filtro passa-baixa. A frequência ωo = R / L é a frequência de meia- potência, como no filtro RC. Esta frequência pode ser adotada como a “frequência de corte” do filtro. Figura 123: Circuito RL. Os filtros RC e RL são muito usados como filtros de frequência em várias aplicações; um exemplo é nos sistemas de som com várias caixas. A caixa maior, chamada de woofer, executa melhor os sons graves (de baixa frequência), e a caixa menor (o twitter) executa melhor os agudos (de alta frequência). O sinal que vai para o woofer passa por um filtro passa- baixas (RL), e o sinal que vai para o twitter passa por um filtro passa-altas (RC). O resultado é que cada caixa reproduz apenas a faixa de frequências para a qual seu desempenho é melhor, o que melhora a qualidade do som. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 6 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 6 6.0 - DISPOSITIVOS DE CONTROLE E DE SEGURANÇA: DISJUNTOR E FUSÍVEL. 6.1- FUSÍVEL O fusível é um dispositivo de segurança de um circuito elétrico que tem a função de interromper a passagem de corrente elétrica no circuito, quando a corrente ultrapassar o limite permitido pelo fusível. Evita-se, assim, um curto-circuito. Esses curtos-circuitos podem causar incêndios, explosões ou danos a alguns equipamentos do circuito, os fusíveis são bastante usados nos eletrodomésticos. Figura 124: Tipos de fusíveis disponíveis. Alguns fusíveis são feitos de uma pequena liga metálica, geralmente o chumbo, de baixo ponto de fusão, pois quando a intensidade da corrente elétrica ultrapassa o limite do fusível, essa liga se esquenta e se funde cortando assim a passagem de corrente elétrica, o tempo que ele demora a fundir é proporcional ao quadrado da corrente aplicada e da inércia térmica do material da liga metálica do fusível, portanto com a variação desse material, podemos ter fusível de ação muito rápida, rápida, média, lenta ou muito lenta. Temos também o disjuntor que simplesmente desliga quando a intensidade da corrente é maior do que ele suporta. Normalmente o valor da corrente que o fusível suporta vem expresso nele. Sua representação é: OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 6 - 2 - REV. 1 Figura 125: Representação simbólica de fusíveis. 6.2- DISJUNTORES Os disjuntores têm o mesmo papel dos fusíveis. Ele é um sistema de segurança de um circuito elétrico, contra sobrecargas elétricas ou curtos-circuitos, que tem a função de cortar a passagem de corrente elétrica no circuito, caso a intensidade da corrente ultrapasse a intensidade limite que, normalmente, vem especificada nos próprios disjuntores. Uma boa característica dos disjuntores é que, além de proteger a corrente, ele também serve como dispositivo de manobra. Para reativar o disjuntor, basta que ligue a chave (dispositivo de manobra) novamente, enquanto que nos fusíveis queimados precisamos trocá-los por novos, podendo até tomar choque. Isso não ocorre, quando religamos o disjuntor. Figura 126: Quadro de disjuntores do NApOC Purus. Existem vários tipos de disjuntores, o mais conhecido é o termomagnético que possui três funções: a) manobra: abertura e fechamento do circuito; b) proteção contra sobrecargas: quando a corrente elétrica acima do previsto para o disjuntor permanece por um determinado período, ativa um dispositivo do disjuntor que é sensível ao calor e provoca a abertura dele. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 6 - 3 - REV. 1 c) proteção contra curto-circuito: através de um dispositivo magnético, essa proteção desativa o disjuntor, quando ocorre um aumento instantâneo da corrente elétrica. Este disjuntor é muito utilizado em casas, pois quando ocorre uma sobrecarga ou um curto-circuito ele desliga, fazendo assim com que não ocorram danos nos eletrodomésticos. Figura 127: Disjuntor visto em corte. Figura 128: Símbolo para disjuntor. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 7 7.0 – RECEPTORES ELÉTRICOS E ASSOCIAÇÃO DE GERADORES E RECEPTORES Em capítulos anteriores estudamos o funcionamento dos geradores, nesse capítulo falaremos sobre outro dispositivo elétrico chamado de receptor elétrico. 7.1- RECEPTORES ELÉTRICOS Diferentemente dos geradores, os receptores são aparelhos capazes de receber a energia elétrica e transformá-la em outras formas de energia que não sejam exclusivamente a energia térmica. Já discutimos amplamente os geradores no capitulo anterior, agora vamos nos dedicar e entender como funciona os receptores elétricos. Figura 129: O receptor recebe energia elétrica, transforma uma parte em energia não elétrica e dissipa o restante. Disponível em: (https://brasilescola.uol.com.br/fisica/receptores- eletricos.htm) Existem diversos tipos de receptores, como exemplo, podemos citar os motores elétricos, que transformam energia elétrica em energia cinética. Na Figura 130, temos três exemplos de aparelhos que usam motores elétricos: o ventilador, a batedeira de bolos e o liquidificador. Nesses aparelhos, há transformação de energia elétrica em energia de movimento (cinética) das pás. Figura 130: Alguns exemplos de receptores elétricos. https://brasilescola.uol.com.br/fisica/receptores-eletricos.htm https://brasilescola.uol.com.br/fisica/receptores-eletricos.htm OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 2 - REV. 1 Nos navios da Marinha do Brasil encontramos diversos tipos de receptores elétricos a bordo. Dentre eles podem citar: as lâmpadas elétricas, motores, equipamentos de ar condicionado, frigorífica, etc. Figura 131: Motores elétricos utilizados no NApOC Purus. 7.2- EQUAÇÃO DO RECEPTOR ELÉTRICO Em um circuito elétrico, os receptores causam uma queda na força eletromotriz fornecida pela fonte de tensão. Essa queda ocorre porque a energia fornecida é utilizada na transformação pretendida pelo aparelho elétrico e sua intensidade depende do valor da força contra eletromotriz do receptor e de sua resistência interna. A força contra eletromotriz (fcem) representa a diferença de potencial útil entre os dois terminais do receptor e é também chamada de tensão de saída. No circuito, ela normalmente é representada por E'. Para calcular a queda de potencial (V) entre os terminais do receptor, utilizamos a seguinte equação: V = E' + r'i Essa relação é conhecida como equação do receptor. O valor de “r'i” representa a quantidade de energiaque foi dissipada pelo aparelho em sua resistência interna por meio do Efeito Joule. O prefixo contra do termo força contra eletromotriz é utilizado porque ela é oposta à força eletromotriz do gerador. Observe na figura a seguir como o receptor é representado em um circuito elétrico: Figura 132: Representação do receptor elétrico em circuitos elétricos. https://brasilescola.uol.com.br/fisica/circuito-eletrico-distribuicao.htm https://brasilescola.uol.com.br/fisica/efeito-joule.htm https://brasilescola.uol.com.br/fisica/geradores-eletricos-forca-eletromotriz.htm OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 3 - REV. 1 Esse símbolo é o mesmo utilizado para os geradores, e a diferença está no sentido da corrente elétrica. Em um circuito com os dois componentes, reconhecemos o gerador como o que possui força eletromotriz maior do que a força contra eletromotriz. A equação do gerador pode ser representada graficamente, e o valor de E' e r' são constantes. O gráfico obtido é uma reta, conforme mostra a figura a seguir: Figura 133: Gráfico representando a função do receptor elétrico. A partir da análise do gráfico, podemos perceber que, quando a corrente elétrica é igual a zero (i = 0), não ocorre dissipação de energia na resistência interna, de forma que V = E'. Outra conclusão que podemos tirar é que, quando a corrente i aumenta, aumenta-se também a ddp entre os terminais do receptor, já que o valor r'.i aumenta. 7.3- CURTO-CIRCUITO Um curto-circuito é um percurso que pode ocorrer acidentalmente, pois possui baixa resistência ôhmica e, portanto, permite a passagem de uma corrente excessiva. Podemos afirmar que um curto- circuito também se caracteriza sempre que a resistência de um circuito ou parte do circuito cair a um valor ôhmico igual a zero. Abaixo representa um curto-circuito devido a uma ligação incorreta, que motivou o efeito do excesso de corrente no resistor R2 da figura. Figura 134: Curto-circuito devido a uma ligação incorreta. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 4 - REV. 1 nula. Observação: a linha contínua da figura abaixo indica que a resistência do circuito é Figura 135: Resistor em curto circuito. Pela propriedade, podemos afirmar que a corrente elétrica circula pelo caminho de menor resistência. É comum ocorrer curto-circuito como resultado de fiação incorreta ou falha de isolamento. O curto-circuito pode causar vários danos nos circuitos elétricos, pois provoca reações muito violentas em virtude da dissipação instantânea de energia. Nessas reações ocorrem explosões, dissipação de calor, produção de faíscas, etc. Como vimos no Capítulo 6 utilizamos fusíveis ou disjuntores no local onde passa corrente elétrica com a finalidade de evitar o curto-circuito. Os disjuntores funcionam como um interruptor automático, pois quando detectam falha na corrente elétrica automaticamente são desligados, deixando assim o circuito aberto. Uma das características dos disjuntores é que podem ser religados manualmente. Já os fusíveis possuem a mesma característica, sendo diferenciados pelo fato de ficarem inutilizados quando realizam a interrupção. 7.4- ASSOCIAÇÕES DE RESISTORES, GERADORES E RECEPTORES. A associação de geradores serve para encontrarmos certa ddp, para um circuito, que não pode ser fornecida por apenas um gerador. Então, podem-se associar os geradores em série e em paralelo. 7.4.1 - LEI DE POUILLET Considere o circuito da Figura 136 constituído de um gerador ligado aos terminais de um resistor. Este circuito é percorrido por uma corrente somente e é denominado circuito simples. Figura 136: Circuito elétrico simples. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 5 - REV. 1 A tensão elétrica entre os polos do gerador (U = E – r.i) é igual à tensão elétrica no resistor (U = R.i). Portanto, podemos escrever: E - r.i = R.i E = (r + R).i i = E/(r + R) Essa fórmula que permite calcular a intensidade da corrente elétrica num circuito simples recebe o nome de Lei de Pouillet, em homenagem ao físico francês Claude Pouillet. Se o gerador estiver ligado a uma associação de resistores, como na Figura 137, determina-se a resistência equivalente Req e, a seguir, aplica-se a Lei de Pouillet: Figura 137: Lei de Pouillet aplicada numa associação mista de resistores, com i = E / (r + Req). Se tivermos uma associação de geradores, determinamos a FEM equivalente e, a seguir, aplicamos a lei de Pouillet. Exemplos: 1º) Figura 138: 1º) Exemplo associação de geradores, com i = 3E / (3r + R). OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 6 - REV. 1 2º) Figura 139: 2º) Exemplo associação de geradores, com i = E / [(r / 3) + R]. 7.1 - PROBLEMAS PROPOSTOS: 1 - Considere o circuito abaixo. Determine as leituras do amperímetro e do voltímetro, considerados ideais. 2 - Determine a intensidade da corrente que atravessa o circuito simples esquematizado abaixo. Ao lado do circuito são representadas as curvas características do gerador e do resistor. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 7 - REV. 1 3 - Para o circuito esquematizado, determine as intensidades das correntes i, i1 e i2. 4 - Determine a leitura do amperímetro ideal inserido no circuito, conforme indicado a seguir. 5 - Determine a leitura do amperímetro ideal inserido no circuito abaixo. 7.4.2- CIRCUITO ELÉTRICO DE MALHA ÚNICA COM GERADORES E RECEPTORES (LEI DE POUILLET) Seja um gerador de força eletromotriz (FEM) e resistência interna r, um receptor de força contra eletromotriz (FCEM) E’ e resistência interna r’ e um resistor de resistência R, associados em série conforme a Figura 140, constituindo um circuito elétrico de malha única. Como estão em série, a intensidade da corrente elétrica i é a mesma em cada dispositivo. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 8 - REV. 1 Figura 140: Circuito de malha única. O gerador origina em seus terminais A e B uma DDP (tensão) U que provoca uma elevação de potencial e que deve ser igual à soma das quedas de potenciais provocadas pelo resistor U’ e pelo receptor U’’, ou seja, U = U’ + U’’. Mas U = E – r.i . Então, U’ = R.i e U’ = E’ + r’.i . Assim, temos que E – r.i = R.i + E’ + r’.i E – E’=(r + r’ + R).i i = (E – E’) / (r + r’ + R) Generalizando em circuitos de uma única malha, temos que: Analise com atenção esse exemplo que segue no circuito esquematizado na Figura 141, determine: Figura 141: Circuito. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 9 - REV. 1 a) A intensidade da corrente elétrica no gerador, no receptor e na resistência de cincoΩ. b) A diferença de potencial nos terminais do gerador, do receptor e do resistor de cincoΩ. SOLUÇÃO a) Como o sentido da corrente elétrica não é especificado (Figura 141), ela obedece ao de maior fem, que é a do gerador, onde a corrente sai pelo polo positivo. No caso, o de fem 17V é o gerador e a corrente no circuito é no sentido anti-horário, pois acorrente sai do polo positivo do mesmo. Deve-se transformar o circuito em um de malha única e, assim, deve-se resolver a associação paralelo (8/2 = 4Ω). Figura 142: Circuito de malha única indicando o sentido da corrente. Aplicando a Lei de Pouillet, i = (∑E – ∑E’)/∑R =(17 – 10)/(4 + 2 + 1 + 5 +2) i = 7/14 i = 0,5A que é a mesma através de todos os elementos do circuito, pois estão em série. b) (gerador) Ug = E – r.i = 17 – 2.0,5 Ug = 16V (receptor) Ur = E’ + r’.i = 10 + 1.0,5 Ur = 9,5V Uresistor = R.i = 5.0,5 Uresistor = 2,5V OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 7 - 10 - REV. 1 Não se esqueça da dica que segue, conforme Figura 143: Figura 143: Resumo do esquema da Lei de Pouillet. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 1 - REV. 1 CAPÍTULO 8 8.0- CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS:DIODO, LED E TRANSISTOR. 8.1- SEMICONDUTORES Semicondutores são materiais que possuem condutividade intermediária, entre condutores e isolantes. Esses pequenos dispositivos são impactantes na sociedade atual, pois estão presentes em todos os aparelhos eletrônicos. A maioria dos semicondutores é composta por silício, porém, o germânio também pode ser utilizado por possuir propriedades em comum. São semicondutores o diodo, o LED e o transistor. Os corpos, quanto à condução de corrente elétrica, são classificados em bons condutores, maus condutores e isolantes. Como já foi dito no capítulo 1, o semicondutor é um mal condutor de eletricidade e está mais para isolante do que para condutor. Os semicondutores tais como Germânio e Silício, na forma de cristal puro, são pouco usados na eletrônica. Porém quando acrescentada certa quantidade de “impureza”, podem conter maior ou menor quantidade de elétrons livres ou lacunas, dependendo do tipo de impureza acrescentada. As lacunas são denominadas portadoras positivas, e os elétrons, portadores negativos. A qualidade e quantidade de impurezas acrescentadas são cuidadosamente controladas por um processo conhecido como “doping”. Impurezas podem ser do tipo doadora ou recebedora. 8.1.1- SEMICONDUTOR DO TIPO N Associando-se o cristal de Germânio (tetravalente) com uma impureza do tipo Fósforo (penta valente) em uma ligação covalente, os átomos ficam ligados com seus elétrons de valência, permitindo que um elétron excedente fique livre. Podemos observar na Figura 144 que o quinto elétron da camada de valência do Fósforo não poderá se estabelecer em uma ligação covalente. Este elétron extra (quando acionado por uma d.d.p.) poderá se mover na estrutura cristalina do átomo de Germânio. Figura 144: Semicondutor do tipo N. (Disponível em: https://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/semicondutores) http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/semicondutores) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 2 - REV. 1 8.1.2- SEMICONDUTOR TIPO P Associando-se o cristal de Germânio (tetravalente) com a impureza Gálio que possui três elétrons na camada de valência, em uma ligação covalente, os átomos ficam ligados em seus elétrons de valência. Entretanto, com apenas três elétrons na camada de valência do elemento Gálio, há uma lacuna na ligação covalente desses dois átomos. Figura 145: Semicondutor do tipo P. (Disponível em: https://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/semicondutores) 8.1.3- FLUXO DE CORRENTE NO SEMICONDUTOR “DOPADO” TIPO N. Quando submetidos a uma DDP, os elétrons livres são repelidos pelo potencial negativo da fonte, formando um fluxo de elétrons, como mostrado Figura 146. Figura 146: Fluxo de corrente no material “dopado” tipo N. 8.1.4- FLUXO DE CORRENTE NO SEMICONDUTOR “DOPADO” TIPO P Quando submetidos a uma DDP, as lacunas têm força de prótons, podendo atrair elétrons da fonte externa para compensar a falta deste, porém são atraídos novamente pelo potencial positivo da fonte, formando um fluxo de elétrons nas lacunas sucessivas. Vide Figura 147. http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/semicondutores) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 3 - REV. 1 Figura 147: Fluxo de corrente no material “dopado” tipo P. 8.2- DIODO DE JUNÇÃO PN Unindo-se os semicondutores N e P acima descritos, conforme a sequência mostrada na Figura 148 pode representar na área da junção PN à formação de uma “pilha imaginária”, devido à força eletrostática entre lacunas e elétrons livres. Em consequência, alguns elétrons migram para o lado P, atraídos por essa força para compensar a carga de algumas lacunas. Porém, devido às suas ausências no lado N, criam-se novas lacunas. Figura 148: Esquema de funcionamento do diodo de junção PN. Portanto, a pilha imaginária que surge denomina-se barreira de potencial, com uma d.d.p. aproximada de 0,4Volts. Nos semicondutores de Silício, essa d.d.p. é de aproximadamente 0,7Vols. O símbolo típico de um diodo semicondutor é indicado pela Figura 149. Figura 149: Símbolo de diodo. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 4 - REV. 1 8.2.1- FUNÇÃO DO DIODO EM UM CIRCUITO O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente o atravesse num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Quando colocado em um simples circuito bateria-lâmpada, o diodo permite ou impede corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo. Figura 150: Polarização direta e inversa (reversa). Na imagem da esquerda o diodo está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem da direita o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada. O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está diretamente polarizado e aberto quando o diodo está inversamente polarizado). A diferença mais substancial é que, quando diretamente polarizado, há uma queda de tensão no diodo muito maior do que aquela que geralmente se observa em chaves mecânicas (no caso do diodo de silício, 0,7 V). Assim, uma fonte de tensão de 10 V, polarizando diretamente um diodo em série com uma resistência, faz com que haja uma queda de tensão de 9,3 V na resistência, pois 0,7 V ficam no diodo. Na polarização inversa, acontece o seguinte: o diodo faz papel de uma chave aberta, já que não circula corrente, não haverá tensão no resistor, a tensão fica toda retida no diodo, ou seja, nos terminais do diodo há uma tensão de 10 V. A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar corrente alternada em corrente contínua pulsante. Como no semiciclo negativo de uma corrente alternada o diodo faz a função de uma chave aberta, não passa corrente elétrica no circuito (considerando o “sentido convencional de corrente”, do “positivo” para o “negativo”). A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos de corrente contínua, é controlar o fluxo da corrente, permitindo que a corrente elétrica circule apenas em um sentido. O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais, portanto, este é o efeito diodo semicondutor tão usado na eletrônica, pois permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos eletrônicos e nos retificadores. https://pt.m.wikipedia.org/wiki/Sentido_(matem%C3%A1tica) OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 5 - REV. 1 Os retificadores são circuitos elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC). CA vem de Corrente alternada, significa que os elétrons circulam em dois sentidos, CC (DC), Corrente contínua, isto é circula num só sentido. 8.2.2- DIODO DO TIPO LED O LED é um diodo especial que emite luz para sinalizar o funcionamento de equipamentos eletrônicos. Existe LED que emite luz nas cores amarelo, vermelho, branco, azul, verde, entre outras. O símbolo típico para diodo semicondutor LED está mostrado na Figura 151. Figura 151: Símbolo de LED. Geralmente, os LEDs são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses painéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosca. Figura 152: LEDs. (Disponível em: https://www.superbrightleds.com/moreinfo/through-hole/rgb-fast- color-changing-led-2/1041/) 8.3- TRANSISTOR Um transistor é constituído basicamente de dois diodos semicondutores montados inversamente entre si, cujo elemento central é comum às duas junções. Possuem as seguintes características: a) são feitos de material negativo/positivo/negativo ou positivo/negativo/positivo;b) são pequenos e extremamente fortes; c) são constituídos para suportarem forças centrífugas e elevada aceleração em relação à força de gravidade e força de impacto; http://www.superbrightleds.com/moreinfo/through-hole/rgb-fast-color- http://www.superbrightleds.com/moreinfo/through-hole/rgb-fast-color- OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 6 - REV. 1 d) são constituídos de um sistema sólido e não requerem invólucros; e) têm um bom desempenho com fonte de baixa voltagem; f) sua grande versatilidade é de que favorece a sua aplicação em equipamentos eletrônicos portáteis; g) são constituídos com vida útil para milhares de horas. Na Figura 153, o diodo semicondutor é densamente dopado com impureza doadora N no lado esquerdo, enquanto que em P é dopado com impureza recebedora numa camada muito fina. Na Figura 154, o diodo semicondutor é pouco dopado com impureza doadora N no lado direito, enquanto que em P é dopado com impureza recebedora. O lado direito N é constituído de uma estrutura maior para suportar a corrente que vai ser consumida através da resistência de carga RL. Composição e diagrama esquemático do transistor NPN. Figura 153: Emissor densamente dopado. Figura 154: Coletor com estrutura maior e menos dopado. Figura 155: Junção NPN. 8.3.1– TRANSISTOR DO TIPO NPN E PNP Nos transistores NPN e PNP, emprega-se o mesmo material do diodo semicondutor, tal como mencionado no subitem anterior. 8.3.1.1– CORRENTE NO TRANSISTOR DE JUNÇÃO NPN Inicialmente, convém lembrar que no diodo semicondutor polarizado diretamente, a d.d.p. da barreira de potencial é neutralizada pela polaridade d bateria ligada externamente, permitindo que a corrente circule, conforme Figura 156. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 7 - REV. 1 Figura 156: Sentido da corrente no transistor NPN. Figura 157: Polarização Direta. O caminho a ser seguido pela circulação da corrente em um transistor de junção NPN, após neutralizar a barreira de potencial por meio da polaridade da fonte externa é descrito como: a corrente no circuito emissor (E) se recombina com as lacunas da base (P) e alcança o circuito do coletor (C), em seguida é polarizado inversamente na direção da resistência de carga RL (Figura 158). Figura 158: Símbolo do transistor NPN. Figura 159: Circulação da corrente. Portanto, a circulação da corrente do emissor (E) para o circuito coletor (C) e circuito externo, ocorre no sentido dos ponteiros do relógio (Figura 159). 8.3.1.2- CORRENTE NO TRANSISTOR DE JUNÇÃO PNP A corrente que circula no circuito externo consiste no movimento de elétrons no sentido anti-horário tanto no emissor (E) como no coletor (C). Figura 160: Símbolo do transistor PNP. Figura 161: Sentido da corrente no transistor PNP. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 8 - REV. 1 Observe no diagrama esquemático do transistor PNP acima que a corrente sai do emissor (E) para a resistência de saída RL. Regra para as simbologias dos transistores NPN e PNP: “as setas sempre apontam para o circuito negativo”. 8.3.2- COMPARAÇÃO DO TRANSISTOR COM A VÁLVULA TRIODO O triodo ou válvula eletrônica de três elementos é de construção simples ao diodo, exceto pelo acréscimo de uma grade de arame entre o cátodo e a placa. A adição da “grade de controle” permite à válvula amplificar. As válvulas triodos foram sendo substituídas pelos transistores, por razões de simplificação dos circuitos eletrônicos e avanços tecnológicos. Vantagens dos transistores em relação às válvulas: a) tamanho reduzido – possibilita a construção de equipamentos menores; b) grande durabilidade – os semicondutores funcionam por tempo indefinido; c) menos aquecimento - menos consumo de energia elétrica; d) baixa voltagem – os semicondutores requerem tensões baixas; e e) custo reduzido – os semicondutores custam bem menos que as válvulas diodos. 8.4- RADAR Radar é um sistema de detecção de objetos, que usa ondas de rádio para determinar o intervalo, altitude, direção e velocidade de tais objetos. Esses objetos podem ser aeronaves, navios, naves espaciais, mísseis teleguiados, automóveis, formações meteorológicas e geológicas. A antena transmite pulsos de ondas de rádio, ou micro-ondas, que "ricocheteiam" em qualquer objeto que atingem. A energia resultante desse ricochete, que geralmente está localizado no mesmo local que o transmissor, retorna para a antena. Figura 162: Radar. (Foto: David Monniaux / Wikimedia) Esse sistema foi secretamente desenvolvido por vários países antes e durante a Segunda Guerra Mundial. O termo "RADAR" foi cunhado em 1940 pela Marinha dos Estados Unidos, como uma sigla para "RAdio Detection And Ranging". Logo, o termo entrou em vários idiomas, tornando- se um substantivo comum. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 9 - REV. 1 Hoje, o uso do radar é bastante diversificado, incluindo o controle de tráfego aéreo, a astronomia, sistemas de defesa aérea, sistemas antimísseis, radares marítimos para localizar pontos de referência e outros navios, sistemas anticolisão das aeronaves, sistemas de vigilância do mar, vigilância espacial, sistemas de monitoramento e controle de rodovias, entre outros usos militares. Além dessas tarefas, o radar também pode ser usado para monitoramento meteorológico de precipitação pluviométrica. Sistemas de radar de alta tecnologia são associados com o processamento de sinal digital, sendo capaz de extrair a informação útil a partir de níveis de ruído muito elevados. Outros sistemas semelhantes ao radar fazem uso de outras partes do espectro eletromagnético. Um exemplo é "lidar", que utiliza a luz visível de lasers em vez das ondas de rádio. A origem do sistema de rádio data de 1886, quando o físico alemão Heinrich Hertz mostrou que as ondas de rádio poderiam ser refletidas em suficientemente sólidos. Em 1895, Alexander Popov, um professor de física da Marinha Imperial Russa, em Kronstadt, desenvolveu um aparelho com um tubo coesor para a detecção de relâmpagos à distância. No ano seguinte, ele acrescentou um transmissor de centelha. Em 1897, ao testar este equipamento para comunicação entre dois navios no Mar Báltico, notou certa interferência causada pela presença de um terceiro navio. Em seu relatório, Popov escreveu que este fenômeno pode ser usado para a detecção de objetos, apesar dele não ter realizado um estudo mais profundo sobre esse fenômeno em especial. O inventor alemão Christian Hülsmeyer foi o primeiro a usar ondas de rádio para detectar a presença de objetos metálicos à distância. Em 1904, ele demonstrou a viabilidade de detectar um navio, mesmo numa densa névoa, apesar de não conseguir saber sua distância. Ele obteve uma patente para o seu dispositivo de detecção em abril de 1904 e, mais tarde, uma patente de uma técnica relacionada, para calcular a distância dos navios. Ele também requisitou uma patente britânica em 23 de setembro de 1904, para um sistema completo que ele chamou de telemobiloscópio. Em 1922 A. Hoyt Taylor e C. Leo Young, pesquisadores que trabalhavam na Marinha dos EUA, colocaram um transmissor e um receptor em margens opostas do rio Potomac, e descobriram que um navio que passasse através do feixe causava a oscilação do sinal recebido. Taylor apresentou um relatório sugerindo que esta propriedade poderia ser utilizada para detectar a presença de navios em situações de baixa visibilidade, mas a Marinha não deu prosseguimento aos experimentos naquele momento. Oito anos depois, Lawrence A. Hyland, funcionário do Laboratório de Pesquisa Naval, observando semelhantes efeitos de oscilação nas ondas de rádio, entrou com um pedido de patente, bem como uma proposta de trabalho no Laboratório de Pesquisa da Marinha, junto com Taylor e Young, para pesquisarem o que chamavam de sinas eco rádio de alvos móveis. Antes da Segunda Guerra Mundial, pesquisadoresna França, Alemanha, Itália, Japão, Holanda, União Soviética, Reino Unido e Estados Unidos, de forma independente e em total segredo, desenvolveram as tecnologias que levariam à versão atual do rádio. A Austrália, o Canadá, a Nova Zelândia e a África do Sul também realizaram alguns desenvolvimentos na tecnologia do rádio durante a guerra, mas numa escala menor. Durante o mesmo período, o OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - 8 - 10 - REV. 1 engenheiro militar soviético Oschepkov, em colaboração com Instituto Eletro físico de Leningrado, produziu um dispositivo experimental, capaz de detectar um avião dentro de um raio de 3 km de distância do receptor. Os britânicos foram os primeiros a explorar plenamente o radar como um sistema de defesa contra ataque de aeronaves. Principalmente estimulados pelo temor de que os alemães estivessem de fato desenvolvendo o famoso Raio da Morte. Após estudos, eles concluíram que detectar o Raio da Morte seria impraticável, mas que a detecção de aeronaves parecia altamente viável. A equipe de Robert Watson Watt demonstrou a seus superiores as capacidades de um protótipo funcional, patenteando o dispositivo em seguida, que, posteriormente, serviriam como a base da rede de proteção por rádio da Grã-Bretanha. A guerra precipitou a pesquisa para encontrar a melhor forma de uso do rádio, além de melhorar a sua portabilidade e lhe dar mais recursos, incluindo sistemas de navegação complementares usado pela Pathfinder da Força Aérea Real. Um sistema de radar é formado por um transmissor que emite ondas de rádio, ou sinais de radar, em direções predeterminadas. Quando estes entram em contato com um objeto, são refletidas ou espalhadas em várias direções. Os sinais de radar são especialmente bem refletidos por materiais de condutividade eléctrica, como a maioria dos metais, pela água do mar e por terra molhada. Os sinais de radar que são refletidos de volta para o transmissor são as ondas que de fato fazem o trabalho do radar. Se o objeto está em movimento na sua direção ou longe do transmissor, há uma ligeira alteração equivalente da frequência das ondas de rádio, causada pelo efeito Doppler. Os receptores de radar ficam, geralmente, no mesmo local do transmissor. Os sinais de radar capturados pelo receptor são, obviamente, muito fracos, sendo necessário o uso de amplificadores eletrônicos. Métodos mais sofisticados de processamento de sinal também são utilizados a fim de recuperar os sinais de radar que sofrem interferência. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - A - 1 - REV. 1 ANEXO A REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ANJOS, Ivan Gonçalves dos. Física. Editora IBEPE, 1999. 2. BONJORNO, Regina F. S. Azenha –José Roberto – Valter, Física 3, Eletrostática, Eletrodinâmica, Eletromagnetismo, São Paulo:FTD, 1985. 3. CALÇADA, C.S. Física Clássica - Eletricidade, V.5. São Paulo: Atual, 1998. 4. ENGRO - KITA, Instrumentos Elétricos LTDA, manual de instruções Mod. AOV 1000; 5. FACET(Software), Falhas Encontradas em Equipamentos Eletrônicos, Lab-Volt Systems. 6. FERREIRA, Ailton Povoas- Curso Básico de Eletrônica. Editora Livraria Freitas Bastos S.A. 4ª edição, Rio de Janeiro, RJ, 1987. 7. GASPAR, Alberto. Física: Eletromagnetismo, Física Moderna. Vol.-3, 1ª Ed., São Paulo, 2003. 8. GRAY – WALLACE. Princípios e Aplicações de Eletrotécnica, 7ª Edição, Editora Livros Técnicos e Científicos, Editora S.A., Rio de Janeiro-RJ, 1976. 9. GUALTER e ANDRÉ. Física, volume único, 3ª Ed., 5ª tiragem 2001, Editora Saraiva, 1998. 10. GUALTER, J.B. Tópicos de Física. V.3. 17ª ed. São Paulo Saraiva, 2007. 11. GUSSOV, Milton. Eletricidade Básica. 2ªed. Pearson Makron Books, São Paulo, 1997. 12. HALLIDAY e RESNICK. Física, volume 3 - Eletromagnetismo, 9a Ed., Edit. Editora Livros Técnicos e Científicos, 2012. 13. LUZ, A.M.R. Curso de Física. V.3. 6ª ed. São Paulo: Scipione, 2005. 14. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica, Volume – 1, São Paulo. Editora McGraw-Hill, 1987. 15. Manual de Segurança para Laboratórios Didáticos de Eletricidade, Eletrotécnica, Automação, Máquinas Elétricas e Sistemas de Potência, Revisão 1.0, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2012. 16. NICOLAU e TOLEDO. Física Básica, Volume único, Editora Atual, 4ª impressão, São Paulo, 2001. 17. OMOTE, Noriyasu. Física: 2º grau. Editora Moderna. 1981. 18. PARANÁ,(Djalma Nunes da Silva). Física para o Ensino Médio, 2.Ed., São Paulo. Editora Ática, 1999. 19. RAMALHO JUNIOR, F, Os Fundamentos da Física. V.2. 8ª ed. São Paulo: Moderna, 2003. 20. SAMPAIO, José Luiz – CALÇADA, Caio Sérgio. Universo da Física, Volume 3, Saraiva OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - A - 2 - REV. 1 S.A. Livreiros Editores, São Paulo, 2001. 21. SISTEMA de ENSINO. Física 3º Ano, Ensino Médio, Editora Opet, Curitiba-PR, 2009. 22. Sistema Internacional de Unidades - Tradução autorizada pelo BIPM, 8ª ed., INMETRO, 2006. 23. Sítio Mundo da elétrica. Disponível em: < https://www.mundodaeletrica.com.br/>. Acesso em 18 mar. 2018. 24. U. S NAVY, Curso Completo de Eletricidade Básica. Hemus, 2002. 25. U. S. NAVY, Curso Completo de Eletrônica Básica. Hemus, 2002. 26. VAN VALKENBURGH, Nooger & Neville, Inc. Eletricidade Básica. Vol. 3, 4 e 5. Ao Livro Técnico, 1982. 27. VIEIRA, Juvenal A.e SERGIO, L. Fernandes. Rádio sem segredos, 3 Edição, Ed. Técnica Electra. 28. WILSON e KAUFMAN. Eletricidade Básica - Teoria e Prática, Editora Melhoramentos. https://www.mundodaeletrica.com.br/ OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 1 - REV. 1 ANEXO B EXERCICIOS DE FIXAÇÃO PROPOSTOS 01) A civilização moderna está voltada para um alto consumo de energia que é utilizada nas indústrias, nos transportes, nos eletrodomésticos e nas telecomunicações. Nessa busca por energia, o homem vai atrás de várias fontes, tais como: I. combustíveis fósseis. II. energia hidrelétrica. III. energia nuclear. IV. etanol. V. energia eólica (energia dos ventos). Desses 5 tipos, ( a ) apenas um é renovável. ( b ) apenas dois são renováveis. ( c ) todos são renováveis. ( d ) apenas quatro são renováveis. ( e ) apenas três são renováveis. 02) Qual das seguintes fontes de produção de energia é a mais recomendável para a diminuição dos gases causadores do aquecimento global? a) ( )Óleo diesel. b) ( )Gasolina. c) ( )Carvão mineral. d) ( )Vento. e) ( )Gás natural. 03) Um corpo possui o número total de prótons maior que o número total de elétrons. Este corpo está: a) ( ) eletrizado positivamente b) ( ) eletricamente neutro c) ( ) eletrizado negativamente d) ( ) eletrizado positiva ou negativamente, dependendo do valor da carga do próton e do valor da carga do elétron e) ( ) nenhuma das anteriores 04) Assinale a alternativa que completa corretamente as lacunas da frase: O campo elétrico é uma grandeza ________, definido como a __________ exercida por unidade de carga. O potencial elétrico, por sua vez, é uma grandeza _________, definida como a __________ por unidade de carga. a) ( )escalar; força elétrica; vetorial; energia potencial elétrica b) ( )vetorial; força elétrica; escalar; energia potencial elétrica c) ( )escalar; energia potencial elétrica; escalar; força elétrica d) ( )física; corrente elétrica; vetorial; força elétrica e) ( )física; carga elétrica; escalar; força elétrica. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 2 - REV. 1 05) Uma das principais contribuições para os estudos sobre eletricidade foi a da definição precisa da natureza da força elétrica realizada, principalmente, pelos trabalhos de Charles Augustin de Coulomb (1736-1806). Coulomb realizou diversos experimentos para determinar a força elétrica existente entre objetos carregados, resumindo suas conclusões em umarelação que conhecemos atualmente como Lei de Coulomb. Considerando a Lei de Coulomb, assinale a alternativa correta. a) ( )A força elétrica entre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional ao produto das cargas e ao quadrado da distância entre estes corpos. b) ( )A força elétrica entre dois corpos eletricamente carregados é inversamente proporcional ao produto das cargas e diretamente proporcional ao quadrado da distância entre estes corpos. c) ( )A força elétrica entre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre estes corpos. d) ( )A força elétrica entre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional a distância entre estes corpos. e) ( )A força elétrica entre dois corpos eletricamente carregados é diretamente proporcional a distância entre estes corpos e inversamente proporcional ao produto das cargas. 06) As linhas de força do conjunto de carga Q1 e Q2 são mostradas na figura. Para originar essas linhas, os sinais de Q1 e Q2 devem ser respectivamente: a) ( ) Q1 e Q2 são cargas negativas b) ( ) Q1 é positiva e Q2 é negativa c) ( ) Q1 e Q2 são cargas positivas d) ( ) Q1 é negativa e Q2 é positiva e) ( ) Q1 e Q2 são neutras 07) Uma Corrente de 5µA equivalente a a)( ) 5 x 109 A b)( ) 5 x 106 A c)( ) 50000 A d)( )0,005 A e)( ) 0,000005 A 08) Quais as cores que representam da esquerda para a direita um resistor de resistência igual a 320 000 ohms ? a) ( ) laranja, vermelha, preta; d) ( )laranja, vermelha, amarela; b) ( )vermelha, laranja, preta; e) ( ) amarela, laranja, vermelha; c) ( ) preta, vermelha, laranja; OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 3 - REV. 1 09) Correntes elétricas superiores a 0,1 A é capazes de provocar parada cardíaca, causar queimaduras e, até mesmo, levar a vítima a óbito. Considere que a pele humana seca tem cerca 100 000 Ω de resistência elétrica. A corrente elétrica produzida por uma diferença de potencial de 200 V em um ser humano é de aproximadamente: a) ( ) 0,02 A b) ( ) 0,002 A c) ( ) 200,0 A d) ( ) 0,2 A e) ( ) 0,01 A 10) As cores violeta, verde, azul e prata são de um resistor de a)( ) 75 M 10% de tolerância. d)( ) 75 M 5% de tolerância. b)( ) 7,5 M 10% de tolerância. e)( ) 7500 M 0,5% de tolerância. c)( ) 0,75 M 5% de tolerância. 11) A única grandeza fundamental diretamente relacionada com os fenômenos elétricos que consta na tabela do Sistema Internacional de Unidades é o Ampére (A). No entanto, sabemos que a unidade utilizada para determinar o módulo da carga elétrica presente em um corpo é o Coulomb (C). Dessa forma, qual unidade representa a quantidade de carga elétrica presente em um corpo de acordo com o SI? a) ( ) C/m b) ( ) C c) ( ) A.s d) ( ) A.m e) ( ) A/h 12) A corrente elétrica, através de organismos, procura espasmos musculares; sensação trepidante e descontrolada. Este efeito que a corrente elétrica produz denomina-se. a) ( ) Fisiológico b) ( ) Efeito elétrico c) ( ) Efeito joule ou térmico d) ( ) Magnético e) ( ) Químico 13) Ao se executar qualquer reparo ou manutenção em equipamentos ou painéis elétricos, deve- se tomar algumas precauções, como objetivo de evitar acidentes pessoais e danos materiais. O mais importante deles, seguindo uma ordem de prioridade, é a) ( ) desalimentar o circuito e colocar aviso de “não alimentar, homens trabalhando”, com plaquetas apropriadas. b) ( ) utilizar material de proteção individual , como luvas, óculos e ferramentas adequadas. c) ( ) avisar ao mais antigo do grupo de trabalho que a faina será realizada, informando o local e o circuito. d) ( ) manter o CCM (centro de controle da máquina ) informado do andamento do reparo e) ( ) comunicar assim que a faina terminar. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 4 - REV. 1 14) Ao chegar ao laboratório foi pedido que os alunos de posse de um multímetro verificasse uma tensão de uma fonte como precaução de segurança, ao ser medir uma tensão desconhecida o que se deve fazer a) ( ) Selecionar Amperímetro, partindo da menor escala. b) ( ) Selecionar Voltímetro, partindo da menor escala c) ( ) Selecionar ôhmimetro, desalimentar o circuito. d) ( ) Selecionar Voltímetro, partindo da maior escala e) ( ) Selecionar Amperímetro, partindo da maior escala 15) O choque elétrico é uma sensação provocada pela passagem de corrente elétrica pelo corpo. As consequências de um choque vão desde um simples susto a morte. A circulação das cargas elétricas depende da resistência do material. Para o corpo humano, essa resistência varia de 1 000 Ω, quando a pele está molhada, até 100 000 Ω, quando a pele está seca. Uma pessoa descalça, lavando sua casa com água, molhou os pés e, acidentalmente, pisou em um fio desencapado, sofrendo uma descarga elétrica em uma tensão de 120 V. Qual a intensidade máxima de corrente elétrica que passou pelo corpo da pessoa? a) ( ) 1,2 mA b) ( ) 120 mA c) ( ) 1,2 A d) ( ) 12 A e) ( )120 A 16) O efeito Joule é um fenômeno eletrodinâmico que acontece em razão a) ( ) do aquecimento do condutor. b) ( ) da carga elétrica. c) ( )do campo elétrico. d) ( ) da colisão entre elétrons e átomos. e) ( ) da diferença de potencial. 17) Nas questões abaixo, analise as afirmações a seguir, verificando se são verdadeiras ou falsas. a) ( ) O ohmímetro deve ser utilizado em circuitos energizados. b) ( ) Para medir corrente, o amperímetro é conectado em série com o circuito. c) ( ) Para medir tensão, o voltímetro deve ser conectado em paralelo com o circuito. d) ( ) Se quebrarmos os dois ímãs ao meio, obteremos quatro pedaços de material sem propriedades magnéticas, pois teremos separados os polos norte e sul um do outro. e) ( ) As linhas de campo magnético dentro de um ímã de barra dirigem-se de sul para norte. f) ( ) Todos os imãs possuem dois polos, o polo norte e o sul. O polo sul é o positivo de um imã, enquanto o norte é negativo. g) ( ) Ao aproximar os polos iguais de um imã, eles repelem-se. Quando polos diferentes aproximam-se, eles atraem-se. h) ( ) Uma carga elétrica submetida a um campo elétrico sofre sempre a ação de uma força elétrica. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 5 - REV. 1 i) ( ) Uma carga elétrica submetida a um campo magnético sofre sempre a ação de uma força magnética j) ( ) A força magnética que atua sobre uma carga elétrica em movimento dentro de um campo magnético é sempre perpendicular à velocidade da carga. 18) Medidas de intensidade de corrente e d.d.p foram realizadas com dois condutores de metais diferentes e mantidos à mesma temperatura, encontrando-se os resultados da tabela seguinte: Nestas condições, pode-se afirmar que: a) ( ) ambos os condutores obedecem a lei de ohms. b) ( ) nenhum dos condutores obedecem a lei de ohms. c) ( ) somente o condutor I obedece a lei de ohms. d) ( ) somente o condutor II obedece a lei de ohms. e) ( ) nenhuma das anteriores. 19) Julgue as afirmações a seguir sobre a segunda lei de Ohm. I ) A resistência é inversamente proporcional à área de secção transversal do material; II ) A resistência é diretamente proporcional ao comprimento do material; III) A unidade de medida da resistividade é o ohm por metro (Ω/m); IV) A resistividade é uma grandeza adimensional.Marque a alternativa que indica somente as afirmações verdadeiras. a) ( ) I e II b) ( ) II e III c) ( ) Apenas IV d) ( ) I e IV e) III e IV 20) No circuito ao lado, a corrente It vale 2,0 A e a resistência são R1 = 8Ω e R2 = 2Ω. A corrente I2 em R2 é: a) ( ) 2,0 A b) ( ) 1,6 A c) ( ) 1,0 A d) ( ) 0,6 A e) ( ) 0,4 A 21) Um resistor de 10 Ω no qual flui uma corrente elétrica de 3,0 ampères está associado em paralelo com outro resistor. Sendo a corrente elétrica total, na associação, igual a 4,5 ampères, o valor do segundo resistor, em ohms, é: a) ( ) 5,0 b) ( ) 10 c) ( ) 20 d) ( ) 30 e) ( ) 60 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 6 - REV. 1 22) Calcular a resistência equivalente do circuito abaixo a) ( ) 3Ω b) ( ) 5Ω c) ( ) 8Ω d) ( ) 20Ω e) ( ) 22Ω 23) No circuito representado no esquema a seguir, a resistência de R 2 é igual ao triplo da resistência R. Determine o valor do resistor R, em ohms. O valor do resistor R, em ohms, é igual a: a)( ) 20 b)( ) 10 c)( ) 5,0 d)( ) 3,6 e)( ) 1,8 24) Os valores nominais de uma lâmpada incandescente, usada em uma lanterna, são: 6,0 V; 20 mA. Isso significa que a resistência elétrica do seu filamento é de: a) ( ) 150 Ω, sempre, com a lâmpada acesa ou apagada. b) ( ) 300 Ω, sempre, com a lâmpada acesa ou apagada. c) ( ) 300 Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem maior quando apagada. d) ( ) 300 Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem menor quando apagada. e) ( ) 600 Ω com a lâmpada acesa e tem um valor bem maior quando apagada. 25) Um estudante de eletricidade montou um circuito formado por 16 resistores de 32 kΩ, colocados todos em paralelo entre si, e em série com 2 resistores de 4 kΩ, colocados em paralelo, qual o valor da resistência equivalente encontrada pelo estudadnte a)( ) 4 kΩ d)( ) 8,5 kΩ. b)( ) 4,5kΩ. e)( ) 10 kΩ. c)( ) 8 kΩ. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 7 - REV. 1 26) As figuras ilustram duas pilhas ideais associadas em série (primeiro arranjo) e em paralelo (segundo arranjo). Supondo que as pilhas sejam idênticas, assinale a alternativa correta: a)( ) Ambos os arranjos fornecem a mesma tensão b)( ) O primeiro arranjo fornece uma tensão maior que o segundo c)( ) Se ligarmos um voltímetro aos terminais do segundo arranjo, ele indicará uma diferença de potencial nula d)( ) Ambos os arranjos, quando ligados a um mesmo resistor, fornecem a mesma corrente e)( )Se ligarmos um voltímetro nos terminais do primeiro arranjo, ele indicará uma diferença de potencial nula 27) Dez geradores elétricos idênticos, de forças eletromotrizes iguais a 10 V, são associados em paralelo. Em relação a essa associação, podemos afirmar que: a) ( ) a força eletromotriz equivalente da associação desses geradores é de 1,0 V. b) ( ) a força eletromotriz equivalente da associação desses geradores é de 10 V. c) ( )a resistência elétrica equivalente do conjunto é maior que as resistências elétricas individuais. d) ( ) a força eletromotriz da associação será menor que as forças eletromotrizes individuais. e) ( )a força eletromotriz da associação será maior que as forças eletromotrizes individua 28) A força eletromotriz de uma bateria é bem mais definida como sendo: a) ( ) a diferença de potencial elétrico entre os extremos de uma resistência elétrica qualquer. b) ( ) a energia liberada no circuito. c) ( ) a força motriz capaz de liberar um elétron d) ( ) a diferença de potencial elétrico entre os extremos de seus polos, não interligados e) ( ) é a resistência do circuito 29) A figura a seguir apresenta uma associação mista entre três capacitores, C1, C2 e C3. Sendo suas respectivas capacitâncias 3 pF, 2 pF e 4 pF, calcule a capacitância equivalente aproximada do conjunto. a) 5,0 pf b) 4,0 pf c) 3,0 pF d) 2,0 pF e) 1,33 pF https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-associacao-geradores-serie.htm OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 8 - REV. 1 30) Um capacitor consegue armazenar cargas de até 1 nC para uma diferença de potencial entre suas placas de 1 mV. Indique, entre as alternativas abaixo, o módulo da capacitância desse dispositivo: a) ( ) 1.10-3 F b) ( ) 3.10-3 F c) ( ) 4.10-5 F d) ( ) 1.10-6 F e) ( ) 5.10-6 F 31) No circuito de um carregador possui um capacitor que acumula entre as suas placas uma quantidade de carga igual a 10 nC quando submetido a uma diferença de potencial de 10 V. Assinale a alternativa que apresenta corretamente a capacitância desse capacitor. a) ( ) 1,0 nF b) ( ) 10,0 nF c) ( ) 100 nF d) ( ) 1 pF e) ( )10 μF 32) Os ímãs têm larga aplicação em nosso cotidiano tanto com finalidades práticas, como em alto- falantes e microfones, ou como meramente decorativas. A figura mostra dois imãs, A e B, em forma de barra, com seus respectivos polos magnéticos. Analise as seguintes afirmações sobre ímãs e suas propriedades magnéticas. I. Se quebrarmos os dois ímãs ao meio, obteremos quatro pedaços de material sem propriedades magnéticas, pois teremos separados os polos norte e sul um do outro. II. A e B podem tanto atrair-se como repelir-se, dependendo da posição em que os colocamos, um em relação ao outro. III. Se aproximarmos de um dos dois ímãs uma pequena esfera de ferro, ela será atraída por um dos polos desse ímã, mas será repelida pelo outro.É correto o que se afirma em: a) ( ) I, apenas. b) ( ) II, apenas. c) ( ) I e II, apenas. d) ( ) I e III, apenas. e) ( ) II e III, apenas. 33) As substâncias que enfraquecem o campo magnético, imantam-se em sentido contrário ao do campo magnético, distorcendo as linhas de força são denominadas, substâncias: a) ( ) Ferromagnéticas; b) ( ) Paramagnéticas; c) ( ) Diamagnéticas; d) ( ) Magnéticas. e) ( ) Eletromagnética OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 9 - REV. 1 34) O polo norte de um ímã aproxima-se de uma espira circular, conforme a ilustração a seguir: Considerando apenas as interações de caráter eletromagnético entre o ímã e a espira, é correto afirmar que haverá: a) ( ) atração entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido horário para um observador que esteja acima do plano da espira. b) ( ) repulsão entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido horário para um observador que esteja acima do plano da espira. c) ( ) atração entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido anti-horário para um observador que esteja acima do plano da espira. d) ( ) atração entre eles e não haverá corrente induzida na espira. e) ( ) repulsão entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido anti-horário para um observador que esteja acima do plano da espira. 35) Durante muito tempo, desconhecia-se a relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Pensava-se, nessa época, que se tratava de fenômenos distintos sem qualquer relação entre si. No entanto, bastou um experimento para provar que esses fenômenos estavam interligados. O experimento em questão ficou conhecido como: a) ( ) experimento de Oersted. b) ( ) experimento de Faraday. c) ( ) experimento de Millikan. d) ( ) experimento de Rutherfor e) ( ) experimento de Michelson-Morley. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 10 - REV. 1 36) A figura representa uma espira condutora quadrada, apoiada sobre o plano xz, inteiramente imersa numcampo magnético uniforme, cujas linhas são paralelas ao eixo x. Nessas condições, há dois lados da espira em que, se ela for girada tomando-os alternativamente como eixo, aparecerá uma corrente elétrica induzida. Esses lados são: a) ( )AB ou DC. b) ( )AB ou AD. c) ( )AD ou BC. d) ( )AD ou DC. e) ( )AB ou BC. 37) O primário de um transformador alimentado por uma corrente elétrica alternada tem mais espiras do que o secundário. Nesse caso, comparado com o primário, no secundário: a) ( ) a diferença de potencial é a mesma e a corrente elétrica é contínua b) ( ) a diferença de potencial é a mesma e a corrente elétrica é alternada c) ( ) a diferença de potencial é maior e a corrente elétrica é contínua d) ( ) a diferença de potencial é maior e a corrente elétrica é alternada e) ( ) a diferença de potencial é menor e a corrente elétrica é alternada. 38) O termo valor de “pico a pico” em corrente alternada significa que é a) ( ) o resultado de duas vezes o valor eficaz. b) ( ) o resultado de duas vezes o valor médio. c) ( ) é a distância entre o valor máximo e mínimo. d) ( ) o valor instantâneo vezes o valor médio. e) ( ) o valor máximo dividido por dois. 39) Alguns dispositivos de segurança utilizados em circuitos elétricos possuem o intuito de interromper a passagem de grandes correntes elétricas que poderiam ser prejudiciais para o seu funcionamento. São dispositivos de segurança: a) ( ) Pilhas b) ( ) Resistor e varistor c) ( ) Fusível e disjuntor d) ( ) Interruptor e) ( ) Amperímetro OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 11 - REV. 1 40) As substâncias magnéticas são classificadas quanto ao grau de influência que um ímã exerce sobre ela. Associe a coluna da esquerda com a coluna da direita de acordo com a definição correspondente a cada substância. 01) ( ) Campo magnético 02) ( ) Ferromagnéticas 03) ( ) Diamagnéticas 41) No circuito abaixo, que tipo de corrente circula nos pontos A e B e nos pontos C, D e E. Descreva os componentes do circuito ao lado e a finalidade de cada um no circuito retificador de onda completa. A e B ___________________________________ C e D ___________________________________ Resp.: 1______________________________________ 2____________________________________ 3____________________________________ 42) Na regra da mão direita, o dedo polegar apontado para cima indica o sentido a)( ) do campo magnético. b)( ) da corrente. c)( ) das espiras da bobina. d)( ) da voltagem. e)( ) das linhas de fluxo. 43) Uma onda senoidal de frequência igual a 25KHz terá um período de: a)( ) 4 seg. b)( ) 0,4 seg. c)( ) 0,04 seg. d)( ) 0,004 seg. e)( ) 0,00004 seg. 44) Um gerador de fem igual a 22 V, quando percorrido por uma corrente elétrica de 4,0 A, possui entre seus terminais uma ddp de 18,0 V. Sua resistência interna vale: a) ( ) zero b) (0,6 Ω c) 1,0 Ω d) ( ) 2,0 Ω e) ( ) 2,6 Ω ( A ) Magnetizam-se com grande facilidade. ( B ) Resistência de isolamento em motores ( C ) linhas de força ou indução ( D ) Quando sujeitas a um campo magnético forte não se magnetizam sua permeabilidade menor que 1 1 2 3 1 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 12 - REV. 1 45) Os geradores elétricos dos navios de guerra possuem tensão de 440VCA, que alimentam todos os circuitos de força a bordo. Já os circuitos de iluminação e conforto funcionam com 110 VCA. Para suprir esse valor de tensão são usados os transformadores do tipo abaixador. Sabendo-se que em seu enrolamento primário, possuem 2000 espiras calcule o número de espiras no secundário. A corrente elétrica induzida em uma espira circular será: a) ( )nula, quando o fluxo magnético que atravessa a espira for constante; b) ( )inversamente proporcional à variação do fluxo magnético com o tempo; c) ( )no mesmo sentido da variação do fluxo magnético; d)( ) tanto maior quanto maior for a resistência da espira; e) ( )sempre a mesma, qualquer que seja a resistência da espira. 46) O imã é aproximado ao núcleo de ferro numa trajetória que segue a linha tracejada, mantendo-se sempre o polo norte à esquerda. Durante essa operação, verifica-se que o ponteiro do galvanômetro G se desloca para a direita. Selecione a alternativa que supere as omissões nas afirmações que seguem: 1. Enquanto o imã é mantido em repouso sobre o núcleo, o ponteiro do galvanômetro ______________. 2. Quando o imã é retirado, de volta à sua posição original, o ponteiro do galvanômetro ____________. a) ( ) desloca-se para a direita; desloca-se para a esquerda. b) ( ) permanece em repouso; desloca-se para a direita. c) ( ) permanece em repouso; desloca-se para a esquerda. d) ( ) desloca-se para a esquerda; desloca-se para a direita. e) ( ) desloca-se para a direita; permanece em repouso. 47) As figuras abaixo representam uma espira e um imã próximos. Das situações abaixo, a que NÃO corresponde à indução de corrente na espira é aquela em que: a) ( )a espira e o imã se afastam; b) ( )a espira está em repouso e o imã se move para cima; c) ( )a espira se move para cima e o imã para baixo; d) ( )a espira e o imã se aproximam; e) ( )a espira e o imã se movem com a mesma velocidade para a direita. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 13 - REV. 1 48) A figura representa uma espira circular de raio r, ligada a um galvanômetro G com “zero” central. O imã F pode mover-se nos sentidos C ou D. Considere as afirmativas: I. Se o imã se aproximar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com o sentido A. II. Se o imã se afastar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com o sentido A. III. Se os polos do imã forem invertidos e o mesmo se aproximar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com sentido B. Assinale: a) ( ) Só a afirmativa I é correta. b) ( ) Só a afirmativa II é correta. c) ( )São corretas as afirmativas I e III d) ( ) São corretas as afirmativas II e III e) ( ) N.D.A 49) Marque a alternativa ERRADA. a) ( ) Transformadores são dispositivos eletromagnéticos que transformam o valor da tensão elétrica alternada, aplicada em sua entrada, para uma tensão alternada diferente na saída. b) ( ) Os transformadores podem ser usados tanto para aumentar quanto para diminuir o valor da tensão. c) ( ) Um transformador consiste em duas bobinas enroladas no mesmo núcleo de ferro d) ( ) Um transformador consiste em uma bobina enrolada em dois núcleos de ferro. e) ( ) Em transformadores com dois enrolamentos, é comum denominá-los de enrolamento primário e enrolamento secundário. 50) Uma onda senoidal com um período de 0,00025seg. qual a sua frequência: a)( ) 0,4 Hz. b)( ) 4Hz. c)( ) 40Hz. d)( ) 400Hz. e)( ) 4KHz. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 14 - REV. 1 51) Um motor elétrico transforma 0,60 KW em potência elétrica útil, quando percorrido por uma corrente elétrica de intensidade igual a 50 A. Qual a força contra eletromotriz. a) ( ) 300V b) ( ) 120V c) ( ) 100V d) ( ) 30V e) ( ) 12V 52) Todo carro possui uma caixa de fusíveis, que são utilizados para proteção dos circuitos elétricos. Os fusíveis são constituídos de um material de baixo ponto de fusão, como o estanho, por exemplo, e se fundem quando percorridos por uma corrente elétrica igual ou maior do que aquela que são capazes de suportar. O quadro a seguir mostra uma sériede fusíveis e os valores de corrente por eles suportados. Um farol usa uma lâmpada de gás halogênio de 55 W de potência que opera com 36 V. Os dois faróis são ligados separadamente, com um fusível para cada um, mas, após um mau funcionamento, o motorista passou a conectá-los em paralelo, usando apenas um fusível. Dessa forma, admitindo-se que a fiação suporte a carga dos dois faróis, o menor valor de fusível adequado para proteção desse novo circuito é o a) azul. b) preto. c) laranja. d) amarelo. e) vermelho. 53) Os semicondutores como o Germânio e o Silício, na forma de cristais puros, são pouco usados na eletrônica. Porém quando acrescentada certa quantidade de impureza, podem conter maior ou menor quantidade de elétrons livres ou lacunas. A qualidade e quantidade de impurezas acrescentadas são cuidadosamente controladas, como é conhecido este processo? 54) Três lâmpadas incandescentes L1 (120V-720W), L2‚ (120V-360W) e L3 (180V-720W) estão associadas como mostra o esquema abaixo. Aplica-se uma tensão de 90V entre os terminais A e B. Supondo que as resistências das lâmpadas não variem, quanto valem as potências dissipadas por L1, L2‚ e L3 , respectivamente, em Watts? Fusível Corrente Elétrica (A) Azul 1,5 Amarelo 2,5 Laranja 5,0 Preto 7,5 Vermelho 10,0 OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 15 - REV. 1 55) Marque a alternativa correta a respeito da Lei de Lenz: a) A Lei de Lenz determina a relação entre a variação do fluxo magnético e a variação do tempo. b) Pela Lei de Lenz, pode-se determinar a força eletromotriz induzida em um circuito. c) A Lei de Lenz diz que a corrente elétrica induzida em um circuito é tal que sempre gera um campo magnético no mesmo sentido do campo externo. d) A Lei de Lenz diz que a corrente elétrica induzida em uma espira sempre gera um campo magnético oposto ao campo magnético variável que lhe deu origem. e) A Lei de Lenz é o motivo do sinal positivo da Lei de Faraday. 56) Ligando-se uma pilha de 1,5V ao primário de um pequeno transformador, não haverá voltagem induzida no secundário. Qual das afirmativas seguintes justifica esse fato. a) ( ) Uma corrente constante não produz campo magnético no núcleo de ferro. b) ( ) O campo magnético criado na bobina primaria não atravessa o secundário. c) ( ) O número de espira no secundário não é suficiente. d) ( ) Existe fluxo magnético no secundário, mais ele não varia. e) ( ) Esse fenômeno é impossível de acontecer com qualquer fonte ligada ao primário pois originaria uma voltagem no secundário. 57) - Uma onda senoidal de frequência igual a 250Hz terá um período de: a)( ) 4 seg. b)( ) 0,4 seg. c)( ) 0,04 seg. d)( ) 0,004 seg. e)( ) 0,0004 seg. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - B - 16 - REV. 1 58) Quando ocorre um curto-circuito em uma instalação elétrica, como na figura, a resistência elétrica total do circuito diminui muito, estabelecendo-se nele uma corrente muito elevada. O superaquecimento da fiação, devido a esse aumento da corrente elétrica, pode ocasionar incêndios, que seriam evitados instalando-se fusíveis e disjuntores que interrompem que interrompem essa corrente, quando a mesma atinge um valor acima do especificado nesses dispositivos de proteção. Suponha que um chuveiro instalado em uma rede elétrica de 110 V, em uma residência, possua três posições de regulagem da temperatura da água. Na posição verão utiliza 2100 W, na posição primavera, 2400 W e na posição inverno, 3200 W. Deseja-se que o chuveiro funcione em qualquer uma das três posições de regulagem de temperatura, sem que haja riscos de incêndio. Qual deve ser o valor mínimo adequado do disjuntor a ser utilizado? a) 40 A b) 30 A c) 25 A d) 23 A e) 20 A 59) Assinale o dispositivo elétrico capaz de transformar parte da energia elétrica a ele fornecida em outras formas de energia que não sejam exclusivamente a energia térmica. a)( ) Resistor b)( ) Voltímetro c)( ) Amperímetro d)( ) Gerador e)( ) Receptor 60) Quando um diodo do tipo PN é polarizado diretamente, sua barreira de potencial a)( ) aumenta. b)( ) fica neutra. c)( ) diminui. d)( ) desaparece. e)( ) não sofre alteração. OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - C - 1 - REV. 1 ANEXO C GABARITO PROBLEMA 1.1 PROBLEMA 1.2 1 2 3 4 5 6 7 Q = 300C i = 8A C D a) É o movimento dos elétrons que acontece do polo negativo para o polo positivo. b) É o movimento dos elétrons que vai do polo positivo para o negativo. Alternada Contínua a) As cargas elétricas que a constituem se movimentam apenas num sentido, ou seja, do polo positivo da fonte de tensão para o polo negativo, chamado de sentido convencional. b) Nesse tipo de corrente as cargas elétricas ficam oscilando em um sentido e em outro (vai e vem) com determina frequência. PROBLEMA 3.1 1 2 i = 4A e U = 20V U = 24V PROBLEMA 3.2 1 2 3 4 5 REQ = 10 REQ = 2 REQ = 2 a) REQ = 2 b) i1 = 4A i2 = 6A e i3 = 2A c) i = 12A a) REQ = 3 b) i1 = 1A i2 = 1A e i3 = 2A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 D A B E B E A A A D C B B V-V-F E C OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - C - 2 - REV. 1 PROBLEMA 3.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 REQ = 4 REQ = 7 i = 4A REQ = 10 U = 10V i = 20A U = 200V REQ = 9 i1 = i2 = i3 = 2A REQ = 12 REQ = 3,5 C i = 1A B D D PROBLEMA 3.4 1 U = 4V e i = 1A PROBLEMA 3.5 1 2 3 i1 = 1A e i2 = 2A i = 0,3A i = 0,75A PROBLEMA 3.6 1 2 3 E V,F,F,V,V,V B PROBLEMA 4.1 1 2 3 4 E E D A PROBLEMA 4.2 1 2 3 4 5 6 7 8 C D A E A E D C OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - C - 3 - REV. 1 PROBLEMA 4.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Us = 12V is = 1A is = ip Up = 3V C C 136 espiras is = 120A D B B E C D 20 e 1/6A PROBLEMA 7.1 1 2 3 4 5 i = 2A e U = 4V i = 2,4A i = 3A i1 = 1A i2 = 2A i = 1,5A i = 1,8A GABARITO - EXERCÍCIOS PROPOSTOS – ANEXO B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 E D A B C B E D B A C A A D B 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 D A = F B = V C = V D = F E = V F = F G = V H = F I = V J = V C A B C C C D A B B D D D OSTENSIVO EPM-007 OSTENSIVO - C - 4 - REV. 1 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 A B C E A C E C C C A D AB= TENSÃO ALTERNADA CD= TENSÃO CONTÍNUA 1= TRANSFORMADOR, ABAIXA À TENSÃO. 2= PONTE RETIFICADOR, RETIFICA A TENSÃO 3= CAPACITOR, FILTRA A TENSÃO. 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 B E C A C E C D E E C DOPING L1 = 45 W L2 = 90 W L3 = 180 W 55 56 57 58 59 60 D B D B E A