Física III. Capítulo 03 Eletrodinâmica. Técnico em Edificações (PROEJA) Prof. Márcio T. de Castro 18/05/2017

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1 Física III Capítulo 03 Eletrodinâmica Técnico em Edificações (PROEJA) 18/05/2017 Prof. Márcio T. de Castro

2 Parte I 2

3 Corrente Elétrica Corrente Elétrica: movimento relativamente ordenado de elétrons. Sentido da Corrente Elétrica: contrário ao sentido de deslocamento dos elétrons. Gerador: estabelece uma ddpentre os pontos A e B que obriga os elétrons a um deslocamento organizado, criando uma corrente elétrica.

4 Corrente Elétrica Intensidade de Corrente Elétrica (i): quantidade de elétrons que atravessa determinada seção do condutor num intervalo de tempo. Unidade (SI): ampère (A). i q = t

5 Circuito Elétrico Circuito Elétrico Simples: um condutor (fio metálico) acoplado aos polos de um gerador (pilha), fica submetido à energia potencial (fem) deste gerador e através do condutor pode circular uma corrente elétrica.

6 Tipos de Corrente Elétrica Corrente Contínua: ocorre um fluxo contínuo de elétrons do polo negativo ao polo positivo. Pilha: a ação química de seus componentes separa as cargas positivas num terminal e os elétrons noutro e quando acoplada a um circuito existirá um deslocamento de elétrons do polo negativo para o positivo, passando pelo condutor.

7 Tipos de Corrente Elétrica Corrente Alternada: os elétrons livres do condutor ficam num constante movimento vibratório de ir e vir, já que as polaridades se invertem a cada instante, numa determinada frequência. Tomada: dispositivo com contatos permanentemente ligados a um fonte onde são acoplados os plugues dos equipamentos Intensidade da Corrente Elétrica: 10 a 20 A. Equipamento Eletrônicos: funcionam internamente com corrente contínua (transformadas por um retificador) e a baixas tensões (transformadas por um transformador).

8 Efeitos da Corrente Elétrica Efeito Térmico (ou Joule): conversão de energia elétrica em energia térmica. Equipamentos Elétricos: ferro de passar, chuveiro elétrico, aquecedores elétricos etc.

9 Efeitos da Corrente Elétrica Efeito Magnético: corrente elétrica cria, na região próxima a ele, um campo magnético. Utilidade: motores, transformadores e unificação da eletricidade e do magnetismo.

10 Efeitos da Corrente Elétrica Efeito Químico: solução eletrolítica sofre decomposição quando atravessada por corrente elétrica (Eletrólise). Utilidade: revestimento de metais, reações químicas de baterias.

11 Efeitos da Corrente Elétrica Efeito Luminoso: a passagem de corrente elétrica em um gás rarefeito faz com que ele emita luz. Utilidade: lâmpadas fluorescente e anúncios luminosos.

12 Efeitos da Corrente Elétrica Efeito Fisiológico: corrente elétrica age diretamente no sistema nervoso provocando contrações musculares (choque elétrico). Corrente Elétrica Até 10 ma De 10 ma até 20 ma De 20 ma até 100 ma De 100 maaté 3 A Acima de 3 A Consequência Dor e contração muscular Aumento das contrações musculares Parada respiratória Fibrilaçãoventricular que pode ser fatal Parada cardíaca, queimaduras graves

13 Dispositivos de Segurança Fusível: fio condutor que ao ser atravessado por corrente elétrica de intensidade maior que um determinado valor, funde-se, interrompendo a passagem da corrente elétrica. Símbolo: Disjuntor: chave magnética que se desliga automaticamente quando a intensidade da corrente elétrica ultrapassa determinado valor. Símbolo:

14 Parte II 14

15 Resistência Elétrica Resistência Elétrica (R): oposição ao fluxo de elétrons livres devido a choques com as partículas constituintes do condutor. Unidade (SI): ohm (Ω). Resistência: característica do aparelho elétrico e dos condutores elétricos (medida experimentalmente) e varia com a temperatura ambiente, isolamento e grupamento de condutores.

16 Resistência Elétrica 1ª Lei de Ohm: a resistência R dos condutores ôhmicos (caso dos metais) é diretamente proporcional à diferença de potencial V estabelecida no circuito e inversamente proporcional à intensidade i da corrente elétrica que o percorre. R = V i

17 Resistência Elétrica Exemplo: uma pequena lâmpada está submetida a uma tensão de 12 V. Sabendo que sua resistência é de 8 Ω, determine a corrente que percorre a lâmpada. R = V i i = = 12 i = 1,5 A i

18 Resistência Elétrica Resistor: condutores que se aquecem com a passagem da corrente elétrica, transformando energia elétrica em energia térmica e a resistência elétrica assume valores intermediários adequados numericamente identificados. Reostato: resistor cuja resistência elétrica pode ser variada.

19 Resistência Elétrica Resistividade: resistência elétrica que uma unidade de volume de material oferece ao fluxo de corrente. Unidade (SI): ohm metro (Ω.m)

20 2ª Lei de Ohm: R =ρ L Resistência Elétrica A R = resistência do resistor ρ = resistividade do material L = comprimento do resistor A = área da seção reta transversal do resistor

21 Resistência Elétrica Exemplo: A resistividade é característica dos materiais e a resistência elétrica é característica do objeto. Para demonstrar isto, calcule: a) a resistência de um metro de fio de cobre de 1,5 mm² de bitola (seção reta transversal); b) a resistência de um metro de fio de cobre de 2,5 mm² de bitola (ρ cobre = 1, Ω.m). R R A A = = L ρ A 1 8 1,7.10 1, R R B B = = L ρ A 1 8 1,7.10 2, R A 2 = 1,1.10 Ω R B 3 = Ω 6,8.10

22 Resistência Elétrica Condutividade Elétrica (σ): indica a facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. Unidade (SI): um por ohm metro (Ω.m) -1 σ = 1 ρ

23 Resistência Elétrica Resistência e Temperatura:para a maioria dos materiais condutores de energia elétrica o aumento da temperatura ocasiona o aumento da resistência elétrica, pois isto aumenta a amplitude de oscilação dos átomos e aumenta a probabilidade de choques.

24 Resistência Elétrica Supercondutividade: propriedade física de característica intrínseca de certos materiais que, quando resfriados a temperaturas extremamente baixas (ordem de 1 K), tendem a conduzir corrente elétrica sem resistência nem perdas. Utilidades: magnetos supercondutores (aceleradores de partículas), fios supercondutores (chips), ímãs (trens bala).

25 Resistência Elétrica Curto-Circuito: passagem de corrente elétrica acima do normal em um circuito devido à redução abrupta da resistência deste, quando uma ligação errada é feita, eliminando componentes do circuito. i = V R

26 Associação de Resistores Resistores associados em série: resistores interligados de tal maneira que, se forem percorridos por corrente elétrica, ela terá a mesma intensidade em todos eles. Req = R1 + R R n V = V + V + + V i= cte n

27 Associação de Resistores Resistores associados em paralelo: resistores interligados de tal maneira que fiquem todos submetidos à mesma diferença de potencial = R R R R eq 1 2 n V = cte i= i + i + + i n

28 Associação de Resistores Associação Mista de Resistores:

29 Parte III 29

30 Potência Elétrica Potência Elétrica (P): quantidade de energia elétrica que o equipamento é capaz de transformar na unidade de tempo, ou seja, é o trabalho elétrico efetuado na unidade de tempo. Unidade (SI): watt (W)

31 Potência Elétrica Cálculo da Potência Elétrica (P): é resultado do produto da tensão V disponível pela corrente i circulante. P= V i Ex: seja um chuveiro elétrico de 2200 W ligado à rede de 110 V. Calcule a corrente que o percorre.

32 Potência Elétrica Potência Elétrica dissipada num Resistor: P= R i 2 P = V 2 Aparelho Tensão Potência Corrente Resistência Lâmpada 110 V 60 W 0,56 A 200 Ω Lâmpada 110 V 100 W 0,9 A 121 Ω R Lâmpada 220 V 100 W 0,45 A 484 Ω Chuveiro 110 V 4400 W 40 A 2,8 Ω Chuveiro 220 V 4400 W 20 A 11 Ω Soldador 110 V 30 W 0,3 A 403 Ω

33 Valores Nominais Tensão Nominal: tensão da rede elétrica para a qual o produto foi fabricado. Potência Nominal: potência elétrica consumida pelo produto quando submetido à tensão nominal.

34 Fio Fase

35 Parte IV 35

36 Energia Elétrica Energia Elétrica (τ): calculada pelo produto da potência P desenvolvida no equipamento, pelo tempo t durante o qual ele permanece ligado. Unidade (SI): joule (J) Unidade (Usual): quilowatt-hora (kwh) τ = P t

37 Energia Elétrica Exemplo: considere uma casa em que mora uma família de 5 pessoas, que o chuveiro elétrico possui potência nominal de 3000 W, o tempo médio do banho de cada pessoa é de 15 minutos e o preço médio do kwh é de R$ 0,40. Quanto se gasta por mês para tomar banho nesta casa?

38 Raio Raio: descarga elétrica ocorrida entre nuvens eletrizadas e a Terra devido a uma grande diferença de potencial, em que cargas elétricas negativas (descarga inicial), liberadas pela nuvem em direção ao solo, e o intenso campo elétrico formado em seu trajeto produz outra descarga elétrica, bem mais intensa, do solo para a nuvem (descarga de retorno) que se encontram. Relâmpago: emissão de luz devido à forte ionização das partículas de ar que estão no trajeto das cargas elétricas em movimento Trovão: forte estrondo devido ao aquecimento brusco do ar que provoca uma rápida expansão dessa massa gasosa, produzindo intensa onda de pressão. Duração: 0,5 s a 2 s Voltagem: 100 milhões V a 1 bilhão V Corrente: 30 mil A a300 mi A Energia: 300 kwh Comprimento: 100 km Temperatura: 30 mil C

39 Parte V 39

40 Medidores Elétricos Medidores Elétricos: instrumentos que medem grandezas elétricas. Multímetros: instrumentos que se prestam à medição de corrente, tensão e resistência, bastando posicionar adequadamente uma chave seletora para o exercício de cada função. Valor de Fundo de Escala: valor máximo indicado na escala de um medidor.

41 Medidores Elétricos Amperímetro: instrumento utilizado para medir a intensidade de uma corrente elétrica, devendo ser ligado em série. Símbolo: Amperímetro ideal: medidor hipotético em que a resistência interna do aparelho é igual a zero.

42 Medidores Elétricos Voltímetro: instrumento utilizado para medir a diferença de potencial, devendo ser ligado em paralelo. Símbolo: Voltímetro ideal: medidor hipotético em que a resistência interna do aparelho é infinitamente grande.

43 Medidores Elétricos Ohmímetro: instrumento utilizado para medir resistência elétrica. Símbolo: Medição: aplica-se uma tensão na resistência de modo que uma corrente seja forçada a circular, então usa-se a 1ª lei de Ohm.

44 Parte VI 44

45 Circuito Elétrico Circuito Elétrico: ligação de elementos elétricos de modo que formem pelo menos um caminho fechado para a corrente elétrica. Elementos do Circuito: resistor, indutor, capacitor, gerador, receptor, dispositivos de segurança, medidores elétricos, interruptores, fios, etc.

46 Fio de Ligação Fio de Ligação: fio condutor que permite o fluxo de cargas elétricas pelo circuito. Símbolo: Fio ideal: fio condutor hipotético, cuja resistência elétrica é igual a zero. Fio de Cobre: fio condutor real de resistência tão baixa que pode ser considerado ideal.

47 Interruptor Interruptor: dispositivos por meio dos quais abrimos ou fechamos um circuito elétrico Símbolo:

48 Interruptor Interruptor Simples: utilizado para ligar ou desligar uma lâmpada e apresenta dois terminais.

49 Circuito Elétrico Interruptor Paralelo: apresenta três terminais e permite instalar uma lâmpada de modo que possa ser ligada ou desligada de dois diferentes locais.

50 Circuito Elétrico Interruptor Intermediário: dotado de quatro terminais úteis que combinado com interruptores paralelos, podemos ligar ou desligar uma lâmpada de qualquer posição.

51 Circuito Elétrico Gerador: fornece energia elétrica ao circuito que ele alimenta. Geradores Mecânicos: convertem energia mecânica em energia elétrica. Ex: usinas hidrelétricas Geradores Químicos: convertem energia potencial química em energia elétrica. Ex: pilhas e baterias Geradores Luminosos: convertem energia luminosa em energia elétrica. Ex: fotômetros e células solares Geradores Térmicos: convertem energia térmica diretamente em energia elétrica. Ex: termopar

52 Elementos do Gerador Força Eletromotriz (Ԑ): diferença de potencial existente entre os terminais de um gerador quando não percorrido por corrente elétrica. Resistência Interna do Gerador (r): resistência elétrica própria do material que compõe o gerador. Símbolo do Gerador: Equação do Gerador: V = ε. ri

53 Elementos do Gerador Gerador ideal: gerador hipotético em que a resistência interna é nula. V = ε Gerador em curto-circuito: toda a força eletromotriz que o gerador produz fica aplicada em sua resistência interna. V ε = 0 i= r

54 Fio-Terra Fio-Terra: a ddpque estaria aplicada em uma pessoa, se não houvesse o fio-terra, passa a estar jogada na linha de transmissão de energia, que faz o papel de um gerador em curto-circuito.

55 Elementos do Gerador Potência Elétrica Total do Gerador: P =ε. i t Rendimento Elétrico do Gerador (η): fração da potência elétrica total que está sendo transferida para quem ele alimenta. V η = ε

56 Elementos do Gerador Associação de Geradores em Série: a força eletromotriz equivalente é a soma das forças eletromotrizes de todos os geradores. εeq = ε1+ ε εn r = r1 + r r eq n

57 Elementos do Gerador Associação de Geradores em Paralelo: a corrente que passa em cada gerador é apenas uma fração da corrente total, o que prolonga sua vida útil, e há redução da resistência interna, o que provoca maior estabilidade de tensão. εeq = ε r eq = r n

58 Receptor Elétrico Receptor Elétrico: dispositivo que recebe energia elétrica de um gerador e converte uma parte dela em energia não-térmica. Exemplo: motor elétrico. Símbolo: Força Contra-Eletromotriz(Ԑ ): parte útil da ddp estabelecida nos terminais do receptor. Resistência Interna do Receptor (r ): resistência elétrica do receptor. V = `+ r`. i ε

59 Elementos do Receptor Receptor ideal: receptor hipotético em que a resistência interna é nula. Corrente Elétrica no Receptor: tem o sentido do positivo para o negativo. Potência Elétrica Útil do Receptor: =ε `. i Rendimento Elétrico do Receptor (η): fração da potência elétrica total que está sendo convertida em energia não-térmica. η = ε` V PU

60 Capacitor Capacitor: componente eletrônico constituído de duas peças condutoras (armaduras), entre elas existe um isolante, cuja função básica é armazenar cargas elétrica e, consequentemente, energia potencial eletrostática. Símbolo: Exemplos: flash da máquina fotográfica, teclas do teclado.

61 Carga de um Capacitor Carga de um Capacitor (Q): o gerador passa a retirar elétrons da armadura A, que vai se eletrizando positivamente, e a introduzir elétrons na armadura B, que vai se eletrizando negativamente, até atingir o equilíbrio eletrostático.

62 Capacitor Capacitância (C): capacidade de um capacitor de armazenar carga. Unidade (SI): farad(f) Q C= V

63 Capacitor Flash: toda a energia armazenada num capacitor é lançada na lâmpada.

64 Capacitor Tecla: quando a tecla é pressionada, a distância entre as placas desse capacitor diminui e, com isso, sua capacitância aumenta, que é detectada por um circuito eletrônico.

65 Capacitor Circuito Ressonante: para cada valor da capacitância, o receptor sintoniza ondas de determinada frequência.

66 Capacitor Divisor de Frequências: o capacitor bloqueia a passagem de baixas e medias frequências, que é reproduzido pelo Woofer, mas facilita a chegada das frequências mais elevadas ao Tweeter.