0.1 Introdução Conceitos básicos

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1 Laboratório de Eletricidade S.J.Troise Exp. 0 - Laboratório de eletricidade 0.1 Introdução Conceitos básicos O modelo aceito modernamente para o átomo apresenta o aspecto de uma esfera central chamada núcleo que apresenta, no seu interior, entre outras partículas os prótons e os nêutrons e, dispostos em camadas externas ao núcleo, apresenta os chamados elétrons. Sabemos hoje que os prótons apresentam um propriedade chamada cargas elétrica positiva e os elétrons uma propriedade chamada carga elétrica negativa, enquanto que os nêutrons não apresentam essa propriedade carga elétrica. Em condições normais os prótons são rigidamente ligados ao núcleo e por essa razão não podem se movimentar no interior dos meios. Por outro lado os elétrons em alguns meios são fracamente ligados à periferia e portanto podem se mover nesses meios. Esses meios são chamados condutores e aqueles nos quais esse movimento não é permitido são chamados isolantes. Os elétrons das camadas mais internas estão fortemente ligados ao núcleo enquanto que os das camadas mais externas apresentam mais fraca ligação com o núcleo e conseqüentemente estes últimos podem mover-se com facilidade deslocando-se de um átomo para outro no interior do material. Esse movimento de elétrons constitui a corrente elétrica. Observe-se que os prótons não conseguem deixar o núcleo por processos convencionais e portanto normalmente não participam da corrente elétrica. (em condições especiais esse movimento,pode acorrer) As cargas elétricas do elétron e do próton são mensuráveis. Medidas efetuadas com grande precisão mostram que as cargas de ambos são iguais em valor absoluto e de sinais contrários. A carga do elétron é Q 19 e = 1,6. C e a carga o próton é 19 Qp = 1,6. C. Cargas elétricas interagem. Cargas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem. A força de atração ou de repulsão é calculada pela LEI de COULOMB, que é uma lei experimental. Esta lei estabelece que a intensidade dessa força é dada por r Q 1 Q F = K 2 r 2 Equação 0-1 onde K é uma constante, denominada constante da eletrostática, cujo valor é: N.m , Q C 2 1 e Q 2 são as medidas das cargas e r é a distância entre elas. Essa força é chamada força eletrostática ou força Coulombiana. 0.2 Corrente Elétrica Chama-se corrente elétrica ao movimento ordenado de cargas elétricas que são transportadas por partículas que possuem essa carga elétrica, como os prótons e elétrons. Como os prótons são fortemente ligados ao núcleo somente elétrons participam desse transporte de carga elétrica nas correntes normalmente estudadas pela Eletricidade. Consideremos então um grupo de elétrons movendo-se numa certa região do espaço. Seja Q a quantidade de cargas que atravessa uma superfície S transportadas pelos elétrons, num certo intervalo de tempo t, transportada pelos elétrons. Por definição, chama-se intensidade (média) de corrente através da superfície a Q I = t Equação 0-2 que é medida em Coulomb segundo C = = Ampèré = A. s Devemos lembrar aqui que nem todos os materiais permitem o movimento dos elétrons ou seja, a corrente elétrica. Quando o material permite a corrente elétrica ele é chamado condutor. Caso contrário ele é chamado isolante Exercícios ( ) Em um condutor na forma de fio existe uma corrente de. Calcule a carga que é transportada por essa corrente em um intervalo de tempo de 5s. Resp.: ( ) Em um chuveiro a corrente de operação é de 20A. Qual a carga transportada através do fio do chuveiro durante um 3A 11//2005 Página 1 de 7

2 banho de 15min. Resp.: ( ) Durante quanto tempo deve funcionar o chuveiro acima para que a carga transportada seja de 400C?. 0.3 Geradores Potencial Elétrico Para que haja o movimento das cargas que constituem a corrente é necessário que sobre elas atue uma força. Havendo força e havendo deslocamento trabalho é realizado e portanto é necessária uma fonte de energia. O dispositivo que fornece energia para produzir corrente elétrica é chamado gerador. Todo gerador tem uma característica chamada potencial elétrico (tensão elétrica ou voltagem) definida como segue abaixo. Seja E a energia fornecida pelo gerador para transportar uma quantidade de carga sendo a energia gasta pelo gerador para transportar carga Q. Por definição o potencial do gerado é definido como sendo a energia fornecida por unidade de carga transportada, ou seja: E V = Q Equação 0-3 O potencial elétrico é então medido em Joule Coulomb J = Volt = V C =. Resumindo, para que haja corrente elétrica é necessário que exista fornecimento de energia e o dispositivo que fornece essa energia chama-se gerador. Os geradores elétricos mais simples são representados pelo símbolo: Figura 0-1 Observe na figura a existência dos sinais + e -. Eles indicam o sentido na qual o movimento de elétrons ocorre (da esquerda para a direita). Por razões históricas a Eletricidade desenvolveu-se considerando o sentido inverso, chamado sentido convencional Exercícios 4C 34J ( ) Uma carga de é transportada ao longo de um condutor e uma energia de é fornecida pelo gerador. Qual o potencial de um gerador: ( ) Se o potencial de um gerador é de 1,5V qual energia que ele fornece para transportar uma carga de 0,5C? ( ) Uma pilha, que é um gerador, de potencial,5v Calcule a energia da pilha quando nova? 1 pode fornecer produzir ma corrente de ma 0 durante 12horas ( ) A tomada é um gerador elétrico pois tem a capacidade de fornecer a energia necessária para que ocorra corrente elétrica. A companhia de eletricidade informa que o potencial da tomada é 220V. Qual a energia fornecida pela tomada quando um chuveiro que no funcionamento exige uma corrente de 40A e é usado durante 20min? ( ) Uma tomada de potencial fornece energia para o funcionamento de um radio e o consumo de energia em 3h é de 65J 1V. Calcule a corrente de operação do rádio., 0.4 Potência Elétrica Vimos acima que quando ocorre a corrente elétrica energia é consumida, fornecida pelo gerador. Suponhamos então que uma energia E seja fornecida pelo gerador num intervalo de tempo t. Por definição chama-se potencia (não confundir com potencial) à energia por unidade de tempo, ou seja E P = t Equação 0-4

3 energia J Podemos então definir a unidade de medida da potencia como sendo P = = = Watt = W tempo s Podemos obter uma expressão prática para o cálculo da potencia: da Equação 0-1 temos Substituindo na Equação 0-3 teremos que é a expressão procurada Exercícios E V = de onde se obtém imediatamente: I t P = V I ( ) Um gerador fornece 400J de energia em 2min.Qual sua potencia? ( ) Um equipamento de 400W opera numa tomada de 220V. Qual a corrente do chuveiro? ( ) Se um equipamento com a mesma potencia opera em 1V qual será sua corrente de operação? 4400W Q = I t. Equação ( ) Um chuveiro tem uma potência de consumo de. Se uma pessoa toma 30 banhos diários de 15min, qual a energia por ele consumida em um mês? ( ) Calcule a quantos Watt corresponde! kwh Resp 0.5 Instrumentos de medida Tanto a corrente elétrica como o potenciai elétrico são mensuráveis. Para estas medidas existem dois instrumentos básicos de medida: Os amperímetros e os voltímetros. Os amperímetros são instrumentos que permitem a medida da corrente elétrica, os quais apresentam escalas graduadas diretamente em Ampèré (A) ou em miliampèré (ma). Os amperímetros são representados pelo símbolo: Figura 0-2 Os voltímetros são instrumentos que permitem a medida da tensão ou diferença de potencial e apresentam escalas diretamente graduadas em Volt (V). Os voltímetros são representados pelo símbolo: Figura 0-3 Esses instrumentos são polarizados, isto é devem ser conectados com o sentido correto pois a corrente deve circular por eles num sentido determinado, mostrado na figura. Por essa razão existem os sinais + e em seus polos. Um estudo completo destes dois instrumentos de medida será feito ao longo deste texto. 0.6 Múltiplos e submúltiplos Muitas vezes o Ampèré e o Volt, bem como outras unidades utilizadas em Eletricidade, são muito grandes ou muito pequena. Por esta razão são usados os seguintes múltiplos e submúltiplos: Tera T 12 Giga G 9 Mega M 6 Quilo K 3 mili M 3

4 micro µ 6 Nano N 9 pico p 12 Tabela Bipolos Chama-se bipolo a todo dispositivo elétrico constituído de dois polos entre os quais circula corrente elétrica. Dependendo da natureza do bipolo ele é representado por diferentes símbolos nos diagramas elétricos. Abaixo estão apresentados alguns desses tipos, em como apresentados seus respectivos nomes. + - ou genericamente por Figura 0-4 V Figura 0-5 Sempre que se aplica uma tensão sobre um bipolo aparece uma corrente I que o atravessa e a experiência mostra que essa corrente é função da tensão aplicada ou seja V = f(i). O estudo dos bipolos é feito determinando-se sua curva característica, isto é, uma curva que mostra a relação entre a tensão aplicada ao bipolo e a corrente que o atravessa. A curva V = f(i) é obtida experimentalmente medindo-se a corrente correspondente a cada tensão aplicada. Isto é feito utilizando-se um circuito como o mostrado abaixo: Figura 0-6. Dependendo da forma apresentada por esta curva os bipolos podem ser classificados em: 1- bipolo linear: quando a curva caracteriza pode ser aproximada a uma reta; 2- não lineares: quando a curva característica não pode ser aproximada a uma reta; Os bipolos podem ainda ser classificados em: 3- ativos: quando a curva característica mostra a existência de corrente elétrica quando a tensão aplicada é nula (a curva não passa pela origem) ou; 4- passivo: quando uma tensão nula aplicada corresponde a uma corrente nula (a curva passa pela origem). Abaixo são colocadas algumas curvas características com sua classificação:

5 Figura 0-7 Os bipolos podem ainda ser classificados como simétricos quando o comportamento para tensões aplicadas positivas e negativas é simétrico. Figura 0-8 Os bipolos podem ainda ser classificados em bipolo gerador e bipolo receptor. Um bipolo gerador é aquele que é capaz de produzir, por si só, corrente elétrica. É o caso das pilhas. Um bipolo é receptor quando não é capaz de produzir corrente elétrica. É o caso de uma lâmpada, de um resistor, etc. nos quais a corrente resultante é produzida por um bipolo gerador associado. Existe uma diferença fundamental entre estes dois tipos de bipolos: no bipolo receptor a corrente circula no sentido decrescente do potencial elétrico enquanto que no bipolo gerador a corrente circula no sentido crescente do potencial. A figura abaixo mostra este fato através dos sinais + e - colocados sobre os bipolos. Figura 0-9 No exemplo acima o bipolo receptor é um resistor e o bipolo gerador é um gerador de corrente continua (pilha ou bateria). Observe atentamente nesta figura as diferenças de potencial indicadas. No bipolo gerador o potencial cresce no sentido da corrente enquanto que no bipolo receptor a o potencial decresce e por esta razão dizemos que no bipolo receptor ocorre uma "queda de potencial". 0.8 Os bipolos lineares Resistores Existem bipolos construídos com o objetivo de produzir resistência à passagem da corrente elétrica ou então, produzir queda de tensão. Esse bipolos são denominados resistores elétricos e apresentam comportamento

6 linear, além de serem passivos. Isto significa que a relação entre a tensão e a corrente é do tipo V = C.I ondec é uma constante. Esta constante é chamada resistência elétrica do resistor e é representada normalmente por R, ou seja nos resistores V=R.I ou ainda R= V I Equação 0-6 Isto significa que a tensão sobre um resistor é sempre dado por V = R I. Este resultado é chamado LEI de OHM. A figura abaixo mostra a curva característica de um resistor bem como mostra como é possível determinar a resistência R da mesma a partir essa curva característica. A resistência nada mais é o que a declividade da reta. A resistência de um resistor é medida em Volt Ohm = = Ω Ampèré Neste texto os resistores serão representados pelo símbolo:. Figura 0- Figura 0-11 Os resistores apresentam normalmente forma tubular e o valor de sua resistência é indicado pelo fabricante através de faixas coloridas de acordo com o código abaixo: 1º alg. 2º alg. multiplicador tolerância cor 1ª faixa 2ª faixa 3ª faixa 4ª faixa preto marrom ±1% vermelho ±2% laranja amarelo verde azul violeta cinza branco ouro ±5% prata ±% As 1ª e 2ª faixas indicam os algarismos significativos; a 3ª faixa indica o fator multiplicativo através da potência de e a 4ª faixa indica a precisão percentual dessa indicação. Alguns fabricantes escrevem diretamente o valor da resistência no corpo do resistor 0.9 Resistência aparente Vimos que quando o bipolo é linear existe uma relação constante entre a tensão e a corrente e o valor dessa razão é denominada resistência. Quando o bipolo é não linear essa razão constante não existe e não podemos falar na resistência. Podemos entretanto falar de uma resistência aparente como sendo a relação entre a tensão e a corrente em cada ponto da curva. A figura abaixo mostra como se pode determinar a resistência aparente num ponto P da curva de um bipolo não linear. Para cada valores de V e de I I obtidos no gráfico existe uma resistência aparente dada por também medida em ohms. V ap =, I R.

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