Eletricidade. Profa. Ana Barros. Curso Eletricista -Montador

Transcrição

1 Eletricidade Profa. Ana Barros Curso Eletricista -Montador Janeiro 2009

2 Plano de Curso 1) Carga Elétrica 1.1 Propriedades 1.2 Estrutura atômica 2) Isolantes e condutores 3) Processos de Eletrização 3.1 Eletrização por contato 3.2 Eletrização por indução 4) Corrente Elétrica 4.1 Conceito de corrente elétrica 4.2 Sentido convencional da corrente 4.3 Intensidade de corrente elétrica 4.4 Efeitos da corrente elétrica Efeito térmico Efeito químico

3 4.4.3 Efeito magnético Efeito luminoso Efeito fisiológico 7) 1ª Lei de Kirchohoff 2ª Lei de Kirchhoff 8) Potência Elétrica 5) Potencial Elétrico 5.1 Noção qualitativa 5.2 Aterramento 6) Resistência Elétrica 6.1 Definição 6.2 Resistores ôhmicos e não-ôhmicos 6.3 Resistividade 6.4 Associação de resistores Série Paralelo Mista

4 8.4)- Energia 9) Corrente Alternada 9.1 Fase de uma corrente alternada Circuito resistivo puro Circuito indutivo puro Circuito capacitivo puro Circuito arbitrário 9.2 Valor médio e valor eficaz 9.3 Potência aparente, ativa, reativa 10) Magnetismo 10.1 Linhas de força magnéticas 10.2 Magnetização 10.3 Campo magnético gerado por uma corrente elétrica 11) Indução Eletromagnética 11.1 Sentido da corrente induzida 11.2 Gerador de corrente alternada

5 1 CARGA ELÉTRICA Propriedades Experiência 1: friccionar um bastão de vidro com um pedaço de seda. Adquirem uma nova propriedade eletricidade a) Bastão de vidro eletrizado próximo a uma pequena bola de cortiça pendurada por um fio bastão atrai a bola.

6 1 CARGA ELÉTRICA Propriedades Experiência 1: friccionar um bastão de vidro com um pedaço de seda. Adquirem uma nova propriedade eletricidade b) Bastão de âmbar eletrizado próximo a uma pequena bola de cortiça pendurada por um fio bastão atrai a bola.

7 1 CARGA ELÉTRICA Propriedades Experiência 1: friccionar um bastão de vidro com um pedaço de seda. Adquirem uma nova propriedade eletricidade c) Com ambos os bastões uma atração menor ou mesmo nenhuma. Possuem efeitos opostos dois tipos de estados eletrizados. (+) e (-)

8 Experiência 2: tocar duas bolas de cortiça com um bastão de vidro eletrizado (a) e com um de âmbar eletrizado (b). Uma com o de vidro e outra com o de âmbar (c).

9 Dois corpos com a mesma espécie de eletrização (ambos + ou -) repelem-se. Se tem tipos diferentes de eletrização (um + e outro -), atraem-se. Caracterizar o estado de eletrização de um corpo definindo carga elétrica (q). (+) ou (-). A carga total de um corpo é a soma algébrica de suas cargas (+) e (-). Corpo com quantidade de (+) = (-) eletricamente neutro. A carga total não varia para qualquer processo que se realiza dentro de uma sistema isolado. Princípio de conservação da carga elétrica.

10 1.2 - Estrutura atômica Próton: carga elétrica positiva Elétron: carga elétrica negativa Nêutron: carga elétrica zero

11 R. Millikan a carga elétrica sempre ocorre como um múltiplo inteiro de uma unidade fundamental de carga, e. A carga q é quantizada, isto é, q = n e, onde n é um número inteiro. (e = 1, C) Lei de Coulomb: a interação eletrostática entre duas partículas carregadas é proporcional às suas cargas e ao inverso do quadrado da distância entre elas, e tem a direção da reta que une as duas cargas. qq 1 2 F k 2 d

12 Devido às cargas elétricas e outras grandezas da eletricidade e do magnetismo serem representadas por números muito pequenos ou muito grandes é importante utilizarmos a tabela de múltiplos e submúltiplos: qq 1 2 F k 2 d

13 2 ISOLANTES E CONDUTORES Condutores: são materiais nos quais as cargas elétricas podem se movimentar livremente. Quando estes materiais são carregados, numa pequena região, a carga se distribui com facilidade sobre toda a superfície do condutor. Ex: cobre, alumínio, prata, etc. Isolantes (dielétricos): são materiais que não transportam, com facilidade, carga elétrica. Quando estes materiais são carregados por atrito, somente a área de contato fica com carga elétrica, e essa carga não se desloca para outras regiões do material. Ex: vidro, borracha, madeira seca, etc

14 Semicondutores: as suas propriedades elétricas ficam, um tanto, entre as dos isolantes e as dos condutores. Ex: sílicio, germânio, etc Supercondutores: não oferecem resistência ao movimento da carga elétrica através deles.

15 Supercondutividade é uma propriedade física. De característica intrínseca de certos materiais que quando se esfriam a temperaturas extremamente baixas, conduzem corrente sem resistência nem perdas, funcionando também como um diamagneto perfeito abaixo de uma temperatura crítica. Esta propriedade foi descoberta em 1911 pelo físico Irlandês Heike Kamerlingh Onnes, quando observou que a resistência elétrica do mercúrio desaparecia quando resfriado a 4K (-452 F, C).

16 RESUMO: Princípios da eletrostática "Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e de sinais contrários se atraem." "Num sistema eletricamente isolado, a soma das cargas elétricas é constante." Corpo neutro -> Nº prótons = Nº elétrons Corpo positivo -> O corpo perdeu elétrons Corpo negativo -> O corpo ganhou elétrons

17 3 PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO 3.1 Eletrização por contato Colocando-se, em contato, dois condutores, um eletrizado (A) e outro neutro (B), este se eletriza com carga de mesmo sinal que A. A positivo e B neutro estão Isolados. Colocados em contato, elétrons livres vão de B para A. A e B eletrizados positivamente.

18 A negativo e B neutro isolados. Colocados em contato, elétrons vão de A para B. A e B eletrizados negativamente. Nos isolantes, temos um processo muito semelhante ao da indução nos condutores. Polarização.

19 Eletrização por contato entre condutores de mesmas dimensões.

20 3.2 Eletrização Por Indução Corpo A: indutor Indução eletrostática Corpo B: induzido (sofre o processo de separação das cargas) Afastando-se o indutor, o induzido volta à situação inicial.

21 Como eletrizar B? Liga-se o induzido à Terra Na presença do indutor, desfaz-se a ligação do induzido com a Terra.

22 Afasta-se o indutor. Os elétrons em excesso no induzido espalham-se pelo mesmo. B eletriza-se negativamente. Na eletrização por indução, o induzido eletriza-se com carga de sinal contrário à do indutor.

23 Considerando o indutor negativo. B neutro e isolado. Aproximando A de B ocorre a indução. Ligando B à Terra, elétrons de B escoam para a Terra.

24 A ligação de B com a Terra é desfeita. A é afastado e B se eletriza positivamente. Baseado no fenômeno da indução eletrostática explica-se porque ao aproximarmos um corpo eletrizado de um condutor neutro ocorre atração.

25 Condutor B neutro suspenso por um fio isolante As cargas (+) de A atraem as (-) e repelem as (+) de B. A força de atração tem intensidade maior que a de repulsão. O efeito resultante é a atração

26 Quando entre um corpo eletrizado A e um condutor B ocorre atração, B poderá estar eletrizado com carga de sinal oposto ao de A ou poderá estar neutro.

27 Ligação com a Terra: "Ao se ligar um condutor eletrizado à Terra, ele se descarrega."

28 Exercícios 1 Dispõe-se de três esferas metálicas idênticas e isoladas uma da outra. Duas delas A e B, estão eletrizadas com cargas iguais a Q e a terceira C está neutra. Coloca-se, em contacto, C com A e, a seguir, C com B. Determine, nestas condições, a carga elétrica de C. (3Q/4) 2 O fenômeno da indução eletrostática consiste: a) Na passagem de cargas do indutor para o induzido. b) Na passagem de cargas do induzido para o indutor. c) Na passagem de cargas do indutor para o induzido,

29 se o primeiro estiver negativamente eletrizado. d) na separação de cargas no induzido, devido à presença do indutor eletrizado. 3 Assinale a proposição correta: a) Se um corpo A, eletrizado positivamente, atrai um outro corpo B, concluímos que este está carregado negativamente. b) Um corpo neutro pode ser atraído por um corpo eletrizado. c) Um corpo carregado não pode atrair ou repelir um corpo neutro.

30 d) somente os corpos carregados positivamente é que podem atrair corpos neutros. 4 Se aproximarmos um condutor eletrizado negativamente de um condutor neutro, sem que haja contato: a) O condutor neutro fica com carga total negativa e é repelido pelo eletrizado. b) O neutro continua com carga total nula, mas não é atraído nem repelido pelo eletrizado. c) O neutro continua com carga total nula, mas é atraído pelo eletrizado. d) o neutro fica com carga positiva e é atraído pelo eletrizado.

31 Lei de Coulomb As cargas elétricas exercem forças entre si. Essas forças obedecem ao princípio da ação e reação, ou seja, têm a mesma intensidade, a mesma direção e sentidos opostos F= força de interação entre as cargas (N) Q = carga (C) d = distância entre as cargas (m) K = constante eletrostática (N.m 2 /C 2 ) K vácuo = N.m 2 /C 2

32 Exercícios: 1) A intensidade da força elétrica entre duas cargas elétricas puntiformes iguais, situada no vácuo a uma distância de 2 m uma da outra, é de 202, 5 N. Qual o valor das cargas.

33 2) Duas cargas puntiformes, Q 1 = 5mC e Q 2 = -4m C, no vácuo, estão separadas por uma distância de 30 cm. Determine a força elétrica entre elas.

34 3) Duas cargas elétricas puntiformes Q 1 =2m C e Q 2 =8m C são fixadas nos pontos A e B, distantes entre si 0,4 m, no vácuo. Determinar a intensidade da força elétrica resultante sobre uma carga Q 3 = -3m C, colocada a 0,1m de B, sobre a reta AB. Considere K = 9x10 9 N.m 2 /C 2

35 4) Uma pequena esfera recebe uma carga de 40 m C, e outra esfera de diâmetro igual, localizada a 20 cm de distancia, recebe uma carga de -10m C. a) Qual a força de atração entre elas? b) Colocando as esferas em contato e afastando-as 5 cm, determine a nova força de interação elétrica entre elas.

36 5) Duas cargas puntiformes Q 1 = 6 m C e Q 2 = - 8 m C encontram-se fixadas nos pontos A e B como mostra a figura ao abaixo.

37 a )Determinar a intensidade da força resultante que atua sobre uma carga Q 3 = 1 m C colocada no ponto C. Considere o meio como sendo o vácuo. b) Indique por meio de vetores as forças atuantes em cada carga.

38 6) Dois corpos puntiformes e condutores estão eletrizados com cargas de mesmo sinal e estão separados por uma distancia r, no vácuo. Nessas condições eles se repelem com uma força elétrica de intensidade F. É correto afirmar a) Dobrando-se a distancia entre eles, a intensidade da força de interação eletrostática fica 4 vezes menor

39 b) Dobrando-se a quantidade de carga elétrica em cada corpo, a intensidade da força elétrica fica 4 vezes menor. c) Se os corpos forem colocados em contato e, em seguida, retornarem à posição original, a força elétrica entre eles passa a ser de atração.

40 d) Se os corpos forem colocados em contato e, em seguida, retornarem à posição original, a força elétrica entre eles apresenta a mesma intensidade.

41 7) Duas cargas elétricas puntiformes Q 1 e Q 2, sendo Q 2 = 4Q1, estão fixas em dois pontos A e B, distantes 30cm um do outro. a) A que distância do ponto A deve ser colocada uma carga Q 3 qualquer para ficar em equilíbrio sob a ação exclusiva das forças elétricas?

42 b) Se a carga Q 3 for colocada no ponto médio da distância entre A e B, qual será a direção e o sentido da força resultante sobre ela? Considere Q 3 = 2Q 1

43 8) As cargas da figura estão localizadas no vácuo. Ache X para que a carga Q 2 fique em equilíbrio sob a ação exclusiva das forças eletrostáticas. As cargas Q 1 e Q 2 são fixas. Indique graficamente os vetores força elétrica na disposição das cargas.

44 Campo Elétrico Existe uma região de influência da carga Q onde qualquer carga de prova q, nela colocada, estará sob a ação de uma força de origem elétrica. A essa região chamamos de campo elétrico. O campo elétrico é uma grandeza vetorial. A unidade de E no SI é N/C. E = Intensidade do campo elétrico (N/C) F = Força (N) q = carga de prova (C)

45 Orientação do Campo Elétrico

46 1) Sobre uma carga elétrica de 2, C, colocada em certo ponto do espaço, age uma força de intensidade 0,80N. Despreze as ações gravitacionais. A intensidade do campo elétrico nesse ponto é: a) 1, N/C b) 1, N/C c) 2,0. 103N/C d) 1,6. 105N/C e) 4,0. 105N/C

47 1) RESPOSTA: E 2) Uma carga pontual Q, positiva, gera no espaço um campo elétrico. Num ponto P, a 0,5m dela, o campo tem intensidade E = 7,2. 106N/C. Sendo o meio vácuo onde K0 = unidades S. I., determine Q. a) 2, C b) 4, C c) 2, C d) 4, C e) 2, C

48 3) Em um ponto do espaço: 2)RESPOSTA:A I. Uma carga elétrica não sofre ação da força elétrica se o campo nesse local for nulo. II. Pode existir campo elétrico sem que aí exista força elétrica.iii. Sempre que houver uma carga elétrica, esta sofrerá ação da força elétrica. Use: C (certo) ou E (errado). a) CCC b) CEE c) ECE d) CCE e) EEE

49 3) RESPOSTA: D 4) Considere as três figuras a seguir. Nelas temos: Em cada uma das figuras, indique os sinais das respectivas cargas Q e da carga de prova q. Quando q é colocada próxima a Q, estará sob a ação de uma força de origem elétrica. A essa região chamamos de campo elétrico.

50 5) Determine a intensidade do campo elétrico resultante no ponto P, sabendo que ele foi gerado exclusivamente pelas duas cargas elétricas da figura. Temos ainda: Q 1 = +9,0 nc; Q 2 = +4,0nC; K 0 = 9, unid. SI; o meio é vácuo

51 3) RESPOSTA: D 5) Determine a intensidade do campo elétrico resultante no ponto P, sabendo que ele foi gerado exclusivamente pelas duas cargas elétricas da figura. Em cada uma das figuras, indique os sinais das respectivas cargas Q e da carga de prova q. Quando q é colocada próxima a Q, estará sob a ação de uma força de origem elétrica. A essa região chamamos de campo elétrico.

52 3) RESPOSTA: D 4 Analise cada figura e descubra o sinal das cargas elétricas q e Q. Pode-se dizer que: I. Na figura 1: Q > 0 e q >0 II. Na figura 2: Q < 0 e q > 0 III. Na figura 3: Q < 0 e q < 0 IV. Em todas as figuras: q > 0 Use, para a resposta, o código abaixo: a) Se todas forem verdadeiras. b) Se apenas I, II e IV forem verdadeiras. c) Se apenas I e III forem verdadeiras. d) Se apenas II for verdadeira. e) Se nenhuma for verdadeira.

53 Diferença de Potencial entre Dois Pontos (Tensão): A grandeza diferença de potencial (ddp) pode ser também denominada de voltagem, tensão elétrica ou ainda força eletromotriz (fem) e ser representada pela letra V ou U. O Instrumento utilizado para medir essa grandeza é o Voltímetro, sendo que a unidade utilizada é o Volts (V).

54 4 CORRENTE ELÉTRICA O papel de grande importância que a Eletricidade desempenha na vida moderna baseia-se na corrente elétrica. A parte da Eletricidade que estuda a corrente elétrica denomina-se Eletrodinâmica 4.1 Conceito de Corrente Elétrica Em um condutor em equilíbrio eletrostático, o movimento dos elétrons é desordenado (Fig 1).

55 Ligando o condutor à pilha, há uma diferença de potencial (d.d.p.) nos terminais do condutor e o movimento dos elétrons é ordenado; temos, aí uma corrente elétrica i (Fig 2). Quando o movimento de cargas ora se processa num sentido ora se processa no sentido oposto, temos uma corrente alternada (ca). Pólo positivo é o de maior potencial. Pólo negativo é o de menor potencial. Quando o movimento de cargas sempre se processa num mesmo sentido, temos uma corrente contínua (cc).