Estudo dirigido. Tecnologia Eletrônica 1

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1 SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL SENAI DR/MG Estudo dirigido Tecnologia Eletrônica 1 Página 1 de 11

2 1.1 CONDUTORES E ISOLANTES A estrutura íntima dos materiais é um ramo da Física que ainda não está completamente estudado. No entanto, grande parte dos fenômenos elétricos e eletromagnéticos pode ser explicada usando-se um modelo bastante simples, conhecido como o átomo de Rutherford. O modelo de Rutherford, também chamado planetário é visto na Figura 1.1; propõe que qualquer átomo possui um núcleo composto por cargas positivas (prótons) e neutras (nêutrons) em torno do qual circulam cargas negativas (elétrons) em órbitas bem definidas. Para o estudo de Eletricidade importam apenas os elétrons que ocupam a camada mais distante do núcleo. São as propriedades desses elétrons que ditarão as características elétricas do material. Assim, se os elétrons da camada mais externa estiverem frouxamente ligados ao núcleo, eles poderão fugir do átomo, tornando-se elétrons livres, capazes de se movimentar aleatoriamente através do material. Na maior parte dos casos práticos, são esses elétrons livres que participam dos processos elétricos como portadores de corrente. Materiais condutores são aqueles que possuem grande quantidade de elétronslivres: mesmo pequenas quantidades de energia são suficientes para desalojá-los de seus átomos. Materiais desta categoria, que inclui a maioria dos metais, são adequados para a confecção de fios, fusíveis, contatos, etc. Nos materiais isolantes, mesmo os elétrons mais externos estão fortemente ligados ao núcleo, de forma que só podem ser libertados pela aplicação de grandes quantidades de energia. Isso os tornando adequados para a confecção de dispositivos de isolação (dielétricos): borrachas, cerâmicas e poliestireno são alguns desses materiais. No linguajar dos eletricistas, o termo condutor costuma ser aplicado aos fios e cabos, elementos usados na transmissão e distribuição de energia elétrica. Os fios são condutores maciços e rígidos; cabos são condutores formados por dois ou mais fios, geralmente trançados, o que lhes confere maior flexibilidade. Página 2 de 11

3 1.2 CORRENTE ELÉTRICA A corrente elétrica (simbolizada por i) consiste no movimento de cargas elétricas em um sentido predominante. Este movimento sempre é devido à existência de uma tensão (V. Seção 1.3) e seu sentido e definido pela polaridade da tensão a qual carga elétrica que está conectada. Como se viu na seção anterior, nos condutores metálicos as cargas disponíveis são negativas (elétrons livres), de modo que o seu deslocamento coincide com o chamado sentido eletrônico da corrente. No entanto, historicamente os conceitos da Física foram criados a partir de cargas positivas; chama-se sentido convencional àquele do deslocamento dessas cargas positivas. A Figura 1.2 mostra a diferença entre essas duas convenções; neste trabalho adotou-se o sentido convencional para a corrente. Além do sentido, a corrente também é caracterizada por um módulo ou intensidade, que considera a variação da carga q que passa pelo condutor durante o intervalo de tempo t. Assim, o módulo é dado por: (1.1) Onde i = corrente Q = Carga dada em Columb T = Tempo em segundos Tem como unidade o Ampère (símbolo A). São bastante comuns os submúltiplos mili ampére (ma) = 10-3 A e microampère (ua) = 10-6 A. Segue abaixo uma tabela para exemplificar o sistema de prefixos adotados mundialmente. Página 3 de 11

4 Quando o módulo e o sentido da corrente em um condutor não variam com o tempo, como o caso mostrado no gráfico da Figura 1.3a, está-se tratando de corrente contínua (CC); equipamentos alimentados por pilhas ou baterias operam com correntes desse tipo. Se o módulo e o sentido variam no tempo de forma a serem descritos por uma função senoidal, como mostrado na Figura 1.3b, diz-se tratar de corrente alternada (CA), o que alimenta chuveiros, geladeiras e demais equipamentos residenciais e industriais. Quando a corrente elétrica passa por um corpo, um ou mais dos seguintes efeitos podem ser observados: Produção de calor, resultante dos choques entre as cargas portadoras de corrente com partículas do material condutor. Este efeito fundamenta a ação de inúmeros aparelhos, como chuveiros e aquecedores elétricos, relés e fusíveis; Geração de luz: por vezes o calor gerado pela corrente é tão elevado que leva o condutor à incandescência, produzindo luz no espectro visível. É o caso das lâmpadas incandescentes e mistas. Criação de um campo magnético em torno do condutor, fenômeno que fundamenta o funcionamento dos motores elétricos; Interferência em atividades dos seres vivos, cuja manifestação mais evidente é o choque elétrico; os eletrocardiógrafos, as cercas eletrificadas e desfibriladores também são baseados nesse efeito; Reações químicas, como aquelas utilizadas como princípio em eletrólise e cromagem de metais. Página 4 de 11

5 1.3 TENSÃO ELÉTRICA A tensão elétrica é uma espécie de força que desloca as cargas elétricas em um circuito fechado; portanto, a corrente elétrica sempre é um resultado da aplicação de tensão. Diferença de potencial (d.d.p.), força eletromotriz (f.e.m.) e voltagem são outros termos usados para designar tensão. A tensão (u) fornece energia ᵋ módulo é dado por: uma carga q do circuito, de forma que seu (1.2) Sua unidade é o Volt (símbolo V), mas os seguintes múltiplos e submúltiplos aparecem com frequência: quilovolt (kv) = 103 V e milivolt (mv) = 10-3 V. Quando aplicada aos terminais de um dispositivo, a tensão altera o equilíbrio das cargas: um destes terminais ficará com falta de elétrons - e, portanto, positivamente carregado - enquanto o outro terá excesso de elétrons, ficando carregado com carga negativa. Chama-se a isto de polaridade da tensão, que é representada por um par de sinais + e (Figura 1.4). Página 5 de 11

6 De acordo com seu comportamento em relação ao tempo, as tensões podem ser classificadas em dois tipos: Contínua (CC): quando mantém constantes seu módulo e sua polaridade. Uma pilha e a bateria de um automóvel são exemplos de tais fontes. Alternada (CA): quando é do tipo senoidal, como aquela fornecida pelas tomadas residenciais. 1.4 POTÊNCIA E ENERGIA O conceito de energia é intuitivo. Em Eletrotécnica, diz-se que é uma grandeza capaz de alterar o comportamento das cargas elétricas de um circuito. Sua unidade no SI é o joule (símbolo J), cujo uso em aplicações elétricas geralmente produz números muito grandes, de modo que usualmente trabalha-se com uma unidade derivada, chamada quilowat-hora (kwh) = J A potência é uma grandeza que revela como se comporta a energia Ɛ associada a um corpo em relação ao tempo. Assim: (1.3) No Sistema Internacional, a unidade de potência é o Watt (símbolo W), sendo corriqueira, ainda, a utilização dos seguintes múltiplos e submúltiplos: megawatt (MW) = 106 W quilowatt (kw) = 103 W miliwatt (mw) = 10-3 W. Quando se trata de potência mecânica, geralmente associada a motores elétricos, costuma-se utilizar as seguintes unidades: cavalo-vapor (cv) = 736 W horse-power (hp) = 745,7 W No caso de aplicações elétricas, e levando-se em consideração as Equações 1.1 e 1.2, pode-se reescrever a Equação 1.3 como se segue: que é a chamada potência instantânea, pois depende dos valores de tensão e corrente a cada instante. Quando se lida com tarifação de energia elétrica, é comum chamar-se demanda à potência exigida por um equipamento e consumo à energia requerida pelo mesmo. Como em qualquer sistema físico, existem nos circuitos elétricos elementos que. Página 6 de 11

7 fornecem energia e outros que a absorvem, armazenando-a ou transformando-a em outro tipo de energia. Por convenção, a potência absorvida por um elemento tem sinal positivo e acontece quando o sentido da corrente é tal que entra pelo polo positivo da tensão no elemento; se, ao contrário, a corrente entra pelo pólo negativo da tensão, a potência associada ao elemento é negativo, isto é, ele estará fornecendo potência. Para ajudar a guardar as fórmulas e como instrumento de consulta dispõe-se do gráfico abaixo que consiste na definição das fórmulas que regem as grandezas elétricas. 2.0 Conceito de resistência elétrica Resistencia elétrica e a oposição que um material apresenta a passagem de corrente elétrica. Essa resistência tem origem na estrutura atômica do material. Quando uma ddp e aplicada a um condutor e se estabelece uma corrente elétrica, uma quantidade de elétrons livres começa a se deslocar nele. Nesse processo, os elétrons podem colidir entre si e também com os átomos que constituem o metal de que o condutor e feito. Então, duas coisas podem acontecer. a) Quando os átomos de um material liberam elétrons livres com facilidade, a corrente elétrica flui facilmente por meio desse material. Nesse caso, a resistência elétrica desses materiais e pequena. Página 7 de 11

8 b) Por outro lado, nos materiais cujos átomos apresentam dificuldade em liberar seus elétrons livres, a corrente elétrica não flui com facilidade, porque a resistência elétrica desses materiais e grande. Portanto, a resistência elétrica de um material depende da facilidade ou da dificuldade com que esse material libera cargas para circulação. O efeito causado pela resistência elétrica tem muitas aplicações praticas em eletricidade e eletrônica. Ele pode gerar, por exemplo, o aquecimento da agua que sai do chuveiro e o calor do ferro de passar, do ferro de soldar e do secador de cabelos. 2.1 Unidades de medida de resistência elétrica A unidade de medida da resistência elétrica e o ohm, representado pela letra grega ômega: Ω. Como toda unidade de medida, o ohm apresenta fatores multiplicadores múltiplos e submúltiplos. Aqueles que são mais utilizados estão apresentados no quadro a seguir. 2.2 Tipos de resistores Sempre existem diferentes maneiras de classificar as coisas: pelo formato, pela cor, pelo tamanho, pela utilização, pelo material com o qual são fabricadas etc. Os resistores podem ser classificados em quatro tipos, conforme o material com o qual são fabricados: a) resistor de filme de carbono; b) resistor de filme metálico; c) resistor de fio; e. Página 8 de 11

9 d) resistor para montagem em superfície, também conhecido como resistor. SMR, sigla do nome em inglês Surfasse Mounted Resistor. Cada um dos tipos tem, de acordo com a sua constituição, algumas características que o torna mais adequado a determinada aplicação. Assim, o resistor de filme de carbono, também conhecido como resistor de película, apresenta formatos e tamanhos variados, como mostra a figura a seguir. Esse tipo de resistor constitui-se de um corpo cilíndrico de cerâmica, que serve de passe para a fabricação do componente. Sobre o corpo do componente, e depositada uma fina camada de filme de carbono, que e um material resistivo. E essa camada resistiva que determina a resistência nominal do resistor. Os terminais, também chamados terminais de conexão, são colocados nas extremidades do corpo do resistor, de modo que ficam em contato com a camada de carbono. Esses terminais possibilitam a ligação do elemento ao circuito. O corpo do resistor recebe um revestimento que da o acabamento e isola o filme de carbono da ação da umidade. A figura a seguir mostra um resistor em corte no qual aparece a conexão dos terminais e o filme resistivo. Página 9 de 11

10 O resistor de filme metálico tem o mesmo formato e é fabricado da mesma maneira que o resistor de filme de carbono. O que o diferencia e o material resistivo depositado sobre o corpo de cerâmica. No resistor de filme metálico, o material resistivo e uma película de níquel, que agrega as seguintes características ao componente: a) o resistor apresenta um valor ôhmico mais preciso e, portanto, baixo percentual de tolerância; e. b) o resistor e mais estável, isto e, apresenta baixo coeficiente de temperatura. Em virtude dessas características, esses resistores devem ser empregados em situações nas quais se requer precisão e estabilidade, como em circuitos digitais. O resistor de fio constitui-se de um corpo de porcelana ou cerâmica sobre o qual e enrolado um fio especial, geralmente de níquel-cromo. O comprimento e a seção desse fio determinam o valor do resistor, que tem capacidade para operar com valores altos de corrente elétrica e normalmente aquece quando em funcionamento. Observe, nas ilustrações a seguir, alguns resistores de fio e os seus respectivos terminais, o fio enrolado e a camada externa de proteção do resistor. Para facilitar o resfriamento nos resistores que produzem grandes quantidades de calor, substitui-se o corpo de porcelana maciça por um tubo, também de porcelana. O resistor SMR e constituído por um minúsculo corpo de cerâmica com alto grau de pureza no qual e depositada uma camada de material cerâmico metalizado formada por uma liga de cromo-silício. Seu valor de resistência ôhmica e obtido pela variação da composição dessa camada e pelo uso do raio laser. Devido ao seu tamanho mínimo, esse tipo de resistor e mais indicado para ser fixado nos circuitos eletrônicos por meio de maquinas de inserção automática. O quadro a seguir resume as características de resistores fixos e as suas aplicações. Página 10 de 11

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