Eletroeletrônica. Operador de Montagem de Placas Eletrônicas

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1 Eletroeletrônica Operador de Montagem de Placas Eletrônicas Eletricidade e Medidas Elétricas

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4 Coordenação do Programa Beth Callia Supervisão Pedagógica Alfredo Vrubel Colaboração Zita Porto Pimentel Autoria deste Caderno Aldo Santos Pereira Revisão de texto NONONON Produção gráfica MDcomunicaçãototal R. Heitor Penteado, São Paulo SP Editoração LASER PRESS Av. Goethe, 71/ Porto Alegre, RS Apoio MEC - Ministério da Educação PROEP - Programa de Expansão da Educação Profissional Iniciativa Realização Al. Tietê, 618 casa São Paulo SP

5 Formare - Uma Escola para a Vida O Programa Formare tem a missão de desenvolver as potencialidades de jovens de 15 a 17 anos para integrá-los à sociedade como profissionais e cidadãos. Constituído por escolas independentes, localizadas junto às unidades fabris das empresas parceiras, sob a coordenação geral e técnica da Fundação Iochpe, oferece oportunidade de formação profissional e de inserção social. Os alunos Formare, residentes em comunidades vizinhas às empresas, são encaminhados ao mercado de trabalho e acompanhados em seu período inicial de atividade. As primeiras escolas foram criadas pela Iochpe-Maxion S.A., em 1988, no Rio Grande do Sul e em São Paulo. A partir de 1995, o Programa passou a buscar o aperfeiçoamento dos cursos oferecidos e o crescimento em âmbito nacional, em um processo comparável à lapidação de uma pedra bruta para transformá-la em puro diamante. Como modelo vitorioso de franquia social, o Formare já se encontra com mais de duas dezenas de escolas implantadas no Brasil e na Argentina. Cerca de 85% dos jovens formados empregaram-se em pequenas, médias e grandes empresas, triplicaram sua renda em três anos, e muitos prosseguiram seus estudos até o nível superior. Os cursos e materiais pedagógicos Formare são estruturados de acordo com as linhas do Programa de Expansão da Educação Profissional do Ministério de Educação (PROEP/MEC), bem como dos princípios da educação tecnológica contemporânea. Assim, os cursos Formare ajudam a desenvolver características essenciais para um bom desempenho profissional: multifuncionalidade, flexibilidade, comunicabilidade, responsabilidade e criatividade, com base em pesquisa para identificar as carências e necessidades do mundo do trabalho nas regiões em que as escolas são implantadas. 5

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7 Introdução A introdução ao mundo da eletrônica industrial, objeto deste caderno Formare, compreende oito capítulos temáticos, seguidos de glossário e bibliografia. O Capítulo 1, sobre normas para trabalho em laboratório e fábrica, revela as exigências básicas de conduta e de segurança no ambiente de trabalho. O Capítulo 2 aborda o Sistema Internacional de Unidades, aproximando o aluno dos termos, unidades e grandezas utilizados na área de eletromecânica. Os circuitos elétricos são tratados no Capítulo 3, que apresenta ao aluno os primeiros modelos, os elementos básicos de um circuito e os equipamentos de medição. O primeiro circuito simples é decomposto em seus diversos componentes. Na seqüência, no Capítulo 4, são relacionados os principais instrumentos de medida: o multímetro e o osciloscópio. O Capítulo 5 traz informações sobre o capacitor, componente largamente utilizado em eletrônica, apresentado desde sua operação até a identificação dos tipos mais comuns. O objetivo do Capítulo 6, também sobre circuitos elétricos, é conduzir o aprendiz ao cálculo de circuitos simples. Os primeiros circuitos apresentados são descritos de forma analítica. No Capítulo 7, sobre eletromagnetismo e transformadores, são enfocados os conceitos básicos da área, uma vez que é necessário que o aluno conheça os fundamentos do eletromagnetismo para que possa compreender o funcionamento dos transformadores. O Capítulo 8, finalmente, busca tornar o aluno capaz de analisar circuitos simples, em corrente alternada e corrente contínua, introduzindo suas principais características por meio de fórmulas matemáticas. 7

8 Estudaremos também o processo de soldagem MIG/MAG. Os primeiros trabalhos nesse sentido foram feitos com gás ativo em peça de aço, no início de O processo era inviável e, somente após a 2ª Guerra Mundial, foi possível implementá-lo - primeiro para soldagem de magnésio e suas ligas e, em seguida, para os outros metais, sempre com gás inerte. Algum tempo depois, o gás CO2 foi introduzido no lugar do argônio, parcial ou totalmente, na soldagem de aço carbono. Em relação à soldagem MIG/MAG, apresentaremos fundamentos do processo, equipamentos, execução e aplicações industriais. Para os diversos processos de soldagem, foram previstos exercícios para consolidar informações importantes ou orientar a seqüência de procedimento em atividades práticas. Para os exercícios propostos, é apresentado um gabarito ao final do caderno. Com este material, o aluno Formare terá um conjunto de informações seqüenciadas que lhe permitirão entender a soldagem como processo de fabricação para que possa iniciar sua prática aplicando a tecnologia mais adequada. NOTA: Foi adotada a convenção (*) para marcar as palavras e termos que aparecem no Glossário, com sua conceituação ou exemplificação. 8

9 Índice 1. NORMAS PARA TRABALHO EM LABORATÓRIO/FÁBRICA Segurança no trabalho Posturas físicas, ética e profissional Manuseio de ferramentas SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) Estrutura do SI Prefixos do SI CIRCUITO ELÉTRICO, CC E CA Circuito elétrico Lei de Ohm; associação e codificação de resistores Gerador elementar Curto-circuito MULTÍMETRO DIGITAL E OSCILOSCÓPIO Multímetro digital O osciloscópio 50 5 CAPACITORES 59 6 CIRCUITOS ELÉTRICOS 71 7 ELETROMAGNETISMO E TRANSFORMADOR Campo Magnético ímãs condutores em campo magnético eletroímã Motores Elétricos Transformadores 87 8 ANÁLISE DE CIRCUITOS 91 9 BIBLIOGRAFIA GLOSSÁRIO RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 105 9

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11 1Normas para trabalho em Laboratório / Fábrica 1.1 Segurança no trabalho 1.2 Posturas físicas, ética e profissional 1.3 Manuseio de ferramentas

12 1Normas para trabalho em Laboratório / Fábrica 1.1 SEGURANÇA NO TRABALHO O setor eletroeletrônico subdivide-se em um imenso leque de ações.elas apresentam grau de risco variado, desde atividades de mínimo risco até as que recebem grau máximo de periculosidade. Um operador de montagem de placas eletrônicas não se expõe a riscos muito grandes e, em geral, esse trabalho não recebe nenhum adicional de periculosidade ou insalubridade. No entanto, qualquer atividade pode apresentar riscos se não forem seguidos alguns procedimentos mínimos de segurança. No caso de laboratórios e indústrias existe sempre uma lista deles a serem seguidos e outros que devem ser evitados. Condições físicas de laboratórios e indústrias. 1 Saídas condizentes com o número de funcionários em cada sala; Evitar: Saídas com portas ou escadas estreitas; uso de corredores como depósito de materiais (em especial inflamáveis); portas de saídas de emergência trancadas. 2 Iluminação condizente com a atividade desenvolvida, dando preferência à luz natural. Evitar: ambientes pouco iluminados, em ambientes amplos evitar regiões mal iluminadas. 3 Equipamentos de incêndio compatíveis com as atividades desenvolvidas, extintores apropriados a cada tipo de combustível, devidamente identificados e carregados. 4 Ambiente bem ventilado, com preferência à ventilação natural sobre a forçada. ATITUDES DEFENSIVAS DO OPERADOR DE MONTAGEM DE PLACAS ELETRÔNICAS. As atitudes do operador devem pautar-se por sua segurança e de seus colegas de trabalho. 12

13 Quando a empresa não oferece cursos de segurança no trabalho, o técnico deve ser capaz de identificar alguns pontos e atividades de risco. Alguns podem ser citados facilmente: - Sistema elétrico em geral, tomadas e fios expostos podem oferecer riscos de choque ou incêndio. - Aparelho de solda branda. Têm pelo menos um ponto de alta temperatura (algumas centenas de ºC) e podem representar risco de queimaduras ou até mesmo incêndio. - Aparelhos de solda branda em larga escala (solda onda). Em geral, trabalham com maiores quantidades de energia e por isso apresentam maiores riscos, além de exalarem gases tóxicos. - Componentes eletrônicos podem possuir contatos pontiagudos ou cortantes que representam risco de pequenos acidentes. Cuidado extra deve ser tomado ao cortar com alicate adequado possíveis excessos, pois com o corte pedaços do material podem ser lançados em direção aos olhos do operador. - As ferramentas utilizadas pelo operador podem representar riscos graves. Nenhuma ferramenta, em especial as pontiagudas ou cortantes, devem ser forçadas contra o operador ou ajudante. - São comuns os casos em que o operador apóia uma peça na mão e a pressiona com uma chave de fenda que, ao escapar, perfura e até mesmo atravessa sua mão. - Em qualquer indústria ou laboratório, o operador deverá usar os cabelos curtos ou presos, evitar o uso de colares, pulseiras, anéis, brincos, além de qualquer objeto metálico preso ao corpo e pendente (alguns tipos de piercing). A roupa deve deixar o operador à vontade e com liberdade de movimento, sendo as de fibras algodão melhores do que as de fibras sintéticas. Gravatas devem ser evitadas ou presas à roupa. Em caso de acidente, o que fazer? 1 Manter a calma; 2 Chamar socorro; 3 Identificar o tipo de acidente, queimadura, trauma ou choque elétrico; 4 No caso de choque elétrico, procurar desacionar o sistema elétrico através de disjuntores ou desligar o equipamento da tomada. Jamais tocar na vítima sem desligar a energia. 5 Atender a vítima, se conhecedor de primeiros socorros, ou aguardar socorro mantendo a vítima confortável. 13

14 1.2 POSTURAS FÍSICAS, ÉTICA E PROFISSIONAL De um profissional do setor eletro-eletrônico, é esperada uma exemplar postura profissional e pessoal. O operador deve comportar-se como um cidadão e cumprir suas obrigações profissionais. Assim, poderá exigir do empregador, condições de igualdade, parceria e respeito mútuo. Deve obedecer a hierarquia da empresa e encaminhar suas sugestões ou demandas aos setores pertinentes. Executar suas tarefas com qualidade, maturidade, rapidez e segurança. Manter sigilo de segredos industriais ou estratégias da empresa em relação à concorrência. Fig Procurar o desenvolvimento profissional e ascensão na carreira através do trabalho, da honestidade, do aperfeiçoamento educacional, da participação de atividades em grupo, demonstrando espírito de liderança ou de equipe. Com relação à postura física é sempre bom lembrar que o organismo humano é adaptado para uma vida não sedentária, portanto, toda a postura estática tende a agredir o organismo. Fig Evite dobrar o corpo quando, estando em pé, realizar um serviço sobre uma prancha ou mesa. No caso de trabalho em pé, procurar deixar a coluna alinhada e apoiar-se nos dois pés igualmente. Evitar posicionamento lateral que force o rosto a ficar voltado à direita ou à esquerda. 14

15 Procure mover-se em intervalos de tempos regulares. Ginástica postural é recomendada e pode ser ministrada por profissional de Educação Física habilitado. No caso de trabalho sentado procure também manter a coluna Fig na vertical ou devidamente apoiada. Procure apoiar os braços na bancada de trabalho. Os pés devem estar apoiados, nunca pendentes. Procure levantar-se pelo menos uma vez a cada hora. Felizmente o organismo avisa quando está sendo agredido. Procure ficar em uma posição confortável, em pé ou sentado. Quando uma posição se torna incômoda é porque ela passou a ser prejudicial e pode provocar dores ou lesões. Outra fonte de preocupação consiste na forma correta de erguer e deslocar pesos, muito embora no setor eletroeletrônico essa atividade não seja comum. Ao erguer ou baixar pesos o profissional deve dobrar os joelhos e manter a carga próxima ao tronco, realizando o esforço maior com as pernas, evitando que a coluna se dobre. Fig Evite levantar pesos do chão acima de 20% do seu peso corporal. Abaixe-se como um halterofilista. Não coloque pesos acima da cabeça em prateleiras altas. Para deslocar pesos é importante aproximar a carga do tronco, curvando-o levemente para trás até encontrar o equilíbrio, evitando o esforço na coluna. É importante jamais exceder a sua capacidade de carga e, sempre que possível, utilizar carrinhos para transportar cargas. Fig Para não sobrecarregar os músculos que devem equilibrar as costas: 1) divida o volume em dois (um em cada mão); 2) Use sapatos com saltos nem muito altos nem muito baixos e não se curve. Não carregue bolsas ou pastas pesadas inutilmente, durante o dia todo. 15

16 1.3 MANUSEIO DE FERRAMENTAS Em seu trabalho, o operador de montagem de placas eletrônicas, geralmente utiliza kit de ferramentas que está sob sua responsabilidade. Cabe a ele zelar e fazer bom uso do material. Fig Chaves de fenda e Philips são ferramentas bastante simples de serem mantidas em boas condições. É importante lembrar que, em geral, essas chaves foram desenvolvidas para apertar ou afrouxar parafusos de fenda ou Philips. Portanto, o uso das chaves como formão, alavanca, talhadeira, espátula ou furadeira, mesmo que demonstre a versatilidade dessas ferramentas, não é recomendado. Também devem ser seguidas as recomendações de segurança em relação ao uso, vistas anteriormente. Alicates: Dividem-se em universais, de bico e de corte. Fig Os alicates em geral são máquinas simples que nos permitem obter vantagem mecânica, pois podem segurar, apertar ou cortar objetos com força superior à aplicada. E, por isso, podem danificar-se ou quebrar, com alguma facilidade, se forem forçadas demais. Fig Fig Pinças: Ao contrário dos alicates, as pinças atenuam a força aplicada, por isso são feitas para atividades que exijam delicadeza. Jamais utilize uma pinça para fazer força. Ela se danificará. Ferro de solda: É um equipamento elétrico que exige alguns cuidados especiais no manuseio. A ponta do ferro é suficientemente quente para derreter o isolante do cabo elétrico do ferro se houver contato entre eles, deixando exposto o condutor* e causando risco de choques elétricos. Para aumentar a durabilidade da ponteira do ferro de solda, essa deve ser constantemente limpa com uma esponja vegetal umedecida com água. Depois da utilização das ferramentas, essas devem ser conferidas, limpas e guardadas até o próximo uso. 16

17 Exercícios EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1.1 No caso de choque elétrico em um companheiro de trabalho. O que fazer? a ) Manter a calma; b ) Chamar socorro; c ) Procurar desacionar o sistema elétrico. 1.2 Qual a diferença entre pinças e alicates? Os alicates são projetados para obtenção de uma vantagem mecânica, as pinças são projetadas para que se trabalhe com mais precisão. 1.3 Como devem ser erguidos pesos? Dobrando os joelhos e fazendo força com as pernas, não com o tronco. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1.4 Pesquise os tipos de extintores de incêndio para instalações eletroeletrônicas. 1.5 Desenhe a forma correta de transportar peso. 1.6 Pesquise e entreviste pelo menos uma pessoa que tenha sofrido um choque elétrico e peça para explicar o que ela sentiu. Compartilhe com os colegas. 1.7 Por que não se deve usar cabelos compridos soltos em um laboratório ou indústria? 1.8 Por que devemos preferir roupas de algodão e não roupas sintéticas? 17

18 1.9 Avalie as condições de trabalho em sua sala de aula ou laboratório em relação aos itens físicos e suas atitudes defensivas. Faça um breve relatório Dramatize uma situação de acidente de trabalho em seu laboratório, com um grupo de colegas. Em grande grupo discuta a situação sob os aspectos de socorro e prevenção de acidentes, determinando atitudes positivas e negativas. 18

19 2Sistema internacional de Unidades (SI) 2.1 Estrutura do SI 2.2 Prefixos do SI

20 2Sistema internacional de Unidades (SI) 2.1 ESTRUTURA DO SI Hoje existe um sistema padrão de unidades, reconhecido no mundo inteiro, porém, nem sempre foi assim. Conforme Bonjorno (ref. 1) até meados do século XX eram usadas diferentes unidades de medida ou padrão. Observe, nos quadros, alguns desses padrões e os países em que eram utilizados. Inglaterra e Estados Unidos China Rússia Unidade de Comprimento Nome da Unidade jarda - polegadas tsun - jin versta Valor Aproximado em Metros (m) 0,914-0,025 0,06-58,8 0,66 Inglaterra e Estados Unidos China Egito Unidade de Massa Nome da Unidade Valor Aproximado em Quilogramas (kg) libra - onça 0,45-0,028 pecul 71 rotolo 0,69 Como cada país fixava seu próprio padrão, as relações comerciais e as trocas de informações científicas entre as nações tornavam-se muito difíceis. Para resolver os problemas oriundos desse fato, foram criados padrões internacionais. Surgiu, assim, o Sistema Internacional de Unidades (SI). O SI estabelece sete unidades de base, cada uma delas correspondente a uma grandeza. 20

21 Grandeza Comprimento Massa Tempo Intensidade de corrente elétrica temperatura termodinâmica quantidade de matéria intensidade luminosa Unidade metro quilograma segundo ampère kelvin mol candela Símbolo m kg s A K mol cd O SI é também denominado MKS, onde as letras M, K, S correspondem às iniciais de três unidades do SI: Comprimento Massa Tempo MKS m Kg s Existem ainda dois outros sistemas, o CGS e o MKgfS: Comprimento Massa Tempo CGS cm g s MKgfS m u.t.m. (*) s (*) u.t.m. = unidade técnica de massa O correto é usarmos apenas as unidades do SI, mas é comum o emprego, em algumas situações, das unidades dos sistemas CGS e MKgfS. OBSERVAÇÕES IMPORTANTES: 1 Quando escritas por extenso, as iniciais das unidades devem ser sempre minúsculas, mesmo que sejam nomes de pessoas. Exemplo: metro, newton, quilômetro, pascal etc. 2 A unidade de temperatura da escala Celsius, o grau Celsius, é a única exceção à regra. Neste caso, utilizamos a letra maiúscula. 3 Os símbolos representativos das unidades também são letras minúsculas. Entretanto, serão maiúsculas quando estiverem referindo-se a nomes de pessoas. Unidade ampère newton pascal metro Símbolo A N Pa m 21

22 4 Os símbolos não se flexionam quando escritos no plural. Assim, para indicarmos 10 newton, por exemplo, usamos 10 N e não 10 Ns. 5 As unidades de base, combinadas, formam outras unidades, denominadas unidades derivadas, que serão estudadas no decorrer do desse curso. Grandeza Física Corrente Elétrica: Definição: movimento ordenado de elétrons devido à ação de um campo elétrico. Fig Fig Sentido da corrente elétrica em nos condutores sólidos, o sentido da corrente elétrica é o sentido do movimento dos elétrons em seu interior. Esse é o sentido real da corrente elétrica. No estudo da eletricidade adota-se o sentido convencional, que é o do movimento das cargas positivas, e que corresponde ao sentido do campo elétrico E, no interior do condutor. Fig

23 Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Corrente Elétrica I ampère A Obs: note que a letra A (maiúscula) é o símbolo da unidade ampère, enquanto a letra i (minúscula) é o símbolo da grandeza Corrente Elétrica. Grandeza Física Carga Elétrica A carga elétrica é uma grandeza física que está relacionada com a quantidade relativa de prótons e elétrons em um determinado corpo. Quando estes números estão igualados, o corpo não apresenta carga, está neutro. Porém, quando existe diferença entre o número de prótons e elétrons o corpo se encontra carregado. Definição: A grandeza física carga elétrica pode ser definida como o número de prótons ou elétrons que o corpo possui a mais. Na verdade, atribui-se um valor para carga de um elétron e um próton, carga elementar, e multiplica-se este valor pelo número de cargas a mais. Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Carga Q coulomb C O valor da carga Elementar é: e = 1, C Então: A carga do elétron é -1, C e a carga do próton é 1, C. Obs: A carga de um corpo sempre será um múltiplo da carga elementar. Grandeza Tensão Elétrica É o trabalho realizado pela força elétrica para deslocar uma carga elétrica de um ponto a outro. 23

24 Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Tensão V Volt V 1 volt = 1 joule/1 coulomb Fig Grandeza Intensidade De Campo Elétrico O campo elétrico corresponde à região do espaço que se encontra sob a influência de carga elétrica. Em cada ponto desta região encontram-se diferentes intensidades de campo elétrico. Elas são determinadas a partir da força elétrica que surge sobre uma carga, chamada de prova, colocada em cada ponto da região. Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Campo Elétrico E Newton por Coulomb N/C Fig N/C Corresponde a 1 N de força elétrica que age sobre cada 1 Coulomb de carga sob ação do campo elétrico. 24

25 O campo elétrico em si é uma grandeza que possui direção e sentido. Sentido depende do sinal da origem do campo. Direção a mesma que une o ponto a origem do campo. Resistência Elétrica A resistência elétrica mede a oposição que os átomos de um material oferecem à passagem da corrente elétrica. Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Resistência R Ohm Ω 1Ω = 1 volt/1 ampère Grandeza Resistividade Elétrica É uma característica intrínseca do material. Está associada à variação da resistência elétrica de um material para outro. Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Resistividade P Ohm vezes metros Ω. m 1Ω. m = 1V. 1m 1A A grandeza resistividade elétrica sofre variação com a temperatura. Grandeza Física Capacitância Os condutores possuem a capacidade de armazenar cargas elétricas, porém, com dificuldade. Para armazenar cargas razoáveis, assumem potenciais muito altos que facilitam a descarga*. 25

26 Utilizando-se dois condutores de geometria especial separados por um meio isolante é possível ampliar em muito esta capacidade. Basicamente, esse é o princípio de construção dos capacitores (serão estudados no capítulo V). Portanto, a grandeza capacitância elétrica é o quanto um condutor pode armazenar de carga por unidade de tensão elétrica. Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Capacitância C Farad F 1F = 1coulomb 1volt Grandeza Intensidade de Campo Magnético O campo magnético é uma região do espaço sob a influência de um dipólo magnético. A grandeza intensidade de campo magnético está relacionada com a força de origem magnética, que surge sobre uma carga elétrica em movimento perpendicular ao campo, em um ponto da região de influência desse. Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Campo Magnético B Tesla T 1T = A = 1mo 1N 1C. 1m/s Outra possibilidade é definir o campo a partir da corrente que, ao circular em um fio, provoca o aparecimento desse campo em um ponto. 26

27 2.2 PREFIXOS DO SI Dependendo do valor da medida em uma determinada unidade é justificável a utilização de múltiplos e submúltiplos dessa unidade. O Sistema Internacional de Unidade (SI) prevê a forma de representar estes múltiplos e submúltiplos. Conforme o quadro a baixo. Prefixo tera giga mega quilo hecto deca deci centi mili micro nano pico Símbolo T G M k h da d c m µ n p Fator pelo qual a Unidade é Multiplicada

28 Exercícios EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 2.1 Como poderia ser expresso a tensão de 220V em, no mínimo, um múltiplo e um submúltiplo? 1000 mv = 1V x = = R: mv 1 x mv = 220V 1000 V = 1 KV x = = 0,22 R: 0,22 KV V = x KV 2.2 Se num condutor circulam 3A determine o número de elétrons que circularão em 2s? 1 A = 1 C/s, onde 1C = 6,25 x 1018 elétrons então 3A = 3C/s e 3A. 3s = 3C/s. 3s = 6C Em números de elétrons temos: 6,25 x 1018 x 6 = 3,75 x elétrons 2.3 Qual das unidades usadas em eletricidade e apresentadas neste capítulo é uma unidade base? Ampère EXERCÍCIOS PROPOSTOS 2.4 Preencha o quadro a seguir corretamente: Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Corrente Elétrica Volt Q B T Resistência Elétrica F 28

29 2.5 Qual a diferença entre resistividade e resistência? 2.6 O que é MKS? 2.7 O que significam os prefixos que acompanham as unidades do SI? 2.8 A potência consumida por um chuveiro elétrico é igual a 4750W. Expresse essa potência em KW. 2.9 Converta sua altura em unidades inglesas e americanas, chinesa e russa Procure nos equipamentos elétricos, do laboratório e de sua casa, as etiquetas onde estão estampadas as suas características elétricas. Anote e compare os valores dos diversos equipamentos. Pelas unidades adotadas determine a grandeza à qual cada valor se refere. Leitura Recomendada: Física Fundamental Novo: volume único. Bonjorno & Clinton. (Item 1 da Bibliografia.) 29

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31 3 Circuito Elétrico, CC e CA 3.1 Circuito elétrico 3.2 Lei de Ohm; associação e codificação de resistores 3.3 Gerador elementar 3.4 Curto-circuito

32 3 Circuito Elétrico, CC e CA 3.1 CIRCUITO ELÉTRICO Agora analisaremos um circuito elétrico elementar, constituído de pilha, condutor, interruptor e lâmpada. Apresentaremos as características de cada um de seus elementos e sua conceituação, comparando-o com a um sistema hidráulico, para a melhor compreensão do aluno. Elementos de um circuito elétrico No circuito abaixo aparecem diversos elementos que apresentam algumas grandezas elétricas. Fig O que acontece quando se fecha a chave CH1? É possível observar o acendimento da lâmpada L. É possível explicar facilmente o que está se processando no circuito a partir das grandezas apresentadas no capítulo anterior. A Fonte Fig Na fonte existe a tensão elétrica entre seus pólos, também chamada de diferença de potencial, que é medida em volts (V). A fonte atua de maneira análoga a uma bomba de água, acelerando cargas elétricas de um pólo para outro em um único sentido (exemplo da pilha). É comum a idéia equivocada de que a fonte cria cargas 32

33 elétricas ou ainda que armazena cargas elétricas como se fosse uma caixa d água (na comparação hidráulica). Na fonte existe a transformação de uma forma de energia (neste caso a energia química) em energia elétrica. Lâmpada A lâmpada apresenta a grandeza resistência elétrica medida em ohms (símbolo do ohm). Ela pode ser considerada um resistor, que é o elemento de circuito elétrico que apresenta a grandeza resistência elétrica. Comparando com um sistema hidráulico, corresponderia a um estreitamento no cano. Fig Fios Os fios condutores são um meio de baixa resistência à passagem da corrente elétrica por serem feitos de material de baixa resistividade. Correspondem, em um sistema hidráulico, aos canos que conduzem a água. Fig A chave É um elemento de manobra do circuito, responsável pela abertura ou fechamento do mesmo. Em um sistema hidráulico corresponderia a um registro de esfera que, ou abre a passagem de água totalmente, ou a restringe completamente. A corrente elétrica no circuito. Quando a chave CH1 está fechada se estabelece no circuito uma corrente elétrica, isto é, um movimento ordenado de cargas elétricas devido à diferença de potencial existentes entre os pólos da fonte F. É possével fazer a analogia da corrente elétrica com o fluxo de água em um circuito hidráulico fechado, conforme o esquema abaixo. Fig

34 Potência Elétrica É o produto entre a tensão elétrica e a corrente elétrica. Corresponde ao trabalho que pode ser realizado pela energia elétrica na unidade de tempo. P = V. i P _ potência elétrica V _ tensão I _ corrente elétrica Unidade da potência elétrica: Watt (W) Circuito elétrico Corresponde a um conjunto de elementos elétricos interligados onde exista a possibilidade da passagem de corrente elétrica. Daí vêm os conceitos de circuito aberto, no qual não circula corrente elétrica; de circuito fechado, onde a corrente elétrica está estabelecida. 3.2 LEI DE OHM; ASSOCIAÇÃO E CODIFICAÇÃO DE RESISTORES. A lei de Ohm A relação entre corrente e tensão aplicadas aos resistores fixos foi estudada pelo físico e matemático alemão, George Simon Ohm, cujas conclusões resultaram na chamada lei de Ohm: A intensidade da corrente elétrica em um circuito aumenta quando a tensão é aumentada, e diminui quando a resistência é aumentada. Ou ainda: A intensidade da corrente é diretamente proporcional à tensão e inversamente proporcional à resistência. i = V R 34

35 Obs: A lei de Ohm vale somente para resistores fixos, cujos valores se mantêm estáveis, e por isso, são chamados de ôhmicos. Resistores Os resistores, como já foi visto, são elementos de circuito elétrico que apresentam resistência elétrica. São simbolizados nos diagramas elétricos pelo símbolo abaixo e se apresentam conforme a figura 3.8 Fig Associação de resistores Os resistores podem ser associados em série, paralelo, ou de maneira mista, com objetivo de resultar em um valor de resistência equivalente não encontrado no comércio ou não disponível no momento. Associação em série Fig No caso, a resistência equivalente é igual a soma das resistências associadas. R eq = R 1 + R 2 + R 3 Associação em paralelo Na associação em paralelo, o inverso da resistência equivalente é igual à soma dos inversos das resistências. = = = R eq R 1 R 2 R 3 Fig O que permite simplificações para casos especiais. 35

36 No caso de apenas dois resistores em paralelo, podemos calcular a resistência equivalente pela fórmula do produto pela soma. Fig R eq = R 1. R 2 R 1 + R 2 No caso de resistores iguais, divide-se a resistência pelo nº de resistores iguais; R eq = R n o resistores iguais Fig Associação mista Fig Consiste de uma associação composta de, pelo menos, uma associação de cada tipo, direta ou indireta. Deve ser solucionado resolvendo-se cada tipo de associação seqüencialmente. Por exemplo, na associação da Fig , à esquerda, os resistores R1 e R2 estão associados diretamente em paralelo entre si e indiretamente em série com o resistor R3. Começamos resolvendo a associação direta em paralelo entre R1 e R2. O resistor equivalente a essa associação estará diretamente em série com o resistor R3. Resolvendo a série, encontramos o resistor equivalente à associação inteira. Codificação de resistores É possível gravar facilmente as características dos resistores de naior dimensão e potência resistência, potência e tolerância. 36

37 Os resistores de baixa potência costumam ser muito pequenos, dificultando esta gravação. Por isso foi inventado o código de cores, que consiste em anéis coloridos que representam números, conforme demonstrado na tabela da figura Note que existem dois tipos de código de cores, o de quatro anéis para resistores de alta tolerância 5% a 10%, e o de 5 anéis para os resistores de baixa tolerância 1% a 2%. A tolerância de um resistor é o máximo de diferença que pode existir entre o valor gravado no resistor e o valor real do resistor. Curiosidade: as pessoas daltônicas (que possuem distúrbio visual que dificulta ou impede a identificação das cores) são incapazes de identificar os valores dos resistores. Fig

38 Fig GERADOR ELEMENTAR Um gerador AC simples Conforme Mileaf (ref. 6), os geradores AC combinam o movimento físico e o magnetismo para produzir uma tensão AC. Se um condutor se move através de um campo magnético de modo a cortar as linhas de fluxo, é aplicada uma força sobre os elétrons livres no interior do condutor, fazendo com que eles se movimentem. Como essa força origina um fluxo de corrente, pode ser considerada uma fem*, ou tensão. Esse é o princípio básico de funcionamento de um gerador AC. A figura mostra o tipo mais simples de gerador AC. Este consiste em uma única espira de fio, colocada entre os pólos de um ímã permanente e livre para girar. Conforme a espira gira, ela corta as linhas de força do campo magnético e produz uma tensão. Na prática, o gerador possui várias espiras (ao invés de uma só espira), que são enroladas e constituem o rotor ou a armadura. 38

39 Fig Entre os dois extremos da espira temos a tensão produzida. Anéis de contato e escovas são utilizados para transferir a tensão para um circuito externo. Os anéis de contato são anéis lisos feitos de material condutor. Um anel é ligado a cada extremidade da espira e ambos giram quando a bobina* gira. As escovas estão em contato com os anéis e para cada anel temos uma escova. As escovas não se movem, mas permanecem em contato com a superfície dos anéis enquanto estes giram. Assim, temos entre as escovas, a tensão de saída do gerador que pode ser facilmente aplicada em um circuito. Através dessa descrição, podemos verificar que alguma coisa deve fazer a espira girar para que o gerador funcione. Pode ser água em movimento, um motor a gasolina, vapor produzido pela queima de carvão, ou mesmo vapor produzido por um reator nuclear. Corrente e Tensão Alternada Na saída de um gerador elementar temos uma tensão alternada. A tensão alternada é aquela que, ao longo do tempo, varia seu valor, assumindo valores positivos, negativos e nulos. Um exemplo é a tensão que chega em nossas casas pela rede de distribuição em 110V, 127V ou 220V conforme a região. A tensão da rede varia seus valores sessenta vezes a cada segundo. Em um gráfico de tensão ao longo de tempo teríamos o seguinte: 39

40 Fig Quando se conecta a tensão alternada em um circuito, circula uma corrente alternada. A corrente alternada é um fluxo ordenado de elétrons que alterna sua direção nos mesmos intervalos de tempo que a tensão. Fig A tensão e a corrente alternada são representadas por seus valores eficazes, Isto é, o valor eficaz é um valor tal que uma corrente alternada executa o mesmo trabalho que esse valor em corrente contínua. O valor eficaz se encontra abaixo do valor de pico de corrente e tensão. i p = i CA 2 V p = VCA. 2 40

41 3.4 CURTO-CIRCUITO Dois pontos estão em curto-circuito, quando, entre eles, existe uma resistência próxima de zero, isto é, os dois pontos estão ligados por um fio. Fig Praticamente a totalidade da corrente é desviada pelo fio, é como se os pontos estivessem ligados diretamente. A corrente elétrica tende a aumentar, geralmente, ultrapassando o limite máximo para o circuito, danificando-o permanentemente. Na instalação elétrica convencional, a corrente pode atingir até centenas de ampères, provocando superaquecimento da fiação e mesmo um incêndio. Para evitar esse risco as instalações possuem fusíveis. Aterramento de Equipamentos Nos equipamentos elétricos podem surgir, em carcaças metálicas, tensões elétricas induzidas. Essas podem provocar danos no equipamento ou risco aos usuários. Para evitar essas tensões, os aparelhos elétricos possuem, além dos fios fase* e neutro, o fio terra, que deve ser ligado a uma haste metálica enterrada diretamente no solo. Choque Elétrico. O choque elétrico age diretamente no sistema nervoso do corpo humano, podendo provocar desde pequenas contrações musculares até a morte. Sua gravidade é determinada, conforme Paraná (ref. 7), tanto pela intensidade da corrente elétrica como pelo caminho que ela percorre no corpo da pessoa. 41

42 A menor intensidade da corrente, que percebemos como um formigamento, é de 1mA (miliampère). Uma corrente com intensidade de 10mA faz a pessoa perder o controle muscular. O valor entre 10mA e 3 A pode ser mortal se atravessar o tórax do chocado, pois atinge o coração, modificando seu ritmo e fazendo com que ele pare de bombear sangue. A pessoa, então, pode morrer em poucos minutos. Intensidades acima de 3 A levam à morte por asfixia em poucos segundos. O choque mais grave é o que atravessa o tórax, pois afeta o coração. Nesse caso, mesmo uma intensidade não muito alta da corrente pode ser fatal. Uma corrente de alta intensidade que circule de uma perna a outra pode resultar só queimaduras locais, sem lesões mais sérias. A ilustração abaixo mostra a porcentagem da corrente elétrica que passa pelo coração em função do tipo de contato. Fig

43 Exercícios EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 3.1 Diferencie corrente elétrica e tensão elétrica. A corrente elétrica é o movimento ordenado das cargas. A tensão é o que provoca o movimento. 3.2 Qual a função de uma fonte de alimentação e como ela funciona? A fonte de alimentação fornece energia ao circuito através da conversão de outra forma de energia em energia elétrica. 3.3 Determine a corrente circulante e a potência dissipada em R no circuito abaixo. Fig. E.3.1 i = V = 1,5 = 0,15 A = 150 ma R 10 P = V. i = 1,5. 0,15 = 0,225 W = 225 mw 43

44 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 3.4 Determine o valor nominal e a tolerância dos resistores descritos abaixo: a) com faixas: vermelho, vermelho, vermelho e ouro b) com faixas: marrom, preto, verde e prata c) com faixas: verde, preto, amarelo e ouro d) com faixas: amarelo, violeta, prata e ouro 3.5 Qual a resistência equivalente das associações em série abaixo? a) b) c) 3.6 Qual a resistência equivalente das associações em paralelo abaixo: a) b) c) 44

45 3.7 Qual a resistência equivalente das associações mistas abaixo: 3.8 Para produzir energia elétrica através de um gerador elementar AC, é necessário _ da espira em relação ao campo produzido pelo ímã permanente. 3.9 Faça um gráfico da tensão alternada em sua residência, indicando o valor de pico e eficaz Utilizando os materiais disponíveis no laboratório, monte o circuito abaixo. Alterne os valores do resistor e observe o que ocorre com o brilho da lâmpada. Discuta com os colegas e formule hipóteses. 45

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47 4Multímetro digital e Osciloscópio 4.1 Multímetro digital 4.2 O osciloscópio

48 4 Multímetro digital e Osciloscópio 4.1 MULTÍMETRO DIGITAL Fig O multímetro é um aparelho que serve para medição de tensão, corrente e resistência. O tipo do aparelho pode, inclusive, determinar a realização de outras medições, com ou sem o uso de acessórios, como intensidade sonora, temperatura, capacitância e indutância, entre outras. Um multímetro consiste, no mínimo, em de três instrumentos de medição, o voltímetro, o amperímetro e ohmímetro. Eles podem ser selecionados um de cada vez por meio de um seletor rotativo, conjunto de botões ou pontos de inserção das ponteiras de teste em posições específicas para cada medida. O multímetro ainda permite a seleção de escalas, para obtenção de medidas de maior precisão. Estas escalas são indicadas no aparelho, com os seus valores de fundo, isto é, máximos. Para que o multímetro possa realizar medições é necessário que uma corrente passe em seu interior. O multímetro, por meio de um circuito eletrônico, é capaz de medir esta corrente e relacioná-la com a escala e instrumento selecionados, lançando em um display, o valor da medida na unidade da grandeza selecionada. Fig Display digital de multímetro. 48 Para que o multímetro realize a medição, uma corrente deverá circular em seu interior, logo o aparelho interferirá na medida que

49 está sendo efetuada. Nesse ponto o multímetro digital é superior ao seu predecessor, o multímetro analógico. O multímetro digital interfere muito pouco nas medições e, normalmente, seu erro está abaixo das tolerâncias dos componentes de um circuito. O fabricante sempre indica o percentual de erro do aparelho em cada tipo de medida e em cada escala, no manual que acompanha o multímetro. Cada instrumento de medida associado no multímetro requer um tipo de ligação diferente no circuito para a realização de medidas. Fig O voltímetro deve ser ligado em paralelo com a região do circuito a ser medida. O amperímetro deve ser conectado em série. E o componente, cuja resistência se quer conhecer, deve ser retirado do circuito para a utilização do Ohmímetro em paralelo. Fig Os cuidados com o multímetro também devem constar no manual. Basicamente, proteja-o da umidade, temperatura excessiva e impactos. Algumas regras devem ser observadas para sua utilização: 1 Ter certeza de como conectar as ponteiras do multímetro ao circuito para realizar a medição da grandeza desejada. 2 Para medições de corrente e tensão, selecionar a maior escala da grandeza, o que evita a sobrecarga do multímetro. 3 Desconectar as ponteiras do multímetro do circuito para realizar trocas de escalas. 4 Desligar a energia do circuito para medições de resistência. 49

50 4.2 O OSCILOSCÓPIO Fig O osciloscópio é um dos instrumentos mais versáteis usados na eletrônica. Com ele podemos verificar um sinal elétrico e suas variações no tempo. O osciloscópio mostra o gráfico da tensão em função do tempo. O eixo horizontal (eixo x) é o eixo dos tempos ou base de tempo, o eixo vertical (eixo y) é o eixo das amplitudes dos sinais. O elemento básico de um osciloscópio é o tubo de raios catódicos (TRC), cuja superfície interna é impregnada de uma substância fosforescente que emite luz, quando bombardeada por um feixe de elétrons. Esse feixe move-se na tela sob a ação dos campos elétricos atuantes nas placas de deflexão horizontal e vertical, que estão no interior do tubo. Cabe aqui lembrar que os princípios que fazem funcionar um osciloscópio não são só usados em eletrônica, mas também em instrumentos de outras áreas, como na química, física, medicina e mecânica. Temos abaixo um diagrama em blocos, simplificado, de um osciloscópio. 50

51 Fig. 4.2 Controles de um osciloscópio: Observação: Dependendo do modelo, marca e qualidade do osciloscópio, o mesmo poderá ter mais ou menos controles. O exposto aqui pretende apenas mostrar alguns dos controles mais comuns deste instrumento. chave liga-desliga (power) liga e desliga o aparelho. chave seletora (ch select) na posição CA, é ligado internamente um capacitor para bloquear qualquer componente CC. Na posição CC, pode-se determinar o nível da tensão contínua sob teste. Na posição terra a entrada vertical é aterrada para que seja possível o ajuste correto da posição do feixe, no centro da tela. entrada vertical (in) é onde conectaremos o sinal a ser medido. seletor de amplitude vertical (variable v/div) controle escalonado de ajuste do ganho do amplificador vertical e, conseqüentemente da amplitude do sinal na tela em v/cm ou volts por divisão. seletor de base de tempo (time/div) controla o tempo de varredura horizontal, através de um ajuste escalonado. Geralmente vem acompanhado de um ajuste fino. posição vertical (position y) controle de ajuste do sinal em relação ao deslocamento do feixe no eixo y da tela. posição horizontal (position x) controle de ajuste do sinal 51

52 em relação ao deslocamento do feixe no eixo x da tela. astigmatismo (astigmatism) permite focalizar corretamente o feixe eletrônico, trabalhando como complemento do controle de foco. foco (focus) em conjunto com o astigmatismo, o controle é usado para focalizar o sinal na tela, mediante o ajuste de convergência do feixe. Com estes ajustes impede-se que o sinal apareça borrado na tela. intensidade (inten) permite variar o brilho do sinal. Deve ser utilizado em uma posição que possibilite uma boa visualização da imagem sem, no entanto, permitir que o feixe incida de uma forma excessiva na tela, desgastando assim a substância fosforescente que a cobre. variação do sinal horizontal (variable h) mediante este controle podemos variar o ganho do sinal aplicado à entrada horizontal. Essa entrada é, geralmente, usada quando trabalhamos com um outro instrumento chamado de gerador de varredura ou sweep. entrada horizontal (in h) permite a entrada de sinais para que possamos usar o osciloscópio como traçador de curvas, com sweep ou geradores de varredura. controle automático de sincronismo (auto) se o sinal de entrada tem uma forma de onda periódica, cada ciclo do mesmo deve aparecer na tela em correspondência ponto a ponto com o ciclo precedente (a imagem é considerada estável, ou sincronizada). Isso pode ser conseguido com o ajuste de sincronismo chamado de trigger. nível (level) controle de nível para o sincronismo, permitindo que a imagem fique estável na tela. entrada de sincronismo externo (sinc ext) serve para sincronizarmos o sinal a ser medido com uma fonte de sinal externa. atenuador (aten) pode-se ter uma chave com várias posições (x1, x10, x100) para atenuar os sinais recebidos pela entrada horizontal. Na posição x1 o sinal é dividido por 1, na posição x10 o sinal é dividido por 10 e assim sucessivamente. saída para calibração (cal) apresenta um sinal de 0,5 volts pico a pico, por exemplo, para servir de referência para calibração das entradas vertical ou horizontal. 52

53 Funcionamento do osciloscópio: Observando a figura 4.2.1, seguindo o canhão eletrônico e partindo de sua base vemos o filamento que aquece o cátodo que emite os elétrons. Temos, a seguir, uma grade de controle e dois ânodos que, juntos, dividem as funções de acelerar os elétrons e focalizar o feixe. Com isso, obtém-se um feixe fino de elétrons e, como conseqüência, uma imagem nítida na tela (em foco ou focada ). A face interna do bulbo (TRC) é revestida com uma substância condutora (aquadag), à base de carbono, a qual é conectada eletricamente ao ânodo, no caso de um único ânodo, ou no ânodo de focalização, caso existir (estes ânodos são polarizados positivamente). A função desta cobertura, ou revestimento, é capturar os elétrons secundários, que são expulsos pelo impacto do feixe de elétrons principal contra a tela fosforescente. Se esses elétrons não fossem capturados, seriam absorvidos pela regiões vizinhas ao ponto de incidência do feixe principal, causando, em torno dele, uma luminosidade difusa que prejudicaria a nitidez da imagem. Quando não há nenhuma tensão aplicada às placas defletoras, o ponto luminoso forma-se no centro da tela porque o feixe de elétrons incide nesse local. Se uma tensão positiva for aplicada a uma das placas defletoras, o feixe de elétrons (que são negativos) será desviado em sua direção e a posição do ponto luminoso na tela se alterará, tendendo para a direção dessa placa. Uma tensão negativa na placa tem, evidentemente, efeito contrário, de modo a se obter o deslocamento do ponto em sentido contrário. O importante disto é perceber que, tanto uma tensão positiva como uma negativa nas placas, desviará o feixe de elétrons. Conhecendo agora o princípio da deflexão eletrostática em um osciloscópio, imaginemos uma forma de onda senoidal aplicada nas placas defletoras verticais. Nesse caso, uma placa ora será positiva, ora negativa, o mesmo acontecendo com a outra. Quando a tensão for tal que a placa superior se encontre positiva e a inferior negativa, 53

54 o feixe de elétrons se deslocará para cima. Com a inversão das polaridades, o feixe virá para baixo. Caso a freqüência* da senóide seja baixa, o ponto luminoso deslocar-se-á, mas se a freqüência for alta ver-se-á apenas um risco na vertical. Fig Dessa forma não estaremos visualizando a forma de onda senoidal que injetou-se no osciloscópio. Mas agora, ao mesmo tempo em que nas placas verticais injeta-se uma senóide, aplica-se nas placas defletoras horizontais uma onda dente de serra. Fig É uma tensão que, partindo de um valor mínimo, cresce linearmente até um valor máximo, caindo, então, rapidamente, até o valor mínimo, reiniciando um novo ciclo. É bom lembrar que o período de subida deve ser bem maior que o de descida. No caso, o feixe, ao mesmo tempo em que sobe e desce, deslocará de um lado para o outro da tela, indo para a direita mais lentamente do que volta para a esquerda (devido ao tempo de subida ser maior do que o tempo de descida da tensão dente de serra). Se o tempo que o feixe de elétrons leva para completar um ciclo vertical, coincidir com o tempo que a tensão dente de serra demora para ir de seu valor mínimo ao máximo, a imagem projetada será a de uma senóide, ou seja, corresponderá à forma de onda do sinal aplicado às placas verticais. Verifica-se, então, que a composição de uma forma de onda qualquer, com uma forma de onda dente de serra, sempre resultará no aparecimento de uma forma de onda qualquer, desde que suas freqüências coincidam. 54 Fig

55 Os cuidados com o osciloscópio são semelhantes aos do multímetro, porém o osciloscópio é muito mais sensível e caro. Portanto, ouça atentamente as instruções do seu professor. A determinação da freqüência de um sinal a partir do período medido é feita aplicando-se a fórmula: f Freqüência em hertz T Período em segundos F = 1/T 55

56 Exercícios EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 4.1 Quais os instrumentos de medidas mínimos que caracterizam um multímetro? Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro 4.2 O que é valor de fundo de uma escala? É o valor máximo que pode ser medido por essa escala. 4.3 Como deve ser ligado um multímetro para medir corrente, tensão sobre R1 e a resistência R1 no circuito abaixo: Para corrente o multímetro é colocado em série com R1. Para tensão o multímetro é colocado em paralelo a R1. Para resistência retira-se R1 do circuito e colocam-se as ponteiras em cada extremidade condutora (lead) de R1. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 4.4 Por que o multímetro sempre apresenta algum erro na leitura? 56

57 4.5 Faça a medição da resistência de dois resistores isoladamente, e das associações em série e paralelo. Compare as medições com os valores nominais e com o resultado dos cálculos das associações. Verifique se os resultados se encontram dentro das tolerâncias e comente os resultados. 4.6 Qual a vantagem de um osciloscópio sobre um multímetro? São dois equipamentos distintos, porém o osciloscópio permite ver a forma de onda de uma tensão alternada, enquanto que o multímetro apenas mede seus valores eficazes. 4.7 Qual é o alimento básico de um osciloscópio? TRC (tubo de raios catódicos). 4.8 A que serve o filamento em um TRC? O filamento aquece o cátodo, que é o ponto de emissão de elétrons. 4.9 Quais são os dispositivos responsáveis pelo movimento do feixe de elétrons em um TRC? As placas defletoras horizontal e vertical Ligue um transformador 220V 12V na rede elétrica. Utilizando o multímetro e o osciloscópio determine o valor eficaz da tensão, o valor de pico, o 57

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59 5 Capacitores

60 5 Capacitores Capacitores são dispositivos capazes de Fig. 5.1 armazenar cargas elétricas. Nos circuitos elétricos os capacitores podem estar assim representados Fig. 5.2 A capacitância de um capacitor pode ser definida como a quantidade de carga elétrica acumulada por unidade de tensão. C - capacitância em farads Q- carga em coulombs C V - tensão em volts = Q V A unidade de capacitância é o farad (F); porém, normalmente, a capacitância dos capacitores comerciais pertence à faixa de submúltiplos do farad, entre pico farads e micro-farads F = pf C comercial µf = 10-6 F Fig. 5.3 As placas de um capacitor são chamadas de armaduras. A capacitância ou capacidade de um capacitor se deve a sua forma geométrica e ao meio existente entre as armaduras. 60

61 A energia armazenada em um capacitor (E c ). Um gerador elétrico ao ser ligado a um capacitor, fornece a energia elétrica que fica armazenada nele e pode ser calculada pelas expressões: E c = QV ou E c CV 2, onde 2 2 E c - Energia em joules Q - Carga em coulomb V - Tensão em volts C - capacitância em farads O capacitor plano. O capacitor plano é constituído de duas armadas iguais e paralelas, entre as quais existe um isolante ou dielétrico*. A capacitância do capacitor é diretamente proporcional à área das placas e inversamente proporcional à distância entre elas. Também depende do meio entre as placas. C = kε 0 A d Fig. 5.4 C - capacitância em farads ε 0 k - permissividade* do vácuo ε 0 = 8,85 x F/m - constante dielétrica A - área das placas d - distância entre as placas Constante dielétrica (k). É a relação entre a permissividade do meio (_ 0 ) k = ε ε 0 k ε ε 0 - constante dielétrica - permissividade do meio em F/m - permissividade do vácuo 8, F/m 61

62 Os valores da constante dielétrica de algumas substâncias são dados na tabela abaixo: Dielétrico Vácuo Ar Vidro Borracha Mica Glicerina Água k 1,0000 1, Tab 5.1 Obs: Para aumentar a capacitância de um capacitor plano, usar pelo menos um dos procedimentos abaixo: 1 - Aumentar a área das armaduras. 2 - Aproximar as armaduras 3 - Inserir entre as armaduras um dielétrico de maior constante dielétrica. Especificações dos capacitores. Os fabricantes devem informar o valor nominal em farads, no caso de capacitores comerciais. Além disso, divulgam valores de tolerância e tensão de isolação. Tolerância. Em uma linha de produção é complicado e caro produzir componentes exatamente iguais. Por isso, os fabricantes indicam no seus capacitores uma faixa de erro aceitável entre o valor nominal e o valor real do capacitor, faixa que oscila entre ± 1% a ± 20%. Tensão de Isolação. Consiste na tensão máxima que pode ser aplicada em um capacitor durante um intervalo de tempo razoável. Varia de alguns volts até alguns quilovolts. 62

63 Os dielétricos são isolantes, porém, a partir de um determinado valor de tensão passam a se comportar como condutores. A esse fenômeno chamamos de rompimento de dielétrico, o que cria no capacitor a chamada resistência de fuga. O capacitor pode até entrar em curto-circuito. Capacitores Comerciais. Os valores típicos de capacitores comerciais são múltiplos e submúltiplos das décadas mostradas na tabela abaixo: Décadas de Valores Comerciais de Capacitores Tab 5.2 A próxima figura mostra alguns tipos de capacitores fixos e variáveis, e algumas de suas características. Tab

64 Para a leitura de valor nominal e demais características dos capacitores pode-se utilizar a tabela 5.3 e a figura 5.6, abaixo: CódigoLiteral para Tolerância de Capacitores C D F G J K M + - 0,25 pf + - 0,5pF + - 1%/ + - 1pF + - 2% + - 5% % % Tab 5.4 Fig. 5.5 Associação de capacitores. Os capacitores, como os resistores, podem ser associados com o objetivo de alcançar valores não disponíveis. Associação em série. O inverso das somas dos capacitores associados em série é igual ao inverso da capacidade equivalente. Fig. 5.6 Na associação em série a tensão de isolação dos capacitores é somada. 64

65 Obs: Para associação de dois capacitores é possível utilizar a simplificação produto pela soma, para capacitores iguais a capacitância de um pelo número de iguais. Produto pela soma: Ceq = C 1. C 2 C 1 + C 2 Capacitância de um pelo número de iguais: Ceq = C 1 nº de iguais Associação em paralelo. Fig. 5.7 A capacitância equivalente é igual a soma das capacitâncias associadas em paralelo. Ceq = C 1 + C 2 + C 3 Na associação em série, a tensão de isolação do capacitor equivalente é igual a menor tensão de isolação dos capacitores associados. Associação mista. Em situação análoga aos resistores, os capacitores também admitem associações mistas, com pelo menos uma associação de cada tipo em um único circuito. A seqüência de solução é a mesma apresentada no estudo dos resistores. 65

66 Exemplo de associações mistas: Fig. 5.8 Constante de tempo de um capacitor. Pode-se definir, a grosso modo, a constante de tempo de um capacitor como sendo o tempo necessário para que ele carregue ou descarregue, aproximadamente, 63,2% de sua carga. 66

67 Exercícios EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 5.1 Determine a carga armazenada em um capacitor de 50_F ligado em uma fonte de 12V. Q = CV Q = 50 x Q = 600 x 10-6 C Q = 600 µc 5.2 Determine a energia armazenada em um capacitor de 400_F ligado em 50V. E c = CV 2 E c = 400 x E c = x 10-6 = 1 = 0.5 J Normalmente, a capacitância de um capacitor é bem menor que 1 Farad. Determine a área de um capacitor plano de 1 Farad, que tem como dielétrico o vácuo e a distância entre placas de 1mm. C = K ε 0 A d A = Cd = 1.0,001 = m2 = 112,99 Km2 K ε 0 1.8,85 x EXERCÍCIOS PROPOSTOS 5.4 Para um fabricante que pretenda construir capacitores menores que os atuais, porém com as mesmas características, o que você recomendaria? 67

68 Que desenvolvesse um dielétrico de maior constante dielétrica. 5.5 Além da capacitância existem outras características importantes em um capacitor comercial. Quais são? Tolerância e tensão de isolação 5.6 Escreva sobre as características dos capacitores abaixo: 5.7 Encontre a capacidade equivalente das associações série: a) b) 5.8 Encontre a capacidade equivalente das associações em paralelo: a) b) 68

69 5.9 Encontre a capacidade equivalente das associações mistas: a) 5.10 Procure, no laboratório, pelo menos 10 capacitores e determine os seus valores nominais de capacitância, tensão de isolação e, se possível, tolerância. (Utilize a tabela 5.3 e figura 5.6). 69

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71 6Circuitos Elétricos

72 6 Circuitos Elétricos No capítulo III foram vistos circuitos simples ligados em corrente contínua e foi aplicada a lei de Ohm. Também foi apresentada a associação de resistores. Agora, veremos a aplicação da lei de ohm em circuitos com associações em série e paralelo em corrente contínua e corrente alternada. Circuito série é aquele constituído por pelo menos dois elementos em série energizados. Onde: Fig. 6.1 V = V 1 + V 2 i = i 1 = i 2 V 1 = R 1 i i = V Re q V 2 = R 2 i A tensão total é igual a soma das quedas de tensão em cada resistor. A corrente total é igual em todos os elementos dos circuitos. Circuito paralelo é aquele constituído por, pelo menos, dois elementos ligados em paralelo e energizados. Onde: V = V 1 = V 2 i = i 1 + i 2 Fig. 6.2 V 1 = Req. i i = V 1 R 1 i 2 = V 2 R 2 A tensão total é igual a tensão em cada resistor ou braço do circuito. A corrente total é igual a soma das correntes em cada resistor ou braço do circuito. 72

73 Circuito misto é aquele composto por pelo menos uma associação de cada tipo (série e paralelo). Onde: V = Req. i A partir da resistência equivalente e tensão aplicada é possível determinar o valor da corrente total fornecida pelo gerador. Para determinar as correntes e tensões em cada braço do circuito, é necessário resolver os paralelos ou séries de modo parcial e, em seqüência própria, de cada circuito. Fig. 6.3 Circuito em corrente alternada Para compreender de circuitos em corrente alternada, é necessário a introduzir características apresentadas por capacitores e indutores (bobinas), quando sujeitos à corrente alternada. No caso da corrente contínua, um capacitor depois de carregado, corresponde a uma resistência infinita e uma bobina após energizada, corresponde a uma resistência próxima de zero. Sob corrente alternada, um capacitor tende a diminuir sua resistência, chamada de reatância capacitiva X c, proporcionalmente a freqüência da corrente aplicada. Por outro lado a resistência de um indutor, chamado de reatância indutiva X L, tende a aumentar proporcionalmente a freqüência da corrente aplicada. X c = 1 2π fc Onde: p - 3, 14 f - freqüência em hertz (Hz) C - capacitância em farads (k) Xc - Reatância Capacitiva em ohms (_) 73

74 No caso de um indutor (ou bobina) cuja grandeza indutância elétrica, símbolo L, é expressa em henrys, símbolo H, temos: X L = 2π fc Onde: p - 3,14 f - freqüência em hertz (Hz) L - indutância em henrys (H) XL - Reatância Indutiva em ohms (Ω) Fig. 6.4 Os valores reatância capacitiva XC e reatância indutiva XL são expressos em ohm, do mesmo modo que a resistência elétrica R. Porém as reatâncias têm uma diferença fundamental: a relação entre elas é vetorial. As grandezas reatância capacitiva e indutiva são representadas, matematicamente, em um eixo perpendicular ao eixo da resistência elétrica. Como a reatância capacitiva e a indutiva encontram-se sobre o mesmo eixo, podem ser associadas diretamente, o que resulta na carga reativa (XLC) do circuito. X LC = X L - X C Onde: XL _ reatância indutiva (_) XC _ reatância capacitiva (_) XLC _ carga reativa do circuito. A resistência equivalente da carga reativa associada à resistência do circuito é chamada de impedância* (z) e tem como unidade o ohm (_). A determinação da impedância de um circuito em corrente alternada se dá de forma semelhante à obtenção da resistência equivalente de um circuito em corrente contínua. Com a diferença que, no caso da impedância, é necessário de dar um tratamento vetorial ao cálculo, conforme mostra a figura. Fig

75 A impedância corresponde à diagonal do retângulo cujos lados valem R e X LC. Portanto para o cálculo de z devemos utilizar o Teorema de Pitágoras. A soma do quadrado dos catetos é igual ao quadrado da hipotenusa. c 2 = a 2 + b 2 O ângulo de defasagem _ pode ser calculado como α = tg -1 I C - I ( L ) Para um circuito RLC Série, temos: I R Z = R 2 + (X L - X C ) 2 V CA = i CA. Z (lei de Ohm) VR = i CA. R Fig. 6.6 V L = i CA. X L V C = i CA. X C Porém, as tensões não estão em fase, comportam-se como na figura 6.7: A tensão V R, em R, está em fase com a corrente, porque nos circuitos puramente resistivos a tensão e a corrente estão em fase. A tensão V L, em L, está adiantada 90º em relação à corrente, pois, a corrente se atrasa de 90º em relação à tensão nos circuitos puramente indutivos. V L, portanto, cruza o eixo horizontal 90º antes da corrente, e varia no mesmo sentido. A tensão V C, em C, está atrasada 90º em relação à corrente, pois, nos circuitos puramente capacitivos a corrente se adianta 90º em Fig

76 relação à tensão. V C, portanto, cruza o eixo horizontal 90º depois da corrente, e varia no mesmo sentido. Para um circuito RLC paralelo temos: Z = R. X L. X C (X L. X C ) 2 = R 2. (X L - X C ) 2 V CA = Z. i CA i R = V CA R i L = V CA X L i C = V CA X C As correntes, no circuito RLC em paralelo, não estão em fase, mas como mostra a figura abaixo. Fig. 6.8 Corrente no circuito de corrente alternada em paralelo A corrente se divide pelos braços em paralelo. IR em fase com a tensão aplicada ao circuito, IL atrasada em 90 graus em relação à tensão e IC adiantada 90 graus em relação à tensão. A corrente total (It) é a soma vetorial das correntes parciais. Tensão no circuito de corrente alternada em paralelo A tensão em cada braço do circuito em paralelo é igual (e está em fase com) as dos outros braços e à tensão aplicada ao circuito. Impedância no circuito de corrente alternada em paralelo A 76

77 impedância de um circuito de corrente alternada em paralelo é igual a tensão aplicada dividida pela corrente total. ASPECTOS IMPORTANTES DOS CIRCUITOS RCL. Freqüência de ressonância corresponde a uma freqüência tal que a reatância capacitiva (XC) e indutiva (XL) têm o mesmo módulo, como são opostas se anulam. A impedância (Z) se torna igual à resistência e o circuito se comporta como se fosse puramente resistivo, isto é, sem defasagem alguma na corrente ou tensão. A freqüência de ressonância (fr) pode ser determinada pela expressão: f r = 1 2π LC Fator de potência. É a relação entre a potência real e a potência aparente, pelo cosseno do ângulo de defasagem, ou ainda, pela relação entre a resistência e a impedância. FATOR DE POTÊNCIA = POTÊNCIA REAL POTÊNCIA APARÊNCIA FATOR DE POTÊNCIA = COSSENO α = R Z A potência aparente é igual ao produto entre a tensão (VCA), e a corrente (ica) e é dada em volts-ampères (VA). POTÊNCIA APARENTE = V CA. i CA A potência real é igual ao produto da tensão (VCA), da corrente (ica) e do cosseno do ângulo _, e é medida em watts (W). POTÊNCIA REAL = V CA. i CA. CASSENO α 77

78 Exercícios EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 6.1-Determine a corrente total e as quedas de tensão no circuito série abaixo: Req = R 1 + R 2 = 30Ω i = V = 12 = 0,4A Req 30 V 1 = i. R 1 = 0,4. 10 = 4V V 2 = i. R 2 = 0,4. 20 = 8V 6.2-Determine a corrente total e as correntes i, e i2 em cada braço do circuito paralelo: Req = R 1. R 2 = 8Ω R 1 + R 2 i = V = 12 = 1,5A Req 8 i = V = 12 = 1,5A R 1 10 i = V = 12 = 1,5A R

79 6.3 - Determine a reatância capacitiva dos seguintes capacitores para uma freqüência de 60 HZ. a) 200_F X C = 1 = 1 = 1 = 13,26Ω 2πfC 2π x π x 10-6 b) 50nF X C = 1 = 53051Ω 53 KΩ 2π x 10-9 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 6.4-Determine a reatância indutiva das seguintes bobinas para uma freqüência de 60 HZ. a) 2 H b) 5 mh 6.5-Determine a impedância do circuito RLC série abaixo para 60 HZ. 6.6-Determine a impedância do circuito RLC paralelo abaixo, para freqüência de 60 HZ. 79

80 6.7-O que é freqüência de ressonância? 6.8-O que é fator de potência? 6.9 A partir do material disponível em seu laboratório, procure montar o circuito da figura E6.4, sem necessariamente respeitar os valores indicados. Introduza no circuito uma tensão alternada de, no máximo, 12V (do secundário de um transformador). Utilizando um multímetro na escala de tensão CA, faça a medição da tensão de entrada e a tensão sobre cada componente do circuito. Se existir em seu laboratório um multímetro para medição de corrente alternada, faça também a medição de corrente. Seria possível conhecendo o valor de C e R estimar o valor de L? Conforme o material que dispõe no laboratório, substitua os componentes e faça novas medições, comente os resultados, procure formular hipóteses junto com o educador voluntário. 6.10) Repita os procedimentos do exercício 6.9 para o circuito da figura E6.3. Leitura recomendada: Item 6 da Bibliografia. 80

81 7Eletromagnetismo e Transformador 7.1 Campo Magnético ímãs condutores em campo magnético eletroímã 7.2 Motores Elétricos 7.3 Transformadores

82 7 Eletromagnetismo e Transformador 7.1 Campo Magnético Campo magnético é a região do espaço que está sob a influência de um dipolo magnético (ímã). A cada ponto, da região no entorno de um ímã, existe um vetor campo magnético associado. Tangentes ao vetor campo elétrico em cada ponto, passam as linhas de campo magnético ou linhas de indução. As linhas de campo são fechadas. Partem do pólo norte do ímã e chegam ao pólo sul. Por definição, as linhas de campo não se cruzam. Fig Ímã Os ímãs são conhecidos desde a Antiguidade. A palvra magnetismo originou-se a partir do nome Magnus, pastor que encontrou as primeiras pedras com propriedades magnéticas. Ou, ainda, a partir do nome da região onde ocorrem as maiores jazidas naturais da pedra magnética (magnetita), na Magnólia. Hoje em dia, ímãs de altíssima qualidade são produzidos artificialmente por diferentes processos e para uso específico em cada setor industrial. Os ímãs apresentam algumas propriedades importantes: 82

83 1 Os pólos magnéticos de mesmo nome se repelem e de nomes diferentes se atraem. Fig Os pólos magnéticos não podem ser separados. Quando um ímã é dividido dá origem a dois novos ímãs. 3 Os ímãs atraem algumas substâncias, em especial as chamadas ferro magnéticas (ferro, níquel e algumas ligas metálicas como o aço). 4 Os ímãs em geral conservam suas características por longos intervalos de tempo (alguns anos). 5 Os ímãs perdem suas propriedades magnéticas se expostos a altas temperaturas. 6 Os ímãs, quando podem girar livremente no plano horizontal, orientam-se conforme os pólos da terra (bússola). Fig Os pólos magnéticos da terra estão ligeiramente deslocados em relação aos pólos geográficos e têm seus nomes trocados. 7 Um ímã pode imantar outro material ferromagnético* através do fenômeno da indução magnética. No caso, os domínios magnéticos que compõem o material são orientados conforme as linhas de campo magnético, e este passa a se comportar como um ímã. Fig

84 Campo Criado por um Condutor Percorrido por Corrente Elétrica. Em 1820, Oersted verificou a partir de experiências com correntes elétricas e bússolas que, ao redor de um condutor, percorrido por corrente elétrica, surge um campo magnético. Quando o condutor é percorrido por corrente elétrica a bússola sofre desvio. O sentido do campo magnético pode ser expresso pela regra da mão direita. Segure o condutor com a mão direita, envolvendo-o com os dedos e mantendo o polegar apontando o sentido da corrente. O sentido das linhas de campo é dado pela indicação dos dedos que envolvem o condutor. Eletroímã O eletroímã consiste de um condutor com camada isolante enrolado sobre um núcleo ferromagnético. Quando o condutor é percorrido por uma corrente elétrica, o núcleo tem seus domínios magnéticos orientados e passa a se comportar como um ímã. Esse é o princípio de funcionamento de uma série de equipamentos como os solenóides, as cigarras e campainhas, os alto falantes, cabeçote de toca fitas e vídeocassetes, etc. 7.2 MOTORES ELÉTRICOS. A força que um campo magnético exerce sobre um condutor percorrido por corrente pode ser utilizada para realizar trabalho. É o que ocorre nos motores elétricos, que transformam energia elétrica em energia mecânica. O motor elétrico de uma máquina de lavar, por exemplo, tira energia elétrica da rede elétrica e a converte em energia cinética de rotação. Em linhas gerais, um motor elétrico é constituído por uma espira rígida retangular, que fica imersa num campo magnético. Essa espira pode girar em torno de um eixo perpendicular às linhas do 84

85 campo. Um motor elétrico simples é constituído por uma espira condutora imersa num campo magnético. Ao ser percorrida pela corrente, a espira fica submetida às forças do campo e é forçada a girar em torno do eixo central. Temos, nesse caso, uma transformação de energia elétrica em energia cinética. As extremidades da espira estão presas a dois arcos metálicos, que constituem uma peça chamada comutador. Não há contato elétrico entre os dois arcos do comutador. Eles recebem a corrente elétrica através de duas escovas fixas. Assim, a cada meia volta do comutador em torno do eixo, os arcos são ligados a pólos opostos do gerador, e o sentido da corrente na espira se inverte. Quando uma corrente contínua passa através da espira, esta sofre a ação de forças geradas pelo campo magnético, que a fazem girar sobre um eixo. Suponhamos que a espira, de lados e w, esteja inicialmente posicionada num plano paralelo às linhas do campo. A espira onde circula a corrente i está disposta paralelamente às linhas do campo magnético. Os lados horizontais sofrem a ação do par de forças F1 e F2, e isso faz a espira girar. Mesmo quando ela está inclinada em relação às linhas de força, o binário continua a agir sobre os lados horizontais, que permanecem sempre perpendiculares ao campo magnético. Para determinar a direção e o sentido da força F1, usamos a regra da mão direita. O polegar aponta no sentido da corrente, os outros dedos indicam o sentido do campo magnético. A força sai perpendicularmente da palma da mão (ou seja, é perpendicular ao campo). Para determinar a direção e o sentido de F2, é preciso girar a mão meia volta, pois a corrente tem sentido contrário no outro braço da espira. O campo magnético B exerce, sobre cada lado de comprimento, a seguinte força: Onde i é acorrente que atravessa a espira. As duas forças, que têm a mesma direção, mas sentidos opostos, formam um binário que obriga a espira a girar no sentido horário. O movimento continua até que o plano da espira fique perpendicular ao campo magnético. 85

86 Nessa posição, as duas forças passam a agir na mesma direção e em sentidos opostos, tendendo apenas a deformar a espira, sem fazê-la girar. Quando a espira se acha perpendicular às linhas do campo, as duas forças opostas F1 e F2 agem na mesma direção. O par de forças, que até esse instante mantinha a espira em rotação, se anula. Entretanto, a espira não pára de repente. Ela prossegue em rotação por inércia, ultrapassando ligeiramente a posição horizontal. O binário volta então a agir, forçando a espira a girar para trás, em rotação inversa. Depois de algumas oscilações, de amplitudes cada vez menores, a espira se detém no plano perpendicular às linhas do campo. Chegando à posição horizontal, a espira tende a prosseguir em rotação por inércia. Assim que ela ultrapassa a posição horizontal, refaz-se o binário, que agora tende a girar a espira em sentido contrário. Ela então oscila durante algum tempo e depois se detém. Para que ela continue a girar, é preciso inverter o sentido da corrente, assim que a espira ultrapassar a posição de equilíbrio. Desse modo, as forças F1 e F2 terão seus sentido invertido e permitirão o prosseguimento da rotação. Para fazer com que espira continue a girar sem se deter, precisamos inverter o sentido da corrente, logo que a espira ultrapassar a posição de equilíbrio. Desse modo, as forças mudaram de sentido e o binário continuará a favorecer a rotação em sentido horário. Os contatos elétricos da espira são feitos por meio de um sistema composto de um comutador, que gira com a espira, e duas escovas (tiras metálicas) fixas ligadas ao gerador (figura 7.2.1). Tal sistema permite inverter, a cada meia volta, o sentido da corrente. Desse modo, a corrente sempre circulará num sentido que favoreça a geração de um binário, o que manterá a espira em contínua rotação. Os motores elétricos reais não têm apenas uma espira, mas 86

87 diversas bobinas, cada uma delas constituída por numerosas espiras. Os motores elétricos reais não são constituídos por uma única espira, mas por várias bobinas montadas sobre um núcleo de ferro. Cada uma delas apresenta grande número de espiras. 7.3 TRANSFORMADORES. Já foi visto que a passagem de corrente provoca o surgimento de um campo magnético. Também a variação de um campo magnético provoca, em um condutor, o aparecimento de corrente elétrica. No caso de um transformador, existem dois condutores enlaçados por um núcleo comum. Quando um sofre variação da corrente elétrica produz um campo magnético variável que, por sua vez, cria no outro uma corrente elétrica. Os transformadores não necessitam de ligações elétricas entre as bobinas primária e secundária. A transferência de energia se dá através do acoplamento magnético entre as bobinas. Esse fenômeno é conhecido como indução mútua. E um núcleo ferromagnético concentra o fluxo magnético melhorando o acoplamento. As relações em um transformador são: Onde: Vp _ tensão no primário Vs _ tensão no secundário is _ corrente no secundário ip _ corrente no primário Np _ número de espiras no primário Ns _ número de espiras no secundário. Convém lembrar que o transformador funciona a partir da variação de fluxo no primário. Portanto não haverá troca de energia entre primário e secundário, 87

88 se for conectada ao primário uma fonte de tensão contínua e regulada, como uma bateria* por exemplo. A menos que a fonte seja ligada e desligada constantemente. Os transformadores podem apresentar diversos tipos de núcleos: As relações de fase entre correntes e tensões de primário e secundário são apresentadas abaixo. Os tipos de transformadores são mostrados abaixo: Às vezes usamos pontos ou outras marcas para indicar os terminais de mesma fase. A seguir algumas apresentações externas de transformadores. Perdas no transformador Até agora, admitimos que os transformadores eram perfeitos e sem perdas internas. Embora comumente isto seja quase uma verdade, existem algumas perdas. Quase todos os transformadores têm eficiência entre 90 e 99%. As principais perdas em um transformador são as perdas no cobre (perdas por resistência), no fluxo, por histerese, por correntes parasitas e por saturação. Perdas no cobre: Perda causada pela resistência do fio (de cobre) nos enrolamentos do transformador = i2 R, onde R é a resistência dos enrolamentos. Perdas de fluxo: Fluxo que não enlaça os enrolamentos e o núcleo, de modo que há redução do acoplamento e, portanto, perda de energia. Perdas por histerese: Quando o sentido da corrente é invertido, o alinhamento magnético do núcleo também é invertido, mas há um retardo por parte dos domínios magnéticos. Gasta-se energia para alinhar os domínios magnéticos e inverter o alinhamento. Essa energia, não disponível no secundário, corresponde às perdas por histerese. Alguns transformadores usam núcleo de ferro pulverizado para reduzir essas perdas. 88

89 Perdas por correntes parasitas: O núcleo do transformador conduz eletricidade e atua como um secundário de uma única espira em curto. A corrente que flui no núcleo é chamada corrente parasita. As correntes parasitas são reduzidas a um mínimo com o uso de um núcleo laminado. Perdas por saturação: À medida que aumenta a corrente no primário, aumenta o fluxo no núcleo. Finalmente, é atingido um limite, e qualquer corrente adicional não aumenta o fluxo. Quando isso acontece, dizemos que o núcleo está saturado, e para aumentar o fluxo seria necessário um núcleo maior. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 7.1-O que acontece quando um ímã é dividido? Formam-se dois novos ímãs. 7.2-Como se dá a transferência de energia em um transformador? Através do fenômeno da indução mútua devido ao acoplamento magnético das bobinas primária e secundária. 7.3-O primário de um transformador possui 1000 espiras e o secundário 10 espiras. Sabendo-se que o primário está ligado em 220V e o secundário é percorrido por uma corrente de 30ª, determine a tensão no secundário e a corrente no primário. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 7.4-Existe semelhança entre motores e geradores elementares? 7.5-Quais são os principais tipos de perdas nos transformadores? 7.6-Qual o artifício que é utilizado nos transformadores, em geral, para evitar as perdas por correntes parasitas? 89

90 7.7-O que é necessário fazer para que as perdas por saturação sejam minimizadas? 7.8-O que são linhas de campo magnético? 7.9-Desenhe as linhas de campo ao redor dos condutores abaixo: Utilizando um ímã, um pedaço de palha de aço (Bom Bril ) e um saco plástico do tipo arquivo de papel, monte o seguinte experimento, para a visualização das linhas de campo magnético: Coloque o ímã no interior do saco plástico e, com cuidado, friccione a palha de aço sobre o saco. As limalhas se depositarão por fora do saco plástico e formarão a configuração das linhas de campo magnético ao redor do ímã. 90

91 8Análise de Circuitos

92 8 Análise de Circuitos Com os conhecimentos de eletricidade adquiridos até o momento, podemos analisar alguns circuitos bastante simples. Onde: Vc _ tensão de entrada Vs _ tensão de saída R _ Resistência L _ Indutância O circuito acima é um filtro* passa baixa tipo RL. Para baixas freqüências o indutor comporta-se como um condutor (XL << R), fazendo praticamente toda a tensão recair sobre o resistor de saída. Para freqüências altas, o indutor se comporta quase como um isolante (XL >> R) e uma pequena parte da tensão fica sobre o resistor de saída. A tensão de saída pode ser expressa como: Onde f _ freqüência em HZ. Onde C _ capacitância O circuito acima é um filtro passa baixa RC, para baixas freqüências. O capacitor de saída comporta-se como uma resistência alta (XC >> R), assim a maior parte da tensão recai sobre ele. Para altas freqüências o capacitor se comporta como uma resistência baixa (XC << R) e uma pequena parte da tensão fica aplicada sobre ele. A tensão de saída pode ser expressa como: Acima, temos um circuito passa alta do tipo RL. O indutor se comporta como um condutor para freqüências baixas (XL << R). Assim uma pequena parte da tensão fica sobre o indutor de saída. Quando a freqüência é alta, o indutor se comporta como um resistor de valor alto (XL >> R) e, então, a tensão de saída é maior. 92

93 A tensão de saída pode ser expressa como: O circuito RC acima se comporta como um circuito filtro passa alta. O capacitor se comporta-se como um resistor de valor alto (XC >> R), para baixas freqüências, provocando uma grande queda de tensão, o que faz com que a tensão de saída seja baixa. Quando a freqüência é alta, o capacitor se comporta como condutor (XC << R), provocando pequena queda de tensão, e, então, a tensão de saída é alta. A tensão de saída pode ser expressa como: No circuito ressonante tipo RLC, tanto as altas freqüências quanto as baixas freqüências são atenuadas, e a tensão Vs terá seu maior valor exatamente na freqüência de ressonância. Pois, nessa freqüência, as reatâncias, indutiva e capacitiva, são iguais e se anulam. A freqüência de ressonância pode ser dada como: O divisor de tensão é um circuito extremamente simples, em que o resistor R1 provoca uma queda de tensão, fazendo com que parte da tensão fique sobre ele e o restante sobre R2 e a carga. Para calcular a tensão de saída Vs temos primeiro, que determinar o valor da resistência equivalente à carga RC, a partir dos valores nominais de tensão e potência conhecidas da carga. Onde: RC _ Resistência equivalente à carga VC _ Tensão nominal da carga PC _ Potência nominal da carga. Essa expressão corresponde à determinação da corrente total a partir da tensão de entrada e da resistência equivalente ao circuito todo, multiplicado pela resistência equivalente ao paralelo de R2 e RC. O circuito Ponte de Wheatstone é muito utilizado em instrumentação 93

94 eletrônica pois serve para medir o valor de uma resistência desconhecida. É possível desmembrar este circuito em dois outros divisores de tensão independentes. Onde Quando VAB = VA VB = 0, a ponte está em equilíbrio. Nesse caso: R2. R3 = R1. R4 Na condiçãoão de equilíbrio o produto das suas resistências opostas é igual. Para se conhecer R3, por exemplo, tem os que saber os valores de R2 e R4 e ajustar um resistor variável R1 até que um voltímetro, entre A e B, indique zero volts. Então basta medir o valor de R1 e obter R3 a partir da expressão: Outra forma de usar a Ponte de Wheatstone é não chegar ao equilíbrio e usar três resistores de valor fixo, a tensão da fonte e a tensão VAB, mas a expressão fica mais complexa. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 8.1-Determine a tensão de saída do filtro passa baixa do tipo RL, abaixo: Para a tensão da rede (220V 60Hz) 8.2-Determine a tensão de saída do filtro passa alta do tipo RC abaixo, para a tensão da rede (220V 60Hz): 8.3-Qual a freqüência de ressonância do circuito RLC abaixo? EXERCÍCIOS PROPOSTOS 8.4-Para que o divisor abaixo trabalhe com a lâmpada em seus valores nominais, qual o valor de R1? 8.5-A ponte de Wheatstone abaixo encontra o equilíbrio quando R4 = 10_, qual o valor de R3? 94

95 8.6-É possível trabalhar com uma ponte de Wheatstone desequilibrada? 8.7-O que acontece em um filtro RC tipo passa alta, quando é submetido a uma baixa freqüência? 8.8-Qual a utilidade prática de um divisor de tensão? Quais suas limitações? 8.9- Procure analisar o circuito elétrico de seu laboratório. Como os equipamentos estão ligados (em série ou em paralelo)? 8.10 Quando se usa a ligação em série? Cite exemplos em sua casa ou no laboratório. 95

96

97 9 Bibliografia

98 9 Bibliografia 1.AMALDI, Hugo. Imagens da Física, São Paulo: Scipione, BONJORNO, Regina A. e outros. Física Fundamental Novo: Volume único, São Paulo: FTD, CHIQUETTO, Marcos e outros. Aprendendo Física: V3, São Paulo: Scipione, CIPELI, Marco e Markus, Otávio. Ensino Modular: Eletricidade Circuitos em Corrente Contínua, São Paulo: Érica, FERRARO, Nicolau Gilberto e Soares, Paulo Antônio de Toledo. Física Básica: Volume único, São Paulo: Atual, MILEAF, Harry. Eletricidade V3, São Paulo: Martins Fontes, PARANÁ, Djalma N. da Silva. Física para o Ensino Médio: Volume único, São Paulo: Ática, VAN VALKENBURGH, Nooger & Neville. Eletricidade Básica, V4, Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico, ENDEREÇOS ELETRÔNICOS:

99 ergonomia.postura.htm 8. eletron.htm

100

101 10 Gl o s s á r i o

102 10 Glossário A AC Abreviação de Corrente Alternada, mesmo que CA. Acumulador Dispositivo onde a energia elétrica é transformada em energia química, para ser novamente transformada em energia elétrica. Alternador Gerador de AC Ampère Unidade padrão de intensidade da corrente elétrica Auto-transformador Transformador em que parte do primário é secundário também. B Bateria Conjunto de acumuladores com a finalidade de fornecer corrente contínua para um circuito. Bipolar Que possui dois pólos. Bobina Enrolamento de um fio condutor com a finalidade de armazenar energia em seu campo magnético. C Capacitor Dispositivo capaz de armazenar energia elétrica. Consiste em duas placas separadas por um dielétrico. CC Abreviatura de Corrente Contínua. Circuito Corresponde a um conjunto de elementos elétricos interligados. onde exista a possibilidade da passagem de corrente elétrica. 102

103 Condutor Meio por onde a corrente elétrica consegue fluir. Corrente Elétrica É o movimento de cargas elétricas quando uma força é aplicada sobre elas. D DC ver CC ddp Diferença de Potencial, o mesmo que força eletromotriz. Descarga Ato de retirar a energia elétrica previamente acumulada em um dispositivo Dielétrico Camada eletricamente isolada. F Farad Unidade de medida dos capacitores. Fase A posição de um sinal alternado em seu ciclo. Fem Força eletromotriz, mesmo que tensão elétrica. Ferromagnético Material que tem grande propriedade de interação com campos magnéticos. Filtro Dispositivo capaz de selecionar apenas uma certa freqüência. Freqüência Número de voltas ou vibrações para uma determinada unidade de tempo (geralmente o segundo). Fusível Dispositivo intercalado em série com um circuito, para protegê-lo de sobrecargas. H Histerese Do grego hystéresis, atraso. Na física, é um fenômeno 103

104 que ocorre quando a resposta de um sistema a uma solicitação externa se modifica conforme varie, crescente ou decrescentemente, esta solicitação. I Impedância Resistência oferecida por um circuito a uma CA. O OHM Lei que expressa que a intensidade de corrente é diretamente proporcional à Voltagem e inversamente proporcional à resistência. P Permissividade Fator numérico que aparece na expressão analítica da lei de Coulomb. Pode assumir diferentes valores e dimensões, conforme o sistema de unidades de medida adotado para exprimir as grandezas elétricas, e conforme o meio em questão. R RLC Circuito em CA constituído por resistor, bobina e capacitor. Resistência Propriedade de certos materiais de oferecer oposição à passagem de corrente elétrica. Ressonte Circuito em CA que opera em sua freqüência natural. Retificação Transformação de CA em CC. Rms Root mean square raiz média quadrática mesmo que valor eficaz. V Voltagem Tensão elétrica medida em volts. 104

105 11 Respostas dos Exercícios Propostos

106 11 Respostas dos Exercícios Propostos CAPÍTULO I 1.7 Porque existe o risco dos cabelos se prenderem em algum mecanismo e a pessoa sofrer sérias lesões. 1.8 Porque as roupas sintéticas costumam ser muito inflamáveis. CAPÍTULO II 2.4 Grandeza Símbolo da Grandeza Unidade Utilizada Símbolo da Unidade Corrente elétrica i ampère A Tensão elétrica V volt V Carga elétrica Q coulomb C Campo Magnético B tesla T Resistividade elétrica _ ohms vezes metro Ω.m Resistência elétrica R ohm Ω Capacitância C farad F 2.5 A resistividade é um dos fatores que determinam a resistência de um condutor. 2.6 É outro nome para Sistema Internacional de Unidades, corresponde as iniciais dos símbolos das unidades metro, quilograma e segundo. 2.7 Os prefixos devem ser vistos como multiplicadores. Conforme a tabela apresentada ,75 KW. 2.9 Use a tabela da página 10 (unidades de comprimento). CAPÍTULO III 3.4 a) 2200_ = 2,2k_ ± 5% b) _ = 1M_ ± 10% 106

107 c) = 500k_ ± 5% d) 0,47_ = 470m_ ± 5% 3.5 a) 600kW b) 100kW c) 35kW 3.6 a) 3kW b) 10kW c) 4kW 3.7 a) 8kW b) 10kW c) 5kW 3.8 movimento Quanto maior o valor do resistor menor é o brilho da lâmpada. Isso porque a queda de tensão no resistor se intensifica. CAPÍTULO IV 4.4 Porque para funcionar, uma corrente tem que circular em seu interior, logo, ele interfere no circuito que está medindo. 4.6 São dois equipamentos distintos, porém o osciloscópio permite ver a forma de onda de uma tensão alternada, enquanto que o multímetro apenas mede seus valores eficazes. 4.7 TRC (tubo de raios catódicos). 4.8 O filamento aquece o cátodo, que é o ponto de emissão de elétrons. 4.9 As placas defletoras horizontal e vertical. 107

108 4.11 O sinal é uma linha reta horizontal, pois é um valor contínuo no tempo. CAPÍTULO V 5.4 Que desenvolvesse um dielétrico de maior constante dielétrica. 5.5 Tolerância e tensão de isolação 5.6 a) 0,39_F ± 10% 250V b) 47nF ± 10% 250V c) 47nF ± 20% 50V 5.7 a) 40mF b) 30pF 5.8 a) 42mF b) 10mF 5.9 a) 60mF b) 70pF CAPÍTULO VI 6.4 a) 2 H XL = 753,6_ b) 5 mh XL = 1,884_ 6.5 Z = 264,266_ 6.6 Z = 51,64_ 6.7 Corresponde à freqüência em que a reatância capacitiva e indutiva tem mesmo módulo. 6.8 É a relação entre a carga resistiva e a carga reativa de um circuito. CAPÍTULO VII 7.4 Sim. Os motores podem ser usados como geradores e os geradores como motores. 7.5 Perdas no cobre, no fluxo e perdas por histerese, por correntes parasitas e por saturação. 108

109 7.6 É usado um núcleo de ferro laminado. 7.7 É necessário construir o núcleo maior possível. 7.8 São linhas imaginárias que tangenciam o vetor campo magnético em todos os seus pontos. 7.9 Fig. E 7.2 CAPÍTULO VIII Sim. Porém o equacionamento fica muito complexo. 8.7 A reatância capacitiva do capacitor fica muito maior do que a resistência e praticamente toda tensão fica sobre ele. 8.8 O divisor é uma maneira simples de atingir as condições de funcionamento de uma carga de tensão de operação abaixo da fonte do circuito. Não é viável quando a carga dissipa muita potência. 8.9 Provavelmente, os equipamentos do laboratório estão ligados todos em paralelo, para que a corrente seja dividida entre eles Quando se deseja dividir a tensão entre dois equipamentos. O exemplo típico são as luzes do pinheirinho de natal, cujo valor nominal de tensão lâmpada é bem abaixo da tensão da rede e são necessárias muitas lâmpadas para que sobre cada uma fique o valor correto. 109

110 o programa tem o reconhecimento de: chancela finalista prêmio prêmio Programa FORMARE /Fundação Iochpe: Fone/Fax: (011) formare@fiochpe.org.br