Potencial Elétrico, Diferença de Potencial e Força Eletromotriz - Aula 3

Transcrição

1 Potencial Elétrico, Diferença de Potencial e Força Eletromotriz - Aula 3 Tal como estamos habituados a perceber, qualquer objeto ao ser solto no ar cai imediatamente por ação de uma força.

2 Esta força de atração é devido ao campo gravitacional da terra, necessário para que objetos e pessoas permaneçam sobre sua superfície. Tal como o campo gravitacional produzido em função da massa da terra (aprox ton.), o Campo Elétrico também é criado em função de uma propriedade física, esta denominada Carga Elétrica. É devido as cargas elétricas e seus campos elétricos que forças de atração e repulsão podem ser verificadas. Veja a comparação:

3 Enquanto que pela sua massa a terra atrai outro objeto de massa, o campo elétrico de uma carga atrai ou repele outra carga.

4 Colocado a uma determinada altura, um objeto terá potencial para adquirir velocidade e alcançar o nível mais baixo do solo. Portanto, Potencial é o nome que se da a um tipo de energia que está associada a posição do objeto.

5 Devido ao Campo Elétrico criado por uma carga maior (fonte) cargas menores (prova) ficam sujeitas a forças de ordem eletrostática. Quando uma carga de prova for colocada a uma certa distância d da carga fonte, naquela posição, estará definido um potencial, capaz de colocar esta carga em movimento.

6 A analogia entre campo elétrico e campo gravitacional é possível pois ambos são denominados Conservativos. Aqui a energia, se conserva quando o objeto ou a carga se deslocam de um ponto (energia potencial) ganhando velocidade (energia cinética).

7 Portanto, a capacidade do Campo Elétrico de colocar energia sobre uma carga padrão em função da posição desta é denominada Potencial Elétrico e simbolizado por V; Assim, diferentes posições representam diferentes potencias elétricos, logo se estabelecermos dois pontos distintos teremos uma diferença de potencial elétrico ou uma ddp dada em Volts.

8 Em circuitos elétricos serão necessários dispositivos capazes manter uma ddp entre seus terminais de ligação. A estes dispositivos nos referiremos como fontes ou geradores, que a custa de um determinado tipo de energia, serão capazes de manter entre seus terminais a ddp que caracteriza Força Eletromotriz do dispositivo.

9 Força Eletromotriz portanto é a propriedade que um dispositivo tem de produzir corrente elétrica em um circuito em função de um desequilíbrio permanente de cargas; A Força Eletromotriz é abreviada por FEM e geralmente denotada ela letra E;

10 No SI (Sistema Internacional de Unidades) a FEM é dada em Volts(V); Sua grandeza relaciona a Quantidade de Energia Ep que pode ser imprimida (colocada) em uma carga q pela presença de um campo elétrico gerado por uma carga Q ; Onde: Ep Energia (J-Joule); q Carga (C-Coulomb); V Volts ( Joule/Coulomb);

11 A força eletromotriz considerada inicialmente será contínua (CC), ou seja, não altera seu sentido e intensidade durante operação; A este tipo de FEM associaremos pilhas e baterias que por reações químicas internas estabelecem o desequilíbrio eletrostático.

12 Corrente Elétrica A corrente elétrica é formada pelo movimento ordenado de elétrons; A FEM impõe um excesso e uma deficiência de elétrons sobre o condutor criando um campo elétrico sobre seus terminais; É o campo elétrico portanto que impulsiona as cargas do pólo negativo em direção ao pólo positivo;

13 A corrente é indicada por I e é dimensionada no SI (Sistema Internacional de Unidades) em ampères (A); Quando a corrente fluir em um único sentido, a corrente é dita contínua (CC), e quando o seu sentido variar, a corrente é dita alternada (CA); O fato da corrente ser CC ou CA depende da fonte ou gerador ligado ao circuito;

14 Então, corrente elétrica é: Composta de cargas elétricas (elétrons); Produzida por uma fonte, FEM; É dada em Ampères (A) e simbolizada por I;

15 Medida Elétrica da Corrente e Velocidade de Deslocamento O fluxo de corrente é medido em ampères ou frações de ampères, por um Instrumento chamado Amperímetro; Princípio de funcionamento do Amperímetro, suas escalas e bem como a ligação dele ao circuito serão verificadas mais adiante;

16 O impulso dos elétrons livres não deve ser confundido com o conceito de fluxo de corrente que diz respeito à velocidade da luz; Quando uma voltagem é aplicada em um circuito, os elétrons livres percorrem pequena distância até colidirem com átomos;

17 Essas colisões, normalmente, deslocam outros elétrons livres de seus átomos; E esses elétrons se movimentam na direção do terminal positivo do condutor, colidindo com outros átomos, assim deslocando-se com relativa e reduzida razão de velocidade;

18 Experimentalmente a velocidade de deslocamento da corrente elétrica gira na ordem de cm/s (centímetros por segundo); Para se compreender o efeito de velocidade quase instantânea da corrente elétrica, basta uma visualização do modelo do longo tubo repleto de bolas de aço;

19 Pode-se ver que cada bola introduzida na extremidade de entrada do tubo, que representa um condutor, causará imediatamente a expulsão da bola que estiver posicionada na extremidade oposta;

20 Intensidade e Sentido da Corrente Elétrica A intensidade de Corrente é definida pela somatório do módulo das cargas que atravessam uma seção transversal de um condutor em um intervalo de tempo t. A corrente é simbolizada por I e sua intensidade é dada por:

21 Uma corrente de 5 (A) significa que passam pela seção 5 C de carga por segundo; O sentido que se convencionou para a corrente elétrica no condutor é o sentido dos potenciais decrescentes. Ou seja, a corrente flui do positivo para o negativo; Note que o sentido convencional é oposto ao sentido real dos elétrons que tendem a ser repelidos pelo pólo negativo e atraídos pelo pólo positivo estabelecido pela FEM do dispositivo de alimentação.

22 Portanto o sentido convencional da corrente nos condutores é contrário ao sentido real de deslocamento dos elétrons!

23 Resistência Elétrica Aula 4 A propriedade que um condutor de eletricidade possui de limitar ou restringir o fluxo de corrente elétrica é chamada de Resistência Elétrica; Alguns materiais apresentam mais e outros menos resistência;

24 Os materiais que possuem baixa resistência são denominados condutores. Exemplos: Metais em geral, grafite (carbono) e soluções eletrolíticas; No caso dos metais: Cobre, Alumínio, Prata, Ouro, Níquel, Cromo constituem os condutores mais comumente encontrados.

25 Os materiais que possuem alta resistência são denominados isolantes; Exemplos: Borracha, PVC, silicone, madeira, cerâmica, ar e determinados tipos de óleos;

26 Materiais oferecendo alguma resistência para o fluxo de corrente, intercalados com os melhores condutores e os piores (isoladores), são, às vezes, referidos como "semicondutores" e encontram sua melhor aplicação no campo da eletrônica. São o Silício e o Germânio;

27 Os melhores condutores são prata, cobre, ouro e alumínio, mas materiais não-métalicos, como o carbono e soluções podem ser usados como condutores. Materiais como borracha, vidro, cerâmica, sendo maus condutores, são normalmente usados como isoladores. O fluxo de corrente em alguns desses materiais é tão pequeno, que nem é considerado.

28 Unidade de Medida da Resistência no SI A unidade empregada para medir resistência é chamada Ohm. O símbolo desta unidade é a letra grega ÔMEGA Ω;

29 Nas fórmulas matemáticas a letra "R refere-se a resistência; A resistência de um condutor,e a voltagem aplicada a ele determinam a quantidade de ampères (corrente) fluindo através desse condutor; Assim, 1 Ohm de resistência limitará o fluxo de corrente em 1 ampère, num condutor ao qual seja aplicada a voltagem de 1 volt;

30 A interação entre as três grandezas anteriores é dada por uma fórmula denominada: Primeira Lei de OHM: Onde V é dado e volts (V) R dado em Ohms (Ω) I dado em Ampères (A)

31 Conclusões sobre a 1. Lei de Ohm: Para uma mesma tensão, resistência e corrente são grandezas inversamente proporcionais; Para uma mesma resistência, aumentar a passagem de corrente implica em aumento da queda de tensão; Variações da lei de Ohm:

32 V = R.I Utilizado quando se tem a resistência e a corrente e deseja-se saber a Tensão; R = V corren- I Quando se tem a tensão e a te e deseja-se saber a Resistência; I = V R Quando se tem a tensão e a resis- e deseja-se saber a Corrente;

33 Fatores que Afetam a Resistência Elétrica Os fatores que efetivamente modificam a resistência de um condutor são: Material de fabricação; Comprimento; Área (Seção Transversal); Em menor grau, a temperatura também modifica a resistência do condutor por conta dos elétrons livres.

34 O material de fabricação do condutor, o comprimento e a área se relacionam por uma expressão denominada: Segunda Lei de Ohm Onde: ρ é resistividade Ω.m (SI) L é o comprimento m (SI) A é a Área em m 2 (SI)

35 Conclusões sobre a 2 Lei de Ohm A resistividade ρ será constante para o mesmo tipo de material; R e L são diretamente proporcionais, ou seja se L aumenta R aumenta também e vice-versa; R e A são inversamente proporcionais, se A aumenta R diminui e vice-versa;

36 Importante não Confundir! Resistividade = Característica do Material; ρ (rô) Resistência = Oposição a passagem de corrente; Resistor = O componente propriamente dito;

37 Exemplos de Aplicação da Primeira e Segunda Lei de Ohm 1) Considere um material condutor. Sabendo-se que este material ao ser submetido a uma ddp de 50V estabeleceu-se uma corrente elétrica de 12,5 A, calcule sua resistência elétrica. 2) Para o mesmo condutor de antes, determine a corrente se a ddp subir para 100V.

38 3) Obseve a figura e responda: Por que razão os Pássaros não tomam choque??? 4) Um condutor é submetido a um dos lados a um potencial de 30V. Sabe-se que por este mesmo condutor, passam cerca de 5 A e o mesmo possui uma resistência de 4Ω. Determine a ddp aplicada sobre o condutor.

39 5) Observe as figuras. Existem três condutores que possuem respectivamente as seções transversais abaixo e todos são do mesmo material e possuem o mesmo comprimento. Classifique-os por resistência em ordem decrescente. Dado que: r (a) (b) (c) b e h = l r = 1 mm D = 2r D = l 2