Exemplos de condutores: cobre, alumínio, ferro, grafite, etc. Exemplos de isolantes: vidro, mica, fenolite, borracha, porcelana, água pura, etc.

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1 Condutores e Isolantes Condutores: São materiais caracterizados por possuírem no seu interior, portadores livres de cargas elétricas (elétrons livres), desta forma, permitindo a passagem de uma corrente elétrica (movimento ordenado de cargas elétricas elétrons) pelo seu interior. Exemplos de condutores: cobre, alumínio, ferro, grafite, etc. Isolantes: São substâncias que não permitem a passagem da corrente elétrica, por não terem portadores livres de carga elétrica, os elétrons da última camada, estão fortemente ligados ao átomo. Exemplos de isolantes: vidro, mica, fenolite, borracha, porcelana, água pura, etc. Carga elétrica A unidade de carga elétrica é o coulomb [C]. Dizer que um corpo possui a carga de +1C, significa que foram retirados deste corpo 6, elétrons. Portanto pode-se escrever: 1 C 19 qe = = 1,6. 10 C 18 6,25.10 eletrôns Por convenção, estabeleceu-se que o elétron possui carga negativa, sendo assim temos: Eletrização Carga do elétron -1, C Eletrizar um corpo significa colocar ou retirar elétrons de um corpo. As principais maneiras de se eletrizar um corpo são: por atrito, por contato e por indução. Eletrização por atrito Figura 1 eletrização por contato A eletrização por atrito é local, isto é, os corpos ficam eletrizados somente nos pontos de contato. A quantidade de carga adquiria pelos corpos é igual em módulo, neste tipo de eletrização, é necessário que os corpos sejam de materiais diferentes. 1

2 Eletrização por contato Figura 2 eletrização por contato Na eletrização por contato, os elétrons se deslocam, no exemplo, do corpo eletrizado para o corpo neutro, fazendo com que o corpo neutro adquira a mesma carga que o corpo eletrizado. O processo de transferência de carga cessa quando o equilíbrio entre os potenciais dos dois corpos é atingido. Eletrização por indução. Figura 3 eletrização por indução Na eletrização por indução, o indutor permanece com a mesma carga que tinha inicialmente e a carga adquirida pelo induzido foi fornecia pela terra, ao final, os corpos ficam com cargas de natureza contrária. Potencial Elétrico e Diferença de Potencial Para um corpo eletrizado, define-se uma grandeza chamada de potencial elétrico. O potencial elétrico depende da quantidade de carga que o corpo tem, das suas dimensões e do meio onde está o corpo, podendo ser uma quantidade positiva ou negativa, de acordo com a carga que tem. O potencial elétrico está relacionado com a capacidade que tem as cargas armazenadas de realizar um trabalho. O símbolo utilizado para potencial elétrico é a letra V e a unidade é o volt [V]. 2

3 B Eletricidade Básica - Resumo Figura 4 diferença de potencial Suponha dois corpos A e B (figura 4), o primeiro eletrizado negativamente (Q A < 0) e o segundo neutro (Q B = 0), ligados por um fio condutor no qual existe uma chave inicialmente aberta. O potencial do corpo A é negativo (V A < 0) e o potencial do corpo B é nulo (V B = 0), portanto existe uma diferença de potencial (ddp) entre os corpos A e B. Fechando-se a chave, existirá um deslocamento de elétrons do corpo A para o corpo B, até que os potenciais se igualem. A diferença de potencia (ddp) pode ser simbolizada pelas letras: V, E ou U e a unidade é a mesma do potencial elétrico, o volt [V]. Circuito Elétrico Um circuito elétrico é um caminho fechado, constituído por condutores por onde passam as cargas elétricas. O circuito mais simples é constituído de um gerador e um receptor. Geradores de tensão Para que haja deslocamento de cargas, é necessário que exista uma diferença de potencial entre dois pontos de um condutor. Um gerador de tensão é um dispositivo que mantém, por meio de uma ação química (pilha), mecânica (alternador) ou outra qualquer um ddp entre pontos chamados de pólos. O ponto de menor potencial é chamado de pólo negativo. Existem geradores de tensão alternada (CA), que varia no tempo, geralmente 60 vezes por segundo ou 60 Hz (Exemplo: alternador) e Geradores de tensão contínua (CC) que é constante no tempo (pilhas, baterias, dínamos, etc.). Gerador CC Gerador CA Figura 5 Símbolos utilizados para geradores Receptor Um receptor é um bipolo passivo, cuja função é realizar algum tipo de trabalho, uma lâmpada é um exemplo de receptor que transforma a energia elétrica em luz e calor. 3

4 Corrente Elétrica Figura 6 Circuito elétrico Figura 7 Representação simbólica A corrente elétrica é o movimento ordenado dos elétrons por um meio condutor. A figura 6 apresenta um circuito elétrico composto de um gerador (bateria), condutores (fio de cobre) e receptor (lâmpada), pode-se notar a indicação de I eletrons que corresponde ao sentido real da corrente elétrica (sentido do fluxo de elétrons) e I convencional, que corresponde ao sentido convencional da corrente e que normalmente é utilizado. Na figura 7 é possível ver a representação simbólica do circuito citado. Intensidade da Corrente Elétrica. A medida do fluxo de cargas (elétrons), através de um condutor, determina a intensidade da corrente elétrica e é simbolizada pela letra I. Considerando um condutor de secção transversal S (plano imaginário mostrado na figura 6), percorrido por uma corrente elétrica, define-se intensidade de corrente elétrica como sendo: ΔQ I = Δt ΔQ= quantidade de cargas (em C) que atravessa uma secção transversal do condutor no intervado de tempo Δt (em s). A unidade de intensidade de corrente elétrica é o ampère [A]. 4

5 Resistência elétrica Resistência elétrica é a oposição à passagem da corrente elétrica. Essa oposição é resultante das colisões entre elétrons e entre elétrons e átomos do material. A unidade de medida da resistência elétrica é o ohm cujo símbolo e a letra grega maiúscula ômega [Ω]. Figura 8 -Símbolo de resistência e sua abreviação A resistência de um material depende fundamentalmente de três fatores: de uma característica própria do material denominada resistividade, da forma física (comprimento e área da seção transversal) e da temperatura. Condutância elétrica Se a resistência é entendida como a dificuldade que a corrente contra em atravessar um condutor, a condutância seria a facilidade, ou seja, a condutância é o inverso da resistência. Assim pode-se escrever: 1 G = e sua unidade é o siemens [S] R Leis de Ohm 2ª Lei de Ohm Georg Simon Ohm, físico e matemático Alemão ( ), em seus estudos, concluiu que a oposição à passagem da corrente elétrica pelos condutores dependia do material condutor, do comprimento do condutor, da área de sua seção transversal e da temperatura do condutor. Experimentalmente ele observou que, mantendo-se a temperatura constante: quanto maior o comprimento do condutor, maior a resistência elétrica oferecida; quanto menor a área da seção reta, maior também a resistência; alguns condutores de dimensões iguais porem de materiais diferentes apresentavam comportamento diferente quando submetido à mesma diferença de potencial, ou seja, apresentavam resistência diferente. A partir daí estabeleceu-se uma constante de proporcionalidade denominada resistividade. Daí pode-se concluir que a resistência de um condutor depende de uma constante do material denominada resistividade, e ela é diretamente proporcional ao comprimento e inversamente proporcional à área da seção reta. Na forma de equação pode-se então escrever: Onde: l R = ρ S R = resistência elétrica do condutor; ρ = resistividade do material; l = comprimento do condutor; S = área da seção reta. 5

6 1ª Lei de Ohm Verifica-se que a corrente elétrica que atravessa um determinado condutor é diretamente proporcional a tensão aplicada a este condutor, assim pode-se escrever que: V = R.I R é uma constante de proporcionalidade e representa a resistência do condutor. Portanto R é constante independente da tensão aplicada ao condutor. V V V' V'' = = R = constante I' I'' V I I I Figura 9 A característica de um condutor ôhmico é uma reta aplicando-se tensões diferentes tem-se correntes diferentes, porem a razão tensão/corrente permanece constante. Os condutores que seguem a lei de Ohm são chamados de condutores ôhmicos, porém, nem todos os condutores seguem essa lei. Aqueles condutores de não seguem a lei de ohm são ditos condutores não ôhmicos. Resistores Resistores são dispositivos que apresentam como característica a resistência elétrica, sua função é transformar energia elétrica em energia térmica. Pode ter diversa utilidades como por exemplo o aquecimento de líquidos, limitar a corrente ou provocar queda de tensão para o correto funcionamento de determinado circuito. Figura 10 Construção de um resistor de carbono utilizado em circuitos eletrônicos Figura 11 Diversos resistores com mesmo valor ôhmico porem com capacidade de dissipação de potência diferentes. 6

7 Potência elétrica Potência elétrica é a capacidade de transformar energia elétrica em outro tipo de energia 1 watt (W) = 1 joule/segundo (J/s) Na forma de equação, a potência é determinada por: W P = (watts, W ou joules/segundo, J/s) t A unidade de medida, o watt, é derivada do sobrenome de James Watt, que realizou trabalhos fundamentais para o estabelecimento de padrões de medida de potência. Ele introduziu a unidade chamada horsepower (hp) como sendo a potência média desenvolvida por um cavalo robusto ao puxar uma carroça durante um dia inteiro de trabalho. Esta potência corresponde aproximadamente a 50% a mais do que se pode esperar de um cavalo mediano. As unidades hp e watt se relacionam da seguinte forma: 1 horsepower 746 watts A potência consumida por um sistema ou dispositivo elétrico pode ser dada por: Utilizando-se a lei de Ohm, têm-se as equações: P = V.I (watts) 2 V P = (watts) e R 2 P = R.I (watts) Energia Elétrica Energia elétrica corresponde à potência desenvolvida em um determinado tempo. W = P.t Em eletricidade costuma-se utilizar como unidade de potência o watt-hora [Wh] ou quilowatthora [kwh]. Energia(Wh ) = potência(w).tempo(h) potência(w).tempo(h) Energia(kW h) =

8 Eficiência Ps Ps η = ou η % =.100 em porcentagem Pe Pe Em um sistema, a eficiência total corresponde ao produto das eficiências dos subsistemas. η = η. η 1 η2. η3... n Resumo Grandeza Símbolo Unidade / Símbolo Tensão elétrica ou ddp V, U ou E volts [V] Intensidade de corrente elétrica I amperes [A] Resistência elétrica R ohms [Ω] Potência elétrica P watts [W] Energia elétrica W joules [J] ou watts-segundos [Ws] ou ainda quilowatt-hora [kwh] Relações Importantes Leis de Ohm V L R = e R = ρ I S Energia W = P.t Potência Eficiência ou rendimento P = V.I Ps η % =.100 Pe Potência 1 HP (Horse-Power) = 746W 1 CV (Cavalo-Vapor) = 736W A seguir são apresentados os chamados triângulo da lei de Ohm e triângulo da potência para facilitar o uso das relações que envolvem a primeira lei de Ohm e a potência elétrica. Triângulo da Lei de Ohm Triângulo da Potência 8

9 Resistividade de diversos materiais tomadas a 20ºC. Classificação Material Resistividade ρ em [Ω.m] Prata 1,4x10-8 Metal Cobre 1,7x10-8 Alumínio 2,8x10-8 Tungstênio 5,0x10-8 Latão 6,8x10-8 Liga Constantã 50x10-8 Níquel-Cromo 110x10-8 Carbono Grafite 4000 a 8000x10-8 Água pura 2,3x10 3 Vidro a10 13 Porcelana 3,0x10 12 Isolante Mica a Baquelite 2,0x10 14 Borracha a Âmbar a Múltiplos e submúltiplos decimais das unidades SI Fator Prefixo Símbolo Fator Prefixo Símbolo exa E 10-1 deci d peta P 10-2 centi c tera T 10-3 mili m 10 9 giga G 10-6 micro μ 10 6 mega M 10-9 nano n 10 3 quilo k pico p 10 2 hecto h femto f 10 1 deca da atto a 9