INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Transcrição

1 Eletricidade

2 INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA O uso de motores elétricos e circuitos de corrente alternada revolucionou a sociedade moderna. Hoje, seu uso é tão disseminado que é difícil imaginar a vida sem eletricidade. Neste tópico, vamos revisar a base de funcionamento de transformadores e motores de corrente alternada: a indução eletromagnética.

3 fem induzida Barra condutora AB deslocando-se para a direita com velocidade constante v, numa região sujeita a um campo magnético B perpendicular ao vetor velocidade e entrando no plano do papel. Os elétrões livres da barra ficam então sujeitos a uma força magnética de direção paralela à barra e sentido de A para B. A extremidade A fica carregada positivamente, e a B, negativamente. As cargas continuam a se concentrar nas extremidades até que se estabeleça um equilíbrio. Há um campo elétrico vertical para baixo, e igualdade de módulo entre a força magnética para baixo e a força elétrica para cima. Entre os terminais da barra, há uma fem induzida.

4 fem induzida Se a barra tem comprimento L, a fem induzida vale:

5 Fluxo magnético A indução, descrita por Faraday, depende de três fatores: intensidade B do campo magnético; área A a ser atravessada pelas linhas; ângulo θ entre as linhas de campo e a normal à superfície considerada:

6 Fluxo magnético Variação na área A atravessada pelas linhas de campo A área da espira retangular CDEF, efetivamente atravessada pelas linhas de campo, é reduzida de acordo com o movimento para a direita. Variação no ângulo θ entre as linhas de campo e a superfície A espira retangular gira na região de influência do campo magnético, variando continuamente o ângulo determinado pelas linhas de campo e a normal à superfície da espira.

7 Lei de Faraday Lei de Lenz O sinal negativo na expressão da lei de Faraday descreve um resultado conhecido como lei de Lenz: A corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o campo magnético criado tende a contrariar a variação do fluxo magnético através da espira. O íman em [A] ao afastar-se da espira, origina uma corrente, de acordo com a regra da mão direita, com sentido horário, para compensar a diminuição do fluxo magnético. Em [B], o sentido da corrente induzida é antihorário, para reverter o aumento do fluxo para baixo.

8 POWERED BY LIGHT/ALAN SPENCER/ ALAMY/OTHER IMAGES Lei de Faraday Correntes de Foucault: são induzidas em condutores maciços. Quando o paralelepípedo entra por completo na região do campo magnético, exibe dois conjuntos de correntes de Foucault, que giram em sentidos opostos. Podem atingir grande intensidade com grande dissipação de energia na forma de calor. Em velocímetros analógicos de automóveis, quando o eixo do carro gira, ele aciona ímãs que produzem pequenas correntes elétricas e campos magnéticos, que movimentam o ponteiro indicador de velocidade. INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

9 Correntes alternas São correntes induzidas com sentidos alternantes, produzidas, por indução eletromagnética, pelo funcionamento de motores elétricos mediante a rotação de espiras em regiões atravessadas por campos magnéticos, em movimentos de vaivém. Podemos dizer que a expressão geral da corrente i depende do seu valor máximo e de uma função trigonométrica. A variação pode ser senosoidal: em que = 2 f é a pulsação, f é a frequência com que a corrente varia no tempo, e t, o instante considerado. INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

10 Correntes alternadas Gráfico corrente X fase, exibindo variação senoidal da função. Valor eficaz da corrente

11 Correntes alternadas Transformadores São dispositivos usados para modificar uma ddp alternada. A relação entre a ddp no primário U P e a ddp do secundário U S depende exclusivamente da razão entre o número de espiras entre as bobinas:

12 Transformador Ideal Relação entre tensões e número de espiras nos enrolamentos primário e secundário: Conservação da potência: Símbolo: ), sen( ) ( ), sen( ) ( N N A A t A t v t A t v ) ( ) ( ) ( ) ( t i t v t i t v

13 Conceitos básicos de electrónica Resistências Dispositivos que têm como finalidade oferecer uma oposição à passagem de corrente eléctrica. Unidade: Ohm = Ω Múltiplos: kohm = kω = 1kΩ = 10 3 Ω Mohm = MΩ = 1MΩ = 10 6 Ω VALOR FIXO: Os valores de resistência não podem ser alterados. VARIÁVEIS: A resistência varia dentro de uma faixa de valor, através de cursor móvel. Parâmetros de especificação: - Valor nominal - Tolerância Máxima variação do valor nominal (%) do valor nominal - Potência Máxima dissipação de potência

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15 TABELA DE CORES OBS.: Ausência de tolerância = + 20% Resistências de precisão = 5 faixas: Primeiras 3 faixas = 3 algarismos significativos 4 faixa = factor de multiplicação 5 faixa = tolerância Potências: 0,33W, 0,5W, 0,67W, 1,15W e 2,5W

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17 Resistências de acordo com a potência de utilização

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20 Conceitos básicos de electrónica Condensadores Tem como finalidade armazenar energia eléctrica. Formado por duas placas condutoras (armaduras), separadas por material isolante (dieléctrico). Os dieléctricos mais comuns: Papel, mica, cerâmica, materiais plásticos ou o ar. Capacitância (C) = é a característica que o condensador tem de armazenar mais ou menos cargas eléctricas por unidade de tensão: C=8,84 x x K x A/d K= Constante dieléctrica, ar = 1, papel = 2-4,8 ou C = Q/V C = Farad Q = carga eléctrica (Coulomb) V = tensão (Volt) Os valores usuais de capacitância dos condensadores são submúltiplos do Farad, ou seja: 1 μf = 10-6 F ; 1 nf = 10-9 F e 1 pf = F Tensão de isolamento = Limite de tensões entre os terminais

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24 CÓDIGO DE CORES Condensadores de poliéster

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26 Condensadores variáveis

27 Conceitos básicos de electrónica Indutores Um fio condutor ao ser percorrido por uma corrente eléctrica produz um campo magnético. Este efeito é maximizado se enrolarmos o fio condutor, em forma de espira, em redor de um núcleo, constituindo o Indutor INDUTÂNCIA Efeito do campo magnético com a corrente eléctrica Unidade Henry H Submúltiplos mh ; μh Podem ser fixos ou variáveis

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29 COMPORTAMENTO EM REGIME DC (corrente contínua) Ao aplicarmos uma tensão DC o indutor armazenará uma energia magnética. Ao ligarmos a chave S a corrente é nula, pois o indutor se opõe as variações bruscas de corrente. A partir daí aumenta gradativamente segundo uma função exponencial até o valor máximo. S E R L

30 Semicondutores Dos materiais utilizados no campo da electrónica, temos: CONDUTOR - Material que mantém um fluxo de carga quando uma tensão, de amplitude limitada, é aplicada em seus terminais. ISOLANTE - Material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando se aplica uma fonte de tensão. SEMICONDUTOR - Material que mantém um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. BONS CONDUTORES - Cobre é um bom condutor 29 protões e vinte nove electrões, bem como ouro e prata.

31 Estrutura atômica do Ge e Si

32 Materiais semicondutores Os semicondutores possuem 4 electrões na camada de valência tornam-se mais estáveis com a participação dos átomos vizinhos formam-se ligações covalentes partilhando electrões dos átomos vizinhos

33 Fluxo de electrões e lacunas

34 Semicondutor Intrínseco É um semicondutor puro, ou seja, todos os átomos do cristal são de silício (Si), ou germânio (Ge) ou arseneto de gálio (GaAs) ou fosfeto de índio. A 273 o C o semicondutor intrínseco comporta-se como um isolante perfeito.

35 Semicondutor Extrínseco De forma a aumentar a condutibilidade de um semicondutor, é o recurso à adição de impurezas aos átomos. Um condutor dopado é chamado de semicondutor extrínseco. Para aumentar o número de electrões livres, adicionam-se átomos pentavalentes ao silício em fusão, ex.: arsênio (As), antimónio (Sb) e fósforo (P). Este processo é chamado de dopagem.

36 Semicondutor dopado com antimónio Por possuírem electrões livres em excesso são chamados de material tipo N. Num material tipo N os electrões livres são chamados de portadores maioritários e as lacunas de portadores minoritários.

37 Para se aumentar o número de lacunas, recorre-se a impurezas trivalentes, cujos átomos possuem apenas três elétrons de valência, ex.: alumínio (Al), boro (Bo) e gálio (Ga). Por possuírem lacunas em excesso são chamados de material tipo P. Num material tipo P as lacunas são os portadores maioritários e os electrões os portadores minoritários. Tipo P Tipo N

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39 O DIODO SEMICONDUTOR JUNÇÃO PN O díodo semicondutor é formado juntando um bloco de material tipo P com um bloco de material tipo N Junção PN Díodo não polarizado No momento da junção haverá uma corrente de difusão, criando uma região de iões negativos e positivos não combinados chamado de Região de Depleção e a distribuição da carga nessa área é chamado de Carga Espacial. A largura da região de depleção dependente dos níveis de dopagem dos materiais P e N. O Campo eléctrico que aparece na região de depleção devido aos íiões positivos e negativos é chamada de Barreira de potencial. À temperatura de 25 o C, a barreira de potencial é aproximadamente 0,3 V para o Ge e 0,7 V para o Si.

40 Diodo não polarizado

41 Simbologia O lado P da junção PN é conhecido como anodo (A) do diodo e o lado N como catodo (K).

42 POLARIZAÇÃO INVERSA DA JUNÇÃO

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44 POLARIZAÇÃO DIRECTA DA JUNÇÃO

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46 Curva característica do diodo

47 Ruptura ou efeito Zener

48 Simbologias

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50 Transístores Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas junções PN (junção base-emissor e junção base-colector) de material semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C). Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base N Material semicondutor com excesso de electrões livres P Material semicondutor com excesso de lacunas

51 Principio de funcionamento Para que o transístor bipolar conduza é necessário que seja aplicada na base uma corrente mínima (V BE 0,7 Volt), caso contrário não haverá passagem de corrente entre o Emissor e o Colector. I B = 0 O transístor não conduz (corte) Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector. Uma pequena corrente entre a base e o emissor origina uma corrente entre o emissor e o colector

52 Utilização O transístor bipolar pode ser utilizado: como interruptor electrónico. na amplificação de sinais. como oscilador.

53 Polarização Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC. Para o transístor estar corretamente polarizado a junção PN base emissor deve ser polarizada diretamente e a junção base coletor deve ser polarizada inversamente. Regra prática: O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui. A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui. O Coletor é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui. Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N

54 Polarização Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N _ + Rb Rc R b Resistência de polarização de base R c Resistência de colector ou resistência de carga Rb Rc + _

55 Representação de tensões e correntes V CE Tensão colector - emissor V BE Tensão base emissor V CB Tensão colector - base I C Corrente de colector I B Corrente de base I E Corrente de emissor V RE Tensão na resistência de emissor V RC Tensão na resistência de colector

56 Relação das correntes + I B Rb Rc I C Considerando o sentido convencional da corrente e aplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relação das correntes num transístor bipolar I E = I C + I B I E

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