Circuitos elétricos e Grandezas elétricas

Transcrição

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2 Energia AQUECIMENTO ILUMINAÇÃO ENERGIA ELÉTRICA COMUNICAÇÕES TRANSPORTES

3 Energia e correntes elétricas Distribuição da energia elétrica As linhas de alta tensão permitem o transporte da energia elétrica desde as centrais elétricas até aos locais de distribuição. Linhas de alta tensão junto a central elétrica

4 Corrente elétrica A corrente elétrica consiste no movimento orientado de partículas com carga elétrica. Essas partículas podem ser : eletrões nos METAIS iões em SOLUÇÕES CONDUTORAS (eletrolíticas) eletrões e iões em GASES IONIZADOS

5 Corrente elétrica Em METAIS Condutor metálico: ELETRÕES Iões da rede metálica No dos metais, a corrente elétrica é um movimento orientado de eletrões. Correntes elétricas em metais: - quadro elétrico de uma casa.

6 Corrente elétrica Em SOLUÇÕES CONDUTORAS Solução aquosa de NaCl: ÁGUA IÕES Cl Na + Na + Cl Cl Na + Nas soluções condutoras, as partículas da corrente elétrica são iões. Corrente elétrica no corpo humano: - no interior existe uma solução condutora.

7 Corrente elétrica Em GASES IONIZADOS Lâmpada fluorescente: IÕES A B C ELETRÕES No caso dos gases ionizados, as partículas da corrente elétrica são iões. Correntes elétricas em gases ionizados: A - relâmpago B - lâmpada fluorescente C - plasma

8 Bons e maus condutores elétricos Bons condutores elétricos Cobre Grafite Facilitam a passagem da corrente elétrica Água do mar Água mineral

9 Bons e maus condutores elétricos Maus condutores elétricos (ou isoladores elétricos) Madeira Cortiça Dificultam a passagem da corrente elétrica Plástico Borracha

10 Bons e maus condutores elétricos Materiais onde pode existir corrente elétrica são bons condutores elétricos. Mas existem materiais onde as partículas com carga elétrica não se podem mover de modo orientado. São maus condutores elétricos. MATERIAIS Bons condutores elétricos Maus condutores elétricos

11 Circuitos elétricos Para haver corrente elétrica é preciso um circuito elétrico, ou seja, um caminho por onde circulam as partículas com carga elétrica (eletrões ou iões). Um circuito elétrico é formado por vários componentes por onde circula a corrente elétrica.

12 Circuitos elétricos - interruptor fechado ocorre passagem da corrente elétrica. - interruptor aberto não ocorre passagem da corrente elétrica.

13 Existem dois tipos de componentes elétricos num circuito: Fonte ou gerador de tensão Fornece energia ao circuito. Tem um polo positivo e um polo negativo (terminais positivo e negativo). Recetor Recebe a energia elétrica da fonte de tensão e transforma-a noutra forma de energia: luz, movimento, etc. As suas extremidades chamam-se terminais.

14 TABELA I ALGUNS SÍMBOLOS UTILIZADOS NA REPRESENTAÇÃO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS Para facilitar a representação dos circuitos e tornar os esquemas mais universais, usam-se símbolos elétricos para representar cada um dos diferentes elementos.

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16 Para representar esquematicamente um circuito elétrico, usamos os símbolos dos componentes presentes no circuito: Circuito elétrico Representação esquemática

17 Grandezas elétricas: diferença de potencial elétrico (d.d.p.) Num condutor metálico os eletrões têm um movimento desordenado. Eletrões de condução (a verde) Condutor metálico Não existe nenhuma direção preferencial para o movimento dos eletrões.

18 Grandezas elétricas: diferença de potencial elétrico Se atuarem forças elétricas os eletrões têm um movimento ordenado. Gerador de tensão Polo positivo (+) Polo negativo (-) Gerador de tensão: origina forças elétricas, transferindo-lhes energia, o que origina corrente elétrica. F e Condutor metálico

19 Grandezas elétricas: diferença de potencial elétrico Se atuarem forças elétricas os eletrões têm um movimento ordenado. Os eletrões, apesar das suas frequentes colisões F e com os iões, acabam por se deslocar ao longo do condutor, num movimento afetado por essas colisões. Diferença de potencial O gerador fornece uma diferença de potencial, U, ao condutor a que está ligado.

20 Grandezas elétricas: diferença de potencial elétrico GERADORES DE TENSÃO CONTÍNUA Os geradores que fornecem uma diferença de potencial praticamente constante são chamados geradores de tensão contínua. Originam correntes contínuas. Eletrões movem-se no mesmo sentido. Traço curto Traço comprido Polo - Polo + Símbolo dos geradores num esquema de circuito As pilhas e baterias são exemplos de geradores de tensão contínua

21 Grandezas elétricas: diferença de potencial elétrico (U) Diferença de potencial nos terminais de um condutor, U: U = E Q Unidades do Sistema Internacional (SI): Diferença de potencial ( U ) volt (V) Energia ( E ) joule ( J ) Carga elétrica ( Q ) coulomb (C) sempre múltiplo da carga do eletrão Q eletrão = 1, C Voltímetro analógico. Aparelho que mede a diferença de potencial.

22 A tensão ou diferença de potencial mede-se com um aparelho chamado voltímetro, que pode ser analógico ou digital. O voltímetro digital faz parte de um aparelho com mais funções chamado multímetro. Representação simbólica de um voltímetro: Voltímetros

23 Medição da d.d.p num circuito A medição da d.d.p. realiza-se com um voltímetro, que se instala em em paralelo. Durante a instalação de um voltímetro, para que ocorra deflexão do ponteiro para a direita, deve-se ligar: O terminal positivo do voltímetro ao terminal positivo da lâmpada. O terminal negativo do voltímetro ao terminal negativo da lâmpada.

24 Múltiplos e submúltiplos do volt A diferença de potencial representa-se por U e a sua unidade SI é o volt (V), em homenagem a Alessandro Volta. Denominação Símbolo Relação com o volt Múltiplos quilovolt kv 1 kv = 1000 V Unidade S.I. volt V Submúltiplos milivolt mv 1 mv = 0,001 V Exemplo Converte os seguintes valores de diferença de potencial para a respetiva unidade SI. a) 12 kv =? V b) 436 mv =? V c) 0,5 kv =? V d) 7,56 mv =? V

25 As tomadas das nossas casas fornecem uma tensão de 230 V. Tomada Assim, os equipamentos elétricos que compramos vêm preparados para funcionar com a tensão de 230 V com uma tensão inferior não funcionam e com uma tensão superior queimam-se.

26 Sentido da corrente elétrica Qual o sentido do movimento dos eletrões? Sentido real da corrente elétrica Os eletrões movem-se do polo negativo para o polo positivo. O sentido em que se movem os eletrões no seu movimento orientado chama-se sentido real da corrente. Sentido real

27 Sentido da corrente elétrica Qual o sentido do movimento dos eletrões? Sentido convencional da corrente elétrica As cargas (positivas) movem-se do polo positivo para o polo negativo. Por convenção ainda se utiliza o sentido convencional da corrente elétrica. Sentido convencional

28 Sentido convencional da corrente elétrica Sentido real do movimento dos eletrões num circuito elétrico Pólo negativo ( ) Pólo positivo (+) Sentido convencional da corrente elétrica num circuito elétrico Pólo positivo (+) Pólo negativo ( )

29 Grandezas elétricas: corrente elétrica Secção reta do condutor Quantos mais eletrões atravessarem uma secção reta de um condutor, por unidade de tempo, mais intensa será a corrente elétrica. A corrente elétrica (símbolo I) é uma grandeza escalar que se define como a carga que atravessa uma secção reta de um condutor por unidade de tempo.

30 Grandezas elétricas: corrente elétrica I = Q t Unidades do Sistema Internacional (SI): Corrente elétrica ( I) ampere (A) Intervalo de tempo ( t ) segundo( s) Carga elétrica ( Q ) coloumb(c) sempre múltiplo da carga do eletrão Q eletrão = 1, C Amperímetro analógico. Aparelho que mede a corrente elétrica.

31 Medição da corrente elétrica num circuito A medição da corrente elétrica realiza-se com um amperímetro, que se instala em série. Quando se liga um amperímetro deve-se: Ligar o seu terminal positivo ao terminal positivo do circuito. Ligar o seu terminal negativo ao terminal negativo do circuito.

32 Múltiplos e submúltiplos da unidade ampere A corrente elétrica representa-se por I e a sua unidade SI é o ampere (A), em homenagem a André-Marie Ampère. Denominação Símbolo Relação com o ampere Exemplo Múltiplo quiloampere ka 1 ka = 1000 A Unidade S.I. ampere A Submúltiplo miliampere ma 1 ma = 0,001 A Converte os seguintes valores de corrente elétrica para a respetiva unidade SI. a) 27 ka =? A b) 12,6 ma =? A c) 0,003 ka =? A

33 Corrente contínua e corrente alternada Corrente elétrica Contínua (DC ou CC) (O sentido da corrente elétrica mantém-se constante) Alternada (AC ou CA) (O sentido da corrente elétrica varia ciclicamente)

34 Corrente contínua e corrente alternada CORRENTE CONTÍNUA O valor da corrente contínua é constante ao longo do tempo. O movimento dos eletrões dá-se sempre no mesmo sentido. É simbolizado pela sigla CC ou DC. Símbolo nos aparelhos de medida: Numa corrente contínua, o valor da corrente elétrica é constante.

35 Corrente contínua e corrente alternada CORRENTE ALTERNADA O valor da corrente elétrica varia periodicamente ao longo do tempo. O movimento dos eletrões dá-se ora num sentido, ora em sentido oposto. É simbolizado pela sigla CA ou AC. Símbolo nos aparelhos de medida: Numa corrente alternada, o valor varia periodicamente

36 Corrente contínua e corrente alternada Conversão da corrente alternada em contínua Há aparelhos que transformam a corrente alternada em contínua e vice-versa, que são designados transformadores. AC U = 230 V Transformadores DC U << 230 V O carregador do telemóvel e o carregador do computador portátil convertem corrente alternada em corrente contínua e reduzem a diferença de potencial (U).

37 Resistência elétrica de um condutor As colisões entre os eletrões de condução e os iões oferecem resistência ao movimento orientado de eletrões. ELETRÃO DE CONDUÇÃO IÃO METÁLICO CONDUTOR METÁLICO A maior ou menor dificuldade que os eletrões encontram durante o seu movimento, é medida por uma grandeza física chamada resistência elétrica.

38 Resistência elétrica de um condutor Os condutores caracterizam-se por uma grandeza chamada resistência elétrica. Resistência elétrica de um condutor (símbolo R): Indica a maior ou menor oposição que o condutor oferece ao movimento dos eletrões. A sua unidade no SI é o ohm (símbolo Ω). Define-se como o quociente entre a tensão nos terminais do condutor, U, e a corrente elétrica que o percorre, I : É representada num circuito por um dos seguintes símbolos:

39 Medição direta da resistência elétrica Resistência elétrica mede-se diretamente com um ohmímetro usualmente integrado num multímetro

40 Múltiplos e submúltiplos da unidade ohm A resistência elétrica representa-se por R e a sua unidade SI é o ohm ( ), em homenagem a Georg Simon Ohm. Denominação Símbolo Relação com o ohm Exemplo Múltiplo quilo-ohm k 1 k = 1000 Unidade S.I. ohm Submúltiplo miliohm m 1 m = 0,001 Converte os seguintes valores de resistência elétrica para a respetiva unidade SI. a) 0,5 k =? b) 500 m =? c) 0,025 k =?

41 Resistência elétrica de um condutor Resistência elétrica, R: Unidades no SI: R U I Ω V A (ohm) (volt) (ampere) Representa-se num circuito pelos símbolos: Resistência constante Resistência variável

42 Lei de Ohm Verifica-se experimentalmente que, em muitos materiais, incluindo a maioria dos metais, a resistência, R, permanece constante, a uma dada temperatura, para uma ampla gama de tensões aplicadas ao condutor. Este comportamento é conhecido como Lei de Ohm e os condutores designam-se por condutores óhmicos. Os condutores óhmicos são também conhecidos por condutores lineares, pois o gráfico da corrente elétrica, em função da diferença de potencial elétrico, isto é, a curva característica do condutor, é uma reta que passa pela origem do referencial. Lei de Ohm A temperatura constante, existe uma razão constante entre a diferença de potencial elétrico aplicada a um condutor e a corrente elétrica que o percorre. R U constante

43 Lei de Ohm Condutor óhmico Segue a Lei de Ohm: U e I são diretamente proporcionais; - a resistência não depende da tensão aplicada, sendo sempre a mesma (a temperatura constante). Exemplo: condutores metálicos

44 Lei de Ohm Condutor não óhmico Não segue a Lei de Ohm: U e I não são diretamente proporcionais; -a resistência não é constante, dependendo da tensão aplicada. Exemplo: certos componentes de aparelhos eletrónicos (computadores, etc.)

45 Resistência elétrica de um condutor A resistência elétrica depende, entre vários fatores, do material do condutor. Essa dependência caracteriza-se pela grandeza resistividade. Resistividade: medida da oposição de um material ao fluxo da corrente elétrica. o seu símbolo é o ρ. a unidade SI é o ohm metro (Ω m).

46 Resistência elétrica de um condutor Resistividade Consoante o valor da sua resistividade, um material condutor pode ser classificado em mau condutor, semicondutor ou bom condutor. Maus condutores Semicondutores Bons condutores Aumento da resistividade

47 Resistência elétrica de um condutor Resistividade METAIS Variação da resistividade com a temperatura Aplicações elétricas Muito bons condutores A resistividade aumenta com o aumento da temperatura. Fabrico de fios elétricos.

48 Resistência elétrica de um condutor Resistividade LIGAS METÁLICAS: Variação da resistividade com a temperatura Aplicações elétricas Muito bons condutores A resistividade varia muito pouco com a temperatura. Fabrico de resistências padrão.

49 Resistência elétrica de um condutor Resistividade SEMIMETAIS: germânio e silício Variação da resistividade com a temperatura Aplicações elétricas Bons condutores A resistividade varia, mesmo quando há pequenas variações da temperatura; diminui com o aumento da temperatura. Fabrico de termístores, que são sensores de temperatura.

50 Resistência elétrica de um condutor Resistividade A resistividade varia com a temperatura, no entanto, essa variação depende da estrutura química do material condutor. Resistividade, ρ/ωm a 20 C: Metais: 10 8 a 10 7 Ligas metálicas: Semicondutores: 10 5 a 10 2 Vidro: a Resistividade de um material Varia com a temperatura e, por isso, a resistência do respetivo condutor também varia com a temperatura.

51 Resistência elétrica de um condutor A resistência de um condutor depende, para além da resistividade que o constitui, da sua geometria. Comprimento do condutor, l Área da secção reta, A Resistência de um condutor Depende do material (resistividade) e da geometria.

52 Resistência elétrica de um condutor Resistência de um condutor em forma de fio R = ρ l A Unidades no SI: R ρ l Ω Ω m m A m 2 A resistência é diretamente proporcional ao comprimento, para uma determinada área de secção reta. A resistência é inversamente proporcional à área de secção reta, para um determinado comprimento. A constante de proporcionalidade é a resistividade do material.

53 Resistência elétrica de um condutor Pode-se concluir que: Fios do mesmo material e com a mesma espessura: tem maior resistência o fio de maior comprimento. R = ρ l A l R Fios do mesmo material e com o mesmo comprimento: tem maior resistência o fio de menor espessura. R = ρ l A A R Fios de diferentes materiais com o mesmo comprimento e espessura: tem maior resistência o fio do material com maior resistividade. R = ρ l A ρ R

54 Resistência elétrica de um condutor filiforme De dois condutores do mesmo material e com a mesma área de secção reta, tem maior resistência o que tiver maior comprimento. R 1 R 2 = 1 2 De dois condutores do mesmo material e com o mesmo comprimento, tem maior resistência o que tiver menor área de secção reta. R 1 R 2 = A 2 A 1

55 Resistência elétrica de um condutor O valor da resistência elétrica das resistências identifica-se através de um código de quatro cores. Exemplo

56 Resistência elétrica de um condutor EXEMPLO Variação da resistência num reóstato. B A C O reóstato é constituído por um condutor de determinado comprimento e um cursor que se move ao longo do condutor: A corrente percorre o fio enrolado apenas entre os pontos A e B O cursor B desliza entre A, resistência zero, e C, resistência máxima.

57 Resistência variável O reóstato (resistência variável) é um componente elétrico composto genericamente por um fio condutor enrolado, sobre o qual existe um cursor móvel.

58 Resistência variável Ciência, tecnologia e sociedade As resistências variáveis são usadas para controlar o volume de som em aparelhos de som, rádios e televisões. Também servem para alterar o brilho de telemóveis, aparelhos de GPS e computadores. Ou, podem funcionar como reguladores de luz, por exemplo nas salas de cinema.

59 Atividade Circuitos elétricos e Grandezas elétricas 1 Considere a tabela com os valores da resistividade de alguns materiais. Indique, justificando, o material que conduz melhor a corrente elétrica. Material Ferro Cobre Tungsténio Constantan Resistividade ρ/ωm 9, , ,

60 Atividade Circuitos elétricos e Grandezas elétricas 1 Considere a tabela com os valores da resistividade de alguns materiais. Indique, justificando, o material que conduz melhor a corrente elétrica. RESOLUÇÃO O material que melhor conduz a corrente elétrica é o que apresenta uma menor resistividade, pois esta é diretamente proporcional à resistência elétrica. Assim, o melhor condutor é o cobre. Material Ferro Cobre Tungsténio Constantan Resistividade ρ/ωm 9, , ,

61 Atividade Circuitos elétricos e Grandezas elétricas 2 Calcule o valor da resistência elétrica de um fio de cobre de 40 m de comprimento e 0,25 mm 2 de área de secção transversal. Material Ferro Cobre Tungsténio Constantan Resistividade ρ/ωm 9, , ,

62 Atividade Circuitos elétricos e Grandezas elétricas 2 Calcule o valor da resistência elétrica de um fio de cobre de 40 m de comprimento e 0,25 mm 2 de área de secção transversal. RESOLUÇÃO Dados: l = 40 m A = 0, 25 mm 2 A = 0, = 2, m 2 ρ cobre = 1, Ω m (da tabela) R = ρ l A R = 1, , R 2,7 Ω Material Ferro Cobre Tungsténio Constantan Resistividade ρ/ωm 9, , ,

63 Síntese de conteúdos Uma corrente elétrica é um movimento orientado de portadores de carga elétrica, através de um circuito fechado. Uma corrente elétrica diz-se contínua quando os portadores de carga elétrica se deslocam sempre no mesmo sentido e diz-se alternada quando mudam periodicamente de sentido. A corrente elétrica, I, é a carga elétrica que passa, por unidade de tempo, através de uma secção reta de um condutor. A diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica, U, entre os terminais de um condutor, percorrido por uma corrente elétrica, é a energia elétrica transferida para o condutor por unidade de carga elétrica que o atravessa.

64 Síntese de conteúdos A resistência elétrica, R, de um condutor é igual ao quociente entre a diferença de potencial elétrico, U, aplicada aos terminais do condutor e a corrente elétrica, I, que o percorre R U A resistência elétrica, R, de um condutor homogéneo e filiforme é diretamente proporcional ao seu comprimento,, e inversamente proporcional à área, A, da sua secção reta, dependendo o seu valor do material de que é feito. R= r A Verifica-se experimentalmente que, para variações de temperatura não muito elevadas, a resistividade, ρ, de muitos condutores, varia linearmente com a temperatura, θ.

65 Diagrama de conteúdos