ATENÇÃO: O material a seguir é parte de uma das aulas da apostila de MÓDULO 2 que por sua vez, faz parte do CURSO de ELETRO ANALÓGICA -DIGITAL que vai do MÓDULO 1 ao 4. A partir da amostra da aula, terá uma idéia de onde o treinamento de eletroeletrônica poderá lhe levar. Você poderá adquirir o arquivo digital da apostila completa (16 aulas), ou ainda na forma impressa que será enviada por por correio. Entre na nova loja virtual CTA Eletrônica e veja como: www.lojacta.com.br Além de ter a apostila e estuda-la, torne-se aluno e assim poderá tirar dúvidas de cada uma das questões dos blocos atrelados a cada uma das aulas da apostila, receber as respostas por e-mail, fazer parte do ranking de módulos e após a conclusão do módulo com prova final, participar do ranking geral e poder ser chamado por empresas do ramo de eletroeletrônica. Saiba mais como se tornar um aluno acessando nossa página de cursos: www.ctaeletronica.com.br/web/curso.asp
AULA 1 O CAMPO MAGNÉTICO Na apostila anterior, estudamos o campo elétrico, formado à partir de cargas elétricas. Este campo é responsável por gerar uma diferença de potencial, 1. criando uma tensão elétrica, e esta por sua vez, quando ligado a um condutor elétrico e mais alguns componentes eletro-eletrônicos, irão gerar corrente elétrica, realizando assim, trabalho na forma de calor, luz, som, etc. Mas, além de realizar trabalho, a corrente elétrica também gera um novo campo, que tem propriedades diferentes do campo elétrico. Ele não atrai cargas elétricas e nem gera força elétrica a partir delas, como ocorre com o campo elétrico. Esse novo campo, tem a propriedade de criar força de atração ou repulsão apenas nas correntes elétricas e é chamado de CAMPO MAGNÉTICO. Historicamente, o campo magnético e suas propriedades magnéticas foram descobertos bem antes do campo elétrico. Posteriormente, foi suas moléculas. O mesmo princípio de linhas de forças elétricas, aplicado ao campo elétrico, pode ser aplicado ao campo magnético, conforme podemos ver na figura Nessa figura podemos ver um ímã natural, com as descoberto que o campo elétrico e magnético são linhas de forças magnéticas do campo magnético. gerados a partir do mesmo princípio e que na No campo elétrico as cargas tinham polaridade + e realidade, ambos - elétrico e magnético - são um só -, no campo magnético as polaridades são campo, porém aplicados em referenciais diferentes. chamadas de NORTE e SUL; conforme podemos Só que esta história fica para depois... ver na figura, as linhas de força saem do pólo norte e Voltando às propriedades do campo magnético, terminam no pólo sul. devemos salientar a propriedade de atração de Todo material que está imerso em um campo materiais ferrosos, ou seja metais que são magnético sofrerá ação das linhas de força formados a partir do elemento ferro. Essa magnética, que irão interagir com as correntes propriedade ficou conhecida como imã ou atração magnética, pois o campo magnético atrai metais compostos por ferro, como já é do conhecimento de nossos alunos. Na prática toda pessoa já deve ter brincado com um pedaço de material, chamado de imã ; que atraía pregos, parafusos, metais em geral. Esse material chamado de imã, tem dentro de suas moléculas micro-correntes, formadas pela movimentação dos elétrons; e essa corrente elétrica gera um micro-campo magnético, também chamados de spins. O arranjo natural das moléculas, faz com que esses micro-campos se somem formando um campo magnético macroscópico que passa a ser permanente para aquele material. Resumidamente os imãs naturais permanentes tem um campo magnético natural formado a partir das correntes elétricas internas às INDUTORES EM CC E CAMPO INDUZIDO O campo magnético e suas atuações auto-indução - Indutância e Indutores Reatância Indutiva - O indutor como componente Indutor em corrente contínua (CC) Análise de malhas com dimensionamentos Análise de malhas com defeitos figura 1 figura 2 S IMÃ IMÃ OBJETO SOB AÇÃO DO IMÃ, SENDO ATRAÍDO PELO MESMO N INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C 7
elétricas desse material; tentando alinhá-las (da bússola) sempre estará apontado para o polo conforme o sentido das linhas de força. Quando o norte geográfico, que é na realidade o polo sul material imerso orientar suas moléculas conforme magnético da terra. as linhas de força magnética, esse material também O campo magnético portanto, possui linhas de força passa a produzir um outro campo magnético e com magnética, e com isso podemos definir a grandeza isso sofrerá atração (ou repulsão) do imã que gerou FLUXO MAGNÉTICO como sendo a quantidade de o primeiro campo magnético (figura 2). linhas de força magnética por unidade de área, daí poderemos definir algumas unidades de medida: Resumidamente podemos definir: MAXWELL é a unidade de medida de uma linha de MAGNETISMO é a propriedade que certos corpos força magnética e portanto de fluxo magnético. apresentam de atrair outros corpos, como o ferro e Embora essa medida seja muito prática ela não é outros metais. Na natureza podemos encontrar utilizada pelo Sistema Internacional (SI), que algumas substâncias que possuem essa adotou o weber como medida de linhas de força propriedade de forma acentuada, e são chamados magnética e fluxo magnético. de imãs naturais. Destes materiais o que mais se 6 O WEBER, cuja símbolo é Wb, equivale a 1x10 destaca é a magnetita. maxwell ou linhas de força magnética. Como já dissemos anteriormente os imãs Como o fluxo magnético depende do tamanho da apresentam dois polos que foram definidos como: área que ele atravessa, a medida de densidade de polo SUL e polo NORTE; o polo norte de um imã fluxo magnético é mais usada para expressar o atrai o polo sul de outro imã ou corpo magnetizado valor do campo magnético. e, consequentemente, o polo norte do imã atrai o Para a unidade maxwell, a densidade de fluxo polo sul. Já polos iguais, de imãs diferentes, se magnético é expressa em maxwell/cm², que repelem. equivale a 1 gauss, que é abreviado por G. Para A terra também tem em seu interior uma infinidade campos magnéticos pequenos utilizamos a unidade de correntes elétricas e portanto ela é um gauss. gigantesco imã que produz um campo magnético, Como já dissemos o SI não adota o maxwell e na figura 3 podemos ver a terra com suas linhas de portanto nem o gauss. A unidade adotada pelo SI força magnética e seus polos magnéticos norte e para medir densidade de fluxo magnético é o sul. weber/m², que equivale a 1 TESLA, que é abreviado por T. O campo de 1 tesla equivale a campos figura 3 magnéticos muito grandes, e por isso, recorremos a unidade gauss para representar os campos magnéticos, 1 tesla equivale a 10.000 gauss. Para melhor exemplificar vamos comparar o valor do campo magnético da terra que vale 0,57 gauss, mas se fosse representado em tesla teremos o valor -5 de 5,7 x 10 tesla. CAMPO MAGNÉTICO E TENSÃO ELÉTRICA Como já foi explicado, o campo magnético é gerado a partir da corrente elétrica, e quando uma corrente circula por um condutor, aparece um campo magnético ao seu redor. Contudo, para a corrente circular por um condutor é necessário a presença de um campo elétrico (gerando uma tensão elétrica), podemos então concluir que o campo magnético é gerado indiretamente pelo campo elétrico, ou melhor dizendo, por uma diferença do Olhando atentamente para a figura 3, podemos campo elétrico, que gera uma diferença de observar que os polos magnéticos da terra são potencial (tensão). exatamente opostos aos polos geográficos. Exatamente!!! Como já tínhamos comentado Como a terra se comporta como um grande imã, anteriormente o campo elétrico e o campo nós podemos usar essa propriedade para nos magnético são duas formas diferentes de orientarmos em relação as posições geográficas; é interpretar a mesma energia; essa energia é o caso da bússola, que é um instrumento de c h a m a d a d e c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o. orientação muito simples e ao mesmo tempo muito Resumidamente podemos dizer que a variação do preciso. Ela é constituída basicamente por uma campo elétrico gera um campo magnético e a agulha imantada que se orienta pelas linhas de variação do campo magnético gera um campo força magnética da terra. Portanto, seu polo norte 8 INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C
elétrico. Na figura 5, mostramos que o campo magnético Então, quando um condutor em movimento é começa a se propagar a partir do centro, indo para imerso em um campo magnético, acaba extremidade do condutor. Após um determinado aparecendo uma diferença de potencial em seus tempo, o campo magnético estará agindo no lado extremos. Já que o condutor está em movimento, o de fora do condutor. Quando o campo magnético campo magnético aplicado sobre ele é variável. está se movimentando do centro do fio para sua Essa variação do campo magnético irá gerar um borda, pode ser encarado como um campo campo elétrico que poderá ser notado pela magnético, movendo-se nas extremidades do fio. diferença de potencial sobre o condutor. Do ponto de vista teórico isso é equivalente ao Podemos dizer que ao aplicar uma corrente condutor estar em movimento e o campo em contínua circulante por um condutor, haverá a repouso. O que importa na realidade é o movimento formação de um campo magnético que partindo do relativo entre eles. ponto central do condutor chegará sua extremidade Assim será induzida uma tensão nos extremos de forma muito rápida. Considerando que essa desse condutor. Vejamos os processos básicos da corrente contínua mantém um regime de trabalho sequência de indução: constante (mesma corrente circulante), haverá um 1) A chave S1 é fechada. campo constante criado ao redor desse condutor. 2) A corrente começa fluir pelo condutor. Na figura 4, podemos ver que existe uma fonte de 3) O campo magnético começa a mover-se do alimentação ou bateria chamada de E1 fazendo centro do fio para sua borda. circular uma corrente através da carga R1. 4) O campo magnético em movimento induz uma figura 4 E1 CH1 tensão no próprio fio. Considerando que o campo magnético em movimento, induz tensão no próprio fio, esse se oporá à tensão original externa feita por E1 e tende a produzir uma corrente induzida em sentido contrário a corrente original (veja figura 6). Campo magnético R1 Como essa corrente induzida ocorre somente na variação do campo magnético, haverá portanto, uma corrente que irá se opor à original, causando assim uma oposição a essa corrente, e esta apresenta muita dificuldade em circular. Essa indução é chamada de FORÇA ELETROMOTRIZ Notem o campo magnético gerado em torno do INDUZIDA, mas como ela se opõe a variação da condutor. Podemos dizer que a intensidade de corrente poderemos chamá-la de FORÇA campo será proporcional a intensidade da corrente CONTRA-ELETROMOTRIZ INDUZIDA. circulante. figura 6 AUTO-INDUÇÃO direção genérica do campo (indicador) corrente original Durante o tempo em que ocorrem os transientes, ou seja, quando a corrente está indo do zero até algum valor desconhecido, ocorre o fenômeno chamado auto-indução. Quando a chave S1 da figura 4 é fechada, a corrente começa fluir e um campo eletromagnético aparece conforme o desenho. Contudo, o campo eletromagnético não aparece imediatamente, começando a ser formado a partir do centro do condutor. seção transversal do fio indica que a corrente está entrando na página campo magnético figura 5 Movimento relativo do condutor direção da corrente original INDUTÂNCIA corrente induzida A indutância pode ser definida como a capacidade de induzir uma força eletromotriz quando ocorre uma variação no fluxo de corrente. Então, definimos a indutância como a capacidade de um componente ou circuito de induzir uma força eletromotriz. Se um componente ou circuito possui essa capacidade, ela continuará existindo, mesmo que não ocorram mudanças no fluxo de corrente. A unidade de medida da indutância é o henry (H), em homenagem a Joseph Henry, um físico do século XIX que fez importantes descobertas nesta área da ciência. INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C 9
Um henry é a capacidade de indutância que irá A simbologia utilizada para indutor é apresentada induzir uma força eletromotriz de 1 volt, quando a na figura 8. corrente varia na razão de 1 ampère em 1 segundo. Na maioria das aplicações eletrônicas essa unidade REATÂNCIA INDUTIVA é muito grande, sendo usado seus sub-múltiplos: mili-henry (mh) e micro-henry (mh). A letra usada Oposição à passagem da corrente, quando da para simbolizar a indutância é o L. Como exemplo variação desta. Sabemos que a corrente não pode podemos ter: L = 100 mh. atingir o seu valor máximo instantaneamente, quando essa é obrigada a passar por um circuito INDUÇÃO indutivo. O tempo necessário para que isso aconteça dependerá do valor da indutância e de Indução é a ação de induzir uma força eletro-motriz alguma resistência em série com esse indutor. em um condutor, quando existe uma mudança no Para um dado valor de indutância, o tempo fluxo de corrente em um indutor; ou quando um necessário para que a corrente atinja seu valor campo magnético variável, agindo sobre um máximo é diretamente proporcional a indutância. condutor, cria uma diferença de potencial em seus Podemos notar que a variação de tensão de 0V terminais. para algum valor qualquer em um circuito com indutores, obriga a circulação de corrente que sofre INDUTORES uma oposição pelo indutor no momento de variação de corrente, ou seja, de 0A para algum valor Podemos definir como qualquer condutor tem um qualquer. Essa oposição criada é chamada de certo valor de indutância. Contudo, quando os reatância indutiva e é medida em ohms. condutores são pouco extensos, esses valores de A reatância indutiva é diretamente proporcional a indutância são muito pequenos e somente podem frequência e a indutância, ou seja, se aumentarmos ser medidos por instrumentos a frequência da corrente elétrica ou a indutância, extremamente sensíveis. Um aumentaremos a reatância indutiva e vice-versa. BOBINA componente projetado para O símbolo de reatância indutiva é XL, e a unidade fornecer o valor de indutância de medida é o ohm, como já foi dito. Após alguns e s p e c í f i c o é c h a m a d o d e cálculos e experimentos, chegamos a uma fórmula INDUTOR. que exprime o valor da reatância indutiva em Podemos considerar o componente relação a frequência da corrente elétrica e a indutor, como um condutor indutância da bobina. Neste ponto de estudo, não figura 7 enrolado em um corpo cilíndrico; vale a pena demonstrarmos os cálculos envolvidos isto possibilita uma maior concentração de campos, para chegarmos a esta fórmula, já que a teoria de aumentando também a reatância indutiva. A forma e l e t r o - m a g n e t i s m o, s o m e n t e p o d e s e r de enrolar o fio no corpo cilíndrico acabou gerando desenvolvida com ajuda de cálculos diferenciais um algumas vezes o nome de pouco complexos. Então enunciaremos apenas a bobinas para esse componente fórmula, que é bem simples: (Figura 7). Podemos aumentar a indutância de uma bobina, aumentando o XL = 2 x p x f x L número de espiras. Outra forma de aumentar a indutância é utilizar o n ú c l e o d e m a t e r i a l f e r r o f = frequências da corrente elétrica (Hz). figura 8 magnético, capaz de evitar a L = valor da indutância (H). dispersão do campo magnético induzido. p (pi) = uma constante que vale: 3,141592654... Por esta fórmula podemos ver que quanto maior a frequência da corrente elétrica maior será a reatância e também quanto maior for o valor da indutância da bobina em questão, maior será a reatância. O valor resultante desta fórmula será o valor da reatância indutiva desta bobina medida em ohms (W), desde que seja obedecida as unidades da frequência em hertz e a indutância em henry. Podemos exemplificar esta fórmula aplicando-a a um circuito eletrônico, formado por uma bobina de 3,3uH, ligada a uma fonte de corrente senoidal 10 INDUTORES-REATÂNCIA INDUTIVA/CAPACITIVA-TRANSFORMADORES-FILTROS-SEMICONDUTORES-DIODOS-ZENERS-TRANSISTORES-AMPLIFICADORES DE SINAL-AMPLIFICADORES A,B,C