Aluno Turma 1. Objetivos: ELETRICIDADE AULA 01 Revisar os conceitos fundamentais para o entendimento da eletricidade. 2. Assuntos: 1. Conceitos básicos de eletricidade 1.1. Potência de dez; 1.2. Múltiplos e Submúltiplos; 1.3. Eletrostática; 3. Potência de dez Na prática, representamos uma grandeza com um número compreendido entre 1 e 10, multiplicado pela potência de dez conveniente. Quando um número é assim representado dizemos que está em notação científica. Assim, a potência de dez é a notação científica. A potência de dez é utilizada para abreviar múltiplos (ou submúltiplos) de dez. Assim: 100 = 10 x 10; 1000 = 10 x 10 x 10; 100000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10. Para escrevermos estes números de uma maneira abreviada, basta indicar o número de dezenas envolvidas na multiplicação com um pequeno número (expoente) no alto da potencia de 10. Logo, se 100 = 10 x 10, podemos dizer que. Da mesma maneira, e 100000 =. Nestes exemplos o expoente é igual ao número de zeros. Para os submúltiplos de dez, também utilizamos o sistema exponencial. Assim: 0,01 = 1/10 x 1/10 ; 0,001 = 1/10 x 1/10 x 1/10 0,00001 = 1/10 x 1/10 x 1/10 x 1/10 x 1/10 1
Neste caso, para abreviar esses números indicamos o número de casas decimais com expoente negativo no alto da potencia de 10. Assim, se 0,01 = 1/10 x 1/10, podemos dizer que 0,01 = 10-2. Da mesma maneira, 0,001 = 10-3 e 0,00001 = 10-5. Para escrever um número em notação científica devemos obedecer ao seguinte formato: A x 10 B onde A deve ser um número que esteja entre 1 e 9, ou seja, deve ser maior ou igual a 1 e menor que 10 e B o número de zeros (ou casas decimais se o expoente for negativo) do número. Vamos ver alguns exemplos: 40 é igual a 4 vezes 10 1, então em notação científica representa-se 40 = 4 x 10 1. 15000 é igual a 15 vezes 1000, ou 1,5 vezes 10000. Como 10000 que é igual 10 4, então em notação científica representam-se 15000 = 1,5 x 10 4. 0,2 corresponde a 2 dividido por 10, ou 2 multiplicado por 0,1 que corresponde a 1/10. Como 1/10 pode ser representado por 10-1, então em notação científica representa-se 0,2 = 2 x 10-1. Notamos então que fica muito mais fácil de representar números muito grandes ou muito pequenos utilizando a notação científica e a potencia de dez. Abaixo temos mais alguns números expressos em notação científica: 1 000 000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 10 6 mega 100 000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 10 5 10 000 = 10 x 10 x 10 x 10 = 10 4 1 000 = 10 x 10 x 10 = 10 3 quilo 100 = 10 x 10 = 10 2 10 = 10 = 10 1 1 = 1 = 10 0 0,1 = 1/10 = 10-1 0,01 = 1/100 = 10-2 centi 2
0,001 = 1/1000 = 10-3 mili 0,0001 = 1/10 000 = 10-4 0,00001 = 1/100 000 = 10-5 0,000001 = 1/1 000 000 = 10-6 micro 3.1. Prefixos das unidades do Sistema Internacional (SI) Os prefixos para os múltiplos e submúltiplos decimais das unidades definidos no Sistema Internacional (SI) são os seguintes: Os prefixos, desde micro a mega, foram introduzidos em 1874 como fazendo parte do sistema de medidas CGS. Mais tarde, os doze prefixos desde pico até tera foram definidos como fazendo parte do sistema internacional de unidades (SI). Em 1964 foram adicionados os prefixos femto e atto ; em 1975 peta e exa e em 1991 zetta, yotta e yocto. A etimologia dos vários prefixos é a seguinte: exa deriva da palavra grega hexa que significa seis. peta deriva da palavra grega pente que significa cinco. tera do grego téras que significa monstro. giga do grego gígas que significa gigante. mega do grego mégas que significa grande. hecto do grego hekatón que significa cem. 3
deca do grego déka que significa dez. deci do latim decimu que significa décimo. mili do latim millesimu que significa milésimo. micro do grego mikrós que significa pequeno. nano do grego nánnos que significa anão. pico do italiano piccolo que significa pequeno. femto do dinamarquês femten que significa quinze. atto do dinamarquês atten que significa dezoito. zepto e zetta derivam do latim septem que significa sete. yocto e yotta derivam do latim octo que significa oito. 4. Texto de apoio 4.1. Histórico da eletricidade A eletricidade como ciência data de 600 a.c. Filósofos gregos desse período já sabiam que o âmbar (uma resina vegetal fossilizada), quando atritada com pele de animal, adquire a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha. Por isso, a palavra eletricidade, derivada da palavra elektron (palavra grega que designa o âmbar), Bonjorno & Clinton, 2005. No século XVII foram iniciados estudos sistemáticos sobre a eletrificação por atrito, graças a Otto von Guericke. Em 1672, Otto inventa uma maquina geradora de cargas elétricas onde uma esfera de enxofre girava constantemente atritando-se em terra seca. Meio século depois, Stephen Gray faz a primeira distinção entre condutores e isolantes elétricos. Durante o século XVIII as maquinas elétricas evoluem até chegar a um disco rotativo de vidro que é atritado a um isolante adequado. Uma descoberta importante foi o condensador, descoberto independentemente por Ewald Georg von Kleist e por Petrus van Musschenbroek. O condensador consistia em uma maquina armazenadora de cargas elétricas. Eram dois corpos condutores separados por um isolante delgado. Mas uma invenção importante, de uso pratico, foi o pára-raios, feito por Benjamin Franklin. Ele disse que a eletrização de dois corpos atritados era a falta de um dos dois tipos de eletricidade em um dos corpos. Esses dois tipos de eletricidade eram chamadas de eletricidade resinosa e vítrea. Hoje se sabe que a eletrização se dá por falta ou excesso de elétrons em corpos. No século XVIII foi feita a famosa experiência de Luigi Aloisio Galvani em que potenciais elétricos produziam contrações na perna de uma rã morta. A descoberta dos 4
potenciais elétricos foi atribuída por Alessandro Volta que inventou a voltaica. Ela consistia em um serie de discos de cobre e zinco alterados, separados por pedaços de papelão embebidos por água salgada. Com essa invenção, obteve-se pela primeira vez uma fonte de corrente elétrica estável. Por isso, as investigações sobre a corrente elétrica aumentaram cada vez mais. Tem início as experiências com a decomposição da água em um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio. Em 1802, Humphry Davy separa eletronicamente o sódio e o potássio. Mesmo com a fama das pilhas de Volta, foram criadas pilhas mais eficientes. John Frederic Daniell inventou-as em 1836 na mesma época das pilhas de Georges Leclanché e a bateria recarregável de Raymond Louis Gaston Planté. O físico Hans Christian Örsted observa que um fio de corrente elétrica age sobre a agulha de uma bússola. Com isso, percebe-se que há uma ligação entre magnetismo e eletricidade (tem início o estudo do eletromagnetismo). Em 1831, Michael Faraday descobre que a variação na intensidade da corrente elétrica que percorre um circuito fechado induz uma corrente em uma bobina próxima. Uma corrente induzida também é observada ao se introduzir um ímã nessa bobina. Essa indução magnética teve uma imediata aplicação na geração de correntes elétricas. Uma bobina próxima a um ima que gira é um exemplo de um gerador de corrente elétrica alternada. Os geradores foram se aperfeiçoando até se tornarem as principais fontes de suprimento de eletricidade empregada principalmente na iluminação. Em 1875 é instalado um gerador em Gare du Nord, Paris, para ligar as lâmpadas de arco da estação. Foram feitas maquinas a vapor para movimentar os geradores, e estimulando a invenção de turbinas a vapor e turbinas para utilização de energia hidrelétrica. A primeira hidrelétrica foi instalada em 1886 junto as cataratas do Niágara. Para se distribuir a energia, foram criados inicialmente condutores de ferro, depois os de cobre e finalmente, em 1850, já se fabricavam os fios cobertos por uma camada isolante de guta-percha vulcanizada, ou uma camada de pano. A Publicação do tratado sobre eletricidade e magnetismo, de James Clerk Maxwell, em 1873, representa um enorme avanço no estudo do eletromagnetismo. A luz passa a ser entendida como onda eletromagnética, uma onde que consiste de campos elétricos e magnéticos perpendiculares à direção de sua propagação. Heinrich Hertz, em suas experiências realizadas a partir de 1885, estuda as propriedades das onde eletromagnéticas geradas por uma bobina de indução; nessas experiências observa que se refletidas, refratadas e polarizada, do mesmo modo que a luz. 5
Com o trabalho de Hertz fica demonstrado que as ondas de radio e as de luz são ambas ondas eletromagnéticas, desse modo confirmando as teorias de Maxwell; as ondas de radio e as ondas luminosas diferem apenas na sua frequência. Hertz não explorou as possibilidades práticas abertas por suas experiências. Mais de dez anos se passaram até que Guglielmo Marconi utilizou as ondas de radio no seu telegrafo sem fio. A primeira mensagem de radio é transmitida através do Atlântico em 1901. Todas essas experiências vieram abrir novos caminhos para a progressiva utilização dos fenômenos elétrico sem praticamente todas as atividades do homem (www.forp.usp.br), acessado em 2011). 4.2. Histórico da transmissão e do uso da eletricidade Os Sistemas de Potência, como hoje são conhecidos, têm pouco mais de 100 anos. Por volta de 1876 não se sabia como transmitir a energia elétrica gerada. De maneira resumida, os fatos marcantes da evolução dos sistemas de potência se concentram na época da realização da concorrência para a construção do complexo de Niagara Falls, o maior do mundo de então, que se iniciou em 1876. A evolução dos conceitos sobre os sistemas de potência foi marcante dentro de um período de 15 anos, praticamente definindo as características dos sistemas como hoje se apresentam. Em 1880, Thomas Alva Edson apresenta sua lâmpada incandescente (em corrente contínua), a mais eficiente de então. Nessa época, na Europa, havia avanços na utilização de corrente alternada. Em 1882, Edson coloca em funcionamento um sistema de corrente contínua em Nova York e funda a empresa Edison Electric Company. Em 1885, George Westinghouse Jr. compra os direitos da patente de Goulard-Gibbs para construir transformadores de corrente alternada e encarrega William Stanley dessa tarefa. Em 1886, já há cerca de 60 centrais de corrente contínua (Edison) com cerca de 150.000 lâmpadas. Na mesma época, Stanley coloca em operação a primeira central em corrente alternada (Westinghouse) em Great Barrington, Massachusetts. Os sistemas de corrente alternada se multiplicaram rapidamente e, já em 1887, existiam cerca de 121 sistemas desse tipo em funcionamento, com cerca de 325.000 lâmpadas. Entre as novas empresas, se destacam a empresa do próprio Westinghouse que cresce contabilizando 125.000 lâmpadas em corrente alternada. A medição da energia elétrica consumida começa a ser um problema importante para os sistemas de corrente alternada. Para os sistemas de corrente contínua, existia medidores do tipo eletroquímico. Assim, os sistemas em corrente alternada cobravam por "número de 6
lâmpadas". A solução do problema se deu com Shallenberger, então engenheiro chefe de Westinghouse, que coloca em funcionamento um medidor de energia em corrente alternada que dava uma leitura direta de quanta energia havia sido consumida e, portanto, superior ao medidor eletroquímico de Edison. Um desenvolvimento fundamental se deu quando da publicação, por Nikola Tesla, de um artigo em que mostrava que seria possível construir um motor em corrente alternada. Westinghouse compra a patente de Tesla e contrata seus serviços para desenvolver o motor, que só ficará pronto em 1892, e neste mesmo ano entra em funcionamento o primeiro motor de indução de Tesla. A comissão responsável pela concorrência pública para a licitação das obras de Niagara Falls decide que o sistema será em corrente alternada. Enquanto isso, na Alemanha, é colocado em funcionamento um sistema de 100 HP (74,6 kw) com transmissão de 160 km, em corrente alternada, 30.000 V. A empresa de Edison, a Edson General Electric Company, junta-se com a Thomson-Houston, formando a General Electric que passa a produzir em larga escala transformadores e alternadores. Em 1896, a Westinghouse ganha a concorrência para fornecer os alternadores e transformadores de Niagara Falls que entra em funcionamento em 1896. (www.sel.eesc.sc.usp.br, acesso em 2011). 4.3. Revisão de conceitos básicos 4.3.1. Matéria Matéria é tudo o que tem massa e ocupa um lugar no espaço, ou seja, possui volume. Ex.: madeira, ferro, água, areia, ar, ouro e tudo o mais que imaginemos, dentro da definição acima. Obs.: a ausência total de matéria é o vácuo. 4.3.2. Corpo Corpo é qualquer porção limitada de matéria. Ex.: tábua de madeira, barra de ferro, cubo de gelo, pedra. 4.3.3. Objeto Objeto é um corpo fabricado ou elaborado para ter aplicações úteis ao homem. Ex.: mesa, lápis, estátua, cadeira, faca, martelo. 7
4.3.4. Molécula Menor parte da matéria que ainda conserva suas características. 4.3.5. Átomos Todas as substâncias são formadas de pequenas partículas chamadas átomos. Para se ter uma ideia, eles são tão pequenos que uma cabeça de alfinete pode conter 60 milhões deles. Os gregos antigos foram os primeiros, a saber, que a matéria é formada por tais partículas, as quais chamaram átomo, que significa indivisível. Os átomos, porém são compostos de partículas menores: os prótons, os nêutrons e os elétrons. No átomo, os elétrons orbitam no núcleo, que contém prótons e nêutrons. Elétrons são minúsculas partículas que vagueiam aleatoriamente ao redor do núcleo central do átomo, sua massa é cerca de 1840 vezes menor que a do Núcleo. Prótons e nêutrons são as partículas localizadas no interior do núcleo, elas contém a maior parte da massa do átomo. 4.3.6. O Interior do Átomo No centro de um átomo está o seu núcleo, que apesar de pequeno, contém quase toda a massa do átomo. Os prótons e os nêutrons são as partículas nele encontradas, cada um com uma massa atômica unitária. O Número de prótons no núcleo estabelece o número atômico do elemento químico e, o número de prótons somado ao número de nêutrons é o número de massa atômica. Os elétrons ficam fora do núcleo e tem pequena massa. Há no máximo sete camadas em torno do núcleo e nelas estão os elétrons que orbitam o núcleo. Cada camada pode conter um número limitado de elétrons fixado em 8 elétrons por camada. As características elétricas das Partículas são: Prótons: tem carga elétrica positiva. Nêutrons: não tem carga elétrica. Elétrons: tem carga elétrica negativa. (http://www.algosobre.com.br/fisica/atomo.html, acesso em 2011) Então, qualquer tipo de matéria é formada por átomos, onde no centro de todo átomo existe um conjunto formado por dois tipos de partículas: os prótons e os nêutrons e a sua 8
volta, como se fossem satélites, giram os elétrons, partículas em movimento permanente. As trajetórias desses elétrons se organizam em camadas sucessivas chamadas órbitas eletrônicas. Os prótons do núcleo e os elétrons das órbitas se atraem entre si. A esta força de atração recíproca chamamos de força elétrica. É a força elétrica que mantém os elétrons girando à volta dos prótons do núcleo. Sem ela, os elétrons se perderiam no espaço e os átomos não existiriam. Os elétrons, entretanto, repelem outros elétrons e os prótons repelem outros prótons. Dizemos, por isto, que as partículas com carga igual se repelem e as partículas com carga oposta se atraem. Convencionou-se chamar a carga dos prótons de positiva (+) e a carga dos elétrons de negativa (-). Normalmente, cada átomo é eletricamente neutro, em outras palavras, tem quantidades iguais de carga negativa e positiva, ou seja, há tantos prótons em seu núcleo, quantos elétrons ao redor, no exterior. Os prótons estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos. Somente os elétrons podem ser transferidos de um corpo para outro. Podemos dizer que um corpo está eletrizado quando possui excesso ou falta de elétrons. Se há excesso de elétrons, o corpo está eletrizado negativamente; se há falta de elétrons, o corpo está eletrizado positivamente. A quantidade de elétrons em falta ou em excesso caracteriza a carga elétrica Q do corpo, podendo ser positiva no primeiro caso e negativa no segundo. (www. geocities.yahoo.com.br, acesso em 2011). 4.3.7. Condutores de eletricidade São os meios materiais nos quais há facilidade de movimento de cargas elétricas, devido a presença de "elétrons livres". Ex: fio de cobre, alumínio, etc. 4.3.8. Isolantes de eletricidade São os meios materiais nos quais não há facilidade de movimento de cargas elétricas. Ex: vidro, borracha, madeira seca, etc. 9
5. Exercícios 5.1. O que representa a figura abaixo? Fale-me um pouco sobre ela. 5.2. Considerando que todo material possui carga elétrica, então quando tentamos aproximar dois materiais com cargas elétricas de sinais iguais sentimos uma força de entre eles. Já, se tentarmos aproximar dois materiais de cargas elétricas de sinais contrários, sentiremos uma força de entre eles. 5.3. Fale-me sobre a informação que a figura abaixo lhe transmite. 5.4. E qual a informação que a figura seguinte lhe transmite. Qual a diferença entre as duas últimas figuras? 5.5. Utilizando os elementos abaixo construa um circuito elétrico. Para isso basta interligar tais elementos corretamente. 10
5.6. Qual das duas lâmpadas apresentadas abaixo tem maior potência? Considerando que elas são do mesmo tipo, qual delas ilumina mais? 5.7. O que significa cada símbolo na escadinha apresentado na figura abaixo? 5.8. Fale-me sobre a figura abaixo 11