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FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I CELT / DASE Recife, janeiro / 2021 Prof. José Aderaldo Lopes 2 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 2 1. Importância da Eletricidade A importância da eletricidade em nossas vidas é inquestionável. Ela ilumina nossos lares, movimenta nossos eletrodomésticos, permite o funcionamento dos aparelhos eletrônicos, aquece nosso banho, movimenta as máquinas nas indústrias, refrigera os ambientes comerciais, alimenta os sistemas de transportes(trens, carros, etc).. Por outro lado, a eletricidade quando mal empregada, traz alguns perigos como os choques, às vezes fatais, e os curtos-circuitos, causadores de tantos incêndios. A melhor forma de convivermos em harmonia com a eletricidade é conhecê-la tirando-lhe maior proveito, desfrutando de todo seu conforto com a máxima segurança. 3 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 3 1. Importância da Eletricidade Na realidade, a eletricidade é invisível. O que percebemos são seus efeitos, como: E esse efeitos são possíveis devido a essas grandezas! 4 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 4 2. Teoria Atômica da Matéria É tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço. b) Estados da Matéria: ✓ Sólido; ✓ Liquido; ✓ Gasoso. A madeira de que é feita a mesa e o vidro de que se faz o bulbo de uma lâmpada, é matéria. Dessa forma, percebemos que o nome matéria se relaciona com uma variedade grande de coisas. Cada tipo particular de matéria é uma substância, e, portanto, existem milhares de substâncias diferentes. a) Matéria 5 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 5 Menor parte da matéria que ainda conserva todas as suas características. d) Tipos de Moléculas ✓ Simples – Formada por átomos de um único elemento químico (Ex: oxigênio – O2); ✓ Composta - formada por átomos de vários elementos quimicos (Ex; água – H2O). Exemplo: ✓ Menor partícula que conversa as características da madeira é a molécula da madeira; ✓ Menor partícula que conversa as características da água é a molécula da água. c) Molécula 2. Teoria Atômica da Matéria 6 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 6 São Elementos químicos que formam as moléculas. e) Átomo UM ÁTOMO DE OXIGÊNIO E DOIS ÁTOMOS DE HIDROGÊNIO Exemplo: Uma molécula de água H2O 2. Teoria Atômica da Matéria 7 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 7 f) Modelo Atômico de Bohr NÚCLEO CONTENDO PRÓTONS E NÊUTRONS. E ELETROSFERA COM SEUS ELÉTRONS. 2. Teoria Atômica da Matéria 8 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 8 f) Modelo Atômico de Bohr Figura - Estrutura do átomo Fonte: CTISM 2. Teoria Atômica da Matéria 9 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 9 f) Modelo Atômico de Bohr ✓ NÊUTRONS: Não possuem cargas elétricas, isto é, carga elétrica nula – equivale um próton e um elétron; ✓ PRÓTONS: possuem cargas elétricas positivas (+); ✓ ELÉTRONS: possuem cargas elétricas negativas (-). Notas: ✓ O núcleo é a parte mais pesada do átomo; ✓ Os elétrons estão ligados ao núcleo por meio de força de atração que o mesmo exerce sobre eles; ✓ Em um átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons, dizemos então que o átomo é eletricamente neutro. 2. Teoria Atômica da Matéria 10 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 10 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização A quantidade de carga elétrica que um corpo possui é dada pela diferença entre número de prótons e o número de elétrons que o corpo tem. A quantidade de carga elétrica é representada pela letra Q, e é expresso na unidade COULOMB (C). Exercício 1: Um material dielétrico possui uma carga negativa de 12,5 x 1018 elétrons. Qual a sua carga (-Q) em um Coulomb? A carga de 1 C = 6,25x1018 elétrons. Dizer que um corpo possui uma carga elétrica de um Coulomb negativo ( -Q ), significa que um corpo possui 6,25x1018 mais elétrons que prótons. Resposta: 1 C = 6,25x1018 elétrons -Q(C) = 12,5 x 1018 elétrons. Logo, -Q (C) = 12,5 x 1018 / 6,25x1018 ⸫ -Q (C) = 2 C 11 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 11 Foi descoberto experimentalmente que a carga de um elétron é igual a 1,6 x 10-19 C. Ou seja, um material que possui n elétrons terá uma carga elétrica Q igual a: Q = n.e Onde: n é o número de elétrons; e = 1,6.10-19 C (Carga elétrica elementar) a) Íon Positivo Átomo que perdeu elétrons – átomo eletricamente positivo. b) Íon Negativo Átomo que ganhou elétrons – átomo eletricamente negativo. 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 12 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 12 c) Estados de Eletrização de um Corpo ✓ Neutro: Corpo onde o número de prótons igual ao número de elétrons; ✓ Positivo: Corpo com carga positiva, com excesso de prótons; ✓ Negativo: Corpo com carga negativa, com excesso de elétrons. Exercício 2: Um corpo apresenta-se eletrizado com carga Q = 32 x 10-19 Coulomb. Qual o número de elétrons retirados do corpo? Resposta: Q = n.e ⸫ n = Q / e = (32 x 10-19 C) / (1,6 x 10-19 C) n = 20 elétrons 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 13 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 13 Exercício 3: Um dispositivo tinha uma carga elétrica de Q = 32 x 10-16 C e passou a ter Q = -8 x 10-16 C, pois ganhou elétrons. Pergunta-se: Quanto elétrons ganhou este dispositivo? 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização Resposta: Quantidade de Elétrons para o dispositivo passar de uma carga positiva de Q = 32 x 10-16 C para neutra. n = Q / e = (32 x 10-16 C) / (1,6 x 10-19 C) ⸫ n = 20 x 103 = 20.000 elétrons Quantidade de Elétrons para o dispositivo passar de uma carga neutra para uma carga negativa de Q = -8 x 10-16 C. n = Q / e = (8 x 10-16 C) / (1,6 x 10-19 C) ⸫ n = 5 x 103 = 5.000 elétrons Logo, total geral de elétrons que o dispositivo ganhou: n = 20.000 elétrons + 5.000 elétrons ⸫ n = 25.000 elétrons. 14 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 14 d) Princípios da eletrostática O entendimento dos princípios eletrostáticos é muito importante para o entendimento de vários conceitos de eletricidade. d.1) Princípios da atração e repulsão Da observação experimental, pode-se obter a chamada Lei de DuFay: “Corpos eletrizados com cargas de mesmo sinal repelem-se. Corpos eletrizados com cargas de sinais contrários atraem-se.” 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 15 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 15 d.2) Princípio da conservação de cargas elétricas Num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas elétricas permanece constante. Um sistema eletricamente isolado é um conjunto de corpos que não troca cargas elétricas com o meio exterior. Q1 + Q2 = Q’1 + Q’2 Q1 Q2 A B Q’1 Q’2 A B 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 16 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 16 d) Ação entre Cargas Elétricas N N ELEMENTOS NEUTROS OU SEM CARGA, NADA ACONTECE 3. Cargas Elétricase Processos de Eletrização 17 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 17 d) Ação entre Cargas Elétricas CARGAS IGUAIS REPULSÃO F F 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 18 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 18 d) Ação entre Cargas Elétricas REPULSÃO CARGAS IGUAIS F F 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 19 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 19 d) Ação entre Cargas Elétricas ATRAÇÃO CARGAS DIFERENTES FF 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 20 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 20 e) Elétrons Livres Um átomo possui várias órbitas, cada órbita contém uma quantidade de elétrons. Em certos materiais, a força de atração exercida pelo núcleo sobre os elétrons das órbitas mais externas é pequena, logo estes elétrons podem deixar o átomo e adquirir um movimento aleatório, através dos espaços Interatômicos, a estes elétrons dá-se o nome de elétrons livres 3. Cargas Elétricas e Processos de Eletrização 21 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 21 4. Condutores, Isolantes e Semicondutores Os elétrons livres existem em grande número nos materiais chamados bons condutores de eletricidade e não existem, ou praticamente não existem, nos chamados isolantes. É essa particularidade que permite a distinção entre estas duas categorias de materiais. 4.1. Condutores Definição: São materiais que possuem muitos elétrons livres, logo permitem a formação da corrente elétrica através dos mesmos. Quanto maior o número de elétrons livres que podem ser deslocados em um material, para uma dada força(tensão) aplicada, melhor é o condutor. Função: Fazer o transporte da energia elétrica do ponto de geração ao ponto de consumo. Exemplos: Ouro, Prata, Cobre, Alumínio, Ferro, Mercúrio, Zinco, Aço e Madeira Verde. 22 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 22 4. Condutores, Isolantes e Semicondutores 4.2. Isolantes (Dielétricos) Definição: São materiais que possuem poucos elétrons livres, logo não permitem a formação da corrente elétrica através dos mesmos. Nos isolantes é necessária grande quantidade de energia para libertar elétrons das órbitas dos átomos que os constituem. Função: Permitir que o transporte da energia elétrica do ponto de geração ao ponto de consumo seja realizado com segurança. Exemplos: Madeira Seca, Vidro, Verniz, Porcelana, Papel, Borracha, Ar Seco, Plásticos, Mica e Cerâmica. 23 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 23 4.3. Semicondutores Definição: São materiais que apresentam algumas características de isolantes e algumas características de condutores, isto é, Esses materiais, devido às suas estruturas cristalinas, podem sob certas condições, se comportar como condutores e sob outras como isolantes. Função: Utilização em circuitos eletrônicos. Exemplos: Silício, Germânio, Selênio, e Telúrio. 4. Condutores, Isolantes e Semicondutores 24 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 24 5. Força Elétrica - Lei de Coulomb O estudo correto das forças que se manifestam entre as cargas elétricas foi feito experimentalmente por Charles Augustin Coulomb. Segundo Coulomb, a intensidade da força de atração ou repulsão entre duas cargas elétricas: ▪ É diretamente proporcional a quantidade de carga de cada corpo e, portanto, ao seu produto. • É inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas. • Depende do meio onde estão colocadas as cargas. 25 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 25 Conforme a Figura abaixo, matematicamente temos: Figura Lei de Coulomb Fonte: CTISM Considerando dois corpos eletrizados com cargas q1 e q2, separados de uma distância d, e o tamanho destes corpos for muito pequeno em relação a distância d entre eles, a dimensão destes corpos pode ser considerada desprezível e estas cargas podem ser referidas como cargas pontuais. 5. Força Elétrica - Lei de Coulomb 26 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 26 Onde: F – intensidade da força de atração ou repulsão [unidade Newton (N)] K – constante eletrostática (seu valor depende do meio e do sistema de unidades utilizado). Para o vácuo: K = K0 = onde k0 =8,99x10 9 N.m2/C2 (constante de Coulomb no Sistema Internacional). q1 e q2 – módulos das cargas puntiformes [unidade Coulomb (C)] d – distância entre as cargas [unidade metro (m)] 5. Força Elétrica - Lei de Coulomb 27 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 27 5. Força Elétrica - Lei de Coulomb Exercício, Lista 1 - 4) Duas cargas puntiformes q1 = 2μC e q2 = -4μC estão separadas por uma distância de 3 cm, no vácuo. Qual a intensidade da força elétrica que atua nessas cargas? q1 = 2μC d = 3cm q2 = -4μC F F Resposta: F = 9 x 109 x ( 2 x 10-6 x 4 x 10-6) / (3 x 10-2)2⸫ F = 9 x 109 x ( 8 x 10-6-6) / (9 x 10-4) ⸫ F = 1 x 109+4 x 8 x 10-6-6 F = 1 x 1013 x 8 x 10-12⸫ F = 8 x 101 N⸫ F = 80N 28 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 28 5. Força Elétrica - Lei de Coulomb Exercício, Lista 1 - 7) Duas cargas puntiformes Q1 e Q2, separadas por uma distância d, repelem-se com uma força de intensidade F; se as cargas forem alteradas para 4Q1 e 3Q2, e a distância entre elas for quadruplicada, qual será a nova intensidade da força de repulsão entre as cargas? Q1 FF Resposta: F = k x ( Q1 x Q2) / (d) 2 e F1 = k x ( 4Q1 x3Q2) / (4d) 2 Dividindo F por F1, temos: F / F1 = (k x ( Q1 x Q2) / (d) 2 ) / ( k x ( 4Q1 x3Q2) / (4d) 2 ) = (1 / d2 ) / (12 / 16d2) F / F1 = 16 / 12 ⸫ 16 F1 = 12 F ⸫ F1 = 0,75 F Q2 4Q1 F1F1 3Q2 d’ = 4d 29 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 29 Considere uma carga Q fixa em uma determinada posição, como mostra a Figura abaixo. Já sabemos que se uma outra carga q for colocada em um ponto P1, a uma certa distância de Q, aparecerá uma força elétrica atuando sobre q. 6. Campo elétrico Suponha, agora, que a carga q fosse deslocada, em torno de Q, para outros pontos quaisquer, tais como P2, P3, etc. Evidentemente, em cada um destes pontos estaria também atuando sobre q uma força elétrica, exercida por Q. Para descrever este fato, dizemos que em qualquer ponto do espaço em torno de Q existe um campo elétrico criado por esta carga. 30 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 30 O Campo Elétrico pode ser representado, em cada ponto do espaço, por um vetor, usualmente simbolizado por “E” e que se denomina vetor campo elétrico. As características deste vetor são: módulo, direção e sentido. 6. Campo elétrico 31 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 31 Campo elétrico é a região do espaço ao redor de uma carga elétrica, em que esta exerce efeitos eletrostáticos. A carga geradora do campo e denominada carga fonte (Q). Uma carga de valor pequeno (que não altere o campo da carga fonte) usada para detectar o campo gerado é denominada carga de prova (q). 6. Campo elétrico A equação fundamental do campo elétrico expressa a força (F) sofrida pela carga de prova(q) no referido campo elétrico da carga fonte (Q) é dada por: 32 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 32 O campo elétrico e uma grandeza vetorial, possuindo módulo, direção e sentido, descritos a seguir e conforme mostra a Figura a seguir: 6. Campo elétrico Módulo: (unidade N/C) Direção: Reta que une a carga de prova a carga fonte. 33 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 33 6. Campo elétrico Sentido: Depende do sinal da carga fonte. Figura - Campo elétrico – carga positiva e carga negativa. 34 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 34 6. Campo elétrico Sentido: Depende do sinal da carga fonte. Figura - Direção e sentido do campo elétrico Fonte: CTISM 35 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 35 6. Campo elétrico As linhas de força permitem representar um campo elétrico, e são traçadas tangente ao vetor campo elétrico em cada ponto do campo, saindo nas superfícies dos corpos positivos (fontes) e chegando nas superfícies dos corpos negativos (sorvedouros). A Figura abaixo mostra espectros do campo elétrico entre duas cargas iguais em módulo, com mesmo sinal e com sinais contrários. Figura - Espectros do campo elétrico Fonte: CTISM 36 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 36 6. Campo elétrico Quando uma carga elétrica puntiforme livre é abandonada no interior de um campo elétrico, sua trajetória coincidirá sempre com a linha de força do campo. As cargas positivas livres se deslocam espontaneamente a favor do campo elétrico e as cargas negativas livres se deslocam contra o campo elétrico, conforme a Figura abaixo. Figura - Trajetória das cargas no campo elétrico Fonte: CTISM 37 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 37 6. Campo elétrico Uniforme Campo Elétrico uniforme é aquele onde o vetor campo elétrico é constante em todos os seus pontos, isto é, tem mesmo módulo, direção e sentido, conforme a figura abaixo. 38 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 38 6. Campo Elétrico - Exercícios Exercício, Lista 3 - 21) Duas cargas positivas de 1,5C e 3C estão separadas de 20 cm. Em que ponto será nulo o campo elétrico criado por essas carga? q1 = 1,5μC d = 20cm q2 = 3μC E2 Resposta: Para que o campo resultante seja nulo, E1 = E2 ou E1 – E2 = 0 d1 = distância de q1 ao ponto P e d2 distância de q2 ao ponto P, a soma de d1 + d2 = 20cm PP P E2E1E1 E2 E1 Igualando as duas equações, temos: 39 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 39 6. Campo Elétrico - Exercícios Continuação. 40 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 40 6. Campo Elétrico - Exercícios Exercício, Lista 3 - 20) Duas cargas puntiformes de 6C e –10C estão fixas nos pontos A e B, localizados no vácuo, conforme indica a figura abaixo. Determine a intensidade do vetor campo elétrico resultante no ponto P? Resposta: Para q1 o campo E1 e de afastamento e para q2 o campo E2 e de aproximação. A intensidade do vetor campo elétrico resultante no ponto P é a soma de E1 + E2, logo: Er = E1 + E2 q1 = 6μC q2 = -10μC E1E2 41 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 41 6. Campo Elétrico - Exercícios Continuação Calculando E1 e E2 no ponto P? Logo o campo resultante no ponto P será: 42 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 42 7. Potencial elétrico Potencial elétrico é a capacidade que uma carga elétrica tem de realizar trabalho através de seu campo elétrico. Cargas elétricas deslocam-se dos maiores potenciais para os menores potenciais elétricos. A diferença de potencial elétrico entre dois pontos (ddp) é chamada de tensão elétrica cuja unidade é o volt (joule/coulomb) e indica a capacidade dos elétrons realizarem trabalho no seu deslocamento entre esses pontos. 7.1 Trabalho Realizado por um Campo elétrico Vamos Considerar uma carga de prova q colocada num ponto A de um campo elétrico; sob ação da força elétrica, essa carga irá se deslocar até um ponto B desse campo. 43 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 43 7.1 Trabalho Realizado por um Campo elétrico O campo elétrico irá realizar sobre esta carga um trabalho τAB. Uma propriedade importante do campo elétrico é que ele é conservativo, ou seja, o valor do trabalho realizado independe da trajetória. 7.2 Potencial Elétrico e Tensão elétrica Uma carga elétrica q, ao ser colocada num ponto A de um campo elétrico, adquire uma certa quantidade de energia potencial elétrica EP. Definimos o potencial elétrico do ponto A através da relação: Essa relação não depende da carga q utilizada, pois se mudarmos a carga q mudaremos também o valor da EP, mas a relação EP / q, permanecerá constante. 44 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 44 7.2 Potencial Elétrico e Tensão elétrica UNIDADES NO SI: q → Carga elétrica ⇒ Coulomb (C) EP → Energia Potencial ⇒ Joule (J) U → Potencial Elétrico ⇒ Joule/Coulomb (J/C) ou Volt (V) Se considerarmos dois pontos A e B de um campo elétrico, sendo UA e UB os seus potenciais elétricos, definimos tensão elétrica ou diferença de potencial, ddp, entre os pontos A e B, através da expressão: IMPORTANTE: Observe ainda que as grandezas trabalho, energia potencial, potencial elétrico e tensão elétrica são grandezas escalares e por este motivo, deveremos trabalhar com os sinais + e – das grandezas envolvidas na resolução dos exercícios 45 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 45 7.2 Potencial Elétrico e Tensão elétrica Exercício Uma carga de prova q = 2 μC adquire uma certa quantidade de energia potencial elétrica de 2 . 10-4 J ao ser colocada num ponto A de um campo elétrico; ao ser colocada em outro ponto B, adquire energia de 3 . 10-4 J. Determinar: a) os potenciais elétricos dos pontos A e B; b) a diferença de potencial entre os pontos A e B. Resposta a) os potenciais elétricos dos pontos A e B; UA = EPA / q = 2 x 10 -4 / 2 x 10-6 ⸫ UA = 1 x 10 2 V UB = EPB / q = 3 x 10 -4 x 2 x 10-6 ⸫ UB = 1,5 x 10 2 V b) a diferença de potencial entre os pontos A e B. UAB = UA – UB = 1 x 10 2 V – 1,5 x 102 V ⸫ UAB = -0,5 x 10 2 V 46 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 46 7.3 Energia Potencial Elétrica de um Par de Cargas Puntiformes Seja Q e q duas cargas elétricas puntiformes, separadas por uma distância d, sendo q fixa. Se quisermos determinar o valor da energia potencial elétrica adquirida pela carga q ao ser colocada no ponto A, temos que calcular o trabalho realizado pelo o campo elétrico ao transportar a carga q do ponto A até o nível de referência. Observamos que se as cargas Q e q tiverem o mesmo sinal, a energia potencial do sistema será positiva e caso tenham sinais opostos a energia será negativa. 47 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 47 7.4 Potencial Elétrico Devido a Várias Cargas Puntiformes Para determinarmos o potencial elétrico num ponto A de um campo elétrico gerado por uma carga puntiforme Q, coloquemosneste ponto uma carga de prova q. Partindo da equação: Sabendo que: 48 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 48 7.4 Potencial Elétrico Devido a Várias Cargas Puntiformes Substituindo a equação da energia potencial elétrica na equação do potencial, temos: Se tivermos uma situação na qual existem várias cargas puntiformes, o potencial num ponto P desta região será dado pela soma algébrica dos potenciais devido a cada uma dessas cargas. 49 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 49 7.4 Potencial Elétrico Devido a Várias Cargas Puntiformes UP = U1 + U2 + U3 + ...... + Un Exercício 1) Qual o valor do potencial elétrico gerado por uma carga puntiforme Q = 6μC, situada no vácuo, num ponto A a 20cm da mesma? 50 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 50 Exercício 2) Duas cargas puntiformes Q1 = 4 μC e Q2 = - 8μC estão separadas por uma distância d = 50 cm. Determinar: a) o potencial elétrico resultante num ponto P, situado na reta que une as cargas e a 20 cm de Q1; b) o valor da energia potencial elétrica das cargas. 7.4 Potencial Elétrico Devido a Várias Cargas Puntiformes Q1 = 4μC Q2 = -8μC d1 = 20cm d2 = 30cm 51 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 51 7.5 Relação ente Trabalho e Tensão Elétrica Consideremos uma carga q, deslocada de um ponto A até outro ponto B de um campo elétrico, e sejam UA e UB os valores dos potenciais elétricos nesses pontos. UA UB O trabalho realizado pelo campo elétrico nesse deslocamento é igual à diferença entre a energia potencial armazenada pela carga nos pontos A e B: Como U = EP / q ou EP = q x U, temos: Esta expressão nos dá o valor do trabalho realizado pelo campo elétrico quando uma carga elétrica q se desloca no seu interior. 52 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 52 7.6 Trabalho de um Campo Elétrico Uniforme Seja q uma carga de prova que se desloca de um ponto A para um ponto B, no interior de um campo elétrico uniforme; para calcularmos o trabalho realizado pelo campo neste deslocamento vamos escolher uma trajetória retilínea, uma vez que o trabalho não depende da trajetória. Sendo F constante, o trabalho do campo elétrico pode ser obtido a partir da expressão: Onde F = q x E e AB x cosθ = d, substituindo na equação acima temos: 53 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 53 7.6 Trabalho de um Campo Elétrico Uniforme É importante reconhecer que o valor da distância d nessa expressão não corresponde, necessariamente, à distância entre os pontos A e B, mas corresponde à distância entre dois planos perpendiculares às linhas de força contendo os pontos A e B. Como consequência dessa expressão, podemos estabelecer uma relação entre a tensão elétrica existente entre os pontos A e B e a intensidade do campo elétrico E, na forma que se segue. qEd= q x UAB ⸫ UAB = Ed UAB = Ed 54 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 54 7.6 Trabalho de um Campo Elétrico Uniforme Exercício Uma carga q = 4μC, é abandonada em repouso num ponto A de um campo elétrico uniforme de intensidade E = 4x103 V/m; conforme mostra a figura a seguir, pede-se determinar: a) o trabalho realizado pelo campo elétrico no deslocamento AB; b) a diferença de potencial entre os pontos A e B. Resposta a) τAB = qEd = 4 x 10 -6 x 4 x 103 x 10 ⸫ τAB = 16 x 10 -2J b) UAB = Ed = 4 x 10 3 x 10 ⸫ UAB = 4 x 10 4V 55 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 55 7.7 Superfícies Equipotenciais Chamamos de superfície equipotencial ao conjunto de pontos do espaço, tais que todos eles apresentem o mesmo potencial elétrico. Vejamos os exemplos nas figuras a seguir: As superfícies equipotenciais de uma carga puntiforme são esféricas. U1 U2 U3 U4 56 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 56 7.7 Superfícies Equipotenciais Num campo uniforme, as superfícies equipotenciais são planos paralelos entre si. U1 U2 U3 U4 IMPORTANTE: ▪ AS LINHAS DE FORÇA DE UM CAMPO ELÉTRICO SÃO PERPENDICULARES ÀS SUPERFÍCIES EQÜIPOTENCIAIS; ▪ QUANDO CAMINHAMOS NO MESMO SENTIDO DAS LINHAS DE FORÇA, O POTENCIAL ELÉTRICO DIMINUI. 57 FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA I INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO – IFPE CELT/DASE 57 8.0 Referências Bibliográficas 1- Apostila Eletricidade – Eletrostática, Mauricio Ruv Lemes.
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