Apostila Eletricidade Básica - CEEP

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<p>1</p><p>CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL FORMAÇÃO</p><p>E EVENTOS ISAÍAS ALVES</p><p>ELETRICIDADE</p><p>Prof. Tércio Neres dos Santos</p><p>2</p><p>Conteúdo</p><p>INTRODUÇÃO 3</p><p>BREVE HISTÓRICO 3</p><p>ESTRUTURA DA MATÉRIA 4</p><p>PRINCÍPIOS BÁSICOS DA ELETROSTÁTICA 5</p><p>MATERIAIS CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES 6</p><p>ELETRIZAÇÃO DA MATÉRIA 7</p><p>PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO 8</p><p>Eletrização por Atrito 8</p><p>Eletrização por contato 9</p><p>Eletrização por indução 10</p><p>EXERCÍCIOS DE ELETROSTÁTICA 12</p><p>3</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>O Curso de eletricidade básica tem por objetivo proporcionar aos estudantes um</p><p>entendimento dos fundamentos relacionados a esse ramo da Física. O curso está voltado aos</p><p>conceitos fundamentais indispensáveis ao entendimento de fenômenos e circuitos elétricos</p><p>simples, evitando-se assim o uso excessivo de conceitos e cálculos só necessários muitas</p><p>vezes ao projetista ou ao profissional dedicado. Desse modo, a aplicação prática de conceitos</p><p>e o entendimento da teoria fundamental buscam fazer com que o estudante domine os</p><p>conceitos e teorias relacionados à eletricidade, podendo aplicá-los no seu dia-a-dia. Este</p><p>trabalho foi inicialmente desenvolvido para o treinamento de profissionais em empresas e,</p><p>posteriormente, adaptado para o ensino de nível médio e técnico.</p><p>BREVE HISTÓRICO</p><p>As primeiras observações a respeito da eletricidade têm origem na Grécia antiga,</p><p>quando o filósofo Tales de Mileto (640 - 546 a.C) observou que o âmbar, uma resina que se</p><p>petrifica séculos depois de secretada por algumas árvores, era capaz de atrair pequenos</p><p>objetos quando atritado a um pedaço de pele de carneiro. Na época o filósofo acreditava que o</p><p>experimento havia sido um fenômeno de magnetismo, porém Mileto não sabia que tinha</p><p>descoberto a eletricidade por meio do atrito (era a carga elétrica estática).</p><p>O físico e médico inglês William Gilbert (1544 - 1603) descobriu que muitas outras</p><p>substâncias podiam atrair objetos além do âmbar, sendo o primeiro a utilizar os termos</p><p>energia elétrica e força elétrica. O termo "eletricidade" veio dos estudos de Gilbert e é</p><p>derivado do latim “electrum”, que quer dizer âmbar.</p><p>Mas a teoria da eletricidade começou a fundamentar-se, de fato, ao que tudo indica,</p><p>com as teorias de Benjamin Franklin (1706 - 1790). Ele considerava a eletricidade como um</p><p>fluxo invisível que "escoava" de um corpo a outro. Se esse fluxo ocorresse de um corpo com</p><p>mais "fluido" para um corpo com menos "fluido", dizia-se que os corpos eram positivos e</p><p>negativos respectivamente.</p><p>Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) aperfeiçoou os conceitos sobre cargas</p><p>elétricas em meados do século XVIII. As experiências realizadas por Coulomb sobre os</p><p>efeitos de atração e repulsão de duas cargas elétricas permitiram-lhe verificar que a lei da</p><p>atração universal de Newton também se aplicava à eletricidade.</p><p>Luigi Galvani (1737-1798) fez as pernas de uma rã se mexer usando descargas</p><p>elétricas, mas não entendeu bem como isso acontecia. Lá por 1800, Alessandro Volta (1745-</p><p>4</p><p>1827) descobriu que as contrações eram causadas pelos metais nos nervos e nos músculos, e</p><p>que o sistema nervoso usa conexões elétricas para enviar sinais ao corpo.</p><p>Em 1820, o dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) percebeu que a agulha</p><p>imantada de uma bússola sofria deflexão quando estava próxima a um fio condutor por onde</p><p>passava uma corrente elétrica. Oersted reparou que a agulha da bússola apontava</p><p>normalmente para o norte geográfico quando o circuito estava desligado, porém, era defletida</p><p>quando a corrente elétrica fluía pelo fio.</p><p>A experiência de Oersted abriu caminho para os estudos referentes às relações entre</p><p>eletricidade e magnetismo e o século XIX testemunhou uma rápida expansão sobre o</p><p>conhecimento da eletricidade e do magnetismo, culminando com as grandes experiências de</p><p>Michael Farady (1791 - 1867) e James Clark Maxwell (1831-1879).</p><p>Na primeira metade do século XX, Georg Simon Ohm (1787 - 1854) desenvolveu a lei</p><p>de Ohm, relacionando os conceitos de proporção entre corrente e tensão. Nesse mesmo</p><p>período Gustav Robert Kirchoff desenvolveu as chamadas “Leis de Kirchoff".</p><p>Em 1897, o físico inglês J. J. Thomson descobriu o elétron e determinou que sua carga</p><p>era negativa.</p><p>Em 1909, o físico americano Robert Millikan descobriu que a carga elétrica podia ser</p><p>quantificada.</p><p>Assim os conceitos em eletricidade e suas teorias foram evoluindo e sendo</p><p>desenvolvidas até que, finalmente em 1949 , John Bardeen, Walter Bratain e Willian</p><p>Shockley, todos da Bell Telephone Laboratories iniciaram uma revolução na eletrônica, com a</p><p>invenção do transístor. Da invenção do transistor até os dias de hoje a eletrônica têm</p><p>avançado cada vez mais e com maior intensidade em todas as áreas, revolucionando o modo</p><p>de vida contemporâneo.</p><p>ESTRUTURA DA MATÉRIA</p><p>Antes de iniciarmos nossas discussões a respeito dos componentes e dispositivos</p><p>eletrônicos, vamos recordar e firmar alguns conceitos que definem as diferenças entre os</p><p>materiais do ponto de vista atômico.</p><p>Tudo que existe no universo, desde estrelas e planetas situados nos pontos mais</p><p>afastados, até a menor partícula, é constituído de matéria, que pode se apresentar das mais</p><p>variadas formas. Por outro lado, a menor parte da matéria, sem que a mesma perca a suas</p><p>características originais, é denominada molécula.</p><p>5</p><p>Agora se dividirmos as moléculas, elas perderão suas características, obtendo-se, nesta</p><p>divisão, partículas denominadas átomos.</p><p>Quando o átomo foi descoberto, os cientistas acreditavam que essa seria a menor</p><p>partícula em que a matéria poderia se dividir, e por isso o seu nome (A = não ; TOMO =</p><p>divisível). De um modo geral, para efeito dos estudos em eletricidade, o átomo pode ser</p><p>separado em duas partes distintas: o núcleo e a eletrosfera que o é orbital de elétrons.</p><p>O núcleo é formado basicamente por partículas carregadas positivamente (os prótons)</p><p>e por partículas sem carga relevante, também chamadas neutras (os nêutrons). O orbital de</p><p>elétrons ou simplesmente eletrosfera é composta pelos elétrons que são partículas carregadas</p><p>negativamente. É basicamente na eletrosfera que está a diferença entre, por exemplo, um</p><p>material condutor e um material isolante.</p><p>A disposição das partículas do átomo (prótons, nêutrons e elétrons), conforme a teoria</p><p>atômica foi proposta pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) que caracteriza uma</p><p>semelhança muito grande como o nosso sistema solar, ou seja:</p><p>∙ O núcleo representa o sol, e é constituído por prótons e nêutrons;</p><p>∙ Os elétrons giram em volta do núcleo em órbitas semelhante aos planetas.</p><p>Um esquema básico de um átomo é o ilustrado a seguir:</p><p>Fig. 1: Modelo atômico de Bohr.</p><p>Podemos resumir os estudos na área de eletricidade em três partes:</p><p>6</p><p>Eletrostática: estuda as cargas elétricas em repouso e abrange os conceitos de tipos de</p><p>eletrização, força eletrostática, campo elétrico e potencial elétrico;</p><p>Eletrodinâmica: responsável pelo estudo das cargas elétricas em movimento. Refere-se</p><p>principalmente aos conceitos associados à corrente elétrica e aos circuitos elétricos com os</p><p>seus componentes, como resistores, geradores e capacitores;</p><p>Eletromagnetismo: é a parte da eletricidade que estuda a relação entre os fenômenos</p><p>elétricos e magnéticos, sendo eles a corrente elétrica produzida pela variação de campo</p><p>magnético, bem como o campo magnético gerado por uma corrente elétrica.</p><p>PRINCÍPIOS BÁSICOS DA ELETROSTÁTICA</p><p>Existem dois importantes princípios da eletrostática</p><p>⇒ Princípio da atração e repulsão: demonstra que cargas elétricas de mesmo sinal se</p><p>repelem e de sinais contrários se atraem.</p><p>⇒ Princípio da conservação das cargas elétricas: em um sistema isolado eletricamente, a</p><p>soma das cargas elétricas continua constante, mesmo que sejam alteradas as</p><p>quantidades de</p><p>cargas do sistema.</p><p>Quantização da Carga Elétrica</p><p>Verifica-se que as cargas elétricas do próton e a do elétron têm o mesmo valor,</p><p>mudando apenas o seu sinal. Esse valor é denominado carga elétrica fundamental e costuma</p><p>ser representado por e sendo o menor valor de carga elétrica que pode ser encontrado na</p><p>natureza. O nêutron, por não apresentar efeitos elétricos, é considerado desprovido de carga</p><p>elétrica.</p><p>No Sistema Internacional de Unidades (SI), a carga elétrica é medida em Coulomb</p><p>(símbolo C), em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806). A</p><p>carga elétrica fundamental e vale: 1,6. 10</p><p>-19</p><p>C. Temos então:</p><p>Tipo de partícula Carga elétrica em Coulomb Símbolo</p><p>Próton +e = +1,6. 10</p><p>-19</p><p>p</p><p>+</p><p>Elétron -e = -1,6. 10</p><p>-19</p><p>e</p><p>-</p><p>nêutron 0 n</p><p>0</p><p>7</p><p>Geralmente, as cargas elétricas de um corpo são muito pequenas, tornando comum a</p><p>utilização de submúltiplos.</p><p>• 1 mC (milicoulomb) → 1 mC = 1×10</p><p>-3</p><p>C</p><p>• 1 µC (microcoulomb) → 1 µC = 1×10</p><p>-6</p><p>C</p><p>• 1 nC (nanocoulomb) →1 nC = 1×10</p><p>-9</p><p>C</p><p>• 1 pC (picocoulomb) → 1 pC = 1×10</p><p>-12</p><p>C</p><p>MATERIAIS CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES</p><p>No material condutor os elétrons que giram em órbitas mais externas do átomo são</p><p>atraídos pelo núcleo com força menor do que os elétrons das órbitas mais próximas do núcleo.</p><p>Estes elétrons mais afastados podem com muita facilidade desprender-se de suas órbitas e,</p><p>neste caso, serão denominados de elétrons livres. Normalmente os metais possuem em sua</p><p>última camada (chamada camada de valência) elétrons livres que dão aos materiais</p><p>propriedades de condutores. Da mesma forma que no material isolante, mas de maneira</p><p>inversa, quanto mais afastado no núcleo está o elétron, melhor condutor será o material.</p><p>No material isolante os átomos estão fortemente ligados ao núcleo por uma força de</p><p>atração, de modo que não existem elétrons circulando pela estrutura do material. Para romper-</p><p>se com essa ligação entre elétron e núcleo é necessário fornecer à estrutura muita energia, por</p><p>exemplo, na forma de calor ou potencial elétrico. Quanto mais perto do núcleo está o elétron,</p><p>mais forte é a força que os une. Do mesmo modo, quanto mais forte a atração entre elétron e</p><p>núcleo, melhor o isolante (com algumas ressalvas). Dizemos nesse caso que os elétrons têm</p><p>um nível de energia muito baixo.</p><p>Os semicondutores são materiais que apresentam características elétricas</p><p>intermediárias entre os condutores e os isolantes. Em condições normais, suas características</p><p>são próximas aos dos isolantes e quase não permitem a passagem de corrente elétrica, porém,</p><p>sob certas circunstâncias, se recebem energia externa como luz e calor, podem passar a ser</p><p>condutores. Os principais materiais utilizados na indústria eletrônica que apresentam</p><p>propriedades semicondutoras são elementos simples, como o silício (S) e o germânio (Ge) e</p><p>serão estudados de forma mais profunda mais adiante.</p><p>8</p><p>ELETRIZAÇÃO DA MATÉRIA</p><p>Os átomos só podem ser alterados em sua constituição se eles ganharem ou perderem</p><p>elétrons tornando-se assim um íon. No primeiro caso, o átomo terá maior quantidade de</p><p>elétrons do que prótons e o átomo será um íon com carga negativa denominado de Ânion. Já</p><p>no segundo caso, há maior quantidade de prótons do que elétrons e o átomo será um íon com</p><p>carga positiva denominado de Cátion.</p><p>Um determinado corpo só é neutro quando possui o mesmo número de prótons e</p><p>elétrons, ou seja, a carga elétrica é zero.</p><p>Se um corpo está com o número de prótons maior do que o de elétrons ele estará</p><p>eletrizado positivamente, assim a quantidade de carga que ele possui será um número positivo</p><p>cujo valor será um múltiplo inteiro da carga do próton.</p><p>Se um corpo está com o número de prótons menor do que o de elétrons ele estará</p><p>eletrizado negativamente, assim a quantidade de carga que ele possui será um nº negativo cujo</p><p>valor será um múltiplo inteiro da carga do elétron, conforme a figura abaixo.</p><p>Para eletrizar um corpo, basta apenas reduzir ou aumentar o número de elétrons,</p><p>assim, os corpos podem ser eletrizados negativamente ou positivamente. A quantidade de</p><p>carga que um corpo possui será sempre um número inteiro múltiplo da carga elementar e,</p><p>dessa forma a carga total adquirida pode ser definida pela seguinte equação:</p><p>𝑄 = 𝑛 × 𝑒</p><p>Sendo Q a carga total adquirida e n o número de partículas (elétrons) que o corpo ganhou ou</p><p>perdeu para deixá-lo com carga negativa ou positiva respectivamente.</p><p>9</p><p>PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO</p><p>Os processos de eletrização ocorrem na natureza constantemente e, muitas vezes, tais</p><p>fenômenos passam despercebidos por nós. O fenômeno da eletrização consiste na</p><p>transferência de cargas elétricas entre os corpos, e essa transferência pode ocorrer por três</p><p>processos conhecidos: por atrito, por contato e por indução.</p><p>Eletrização por Atrito</p><p>A eletrização por atrito foi descoberta pelo filósofo e matemático Tales de Mileto, na</p><p>Grécia Antiga, aproximadamente em VI A.C., que, ao atritar um pedaço de âmbar em pele de</p><p>animal, observou que atraía objetos leves e secos, dando um passo no estudo da eletricidade.</p><p>Assim, quando dois corpos neutros de materiais diferentes são atritados, um fica eletrizado</p><p>negativamente, ou seja, ele ganha elétrons e o outro positivamente, ocorrendo a perda de</p><p>elétrons. As cargas desses corpos serão iguais, mas de sinais opostos.</p><p>Um exemplo disso pode ser conseguido com um pente de plástico ao atritarmos ele ao</p><p>cabelo, que deve estar limpo e seco, e depois aproximá-lo a pedacinhos de papel, eles serão</p><p>atraídos. Essa eletrização irá depender muito do tipo de material que está sendo atritado.</p><p>A série triboelétrica é uma tabela que indica se os corpos ficarão positivos ou negativos após</p><p>o atrito. Cada material irá perder elétrons se for atritado com qualquer outro material que</p><p>possuir posição inferior na tabela abaixo:</p><p>Segundo a reduzida tabela acima, se o vidro for atritado com papel, ele irá adquirir</p><p>carga de sinal positivo, enquanto o papel irá receber elétrons, ficando carregado</p><p>negativamente. Quanto maior for a distância entre os elementos na tabela da série</p><p>triboelétrica, maior será a eletrização, ou seja, atritar vidro com silicone irá gerar muito mais</p><p>eletricidade estática do que o atrito do vidro com papel.</p><p>10</p><p>Eletrização por contato</p><p>A eletrização por contato, ao contrário da eletrização por atrito, necessita de pelo</p><p>menos um dos corpos carregado eletricamente. Para entender o funcionamento do processo da</p><p>eletrização por contato, considere um condutor carregado positivamente e outro condutor</p><p>neutro.</p><p>Aproxima-se o condutor positivo do condutor neutro até que ocorra o contato entre</p><p>eles. Quando isso acontece, haverá uma transferência de elétrons do corpo neutro para o corpo</p><p>carregado positivamente. Essa transferência irá ocorrer de maneira bem rápida até que ambos</p><p>os condutores fiquem em equilíbrio elétrico, ou seja, com o mesmo potencial elétrico.</p><p>Após separar os dois condutores, eles estarão com cargas de mesmo sinal.</p><p>É importante salientar também que está valendo o princípio da conservação das cargas</p><p>elétricas, que diz que a quantidade de cargas elétricas antes do contato é igual à quantidade de</p><p>cargas elétricas depois do contato. Se os dois corpos forem absolutamente idênticos, no final</p><p>da experiência eles ficarão com a mesma quantidade de carga elétrica, que será determinada</p><p>pela média aritmética da quantidade de cargas antes do contato.</p><p>11</p><p>Eletrização por indução</p><p>Na eletrização por atrito e por contato, há obrigatoriamente a necessidade do contato</p><p>físico entre os corpos. Na eletrização por indução isso já não é necessário e é por isso que esse</p><p>processo recebe esse nome.</p><p>Eletrizar um objeto por indução significa atribuir-lhe carga elétrica utilizando outro</p><p>corpo eletrizado sem que haja contato entre eles. Esse processo de eletrização baseia-se</p><p>no</p><p>conceito da atração e repulsão de cargas elétricas. Veja no esquema a seguir como se eletriza</p><p>um corpo por indução:</p><p>● Inicialmente, temos a esfera A neutra e a esfera B com carga positiva. O corpo</p><p>eletrizado (esfera B) recebe o nome de indutor, e o corpo neutro (esfera A) é</p><p>denominado induzido.</p><p>● A esfera A é aproximada da esfera B. A carga positiva da esfera B atrai as cargas</p><p>negativas da esfera A e repele as positivas, causando uma separação de cargas;</p><p>12</p><p>● A esfera A é conectada a terra por um fio condutor de forma que os elétrons da terra são</p><p>atraídos pelo lado que ficou positivo e sobem neutralizando as cargas positivas dessa</p><p>esfera.</p><p>● A esfera A, agora carregada negativamente, é desligada da terra e afastada da esfera B.</p><p>No processo de eletrização por indução, a carga elétrica final do condutor que estava</p><p>neutro sempre possui sinal oposto à do indutor. O mesmo processo pode ser repetido para</p><p>eletrizar positivamente um objeto neutro, porém deve ser usado um indutor de carga negativa.</p><p>Um exemplo de eletrização por indução é a ocorrência de raios. Quando uma nuvem</p><p>está carregada eletricamente, ela induz na superfície terrestre cargas de sinais contrários,</p><p>criando um campo elétrico entre a nuvem e a superfície. Se o campo elétrico for muito</p><p>intenso, pode ocorrer a quebra da rigidez dielétrica do ar passando a funcionar como condutor</p><p>de eletricidade, ocorrendo uma descarga elétrica popularmente conhecida como raio ou</p><p>relâmpago.</p><p>13</p><p>EXERCÍCIOS DE ELETROSTÁTICA</p><p>1) Dispõe-se de três esferas metálicas idênticas e isoladas uma da outra. Duas delas, A e B,</p><p>estão neutras, enquanto que a esfera C contém uma carga Q. Faz-se a esfera C tocar primeiro</p><p>a esfera A e depois a esfera B. No final, qual a carga elétrica das esferas A, B e C,</p><p>respectivamente?</p><p>2) Descreva com suas palavras os passos para se eletrizar positivamente, pelo processo de</p><p>indução, um objeto metálico inicialmente neutro.</p><p>3) Os corpos ficam eletrizados quando perdem ou ganham elétrons. Imagine um corpo que</p><p>tivesse 1 mol de átomos e que cada átomo perdesse 1 elétron. Qual seria a carga (módulo e</p><p>sinal) desse corpo? (Considere 1 mol = 6×10</p><p>23</p><p>).</p><p>4) Nas indústrias de tecido e papel, estes materiais estão em constante atrito com as peças das</p><p>máquinas destas indústrias. Para evitar incêndio, o ar ambiente é constantemente umedecido.</p><p>Qual a razão deste procedimento?</p><p>5) Considere quatro objetos eletrizados A, B, C e D. Verifica-se que A repele B e atrai C. Por</p><p>sua vez, C repele D. Sabendo-se que D está eletrizado positivamente, qual é o sinal da carga</p><p>do objeto A?</p><p>6) Para evitar a formação de centelhas elétricas, os caminhões transportadores de gasolina</p><p>costumam andar com uma corrente metálica arrastando-se pelo chão. Explique!</p><p>7) Tem-se uma esfera metálica eletrizada positivamente e outra esfera idêntica neutra. Por</p><p>qual método de eletrização e com carga de que sinal a segunda esfera pode ser eletrizada a</p><p>partir da primeira?</p><p>8) Atrita-se uma barra de vidro com um pano de lã, inicialmente neutros, e faz-se a lã entrar</p><p>em contato com uma bolinha de cortiça, também inicialmente neutra, suspensa por um fio</p><p>isolante. Ao aproximar-se a barra da bolinha, constata-se atração. Justifique!</p><p>14</p><p>9) Assinale com V as afirmações verdadeiras e com F as afirmações falsas:</p><p>a) ( ) um corpo eletricamente neutro é desprovido de carga elétrica positiva e negativa, ou</p><p>seja, só possui nêutrons.</p><p>b) ( ) Ionização é o processo pelo qual um átomo ganha ou perde elétrons.</p><p>c) ( ) A carga elétrica é quantizada.</p><p>d) ( )Se atritarmos corpos constituídos de materiais diferentes adquirem cargas elétricas de</p><p>sinais opostos.</p><p>e) ( ) Um corpo eletricamente isolado não troca cargas elétricas com o exterior.</p><p>f) ( ) Na eletrização por indução os corpos adquirem carga de mesmo módulo e sinais</p><p>contrários.</p><p>g) ( ) Na eletrização por indução há passagem de cargas do induzido para o indutor.</p><p>10) Nos metais e nas soluções eletrolíticas as partículas responsáveis pela condução de</p><p>corrente elétrica são respectivamente:</p><p>a) moléculas carregadas positivamente e elétrons. b) elétrons e prótons. c) núcleos livres e</p><p>elétrons. d) elétrons e íons. e) elétrons e nêutrons.</p><p>11) Três esferas metálicas podem ser carregadas eletricamente. Observa-se que cada uma das</p><p>3 esferas atrai cada uma das outras duas. Três hipóteses são apresentadas:</p><p>I. Apenas uma das esferas está carregada. II. Duas esferas estão carregadas. III. As três</p><p>esferas estão carregadas. O fenômeno pode ser explicado:</p><p>a) Somente pela hipótese II. b) Somente pela hipótese II e III. c) Somente pela hipótese I.</p><p>d) Somente pela hipótese III. e) Por todas as três hipóteses.</p><p>12) Um corpo inicialmente neutro recebe 25 milhões de elétrons. Sabendo que a carga</p><p>elementar vale e = 1,6 . 10</p><p>–19</p><p>C este corpo adquire uma carga total de:</p><p>a) 1,6×10</p><p>–12</p><p>C b) –4×10</p><p>–12</p><p>C c) 16×10</p><p>–10</p><p>C d) 16×10</p><p>7</p><p>C e) 4×10</p><p>–12</p><p>C</p>