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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNINOVAFAPI BACHARELADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO FÍSICA II – ÓTICA, ONDAS E ELETROMAGNETISMO 3º PERÍODO GIVAGO MARQUES MÁRCIO VASCONCELOS RODRIGO MARTINS RELATÓRIO EXPERIÊNCIAS COM ELETRICIDADE Teresina - PI Novembro de 2015 GIVAGO MARQUES MÁRCIO VASCONCELOS RODRIGO MARTINS RELATÓRIO EXPERIÊNCIAS COM ELETRICIDADE Atividade realizada para a disciplina de Física II – Ótica, Ondas e Eletromagnetismo, do curso de bacharelado em Engenharia de Produção da faculdade Uninovafapi como requisito para obtenção de nota. Orientador: Prof. Msc. Samuel Pimentel Costa Teresina - PI Novembro de 2015 RESUMO Neste trabalho se buscou compreender de forma simples e prática o comportamento de alguns fenômenos elétricos como a corrente elétrica, circuitos simples, linhas de transmissão, gerador, entre outros, a partir da análise realizada nestes dois experimentos e com base em um roteiro pré-definido pelo grupo. O bom entendimento teórico foi essencial para uma correta compreensão dos experimentos bem como dos seus resultados esperados. As aulas teóricas sempre ficam mais interessantes quando se ver a aplicação prática dos fundamentos expostos em sala, atraindo a atenção e o interesse dos alunos pelo assunto abordado e fazem os mesmos observarem da importância da compreensão de certos itens vistos em sala para a vida diária, tais como acender uma lâmpada, fazer uma instalação eletrica simples, adquirir um eletrodoméstico, perceber mudanças de fase na rede elétrica, em fim, processos simples ou complexos que através de experimentos podem ser melhor compreendidos e assimilados. Palavras-chave: Eletricidade; Corrente; Gerador; Circuito. SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS, QUADROS E FLUXOGRAMAS INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 6 1. OBJETIVO .............................................................................................................. 7 2. ANÁLISE TEÓRICA ............................................................................................... 8 2.1. Condutores e isolantes elétricos ....................................................................... 8 2.1.1 Condutores de primeira espécie ................................................................... 9 2.1.2 Condutores de segunda espécie .................................................................. 9 2.1.3 Condutores de terceira espécie .................................................................... 9 2.2. Corrente elétrica .............................................................................................. 10 2.3. A causa da corrente elétrica ............................................................................ 11 2.4. Classificação das correntes elétricas quanto à forma do gráfico i x t .............. 13 2.4.1 Corrente contínua constante ...................................................................... 13 2.4.2 Corrente continua pulsante ........................................................................ 13 2.4.3 Corrente alternante..................................................................................... 14 2.5. Gerador elétrico ............................................................................................... 16 2.6. Circuito elétrico ................................................................................................ 18 2.6.1 Circuito elétrico em série e paralelo ........................................................... 19 2.7. Interruptores .................................................................................................... 20 2.7.1 Interruptor simples ...................................................................................... 20 2.7.2 Interruptor paralelo ..................................................................................... 20 2.7.3 Interruptor intermediario ............................................................................. 20 2.8. Receptores eletricos ........................................................................................ 21 2.8.1 Elementos que caracterizam um receptor .................................................. 22 2.8.2 Equação do receptor .................................................................................. 23 2.8.3 Potenciais eletricas no receptor: total, útil e desperdicada ......................... 24 3. EXPERIMENTOS ................................................................................................. 25 3.1 Experimento I – Condução de corrente elétrica ............................................... 25 3.2 Experimento II – Circuito em paralelo com motor elétrico ................................ 27 4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ....................................................................... 28 5. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 29 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 31 LISTA DE FIGURAS, QUADROS E FLUXOGRAMAS Figura 1 – Condutor e isolante Figura 2 – Corrente elétrica Figura 3 – Placas metálicas energizadas com diferença de potencial elétrico Figura 4 – Placas metálicas conectadas por um fio condutor Figura 5 – Diferença de potencial elétrico Figura 6 – Sentido dos elétrons no campo elétrico �⃗� Figura 7 – Corrente contínua (a) e alternante (b) Figura 8 – Adição de elétrons ao sistema Figura 9 – Exemplo de gerador elétrico Figura 10 – Esquema de um gerador elétrico Figura 11 – Esquema de um circuito simples Figura 12 – Circuito simples interrompido Figura 13 – Circuito elétrico em série Figura 14 – Circuito elétrico em paralelo Figura 15 – Exemplo de interruptor Figura 16 – Exemplo de motor elétrico Figura 17 – Símbolo de um receptor Figura 18 – Esquema motor x receptor Figura 19 – Gerador alimentando um receptor Figura 20 – Esquema do experimento Figura 21 – Esquema do circuito elétrico em paralelo Gráfico 1 – Corrente contínua e constante Gráfico 2 – Corrente contínua pulsante Gráfico 3 – Corrente alternante 6 INTRODUÇÃO Os fenômenos elétricos estão presentes em nossa vida diária, desde quando acendemos uma lâmpada até quando ligamos o carro ou talvez quando viajamos de avião entre um lugar e outro. Portanto, a eletricidade é algo que nos cerca e convive conosco desde muitos anos atrás quando os físicos, em especial os ingleses, começaram a fazer as primeiras descobertas desta força tão importante e essencial em nossos dias atuais. Este trabalho é um exemplo bem simples disso, ao desenvolver um experimento, que embora simples, mas que serve para demonstrar com precisão e firmeza que as teorias postuladas por Michael Faraday, Coulomb, Ohm e outros físicos realmente funcionam e podem ser percebidas no nosso cotidiano. As idéias sobre corrente elétrica, circuito, fontes de energia, interruptores, e etc., podem ser facilmente visualizadas e entendidas aqui. Portanto, os resultados obtidos neste experimento além de serem importantespara fundamentar teorias seculares também demonstram relevância por auxiliar o acadêmico de engenharia de produção a entender e perceber que a eletricidade faz e sempre irá fazer parte do nosso dia-a-dia e que em muitas situações da vivência profissional esses conceitos poderão ser de extrema importância para a resolução de problemas. No desenvolvimento deste relatório se buscou aplicar os fundamentos requisitados pelas normas da ABNT sobre trabalhos acadêmicos bem como outras fontes de orientação didática. 7 1. OBJETIVO O objetivo principal deste material é demonstrar aos alunos do curso de engenharia de produção que as teorias a cerca dos fenômenos elétricos são facilmente observadas em nosso cotidiano e que o bom conhecimento destes não só poderá ser útil em nossa vida, mas também essencial para o nosso futuro profissional uma vez que em toda e qualquer empresa em que viermos a atuar a eletricidade sempre estará presente e nos caberá em muitas situações tomar decisões que demandarão uma boa compreensão sobre o assunto. Também é de interesse desse experimento relevar a funcionalidade de cada membro integrante de um circuito fechado simples, bem como conhecer as funções dos geradores, da corrente elétrica, dos interruptores, da fonte de energia, e etc., integrando-se assim ao conteúdo teórico e contribuindo posteriormente com a sua compreensão e percepção. 8 2. ANÁLISE TEÓRICA Para uma correta compreensão dos procedimentos a serem realizados se fez necessário uma breve análise teórica a cerca dos principais itens a serem vistos aqui. 2.1 Condutores e isolantes elétricos Em alguns corpos, podemos encontrar portadores de cargas elétricas com grande liberdade de movimentação. Esses corpos são denominados de condutores elétricos. Nos demais, essa liberdade de movimentação praticamente não existe; esses corpos são denominados de isolantes elétricos ou dielétricos. Um material é dito condutor elétrico quando possui grande quantidade de portadores de carga elétrica facilmente movimentável. Caso contrário, ele será um isolante elétrico. Tanto um condutor como um isolante podem ser eletrizados. É importante observar, porém, que, no isolante, a carga elétrica em excesso permanece exclusivamente no local onde se deu o processo de eletrização, enquanto no condutor essa carga busca uma situação de equilíbrio, distribuindo-se em sua superfície externa. (a) (b) Figura 1 – Condutor e isolante: (a) Fio de cobre, um excelente condutor de energia; (b) Borracha, um excelente isolante Conforme podemos ver na Figura 1, os metais como o cobre, são excelentes condutores de energia elétrica, pois eles possuem elétrons livres em sua estrutura, já a borracha é um ótimo isolante elétrico, pois não possui elétrons livres. 9 Tanto os condutores como os isolantes podem ser encontrados nos estados sólido, líquido e gasoso. Com relação aos portadores de cargas elétricas movimentáveis, os condutores classificam-se nos três casos a seguir. 2.1.1 Condutores de primeira espécie São aqueles nos quais os portadores móveis são os elétrons livres. Embora a existência dos elétrons livres só possa ser justificada pela Física Quântica, podemos dizer, superficialmente, que esses elétrons têm grande liberdade de movimentação por estarem muito afastados dos núcleos dos átomos dos quais fazem parte e, além disso, por serem atraídos fracamente em várias direções e sentidos pelos núcleos existentes ao seu redor. São classificados como condutores de primeira espécie os metais e a grafite. 2.1.2 Condutores de segunda espécie Nos condutores de segunda espécie os portadores móveis são íons positivos e íons negativos, isto é, átomos (ou grupos de átomos) que, por terem perdido ou recebido elétrons, passam a ter o número de prótons diferente do número de elétrons. Íons são encontrados em soluções eletrolíticas, como por exemplo, soluções aquosas de ácidos, bases ou sais. 2.1.3 Condutores de terceira espécie Nos condutores de terceira espécie os portadores de carga podem ser íons positivos, íons negativos e elétrons livres. Isso ocorre nos gases ionizados como aqueles contidos em lâmpadas fluorescentes que temos em casa. 10 2.2 Corrente elétrica Podemos definir corrente elétrica da seguinte maneira: Denomina-se corrente elétrica ao movimento ordenado, isto é, o movimento com direção e sentido preferenciais, de portadores de cargas elétricas. A definição apresentada evidencia que, para se gerar uma corrente elétrica apreciável num material, ele precisa ser um condutor elétrico. Como foi visto no item 2.1, existem três tipos de condutores: Os metais e a grafite, em que os portadores móveis de carga elétrica são os elétrons livres; As soluções eletrolíticas, em que os portadores móveis são íons positivos e íons negativos; Os gases ionizados, em que os portadores móveis podem ser íons positivos, íons negativos e elétrons livres. Figura 2 – Corrente elétrica: elétrons livres se ordenam na presença de corrente elétrica Na Figura 2 podemos facilmente perceber que a condução da energia em uma barra de metal, por exemplo, se faz presente mediante a ordenação das cargas elétricas livres contidas no interior desse material, uma vez que uma fonte de energia é conectado neste, as cargas tendem a se agrupar e movimentar em um sentido ordenado o que garante um fluxo contínuo em todo a extensão desse condutor. 11 2.3 A causa da corrente elétrica Agora que já vimos o que é uma corrente elétrica, vamos ver o que provoca o movimento dos portadores de carga elétrica nos materiais condutores, ou seja, o que gera uma corrente elétrica. Para isso, vamos considerar duas placas metálicas A e B conforme Figura 3, eletrizadas de modo que o potencial elétrico de A (𝑉𝐴) seja maior que o de B (𝑉𝐵). Figura 3 – Placas metálicas energizadas com diferença de potencial elétrico Em seguida, vamos ligar A e B por meio de um fio também metálico, veja a Figura 4. Com isso, os elétrons livres passam a se deslocar de B para A, ou seja, do potencial menor para o maior. Assim, geramos uma corrente elétrica no fio. Figura 4 – Placas metálicas conectadas por um fio condutor À medida que saem elétrons de B, o potencial 𝑉𝐵 vai crescendo; e à medida que chegam elétrons em A, o potencial 𝑉𝐴 vai diminuindo. Simbolicamente, temos o esquema ao lado, Figura 5. Figura 5 – Diferença de potencial elétrico 12 Quando os potenciais 𝑉𝐴 e 𝑉𝐵 tornam-se iguais, cessa a corrida dos elétrons de B para A, cessando, assim, a corrente elétrica através do fio. Assim, podemos afirmar que a corrente elétrica é causada por uma diferença de potencial elétrico (ddp), ou tensão elétrica. A explicação para o aparecimento da corrente elétrica também pode ser dada com base no conceito de campo elétrico. Veja a Figura 6, quando o fio é ligado entre as placas A e B, um campo elétrico �⃗� é estabelecido no interior do fio, orientando do potencial maior para o menor. Como a carga elétrica dos elétrons é negativa, surgem neles forças elétricas FE⃗⃗⃗⃗ de sentido oposto ao do campo. Dessa forma, os elétrons livres passam a “marchar” de B para A, criando-se, então, a corrente elétrica no fio.Figura 6 – Sentido dos elétrons no campo elétrico �⃗� É importante observar que esse fio não está em equilíbrio eletrostático. Por isso o campo elétrico em seu interior não é nulo. Quando a diferença de potencial U entre A e B se anula, o mesmo acontece com o campo elétrico �⃗� , pois, como vimos em eletrostática, E d = U. Anulando-se o campo, o condutor entre em equilíbrio eletrostático e, portanto a corrente cessa. 13 2.4 Classificação das correntes elétricas quanto à forma do gráfico i x t No gráfico i x t (intensidade elétrico em relação ao tempo), quando a corrente inverte seu sentido, convenciona-se considerá-la positiva em um sentido e negativa no sentido contrário. Quando usamos essa convenção, devemos chamar i de valor algébrico da corrente elétrica, em vez de intensidade. Quanto à forma do gráfico i x t, as correntes classificam-se em contínuas e alternantes (ou alternadas). Vamos ver, a seguir, casos mais comuns de corrente contínua e alternante. 2.4.1 Corrente contínua constante Uma corrente elétrica é contínua constante quando mantém intensidade e sentido constantes no decorrer do tempo. Seu gráfico i x t é um segmento de reta paralelo ao eixo dos tempos. Gráfico 1 – Corrente contínua e constante No caso de corrente contínua constante, a intensidade média da corrente coincide com sua intensidade instantânea. Um bom exemplo de corrente contínua constante é a gerada por pilhas que usamos em controle remoto, relógio de parede, despertador, e etc. 2.4.2 Corrente contínua pulsante Corrente contínua pulsante é a corrente cuja intensidade passa, em geral periodicamente, por máximos e mínimos, embora tenha sentido constante. 14 Gráfico 2 – Corrente contínua pulsante 2.4.3 Corrente alternante Chamamos de alternante ou alternada a corrente cujo sentido é invertido periodicamente. Gráfico 3 – Corrente alternante A forma de onda usual em um circuito de potência em corrente alternante é senoidal por ser a forma de transmissão de energia mais eficiente. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas, tais como triangular ou ondas quadradas. Enquanto a fonte de corrente contínua é constituída pelos pólos positivo e negativo, a de corrente alternante é composta por fases (e, muitas vezes, pelo fio neutro). Observe que, em um condutor metálico percorrido por corrente contínua, os elétrons livres caminham sempre no mesmo sentido. 15 Figura 7 – Corrente contínua (a) e alternante (b) Caso o condutor seja percorrido por corrente alternante, esses elétrons simplesmente oscilam em torno de determinadas posições, conforme a Figura 7 (b), executando movimentos de vaivém. É alternante a corrente que se estabelecem numa rede elétrica residencial quando algum aparelho é ligado a ela. 16 2.5 Gerador elétrico A corrente elétrica gerada no fio pelas placas A e B, como vimos no item anterior, só existe em um curto intervalo de tempo, cessando em seguida, quando se anula a diferença de potencial entre elas. Na prática, entretanto, a corrente elétrica deve perdurar pelo tempo que for necessário. Para isso, é preciso manter diferentes os potenciais elétricos nas extremidades do fio. Imagine que, na situação apresentada no item anterior, fosse possível acontecer o seguinte: todo elétron que chegasse à placa A fosse transportado por alguém até a placa B, como sugere a Figura 8 abaixo. Figura 8 – Adição de elétrons ao sistema Dessa forma, os potenciais elétricos das placas A e B nunca se igualariam e a corrente elétrica no fio seria mantida. Esse agente transportador de elétrons de A para B exerceria neles uma força F⃗ , e essa força realizaria um trabalho. Assim, nesse transporte haveria um fornecimento de energia aos elétrons. Para falar dessa energia, é preciso recordar que a energia potencial eletrostática (ou elétrica) EP de uma partícula eletrizada com carga elétrica q, situada numa posição em que o potencial elétrico é v, é dada pela seguinte formula. EP = q v No caso de elétrons, q é negativa. Então, quando os elétrons vão da placa B para a placa A (𝑉𝐴>𝑉𝐵), eles perdem energia potencial elétrica; e quando o agente transportador os leva de volta para a placa B, eles ganham energia potencial elétrica: o agente citado repõe nos elétrons a energia potencial elétrica que perderam. Na realidade, quem faz essa reposição de energia potencial elétrica não é esse agente imaginário, mas um dispositivo denominado gerador elétrico. Para isso, o 17 gerador elétrico deve dispor de alguma modalidade de energia e transformá-la em energia potencial elétrica. É o caso, por exemplo, das pilhas comuns de lanterna e das baterias usadas em automóveis, em que energia química é convertida em energia potencial elétrica. Figura 9 – Exemplo de gerador elétrico Figura 10 – Esquema de um gerador elétrico Na Figura 9, temos um exemplo simples de gerador, uma pilha, que mantém a corrente elétrica no fio. Assim, substituindo as placas A e B por um gerado elétrico, podemos manter a corrente no fio metálico, já que esse gerador mantém uma diferença de potencial entre seus terminais. Observe, na ilustração acima, que o gerador tem dois terminais. O terminal de potencial mais alto é denominado de pólo positivo (+) e o de potencial mais baixo, pólo negativo (-). Na Figura 9, podemos ver que a pilha apresenta bem visível esses dois pólos, bem como a inscrição 1,5 V, que significa que existe uma diferença de potencial igual a 1,5V entre os dois pólos: o potencial do pólo positivo está 1,5V acima do potencial do pólo negativo. Apenas como curiosidade, em Eletrodinâmica, não interessam os reais valores dos potenciais dos pólos do gerador, mas sim a diferença entre esses potenciais, pois é essa diferença que gera corrente elétrica. 18 2.6 Circuito elétrico Um circuito elétrico é a ligação de elementos elétricos, tais como resistores, indutores, capacitores, diodos, linhas de transmissão (condutores), fontes de tensão, fontes de corrente e interruptores, de modo que formem pelo menos um caminho fechado para a corrente elétrica. Um circuito simples, alimentado por pilhas, baterias ou tomadas, sempre apresenta uma fonte de energia elétrica, um aparelho elétrico, fios ou placas de ligação e um interruptor para ligar e desligar o aparelho. Estando ligado, o circuito elétrico está fechado e uma corrente elétrica passa por ele. Esta corrente pode produzir vários efeitos: luz, movimentos, aquecimentos, sons, e etc. Circuitos elétricos são conjuntos formados por um gerador elétrico, um condutor em circuito fechado e um elemento capaz de utilizar a energia produzida pelo gerador. Figura 11 – Esquema de um circuito simples Na Figura 11 temos um exemplo de um circuito elétrico simples constituído por uma fonte de energia (gerador, representado pela pilha) e um receptor (representado pela lâmpada), sendo mostrado também os dois sentidos da corrente elétrica sendo um o sentido real e o outro um sentido convencionada pelos físicos. Se por ventura houver uma quebra de um dos fios do circuito a lâmpada irá apagar em virtude da corrente elétrica ter sido cessada, conforme vemos na Figura12. Figura 12 – Circuito simples interrompido 19 2.6.1 Circuito elétrico em série e paralelo É possível instalar um circuito elétrico mais do que um receptor. A instalação pode fazer-se de duas maneiras, em série e em paralelo. No circuito em série as lâmpadas são instaladas umas a seguir as outras, existindo assim só um caminho para a corrente elétrica. Nesse tipo de circuito verifica-se que o interruptor controla todas as lâmpadas, quando uma queima as outras deixam de funcionar também e quando há um grande número de lâmpadas, a luminosidade diminui. A Figura 13 abaixo nos trás um modelo de circuito em série com dois receptores. Figura 13 – Circuito elétrico em série Já os circuitos em paralelo as lâmpadas são instaladas em ramificações diferentes, existindo assim mais de um caminho para a corrente elétrica percorrer. Há um ponto onde a corrente se separa em duas ramificações e outro ponto onde se junta outra vez. No circuito em paralelo o interruptor instalado no circuito principal comanda todas as lâmpadas, mas se for instalado em paralelo comanda apenas uma lâmpada. Assim, se por ventura uma lâmpada queimar as demais vão permanecer acessas e o brilho delas será constante, ou seja, não irá diminuir ou aumentar. Figura 14 – Circuito elétrico em paralelo 20 2.7 Interruptores Os interruptores são dispositivos por meio dos quais abrimos ou fechamos um circuito elétrico, vejamos a Figura 15 que mostra um interruptor do tipo chave. Figura 15 – Exemplo de interruptor Feitos de latão ou cobre, os interruptores possuem resistência elétrica tão baixa que pode ser desprezada. Funcionam de modo análogo aos interruptores instalados nas paredes de uma casa para acender ou apagar uma lâmpada de um único local. 2.7.1 Interruptor simples Os interruptores simples, usados para ligar e desligar uma lâmpada apresenta duas posições: uma de circuito fechado e outra de circuito aberto. Esse interruptor apresenta dois terminais. 2.7.2 Interruptor paralelo Esse tipo de interruptor apresenta três terminais, em vez de dois. Ele permite instalar uma lâmpada de modo que ela possa ser ligada ou desligada de dois diferentes locais. 2.7.3 Interruptor intermediário Esse interruptor é dotado de quatro terminais úteis. Combinando interruptores desse tipo com os interruptores paralelos, podemos ligar ou desligar uma lâmpada de qualquer posição. O interruptor intermediário pode fechar ou abrir circuitos, interligando terminais. 21 2.8 Receptores elétricos Em eletricidade, quando um resistor é ligado a um gerador recebe energia elétrica e a converte integralmente em energia térmica. Neste item vamos falar um pouco sobre os receptores elétricos, que são dispositivos que recebem energia elétrica de um gerador e convertem uma parte dela em energia não-térmica. O motor elétrico é um exemplo de receptor. Ele recebe energia elétrica do gerador (uma pilha ou bateria, por exemplo) ao qual está ligado e transforma uma parte dessa energia em energia mecânica (movimento). Inevitavelmente, outra parte é desperdiçada termicamente, pelo chamado Efeito Joule, nos enrolamentos e nos contatos, a Figura 16 mostra um exemplo de motor elétrico. Figura 16 – Exemplo de motor elétrico Em alguns casos, é possível fazer um gerador funcionar como receptor e vice- versa. A bateria dos automóveis, por exemplo, quando opera como gerador, converte energia química em energia elétrica. Entretanto, por ser recarregável, no processo de recarga feito pelo dínamo, a bateria funciona como receptor, recebendo energia elétrica e armazenando-a em forma de energia química. A pilha de Daniel é outro exemplo, mais o mesmo não ocorre com a pilha seca, pelo fato de não ser recarregável. Os motores das locomotivas elétricas são receptores que também funcionam como geradores. Quando funcionam como motores, transformam energia elétrica em energia mecânica e quando funcionam como geradores, precisam receber energia mecânica para transformá-la em energia elétrica. 22 2.8.1 Elementos que caracterizam um receptor Quando se estabelece uma ddp (diferença de potencial) U entre os terminais de um receptor, uma parte dela é aproveitada para fins não-térmicos como, por exemplo, para um motor produzir energia mecânica. Essa parte útil da ddp U é denominada de força contra-eletromotriz (fcem) do receptor, e vamos simbolizá-la por 𝜺′. A outra parte da ddp U é desperdiçada no receptor, porque ele, como todo condutor, tem uma resistência elétrica, que vamos chamar de resistência interna do receptor e simbolizar por r ’. No caso dos motores elétricos, r ’ é a resistência dos enrolamentos e dos contatos. Em esquemas de circuitos elétricos, os receptores têm o mesmo símbolo dos geradores, como está representado na figura ao lado. Entretanto, como você verá adiante, o sentido da corrente é o oposto. É importante observar também que, embora a grandeza 𝜺′ seja chamada impropriamente de força contra-eletromotriz, é bom saber que não se trata de uma força, mas de uma diferença de potencial. Figura 17 – Símbolo de um receptor: 𝜺′ é a força contra-eletromotriz, r ’ é a resistência interna e A e B são seus terminais. 23 2.8.2 Equação do receptor Vamos, agora, determinar a equação do receptor, isto é, a expressão que relaciona a ddp U aplicada entre seus terminais com a intensidade i da corrente que o percorre. Para isso, vamos observar na Figura 18 uma pilha alimentando um pequeno motor elétrico, como esses que você pode encontrar em diversos brinquedos. Observe, também, a correspondente representação esquemática: Figura 18 – Esquema motor x receptor Na verdade, esse motorzinho não tem pólos positivo e negativo próprios: os sinais (+) e (-) indicados em seus terminais apenas significam que eles estão ligados, respectivamente, nos pólos positivo e negativo da pilha. Com isso, é fundamental observar que a corrente elétrica tem sentido de (-) para (+) no gerador, e de (+) para (-) no receptor. Para encontrar a equação do receptor, suponha U = 1,3V, r ’=5Ω e i = 0,08A. Como já vimos, U = 1,3V indica que cada coulomb de carga entrega 1,3J de energia elétrica ao motor (receptor), quando passa por ele. A diferença de potencial (ddp) na resistência interna do motor é dada pelo produto r ’ x i, ddp = r ’ x i = 5Ω x 0,08A = 0,4V. Isto significa que a energia elétrica nele dissipada inutilmente é de 0,4J por coulomb que o atravessa. Então, o motor aproveita 0,9J (1,3J = 0,9J + 0,4J) de cada coulomb que passa por ele para produzir energia mecânica (movimento, rotação). Em outras palavras, esse motor está operando com uma força contra-eletromotriz 𝜺′ igual a 0,9V. 24 Dessa análise você pode perceber que a ddp U aplicada entre os terminais do receptor é a soma da fcem 𝜺′ com o produto r ’ x i, o que nos leva à equação do receptor: U = 𝜀′ + (r ’ x i). 2.8.3 Potências elétricas no receptor: total, útil e desperdiçada A Figura 19 representa um gerador alimentando um receptor. Figura 19 – Gerador alimentando um receptor A potência elétrica que o gerador fornece ao receptor é a já estudada potência útil do gerador (U x i). Para o receptor, porém, essa mesma potência U x i é a potência total que ele recebe. Desse total, uma parte é útil e a outra édesperdiçada na resistência interna (r ’ x i ²). Então, para o receptor, a potência total recebida (Pott) e a potência desperdiçada (Potd) são dadas por: Pott = U x i Potd = r ’ x i² Para obter a potência útil basta lembrar que: Pott = Potu + Potd Então: U x i = Potu + r ’ x i² - - - -> Potu = (U – r ’ x i) x i Como U = 𝜀′ + (r ’ x i), temos que U – r ’ x i² = 𝜀′. Finalmente: Potu = 𝜀 ′ x i 25 3. EXPERIMENTOS Todos os experimentos realizados aqui se deram por meio de roteiro previamente escolhido pelos alunos bem como a observação dos itens apontados na revisão teórica. 3.1 Experimento I – Condução de corrente elétrica Na realização deste experimento se usou o (s) seguinte (s) material (is): 01 Uma tábua de madeira (29,5 cm x 16,0 cm); 01 Rolo de fio de cobre fino; 01 Fio de cobre coberto de 40 cm; 06 Pilhas de 1,5V cada; 01 Lâmpada pequena; 01 Motor elétrico pequeno; 02 Pregos de ferro médio; 01 Rolo de fita isolante; 01 Fita Durex; 11 Pregos de ferro pequeno; 01 Balão de festa; 01 Tesoura; 01 Cola para madeira; 06 Folhas de papel A4. 01 Palito de fósforo. Uma vez reunido todo o material necessário procedeu-se a montagem do experimento. 1º Pegou-se duas folhas de papel A4 sobrepôs uma a outra e por meio da cola para madeira uniu-se ambas; 2º Em seguida cola-se as duas folhas sobre a face superior da tábua de madeira; 26 3º Com os dois pregos grandes prega-se sobre a tábua mantendo uma distância entre eles de uns 10 ou 14 cm, passando a fita isolante em volta de suas bases; 4º Com o rolo de fio de cobre faz-se uma dobra com o intuito de aumentar sua espessura semelhante a uma corda e liga suas pontas a cada um dos pregos grandes; 5º Pegou-se três pregos pequenos e pregaram na tábua com o intuito de fazer um suporte para as pilhas; 6º Com as outras 4 folhas enrola-se num formato cilíndrico na mesma dimensão das pilhas com o intuito de formar uma cápsula para estas; 7º Em seguida, coloca-se as 6 pilhas dentro do tubo feito de papel e com o auxílio da fita Durex prega-se na tábua tendo o cuidado de verificar a ordem correta dos pólos positivo e negativo; 8º Com outros dois pregos pequenos instala-se o motor elétrico na tábua; 9º Com a fita isolante instala-se a lâmpada na tábua mantendo uma distância do motor de uns 10 cm; 10º Com o auxílio do balão e do palito de fósforo faz-se um pequeno interruptor improvisado próximo das pilhas; 11º Com o fio de cobre coberto corta-se este em duas partes e liga-se aos pólos da pilha, sendo o negativo conectado ao interruptor e o positivo ficará conectado ao suporte de cobre entre os dois pregos grandes por meio de uma argola feita de cobre; 12º Pegou-se duas pontas dos fios do motor e da lâmpada e as uniu a outra ponta do interruptor, as outras duas pontas da lâmpada e motor serão unidas a um dos pregos grandes; 13º Com a fita isolante procede-se a cobertura de possíveis áreas energizadas. 14º Em seguida ligou-se o interruptor; 15º Com a argola de cobre conectada ao fio do pólo positivo procedeu-se ao seu contado com o cobre conectado as duas pontas dos pregos grandes. Os resultados observados nesse experimento foram anotados para posteriormente serem discutidos e analisados. 27 3.2 Experimento II – Circuito em paralelo com motor elétrico Usando o dispositivo montado no Experimento I procedeu-se a seguinte atividade: 1º Ligou-se o interruptor; 2º Manteve-se o fio ligado ao pólo positivo da pilha com o cobre entre os pregos em contato permanente; 3º Com o auxílio de uma das mãos fez-se o bloqueio temporário do motor elétrico; 4º Em seguida foi-se liberando lentamente o motor para seu funcionamento normal. Os resultados observados nesse experimento foram anotados para posteriormente serem discutidos e analisados. 28 4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Após executado todos os experimentos e observado os resultados encontrados, procedeu-se a confrontação e comprovação das informações vistas na análise teórica. No primeiro experimento, após montar o dispositivo, percebeu-se que ao tocar o fio ligado ao pólo positivo com o cobre conectado entre os dois pregos grandes não houve nenhuma reação entre o motor e a lâmpada, ambos ficaram parados, entretanto, quando ligamos o interruptor vimos que tanto a lâmpada quanto o motor elétrico entraram em funcionamento. Foi observado também que mesmo estando com o interruptor ligado, quando o fio conectado ao pólo positivo da pilha não tocava no cobre, tanto motor quanto lâmpada parava repentinamente e restaurando o contado ambos voltavam a funcionar sem maior ou menor esforço. No segundo experimento, foi observado que ao manter o interruptor ligado e a conexão entre o fio do pólo positivo e o cobre entre os pregos grandes em contato permanente, ambos funcionavam sem maior ou menor esforço. Contudo, quando tentamos bloquear lentamente o movimento normal do motor elétrico, percebeu-se uma pequena redução da luminosidade da lâmpada, entretanto, esta continuou ligada. Figura 20 - Esquema do experimento 29 5. CONCLUSÃO A Figura 21 abaixo nos ajudará a compreender melhor os resultados que obtivemos nos dois experimentos. Figura 21 – Esquema do circuito elétrico em paralelo No primeiro experimento pudemos ver como cada integrante de um circuito elétrico funciona, o gerador representado pelo conjunto de pilhas fornece a corrente elétrica que anda através dos fios, feitos em material condutor, ou seja, que apresenta elétrons livres em seu interior, chegando até os dois receptores finais, lâmpada e o motor elétrico, que estão em circuito paralelo conforme a figura acima, lembrando que adotamos o sentido convencional da corrente visto no item 2.6, embora o sentido real seja o contrário. Percebemos também que o interruptor fez a sua função tal como havíamos observado na análise teórica, bloqueando o curso da corrente impedindo está de fluir através dos fios. Pudemos observar também que se por ventura cortássemos um fio do motor ou da lâmpada o outro continuaria funcionando normalmente em virtude do circuito ser em paralelo, que como havíamos estudado para interromper o fluxo de energia por completo é necessário que todos sejam bloqueados, tal como em circuitos em série. 30 Já no segundo experimento percebemos algo interessante, vimos que mesmo bloqueando temporariamente o movimento do motor com uma das mãos, ou seja, não cortamos o fio, apenas bloqueamos o giro do motor, a lâmpada teve uma leve redução do seu brilho, e quando liberamos completamente o motor, a sua intensidade luminosa voltou ao normal. Esse pequeno fato comprovou itens vistos na análise teórica, onde se houver um circuito em paralelo em que haja a presença de um motor, ou seja, um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica e se este vier a ser bloqueado, a corrente que passa por ele passa a ser retida em seus filamentos sendo convertida em energia térmica, tal como fazemos quando bloqueamos as pás de um ventilador, seu motor esquenta rapidamente, ou seja, a corrente elétrica continua fluindo através do motor, entretanto, esta gerando calor e não movimento. A explicação do fato da redução da luminosidade da lâmpada se baseia neste raciocínio, ou seja, a corrente que passa pelo circuito não vai ser totalmentedirecionada para a lâmpada aumentando seu brilho como havíamos pensado em face do bloqueio do motor, isso ocorre em virtude do motor ainda está recebendo energia e acumulando está em forma de calor, portanto, os elétrons livres dos fios tendem a ir para locais com maior intensidade de cargas, daí o fato da lâmpada ter seu brilho reduzido. Logo, os dois experimentos, embora muito simples, mas foram suficientes para observar alguns princípios básicos da eletricidade e podermos compreender melhor o seu funcionamento na prática, aliando-se esta com a teoria vista em sala. 31 BIBLIOGRAFIA Ramalho, Nicolau e Toledo. Os Fundamentos da Física, Vol. 03, 7ª Ed. Editora Moderna; Antônio Máximo e Beatriz Alvarenga. Física (Ensino Médio), Vol.03, 1ª Ed. Editora Scipione; Helou, Gualter e Newton. Tópicos de Física, Vol. 03, 16ª Ed. Editora Saraiva; Serway, Raymond A. and Jewett Jr., John W. Princípios de Física, volume 3. Pioneira Thomson Learning, São Paulo, 2004.
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