Apostila Mecatronica final

Apostila Mecatronica final


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valência estranhos. Nesse caso, o número de elétrons não coincide mais com o número de prótons,
isso é, obtêm-se átomos com cargas elétricas positivas ou negativas, cujas ações se manifestam
externamente.
Os átomos com cargas elétricas positivas ou negativas denominam-se íons. Os átomos que
apresentam falta de elétrons chamam-se íons positivos ou cátions. Em tubos preenchidos com
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gases condutores de eletricidade e nos líquidos condutores (eletrólitos), os íons assumem a respon-
sabilidade do transporte das cargas elétricas.
LIGAÇÃO IÔNICA
Como já é conhecido, os átomos de gases nobres não reagem quimicamente. Eles são está-
veis, isso é, apresentam 8 elétrons de valência nas suas camadas externas. O hélio constitui uma
exceção. Ele possui apenas a camada K completa, com 2 elétrons de valência. Os átomos de outros
elementos possuem a tendência de formar, a partir de suas camadas externas, camadas iguais
àquelas dos gases nobres, onde recebem ou perdem elétrons.
Os dois átomos podem atingir o assim chamado caráter de gás nobre, onde a camada M do
átomo de sódio entrega o seu elétron para a camada M do átomo de cloro. Agora, a camada L de
sódio e a camada M de cloro possuem 8 elétrons. Nisso, obtém-se dois átomos carregados eletri-
camente, ou seja, um átomo com carga positiva de sódio (Na+) e um átomo com carga negativa de
cloro (Cl -). Os íons positivos e negativos atraem-se e formam um composto químico. No exemplo: Na+
e Cl - = NaCl (sal de cozinha). A molécula é eletricamente neutra, apesar dos átomos não o serem.
A ligação iônica, também chamada ligação polar, acontece por causa da ação de atração
entre dois íons de cargas opostas. Esse tipo de ligação é comum entre metais e não metais.
LIGAÇÃO ATÔMICA (LIGAÇÃO COVALENTE)
A ligação iônica torna-se impossível quando, por exemplo, dois átomos de hidrogênio ou dois
átomos de cloro formam uma molécula. A ligação é conseguida à custa do fato de que os elétrons de
valência, aos pares, envolvem os átomos vizinhos. Nisso, eles pertencem aos dois átomos. Cada
átomo permanece neutro. A ligação atômica (formação de pares de elétrons) é comum entre áto-
mos de não metais. O mesmo tipo de ligação ocorre também nos cristais semicondutores de silício
e germânio.
LIGAÇÃO METÁLICA
Sobre a superfície de, por exemplo, um pedaço de cobre, e sobre superfícies metálicas lisas
atacadas, pode-se reconhecer que os metais apresentam uma estrutura cristalina. Portanto, os
átomos devem estar ordenados numa grade cristalina. Sendo que os átomos dos metais apresen-
tam poucos elétrons de valência, torna-se impossível numa estrutura estável por meio de ligações
iônicas e atômicas. Um estado estável somente é possível quando cada átomo perder seus elétrons
de valência.
Essa separação é possível através do movimento browniano. Tão logo a temperatura suba
acima do zero absoluto (OK, em escala Kelvin), a grade cristalina passa a mover-se. Os diversos
núcleos atômicos oscilam tanto mais longe do seu lugar, quanto mais a temperatura subir. Nas
temperaturas muito elevadas, os núcleos dos átomos oscilam tão fortemente que o material passa
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a emitir ondas de luz, isso é, torna-se incandescente. No caso de bons condutores elétricos, já na
temperatura ambiente todos os elétrons de valência estão livres. Nos semicondutores, é necessá-
ria uma temperatura mais elevada.
Os íons positivos remanescentes constituem a grade cristalina. Na grade eles estão fixos aos
seus respectivos lugares. Por exemplo: um cristal de cobre é um cubo de cobre em cujos vértices e
centro das faces encontram-se ainda os elétrons de valência, muito móveis e não mais pertencen-
tes a nenhum íon determinado. Eles se movem irregularmente como uma nuvem de elétrons, ou
gás eletrônico, entre os íons. Os elétrons livres são empurrados para lá e para cá pela grade
cristalina oscilante. Eles percorrem trajetórias irregulares, em ziguezague, com grande velocidade
(aproximadamente 100Km/s) e grandes distâncias. O mesmo pode ser dito para todos os metais.
PADRÕES ELÉTRICOS E CONVENÇÕES
Em eletricidade usa-se o sistema métrico internacional de unidades conhecido comumente
por SI. A abreviação SI, assim usada também em inglês, decorre das palavras systeme internationale.
As sete unidades básicas do SI são: comprimento, massa, tempo, corrente elétrica, temperatura
termodinâmica, intensidade luminosa e quantidade de matéria (Tabela 1).
Antigamente usava-se o sistema métrico MKS, onde M representava o metro (comprimen-
to), K representava o quilograma (massa) e S representava o segundo (tempo). As duas unidades
suplementares do SI são o ângulo plano e o ângulo sólido (Tabela 2).
TABELA 1
GRANDEZA UNIDADE FUNDAMENTAL SÍMBOLO
Comprimento metro m
Massa quilograma Kg
Tempo segundo s
Corrente elétrica ampère A
Temperatura termodinâmica kelvin K
Intensidade luminosa candela cd
Quantidade de matéria mole mol
TABELA 2
GRANDEZA UNIDADE FUNDAMENTAL SÍMBOLO
ângulo plano radiano rad
ângulo sólido estereorradiano sr
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Outras unidades usuais podem ser deduzidas a partir das unidades fundamentais e das uni-
dades suplementares. Por exemplo, a unidade de carga é o Coulomb, símbolo C, homenagem a
Coulomb, físico francês (1736-1806), que é deduzida a partir das unidades fundamentais segundo
e Ampere.
Ampere é a unidade fundamental da corrente elétrica, símbolo A, de Ampêre, físico francês
(1755-1836).
A maioria das unidades utilizadas em eletricidade é do tipo unidade derivada.
TABELA 3
GRANDEZA UNIDADE SÍMBOLO
Energia joule J
Força newton N
Potência watt W
Carga elétrica coulomb C
Potencial elétrico volt V
Resistência elétrica ohm \u3a9\u3a9\u3a9\u3a9\u3a9
Condutância elétrica siemens S
Capacitância elétrica farad F
Indutância elétrica henry H
Freqüencia elétrica hertz Hz
Fluxo magnético weber Wb
Densidade de Fluxo magnético tesla T
PREFIXOS MÉTRICOS
No estudo da eletricidade básica, algumas unidades elétricas são pequenas de-
mais ou grandes demais para serem expressas convenientemente. Por exemplo, no caso
da resistência, freqüentemente utilizamos valores em milhões ou milhares de ohms (\u3a9\u3a9\u3a9\u3a9\u3a9).
O prefixo kilo (designado pela letra K) mostrou-se uma forma conveniente de se repre-
sentar mil. Assim, em vez de se dizer que um resistor tem um valor de 10.000 \u3a9, nor-
malmente nos referimos a ele como um resistor de 10 Kilohms (10 K\u3a9\u3a9\u3a9\u3a9\u3a9 ). No caso da
corrente, freqüentemente utilizamos valores de milésimos ou milionésimos de Ampere.
Utilizamos então expressões como miliamperes e microamperes. O prefixo mili é uma
forma abreviada de se escrever milésimos e miero é uma abreviação para milionésimos.
Assim, 0,012 A toma-se 12 miliamperes (mA) e 0,000005 A toma-se 5 microamperes
(\u3bcA). A tabela 4 relaciona os prefixos métricos usados mais freqüentemente em eletrici-
dade com a sua equivalência numérica.
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TABELA 4
PREFIXO SÍMBOLO VALOR
mega M 1.000.000
kilo k 1.000
mili m 0,001
micro \u3bc\u3bc\u3bc\u3bc\u3bc 0,000001
nano n 0,000000001
pico p 0,000000000001
Exemplo: um resistor tem um valor de 10 M estampado no seu invólucro. Quantos ohms de
resistência têm esse resistor?
A letra M representa mega ou milhões. Logo, o resistor tem um valor de 10 megohms (Mil)
ou de 10 milhões de ohms.
CARGAS ELÉTRICAS
Para obtermos um movimento resultante de sentido definido, embora com o movimento
individual dos elétrons desordenados, é necessária a aplicação de uma tensão elétrica, grandeza
que definiremos adiante.
Coulomb, em seus estudos de física, verificou que entre duas cargas elétricas existia uma força
de atração ou repulsão devido à existência de um Campo Elétrico. Ao colocarmos uma carga elétrica
imersa em um Campo Elétrico, nessa carga aparecerá uma força eletrostática; demanda-se certo
trabalho.