Apostila Mecatronica final

Apostila Mecatronica final


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os elétrons livres encon-
tram pouca resistência no sentido de seu movimento ordenado. Essas subs-
tâncias \u201cconduzem\u201d a corrente elétrica. A essas pertencem: prata, cobre,
alumínio e aço. Nas ligas metálicas, os elétrons conseguem mover-se ape-
nas com dificuldade, pois os átomos dos diferentes metais intercalam-se.
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\u2022 Isolantes elétricos: são substâncias que possuem poucos elétrons livres.
Esses elétrons são tão poucos que o seu movimento pode ser constatado
apenas com grande dificuldade. Aos isolantes pertencem: borracha, PVC,
porcelana, etc. Por meio dos isolantes, os condutores elétricos podem ser
separados do meio no qual se encontram, ou como diz o técnico, podem ser
\u201cisolados\u201d. Eles cuidam para que a corrente elétrica não saia do caminho
pré-estabelecido. Nos condutores nus, essa tarefa é desempenhada pelo ar.
Isolantes ideais não possuem elétrons livres (p.ex: hélio ou hidrogênio em zero absoluto).
Também o espaço vazio (vácuo) é um isolante absoluto, pois ele não contém elétrons. Entretanto,
pode ser percorrido por elétrons que nele são injetados (válvulas eletrônicas, tubos de televisão, etc.).
Entre os condutores e os isolantes situam-se os semicondutores.
\u2022Semicondutores: são substâncias que no estado puro e em zero absoluto
de temperatura (-273,15ºC) são isolantes ideais; no estado puro e a 20ºC
são maus condutores. Aumentam a sua condutividade ao serem misturados
com outras substâncias, e com aumento de temperatura. A esse grupo per-
tencem: selênio, germânio e silício. Com eles fabricam-se retificadores, tran-
sistores, tirístores, etc.
CARGA ELÉTRICA
A grandeza elétrica mais elementar é a carga elétrica. Um dos primeiros fatos ao estudar-
mos os efeitos das cargas elétricas é que essas cargas são de dois tipos diferentes. Esses tipos são
arbitrariamente chamados positivos (+) e negativos (-). O elétron, por exemplo, é uma partícula
carregada negativamente. Um corpo descarregado possui o mesmo número de cargas positivas e
negativas. Um corpo está carregado positivamente quando existe uma deficiência de elétrons e
lima carga negativa significa um excesso de elétrons.
A carga elétrica é representada pela letra Q e medida em Coulombs (abreviado C). A carga de um
elétron é -1,6 x 10-19 C, ou seja, um Coulomb equivale à carga aproximada de 6,25 x 1018 elétrons.
Um dos efeitos mais significativos de uma carga elétrica é que ela pode produzir uma força.
Especificamente, uma carga repelirá outras cargas de mesmo sinal e atrairá cargas de sinal contrá-
rio como apresenta a figura abaixo. Deve-se notar que a força de atração ou de repulsão é sentida
de modo igual pelos dois corpos ou partículas carregados.
fig. 15 - Força entre cargas
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Existe uma região de influência em tomo de uma carga elétrica tal que uma força se tornará
tanto menor quanto mais afastada estiver a carga. Uma região de influência como essa é chamada
\u201ccampo\u201d. O campo estabelecido pela presença de cargas elétricas é chamado de Campo Elétrico E.
Quando as cargas elétricas estão em repouso, esse campo será chamado de Campo Eletrostático.
O Campo Elétrico pode ser representado por linhas de campo radiais orientadas e a sua
unidade é o Newton/Coulomb (N/C). Se a carga for positiva, o campo é divergente, isto é, as linhas
de campo saem da carga e,) se a carga for negativa, o campo é convergente, isto é, as linhas de
campo chegam à carga conforme mostra a figura 16.
fig. 16 - Linhas de campo.
Quando duas cargas de sinais contrários estão próximas, as linhas de campos convergem da
carga positiva para a carga negativa, conforme a figura 17. Em cargas próximas de mesmo sinal as
linhas de campo se repelem, figuras 18 e 19.
fig. 17 - Linhas de campo entre cargas de sinais contrários.
fig. 18 - Linhas de campo entre cargas positivas.
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fig. 19 - Linhas de Campo entre cargas negativas.
Quando duas placas paralelas são eletrizadas com cargas de sinais contrários, surge entre
elas um Campo Elétrico uniforme, caracterizado por linhas de campo paralelas.
Fig, 20 - Linhas de campo entre duas placas paralelas eletrizadas com cargas contrárias.
A expressão matemática do Campo Elétrico é dada por:
E=K.Q / d2
onde:
K = 9x109 N.m2 /C2 (no vácuo e no ar)
Q = módulo da carga elétrica, em Coulomb [C]
d = distância, em metro [m]
Uma carga Q colocada em um Campo Elétrico uniforme ficará sujeita a uma força F, cuja
unidade de medida é Newton (N) e cujo módulo é:
F = Q.E
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onde: Q = módulo da carga elétrica em Coulomb ( C )
E = módulo do Campo Elétrico em Newton/Coulomb (N/C)
A amplitude da força entre duas partículas carregadas é proporcional ao produto cargas e
inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Isto é, a força F entre duas partí-
culas carregadas com cargas Q I e Q2 é dada por:
 Q1..Q2
F = K _________
 d2
onde: d é a distância entre as cargas e k é uma constante que depende das unidades usadas
e do meio que envolve as cargas. Essa equação é conhecida como Lei de Coulomb ou Lei do
Inverso do Quadrado.
Força entre cargas de sinais contrários:
fig. 22
Força entre cargas de sinais iguais:
 
fig. 23
POTENCIAL ELÉTRICO
Dizer que uma carga elétrica fica sujeita a uma força quando está numa região submetida a
um Campo Elétrico, significa dizer que, em cada ponto dessa região, existe um potencial para a
realização de trabalho. O Potencial Elétrico (V) é expresso em Volts e é dado pela expressão:
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k .Q
V = ________
 d
O potencial elétrico é uma grandeza escalar, podendo ser positivo ou negativo, dependendo
do sinal da carga elétrica. Pela expressão acima, podemos verificar que o potencial em uma super-
fície onde todos os pontos estão a uma mesma distância da carga geradora, possui sempre o
mesmo valor. Essas superfícies são denominadas de superfícies equipotenciais.
fig. 25 - Superfícies equipotenciais.
CORRENTE ELÉTRICA
Usualmente estamos mais interessados em cargas em movimento do que cargas em repou-
so, devido à transferência de energia que pode estar associada às cargas móveis. Estamos particu-
larmente interessados nos casos em que o movimento de cargas esteja confinado a um caminho
definido formado de materiais como cobre, alumínio, etc., devido a serem bons condutores de
eletricidade. Em contraste, podemos utilizar materiais mal condutores de eletricidade chamados de
isoladores, para confinar a eletricidade a caminhos específicos formando barreiras que evitam a
fuga das cargas elétrica. Os caminhos por onde circulam as cargas elétricas são chamados de
circuitos.
Aplicando uma diferença de potencial num condutor metálico, os seus elétrons livres movi-
mentam-se de forma ordenada no sentido contrário ao do Campo Elétrico. O movimento da carga
elétrica é chamado de corrente elétrica. A intensidade I da corrente elétrica é a medida da quanti-
dade de carga elétrica Q (em Coulombs) que atravessa a seção transversal de um condutor por
unidade de tempo t (em segundos). A corrente tem um valor constante dado pela expressão:
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carga em coulombs Q
I = ______________________________ = ____
tempo t
A unidade de corrente é o A (Ampere). Existe 1 Ampere de corrente quando as cargas fluem
na razão de 1 Coulomb por segundo. Devemos especificar tanto a intensidade quanto o sentido da
corrente.
Exemplo: Se a carga que passa pela lâmpada do circuito da figura 21 é de 14 Coulombs por
segundo, qual será a corrente:
Q 14 coulombs
I = ____ = ___________________ = 14A
t 1 segundo
Em uma corrente contínua, o fluxo de cargas é unidirecional para o período de tempo em
consideração. A figura 18, por exemplo, mostra o gráfico de uma corrente contínua em função do
tempo; mais especificamente,