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Graduação em Engenharia Civil ELETROTÉCNICA (ENE078) PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES E-mail: ricardo.henriques@ufjf.edu.br Aula Número: 04 UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Revisão Aula Anterior... • Revisão da aula 3 - Revisão Básica de Eletrostática Eletrostática: estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso Átomos: possuem cargas positivas (prótons) e negativas (elétrons) Submetidos à calor, luz ou energia elétrica, os elétrons podem deixar o átomo, se tornando elétrons livres Quando átomo ganha elétrons na última camada: íon negativo Quanto átomo perde elétrons na última camada: íon positivo Um corpo com déficit de elétrons tem carga positiva (+) e um corpo com excesso de elétrons tem carga negativa (-) Entre cargas positivas ou entre cargas negativas: repulsão Entre cargas negativas e positivas: atração 2 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Revisão Aula Anterior... • Revisão da aula 3 - Revisão Básica de Eletrostática Lei de Coulomb: Força elétrica existente entre duas cargas q1 e q2 Campo elétrico: a partir da lei de Coulomb, pode-se determinar um campo de força originado por uma carga Q, que gera uma força sobre uma carga de prova q Potencial Elétrico A energia potencial elétrica W por unidade de carga é denominada potencial elétrico (ou tensão) V. Em um campo elétrico, volt (V) é quando se gasta 1 joule (J) para deslocar uma carga de 1 coulomb (C), de uma posição x para uma posição y. 3 Onde: F = Força elétrica E = Campo elétrico (N/C ou V/m) q = carga submetida a força F Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Revisão Aula Anterior... • Revisão da aula 3 - Revisão Básica de Eletrostática Em um campo elétrico uniforme: Superfície equipotencial devido a Q Mesmo valor de potencial A d.d.p. em um campo elétrico independe da trajetória escolhida (exercício 4) 4 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • MATERIAIS CONDUTORES E ISOLANTES Em determinados átomos, a força de atração entre núcleo e elétrons das órbitas mais externas é muito fraca. Esses elétrons podem se libertar facilmente dos átomos e por isso são chamados de elétrons livres. Material condutor: possui grande quantidade de elétrons livres, gastando-se pouca energia para colocá-los em movimento. Exemplos: ouro, prata, cobre, alumínio, zinco, ferro etc. Bons condutores: materiais que possuem apenas um elétron na camada de valência Isolantes: é preciso gastar muito mais energia para libertar os elétrons das órbitas externas dos átomos. Exemplos: vidro, mica, papel, madeira, plásticos. 5 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • MATERIAIS CONDUTORES E ISOLANTES Isolantes: Materiais que possuem poucos elétrons livres, sendo necessária a aplicação de uma tensão muito elevada para que eles sejam percorridos por uma corrente mensurável Rigidez dielétrica valor do campo elétrico a ser aplicado de forma a romper a isolação Aplicação: encapamento de fios condutores • MATERIAIS SEMICONDUTORES Grupo de materiais intermediário Possuem quatro elétrons na camada de valência Grande aplicação na indústria eletrônica Fabricação de circuitos integrados Exemplos: silício, germânio, arseneto de gálio 6 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Materias Condutores - Átomo de cobre Camada mais exterior camada de valência Aplicação de força externa que liberte este elétron do átomo Elétron livre Movimento de elétrons corrente elétrica 1 cm3 de cobre 9 x 1022 elétrons livres 7 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Elétrons livres Partículas carregadas responsáveis pela corrente elétrica em um condutor Na ausência de um campo elétrico externo, ou seja, quando não há força externa, o movimento de elétrons livres em um condutor é aleatório Fluxo de carga líquida em um condutor é nulo em qualquer direção • Corrente A imposição de um campo elétrico externo produz um fluxo ordenado de elétrons no condutor Assim, um circuito elétrico pode ser entendido como um duto que facilita a transferência de elétrons de um ponto a outro 8 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Eletrodinâmica Definição: É a parte da eletricidade que estuda as cargas em movimento. • Corrente elétrica Definição: É o fluxo (movimento) ordenado de partículas portadoras de carga elétrica, provocado por um desequilíbrio elétrico (tensão elétrica ou ddp). 9 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Corrente elétrica: Na pilha, o pólo positivo estabelece um campo elétrico que atrai elétrons livres da extremidade do fio a que está ligado, enquanto no pólo negativo, um campo elétrico repele elétrons na outra extremidade do fio. No interior do condutor, o campo elétrico força os elétrons a se deslocarem de átomo para átomo. Ao avançar para o átomo vizinho, o elétron repele e substitui outro elétron ali. Esse processo se repete em átomos próximos, estabelecendo um fluxo de elétrons em todo o condutor, na direção do pólo positivo da pilha. O movimento dos elétrons no condutor será contínuo enquanto o fio condutor permanecer ligado aos terminais da pilha. 10 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • A taxa de transferência de elétrons define a intensidade da corrente elétrica, ou seja, i(t) corrente elétrica. Unidade de medida: No S.I a carga Q(t) é medida em coulomb [C], o tempo em segundos [s]. Então, a corrente elétrica que representa a carga total que atravessa uma dada seção transversal de um condutor (fio) é medida em Ampére [A]. • Apesar da corrente elétrica estar relacionada com o fluxo de elétrons, anteriormente acreditava-se que o fluxo era de carga positivas Sentido convencional Sentido eletrônico 11 dQ t i t A dt Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Sentido da Corrente elétrica Por volta de 1830, a corrente elétrica era o resultado do movimento de determinadas partículas da matéria que percorriam os condutores. Foi estabelecido um sentido para a mesma. Em 1897, descobriu-se que eram os elétrons que produziam os efeitos atribuídos àquelas partículas. Entretanto, o sentido de movimento dos elétrons não era o mesmo que havia sido convencionado para a corrente elétrica. Não houve acordo entre os cientistas, quanto a mudar o sentido da corrente até então adotado. Quando o sentido da corrente elétrica é considerado igual ao do movimento dos elétrons, seu sentido é eletrônico ou real. Quando é oposto ao do movimento dos elétrons, o sentido é convencional. 12 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUESCorrente elétrica e Lei de Ohm • Corrente elétrica – Sentido Convencional Cargas do pólo positivo para o pólo negativo (comumente utilizado) • Corrente elétrica – Sentido Eletrônico Cargas do pólo negativo para o pólo positivo Representação do fenômeno físico, porém pouco utilizada 13 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Corrente elétrica – Exemplo 1 No fio da figura abaixo, os elétrons estão se movendo da esquerda para a direita para criar uma corrente elétrica cujo módulo é de 1mA. Determine I1 e I2. 14 I1 I2 Resposta: I1 = -1mA e I2 = +1mA Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tipos de Corrente elétrica Corrente contínua: mantém seu valor constante enquanto o tempo decorre. Sai sempre do mesmo terminal da fonte. corrente alternada: seu valor e sentido variam periodicamente, no decorrer do tempo, saindo ora de um terminal, ora de outro terminal da fonte. 15 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tipos de Corrente elétrica 16 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Uso de corrente contínua Baterias Automóveis Transmissão de energia Elos CC (ITAIPU, Usinas do Rio Madeira, Usina de Belo Monte) • Uso de corrente alternada Geração de energia Transmissão de energia Distribuição de energia 17 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica Definição: A tensão é uma medida da energia por unidade de carga envolvida no transporte de uma carga elementar entre dois pontos de um campo elétrico. Unidade de medida: No S.I a energia é medida Joules [J], o a carga elétrica em Coulomb [C]. Então, a tensão elétrica que representa a energia por unidade de carga será medida em Volts [V]. 18 Para a corrente (i) da figura ao lado fluir de A até B é necessário que haja uma energia fornecida. Dessa forma, deve existir uma tensão, ou ddp, entre A e B (V). Dimensionalmente Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica Definição complementar: É um equipamento que fornece uma tensão v(t) independente de quaisquer ligações externas. 19 Circuito Elétrico Equivalente Tipos: Fonte CC Fonte CA Exemplo: baterias (fontes CC) e geradores (fontes CA). Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica Contínua ou Alternada 20 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica – Fontes de Corrente Contínua • Baterias Combinação de duas ou mais células, onde cada célula corresponde a uma unidade fundamental de produção de energia elétrica Conversão de energia química Conversão de energia solar Podem ser classificadas em células primárias e secundárias Células primárias Não podem ser recarregadas, visto que a reação química que ocorre no seu interior não pode ser revertida Células secundárias Recarregáveis Chumbo-ácido veículos Níquel-cádmio calculadoras, flashes 21 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica – Fontes de Corrente Contínua • Baterias – Células Primárias Reação química não pode ser revertida 22 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica – Fontes de Corrente Contínua • Baterias – Células Secundárias Reação química pode ser revertida aplicando-se uma corrente CC no sentido oposto ao oferecido pela bateria. 23 Chumbo-ácido Níquel-Cádmio Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica – Fontes de Corrente Contínua 24 Níquel-hidreto metálico (Ni-HM) Placa Solar Células fotovoltaicas Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica – Fontes de Corrente Contínua • Baterias Células químicas Estabelecem uma diferença de potencial entre seus terminais à custa de energia química Eletrodos positivo e negativo Eletrólito Substância química que completa o circuito entre os eletrodos Fonte de íons para a condução de corrente entre os terminais • Geradores CC Máquinas girantes que sofrem um processo chamado de RETIFICAÇÃO Serão estudadas oportunamente mais a frente neste curso 25 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica – Fontes de Corrente Contínua • Baterias 26 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Tensão Elétrica – Fontes de Corrente Contínua • Baterias Circuito elétrico de uma bateria E tensão nominal da bateria Rint resistência interna IL corrente drenada pela carga, representada pela resistência RL 27 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • Uma diferença de potencial estabelece o movimento de elétrons através de um material. No entanto, o fluxo de elétrons cessa quando a d.d.p. é retirada. • Existe, então, algo no material que oferece resistência ao movimento dos elétrons, como uma oposição à passagem da corrente elétrica. • Essa oposição depende da quantidade de elétrons livres de que o material dispõe em sua estrutura. Nos materiais condutores, há pouca oposição à passagem da corrente elétrica; nos isolantes, a oposição é considerável. 28 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • Essa oposição é chamada de resistência elétrica. • A resistência elétrica de um material depende: da natureza do material: cada material tem uma constituição diferente quanto à organização dos átomos em sua estrutura. Um fio de cobre e um de níquel- cromo com as mesmas características geométricas têm resistências diferentes. Este fator é levado em conta através da resistividade do material. 29 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • A resistência elétrica de um material depende: da área de seção transversal: a corrente elétrica pode ser comparada ao fluxo de água em um cano: se o cano for mais grosso, a água flui com maior facilidade, mantida a pressão. A resistência de um material diminui quando a área de sua seção aumenta. Portanto, a resistência é inversamente proporcional à área de seção transversal do material. 30 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • A resistênciaelétrica de um material depende: do comprimento: no mesmo material, com área de seção transversal constante, a resistência total é diretamente proporcional ao seu comprimento: da temperatura: a variação da temperatura altera a energia disponível na estrutura do material. Por exemplo, nos metais, o aumento da energia térmica tende a dificultar o movimento dos elétrons livres. Os efeitos da temperatura são geralmente pequenos em comparação com os outros fatores mencionados. 31 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • Oposição ao fluxo de elétrons em um dado condutor (símbolo) • A resistência de qualquer material de seção reta uniforme é determinada por quatro fatores Composição Comprimento Área da seção reta Temperatura 32 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • resistividade do material, relacionada com a temperatura [cm] • l comprimento do condutor [cm] • A área da seção reta [cm2] 33 l R A Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • Efeito da temperatura Condutores Maior a energia térmica, maior a vibração dos elétrons no interior do material Maior dificuldade no fluxo de corrente Aumento na temperatura aumento na resistência Coeficiente de temperatura positivo Semicondutores e isolantes Maior a energia térmica, maior o número de elétrons livres Aumento no fluxo de corrente Aumento na temperatura redução na resistência Coeficiente de temperatura negativo 34 Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 35 • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • Efeito da temperatura nom coeficiente de temperatura nominal da resistência Tnom temperatura para a qual foi estimado nom Rnom valor nominal da resistência, definido pelo fabricante R valor atual da resistência à temperatura T 1 1nom nom nom nom nomlR T T R T TA Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 36 • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • Efeito da temperatura Exemplo: Seja um resistor de 1 [k], cujo coeficiente de temperatura a 20 [C] é 0,00393 [C-1]. Calcule o valor da resistência do resistor a 45 [C]. 3 1 1 10 1 0,00393 45 20 1098,25 1,1 nom nom nom R R T T R R k Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 37 • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • O componente resistor nos circuitos elétricos possui um código de cores, que representa os valores dos resistores Resistor Fixo (2,7Ω a 22MΩ) Resistor Variável Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 38 • RESISTÊNCIA ELÉTRICA • Definição: Um resistor é um dispositivo elétrico que transforma energia elétrica, exclusivamente, em energia térmica ou luz através de sua resistência elétrica. Chuveiro Torradeira Forno elétrico Aquecedor Lâmpada incandescente Circuito Elétrico Equivalente ELEMENTOS COM CARACTERÍSTICAS RESISTIVAS Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 39 • MODELO DE UM CIRCUITO ELÉTRICO • Circuito elétrico: é o caminho eletricamente completo, por onde circula ou pode circular uma corrente elétrica, quando se mantém uma d.d.p. em seus terminais. • Fonte de tensão: é o elemento do circuito elétrico que fornece uma tensão definida. • Uma lâmpada é representada por uma resistência acompanhada por seu respectivo valor numérico. Seu modelo, no circuito elétrico, é denominado resistor. Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 40 • MODELO DE UM CIRCUITO ELÉTRICO • Representação gráfica de uma fonte de tensão contínua, com indicação do terminal positivo e do negativo, resistor e circuito elétrico completo. + - V Notação mais utilizada Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 41 • MODELO DE UM CIRCUITO ELÉTRICO • As medidas podem ser expressas empregando múltiplos ou submúltiplos das unidades principais, conforme sua magnitude. Por exemplo, 2.000.000 W e 0,00005 A são quantidades apropriadamente expressas como 2 MW e 50 mA, respectivamente. Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 42 • LEI DE OHM • George Simon Ohm, ao estudar a relação entre a tensão (d.d.p.), a intensidade da corrente elétrica e a resistência elétrica, concluiu que: • A intensidade da corrente elétrica é diretamente proporcional à diferença de potencial a que está submetido o condutor e inversamente proporcional à resistência elétrica deste condutor. • Sob a forma de equação: V = R · I Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 43 • LEI DE OHM • em que: V: diferença de potencial, tensão ou força eletromotriz, em volts (V); R: resistência elétrica, em ohm (); I: intensidade da corrente elétrica, em ampère (A). Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 44 • LEI DE OHM – Exercício resolvido 1. Um chuveiro elétrico de resistência 6 está submetido a uma d.d.p. de 120 V. Qual a intensidade da corrente elétrica que flui pelo mesmo? Solução: Relacionar as grandezas conhecidas e a que se pretende determinar: R = 6 V = 120 V I = ? Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 45 • LEI DE OHM – Exercício resolvido 1. Um chuveiro elétrico de resistência 6 está submetido a uma d.d.p. de 120 V. Qual a intensidade da corrente elétrica que flui pelo mesmo? Solução: V = R · I 120 = 6 · I I = 20 A Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 46 • LEI DE OHM Representação gráfica da relação tensão x corrente • Polaridade O fluxo de corrente em uma resistência provoca uma queda de tensão no resistor Polaridade da tensão tem sentido inverso ao da corrente Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm 47 • LEI DE OHM – Exercício resolvido 2. Calcule a resistência de uma lâmpada de filamento de 60 [W] se quando aplicamos uma tensão de 120 [V] aos seus terminais ela é percorrida por uma corrente de 50 [mA] Solução: 3 120 240 50 10 V RI VV R I A Curso de “Eletrotécnica” – Aula Número: 04 – PROF. RICARDO MOTA HENRIQUES Corrente elétrica e Lei de Ohm • Alguma dúvida? E-mail:ricardo.henriques@ufjf.edu.br Sala: 4272, ao lado do R.U. Horário preferencial: 2ª e 4ª Feira pela manhã 48
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