Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Eletricidade II Página 3 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Quando uma torneira é aberta, a água escorre para a pia. O movimento da água através do cano é devido à diferença de altura entre a caixa d′água e a torneira. Óbvio, não acha? Isto é assunto para a hidrodinâmica, porém, algo parecido ocorre na eletricidade. Conceito de Corrente Elétrica Como todos sabem, existem três estados da matéria: o sólido, o líquido e o gasoso. Aliás, existe um quarto estado, o plasma, que é raro, somente encontrado em altas temperatu- ras e só foi descoberto há pouco tempo. Embora existam substâncias condutoras de eletricidade nestes três estados mais co- muns o interesse maior deste estudo recai sobre os condutores sólidos metálicos. Nos materiais sólidos metálicos existem muitos elétrons fracamente ligados ao núcleo que se libertam de suas órbitas apenas pela ação da energia térmica a temperatura ambiente, tornando-se elétrons livres, e que movimentam-se aleatoriamente pelo condutor, como mostra a figura 4.1. Figura 4.1 – Movimento Aleatório dos Elétrons Livres num condutor Sólido Metálico Exemplo: Aplicando-se uma diferença de potencial ou tensão entre dois pontos deste condutor, surge dentro dele um campo elétrico. Em um centímetro cúbico de cobre, existem aproximadamente 1024 átomos. Se apenas um de cada cem átomos liberar um elétron a temperatura ambiente, neste centí- metro cúbico existirão 1022 elétrons livres, ou seja, 10.000.000.000.000.000.000.000 elétrons livres movimentando-se aleatoriamente pelo cobre. Átomos do Condutor Elétrons Livres 4.1 – Corrente Elétrica Eletricidade II Página 4 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Corrente Elétrica Genericamente, define-se corrente elétrica como sendo o movimento ordenado de car- gás elétricas, positivas ou negativas, no interior de um condutor qualquer, devido à ação de um campo elétrico. No caso dos condutores sólidos metálicos, a definição fica como segue: Figura 4.2 – Corrente Elétrica num Condutor Sólido Metálico A corrente elétrica nos condutores sólidos metálicos, devido ao movimento dos elétrons livres num único sentido, é chamada de corrente de condução. Nas substâncias condutoras líqüidas (eletrólitos) e gasosas, as cargas elétricas são íons. Assim aplicando-se uma diferença de potencial entre dois pontos destes condutores, os íons po- sitivos movimentam-se ordenadamente no sentido do campo elétrico e os íons negativos no sentido oposto. A corrente elétrica nos condutores líqüidos e gasosos, devido ao movimento de íons nos dois sentidos, é chamada de corrente de convecção. OBSERVAÇÃO: •••• Como nosso interesse maior está nos condutores sólidos metálicos, os mesmos serão denominados, daqui em diante, apenas por condutores, salvo observação em contrário. Mas, como se aplica uma diferença de potencial num condutor e para onde vão os elétrons quando o condutor acaba? O exemplo a seguir, pode responder a estas duas perguntas. Corrente Elétrica nos Condutores Sólidos Metálicos É o movimento ordenado dos elétrons livres no sentido contrário ao do campo elé- trico, ou seja, do potencial menor para o maior. Corrente de Elétrons VA VB VA > VB ddp = VA - VB E Eletricidade II Página 5 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Exemplo Portanto, só existe corrente elétrica se houver uma diferença de potencial (tensão) entre dois pontos do condutor e um caminho fechado para ela circular. Este caminho fechado é chamado de circuito elétrico. Sentido Convencional da Corrente Elétrica Os primeiros estudos sobre corrente elétrica foram feitos nos gases e nos líqüidos e, por isso,o sentido adotado convencionalmente baseia-se neles. Como nos condutores gasosos e líqüidos o movimento de cargas elétricas livres ocorre nos dois sentidos, por convenção, adotou-se que o sentido da corrente elétrica deve ser o mes- mo do deslocamento das cargas positivas, ou seja, o mesmo sentido do campo elétrico que deu origem e mantém este movimento. Porém, nos condutores sólidos metálicos, só existe movimento de cargas negativas num único sentido. Assim, adaptando-se a convenção, tem-se: Uma pilha de ação química é a fonte de alimentação de uma lâmpada. Ela fornece uma diferença de potencial elétrico que faz com que os elétrons livres do fio de cobre e do fila- mento da lâmpada sejam repelidos pelo pólo negativo, atravessem a lâmpada, e sejam atraí- dos pelo pólo positivo da pilha, sob a ação do campo elétrico. Assim, os elétrons livres cir- culam continuamente pelo fio e pela lâmpada, mantendo-a acesa. Figura 4.3 – Como Circula a Corrente Elétrica Sentido Convencional da Corrente Elétrica A corrente elétrica convencional tem o sentido oposto ao do deslocamento dos elé- trons livres, ou seja, o mesmo sentido do campo elétrico, indo do potencial maior para o menor. Pi lh a Pólo Positivo Pólo Negativo ddp ou tensão Eletricidade II Página 6 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Mas, como Einstein dizia: Tudo é relativo! Portanto, pode-se entender que, ao invés de elétrons se moverem num determinado sen- tido, é como se cargas positivas imaginárias se movessem no sentido oposto. Figura 4.4 – Sentido da Corrente Elétrica Convencional A vantagem desta convenção está no fato de que, tanto no cálculo da intensidade da corrente elétrica como na resolução de circuitos, salvo algumas condições específicas, os valores numéricos serão positivos. Intensidade de Corrente Elétrica O movimento ordenado das cargas elétricas pode ser mais rápido ou mais lento em re- lação a um determinado intervalo de tempo, isto é, mais intenso ou menos intenso. A figura 4.5 ilustra a definição de intensidade da corrente elétrica: Intensidade da Corrente Elétrica A intensidade da corrente elétrica I é a quantidade de cargas elétricas ∆Q que atravessa a seção transversal de um condutor num intervalo de tempo ∆t. t QI ∆ ∆ = Corrente Elétrica Convencional VA VB VA > VBddp = VA - VB E Eletricidade II Página 7 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Figura 4.5 – Intensidade da Corrente Elétrica No SI, a unidade de carga elétrica é o Coulomb C e a de tempo é o segundo (s). Por- tanto, a unidade de corrente elétrica é C/s, também denominada Ampére (A), em homenagem a este cientista que estudou os efeitos da corrente elétrica. Os submúltiplos e múltiplos mais usuais para corrente elétrica são: Submúltiplos Unidade Valor picoampére pA 10-12 A nanoampére nA 10-9 A microampére µA 10-6 A miliampére mA 10- 3 A Múltiplo Unidade Valor quiloampére kA 103 A b) Num condutor, a corrente elétrica é de 500µA. Qual o tempo necessário para que uma car- ga de 5mC atravesse sua seção transversal? Tem-se: I = 500µA = 500x10 –6 A e ∆Q = 5mC = 5x10 –3 C Portanto: ∆t = ∆Q ⇒ ∆t = 5x10 –3 = 10s I 500x10 -6 Ex.: a) A seção transversal de um condutor é é atravessado por uma carga de 0,5C em 2s. Qual a intensidade da corrente elétrica neste condutor? Tem-se: ∆Q = 0,5C e ∆t = 2s Portanto: I = ∆Q ⇒ I = 0,5 ⇒ I = 0,25A ou I=250mA ∆t 2 Corrente Elétrica Convencional VA VB VA > VB ddp = VA - VB Seção Transversal Eletricidade II Página 8 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica c) Num condutor , tem-se uma corrente elétrica de 50mA. Qual a carga elétrica e quan- tos elétrons passam por sua secão transversal a cada 3ms? Tem-se: I = 50ma = 50x10–3 A e ∆t = 3ms = 3x10–3 s Portanto: ∆Q = I . ∆t ⇒ ∆Q = 50x10–3 x 3x10–3 ⇒ ∆Q = 150x10–6 C = 150µC Como ∆Q é a carga total que atravessa o condutor, e cada elétron tem uma carga ( em módulo) de 1,6x10-19C, dividindo-se a carga total pela carga de cada elétron, tem-se o número (n) de elétrons: 14 19 6 10375,9 106,1 10150 ×= × × = ∆ = − − eq Q n Ou seja, um total de 937.500.000.000.000 elétrons passam pela seção transversal deste condutor a cada 3ms. Analogia entre Eletricidade e Hidráulica: Condutor Elétrico (Fio).......................................... Condutor Hidráulico (Cano) Elétrons................................................................... Água Diferença de Potencial Elétrico (Tensão)............... Diferença de Potencial Gravitacional (Altura) Campo Elétrico........................................................ Campo Gravitacional Corrente Elétrica Convencional.............................. Fluxo de Água (do potencial maior para o menor) (da altura maior para a menor) Intensidade de Corrente Elétrica............................. Vazão (quantidade de Cargas/Tempo (Volume de Água/Tempo) Fonte de Tensão........................................................... Bomba Hidráulica Corrente Contínua e Alternada Até este momento, estudou-se a corrente elétrica de forma genérica. Mas o movimento ordenado das cargas elétricas pode se dar de várias formas, dentre as quais, as mais importantes são: Eletricidade II Página 9 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Corrente Contínua – CC A corrente contínua caracteriza-se pelo fato de fluir sempre num único sentido, em função da tensão aplicada ao condutor ter sempre a mesma polaridade. Se esta tensão for cons- tante, a corrente gerada também será, como mostra o gráfico da figura 4.6. Figura 4.6 – Gráfico da Corrente Contínua Constante Exemplo: Corrente fornecida por uma bateria de automóvel, cuja intensidade depende de quantos e quais circuitos a bateria está alimentando. Corrente Alternada – CA A corrente alternada caracteriza-se pelo fato de fluir ora num sentido, ora no sentido inverso, em função da tensão aplicada ao condutor inverter sua polaridade periodicamente. A corrente alternada mais importante é a senoidal, como mostra o gráfico da figura 4.7. Figura 4.7 – Gráfico da Corrente Alternada Senoidal Exemplo: A corrente fornecida pela rede elétrica é alternada, com forma senoidal e tem uma fre- quência de oscilação de 60 ciclos por segundo (60 Hertz). Isto significa que um condutor ligado nos pólos da rede faz com que a corrente elétrica circule alternadamente 60 vezes em cada senti- do e a cada segundo. I I(A) t i(A) Imáx Imin t Eletricidade II Página 10 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica O amperímetro é o instrumento utilizado para se fazer a medida da intensidade da corrente elétrica. Os símbolos elétricos utilizados para representar os amperímetros de corren- tes contínuas e alternada estão na figura 4.8. Amperímetro ( CC ) Amperímetro ( CA ) Figura 4.8 – Símbolos Elétricos dos Amperímetros Um amperímetro possui normalmente várias escalas de correntes contínua e alternada, que permitem seu ajuste para medidas com a máxima precisão possível. A figura 4.9 representa o seletor de escalas de um amperímetro. Figura 4.9 – Seletor de Escalas de um Amperímetro Como a corrente elétrica passa através dos condutores ou dos dispositivos ligados a eles, para a sua medida é preciso fazer a corrente passar também através do amperímetro. Assim, é necessário abrir o circuito no local da medida e ligar o amperímetro em série. 4.2 - Amperímetro 200µA = 2mA = 20mA = 200mA = 2A = Eletricidade II Página 11 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica IMPORTANTE: •••• Na medição de corrente contínua, deve-se ligar o amperímetro com seu pólo positivo (+) no ponto de entrada da corrente convencional, para que a deflexão do ponteiro seja para a direita, como mostrou a figura 4.10. Exemplo: Um amperímetro possui as seguintes escalas para CC e CA: 200µA, 20mA, 200mAe 2A. Quais escalas medem com maior precisão as correntes: 150µA – CC, 12mA–CA, 500mA–CC, 65mA–CA e 1,5A–CC? Corrente a ser medida Melhor escala 150µA– CC 200µA–CC 12mA– CA 20mA–CA 500mA– CC2A–CC 65mA– CA 200mA–CA 1,5A– CC 2A–CC Eletricidade II Página 12 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Galvanômetro de bobina móvel Figura 4. 11 - Galvanômetro de bobina móvel (a) (b) - Figura 4.12 – (a) Amperímetro Bobina Móvel (b) Amperímetro Ferro Móvel O galvanômetro é um instrumento que pode medir corrente elétrica de baixa intensidade, ou diferença de potencial elétrico entre dois pontos. O multímetro, o principal instrumento de teste e reparo de circuitos eletrô- nicos,consiste basicamente de um galvanômetro, ligado a uma chave sele- tora, uma bateria e vários resistores internos, para optarmos pelo seu fun- cionamento como amperímetro, ohmímetro ou voltímetro. Os multímetros com galvanômetros são chamados de multímetros analógicos, em oposição aos multímetros digitais, que possuem um mostrador de cristal líquido (ver multímetros na página 14). O galvanômetro mais comum é o tipo conhecido como bobina móvel: uma bobina de fio muito fino é montada em um eixo móvel, e instalada entre os pólos de um imã fixo. Quando circula corrente elétrica pela bobina, se forma um campo magnético que interage com o campo do imã, e a bobina gira, movendo um ponteiro, ou agulha, sobre uma escala graduada. Através de circuitos apropriados, o galvanômetro pode ler outras grandezas elétricas,como tensão contínua, tensão alternada, resis- tência, potência e outras. Outro tipo de galvanômetro é o ferro móvel: neste, a bobina é fixa, envol- vendo uma pequena peça de ferro ligada ao ponteiro, e capaz de girar conforme o campo magnético produzido pela bobina. O galvanômetro de ferro móvel é pouco usado, por ser menos sensível que o de bobina móvel, mas possui as vantagens de ser mais barato, mais robusto, e funcionar tanto com corrente contínua como com corrente alternada. O galvanômetro foi criado pelo físico e químico inglês Michael Faraday, que em sua época foi um dos primeiros cientistas a estudar a relação entre magnetismo e eletricidade. Galvanômetro de bobina móvel s N Amperímetros Analógicos Eletricidade II Página 13 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica Amperímetro Digital Alicate Amperímetro Digital C/Medidor Amperímetro digital analisa o consumo de corrente Avalia a corrente contínua (100A) no circuito elétrico, indica se a bateria é carregada pelo alternador ou descarregada pelo circuito e também analisa o consumo de corrente de equipamentos pesados, como instalações de som em veículos. Em conjunto com o voltímetro (VL-10), possibilita boa avali- ação da situação de bateria, alternador e demais circuitos durante o uso. O AR-10 possui circuito eletrônico com microprocessador, utilizando tecno- logia SMD, o que resulta em durabilidade e mais recursos ao usuário; mos- trador com display de três dígitos de sete segmentos, que permite rápida visualização; e sensor tipo shunt (SAR-10) incluso. Indicado para monta- gem em painéis ou suportes/copos automotivos, é fabricado com diâmetro de 52mm e possui proteção na inversão de polaridade da alimentação. Como opcional, inclui interface serial para telemetria ou computador de bordo Características: -Leve, Compacto, Funcional; - Display LCD de 3 ½ Dígitos com indicação máxima de 1999; - Símbolo de Bateria Fraca; Escalas: - DC : 200mV, 2V, 20V, 200V, 1000V; - AC : 200V, 750V; - ACV : 200A, 750A; - ACA : 200A, 750A; - Ohms : 10, 200, 1000Ω - Teste de isolação : 100k Ω à 2000MΩ; - Teste de continuidade: 50+-25Ω; - Teste de Medição: 0ºC à 750ºC. Modelo: ET-3367 Descrição: Instrumento digital portátil com mudança de faixa automático e leitura True RMS, de acordo com a categoria III 600V de segurança, LCD de 3 5/6 dígitos, congelamento de leitura e desligamento automático. Realiza medidas de tensão DC e AC, corrente DC e AC, resistência, temperatura, freqüência, capacitância e testes de diodo e conti- nuidade. Eletricidade II Página 14 Eletrodinâmica - Corrente Elétrica M U L T Í M E T R O S Como funciona o multímetro analógico Trata-se de um instrumento que possui um ponteiro mon- tado sobre uma bobina móvel, a bobina móvel está fixada no meio de um campo magnético constituído de um imã permanente. No momento que uma corrente elétrica percorre o enrola- mento da bobina móvel surge um campo magnético na bobina, que interage com o campo magnético do imã, de- pendendo do sentido da corrente elétrica o ponteiro pode- rá se movimentar para a direita ou para a esquerda na escala do instrumento. Quando o instrumento está sem uso, o ponteiro estará em seu ponto de descanso, totalmente a esquerda da escala, ao realizar uma medição o ponteiro deverá se movimen- tar para a direita na escala. Se a movimentação do pontei- for para a esquerda entendemos que a polaridade das pontas em relação ao ponto de medição está invertido. Assim podemos afirmar que o nosso multímetro analógi- co é polarizado, então devemos tomar o cuidado para sempre utilizar a ponta vermelha no (+) positivo e a ponta preta (-) no negativo ao ponto de medição. Eletricidade Página 15 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Mais um pouco de água ... Ligando-se uma mangueira numa torneira, uma certa quantidade de água escorre pelo seu interior. Substituindo-se esta mangueira por outra de diâmetro bem menor, a água continua escorrendo , porém, com maior dificuldade. Conclui-se, portanto, que a segunda mangueira oferece maior resistência à passagem da água e que esta resistência é uma característica da mangueira, pois depende de suas dimensões físicas (diâmetro e comprimento), do material com que é feita (rugosidade interna causa atrito) e até da temperatura (a dilatação modifica tanto o diâmetro quanto o comprimento da mangueira) Conceito de Resistência Elétrica Em eletricidade, ocorre um fenômeno análogo. Alguns materiais oferecem resistência à passagem da corrente elétrica. Esta resistência é conseqüência do choque dos elétrons livres com os átomos da estrutura do material. A resistência elétrica é a medida da oposição que os átomos de um material oferecem à passagem da corrente elétrica. Ela depende da natureza do material, de suas dimensões e da sua temperatura. Resistência Elétrica 4.3 – Resistência Elétrica Eletricidade Página 16 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Efeito Joule No choque com átomos, oselétrons transferem parte de sua energia cinética (relaciona- da ao movimento) para eles que, por sua vez, passam a vibrar com maior intensidade, fazendo com que haja um aumento da temperatura do material. Para se transportar a corrente elétrica de um lugar para outro, devem-se utilizar conduto- res que oferecem o mínimo de resistência, para que não haja perdas de energia por efeito Joule. Por isso os fios condutores são feitos principalmente de cobre ou alumínio. Mas existem situações nas quais a resistência à passagem da corrente elétrica é uma ne- cessidade, tanto pelo aquecimento que gera (chuveiros, ferros de passar roupas, aquecedores etc) como pela capacidade de limitar a corrente elétrica em dispositivos elétricos e eletrônicos. Leis de Ohm Um cientista chamado George Ohm, através de diversas experiências conseguiu relacio- nar entre si as seguintes grandezas em um mesmo material: tensão – corrente – resistência – dimensões. Efeito Joule é o nome dado ao fenômeno do aquecimento de um material devido à pas- sagem de uma corrente elétrica. Efeito Joule Eletricidade Página 17 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Primeira Experiência de George Ohm: A figura 4.13 representa uma montagem semelhante à realizada por Ohm: Figura 4.13 – Experiência de George Ohm Ligando-se um pedaço de um determinado material em uma fonte de tensão variável, para cada valor de tensão V, mediu-se a corrente I correspondente, como mostra a seguinte tabe- la: Tensão Corrente V(V) I(A) V1 I1 V2 I2 V3 I3 .... .... Vn In George Ohm notou, então, que a razão entre as tensões e correntes correspondentes re- sultava num valor constante, ou seja: V1 = V2 = V3 = ... = Vn = constante I1 I2 I3 In Em seguida, ele repetiu várias vezes esta experiência, mudando tanto o material utiliza- do como suas dimensões, chegando aos seguintes resultados: Materiais Dimensões Resultado diferentes iguais constantes diferentes iguais diferentes constantes diferentes V M at er ia l R es ist iv o V I Eletricidade II Página 18 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Com estas conclusões, George Ohm enunciou duas leis fundamentais para a eletricidade denominadas Primeira e Segunda Leis de Ohm. Primeira Lei de Ohm A Primeira Lei de Ohm mostra de que forma a resistência, a tensão e a corrente estão re- lacionadas entre si. Da Primeira Lei de Ohm, tem-se que: I VR = Portanto, a unidade de medida de resistência elétrica é Volt / Ampére ou, simplesmente Ohm (Ω) , em homenagem a este cientista. Graficamente, a Primeira Lei de Ohm fica assim representada: Figura 4.14 – Representação Gráfica da Primeira Lei de Ohm Assim, George Ohm chegou as duas conclusões importantes: 1º) A constante resultante da relação tensão / corrente corresponde à resistência elétrica (R) do material; 2º) A resistência elétrica depende tanto do material como de suas dimensões. Primeira Lei de Ohm A corrente elétrica I que passa por um material é diretamente proporcional à tensão V nele aplicada, e esta constante de proporcionalidade chama-se resistência elétrica R. V = R . I I(A) V1 I3 I2 I1 In V2 V3 Vn V(V) Eletricidade II Página 19 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Pelo gráfico, pode-se observar que se trata de uma relação linear entre tensão e corrente uma vez que a resistência elétrica é uma constante. Desta propriedade, surgiu um novo dispositivo muitíssimo importante para a eletricida- de e eletrônica: a resistência elétrica ou resistor, cujos símbolos elétricos mais utilizados estão re- presentados na figura 4.15. Figura 4.15 – Símbolos do Resistor Obs.: Devido a sua importância, o resistor será abordado com profundidade mais adian- te. Com a resistência elétrica, é possível, então, controlar a intensidade da corrente elétrica fornecida por uma fonte de alimentação, isto é, quanto maior a resistência, menor a corrente, e vice-versa. 1. Figura 4.16– Representação Esquemática da Primeira Lei de Ohm Resumindo, a Primeira Lei de Ohm pode ser escrita matematicamente das três formas a seguir: Para resistência elétrica, é também muito comum o uso dos seguintes submúltiplos e múltiplos de sua unidade de medida: Submúltiplos Unidades Valor miliohm mΩ 10-3 Ω Multiplos Unidades Valor quiloohm kΩ 103 Ω Megaohm MΩ 106 Ω Gigaohm GΩ 109 Ω ou V R V R I VRou R VIouIRV ==⋅= Eletricidade II Página 20 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Exemplos: a) Numa resistência elétrica, aplica-se uma tensão de 90V. Qual o seu valor, sabendo- se que a corrente que passa por ela é de 30 mA? Ω=⇒ × =⇒= − kRR I VR 3 1030 90 3 b) Por uma resistência de1,5MΩ, passa uma corrente de 350nA. Qual o valor da tensão aplicada? mVVVIRV 52510350105,1 96 =⇒×××=⇒⋅= − c) Conectando-se uma pilha de 1,5V em uma lâmpada, cuja resistência de filamento é de 100Ω, qual a corrente que passa por ela? mAII R VI 15 100 5,1 =⇒=⇒= d) Num laboratório, foi realizada uma experiência semelhante à de George Ohm, para Se determinar o valor de um resistor desconhecido, cujos resultados aparecem na tabela a seguir. levando-se em consideração as especificações do voltímetro e do amperímetro utilizados, deter- minou-se o valor experimental do resistor. Especificações dos Instrumentos Voltímetro Amperímetro erro de (±2%) erro de (±2%) precisão 0,1V precisão de 0,1mA Resultados Experimentais V(V) I(mA) 2,00 1,69 4.00 3,28 6.00 5,52 8,00 6,58 10,00 8.42 Teoricamente, como a resistência elétrica é um valor constante, a divisão de cada tensão V por sua respectiva corrente I, deveria dar um único resultado de resistência R. Porém, no expe- rimento, além do erro previstopelos instrumentos, podem Ter havido erros de leitura. Portanto, para se determinar a resistência elétrica do resistor com maior precisão, construiu-se o gráfico V x I e traçou-se a curva média para, a partir dela, realizar o cálculo da resistência experimental, como mostra a figura 4.17. Eletricidade II Página 21 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica V(V) 10 9 V28 7 6 5 4 3 2 1 I(mA) 1 2 I1 3 4 5 6 7 I2 8 9 10 Figura 4.17 – Gráfico Experimental da Primeira Lei de Ohm Pelo gráfico, percebe-se que as medidas (6V↔5,52mA) estão um pouco fora da curva média, correspondendo, provavelmente, a erros de leitura. Porém, o traçado correto da curva mé- dia fez com que essas medidas fossem desconsideradas. Pela curva média, foram escolhidos os seguintes dados para o cálculo da resistência ex- perimental: V1 = 3V ⇒ I1 = 2,5ma e V2 = 9V ⇒ I2 = 7,5ma ∆V = V2 – V1 = 9 – 3 = 6V e ∆I = I2 – I1 = 7,5 – 2,5 = 5mA Pela Primeira Lei de Ohm, a resistência elétrica do resistor obtida experimentalmente, pôde ser calculada por: Ω=⇒ × =⇒ ∆ ∆ = − 1200 105 6 exp3expexp RRI VR V1 V2 Eletricidade II Página 22 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Para verificar se o resultado obtido experimentalmente (Rexp = 1200Ω) pôde ser consi- derado correto e preciso, calcularam-se os erros percentuais entre este e os valores de resistências resultantes de cada medida individualmente (Rmed): I VRref = 100% exp exp ×= − R RR e med Estes cálculos aparecem na tabela a seguir: Como cada instrumento de medida tem um erro previsto de (± 2%), um erro aceitável para os resultados experimentais é de (± 4%). O único resultado ruim ( -9,42%) foi exatamente o do ponto rejeitado pela curva média, enquanto que os demais estão dentro da margem total de erro previsto (± 4%). Portanto, o resul- tado experimental obtido pôde ser considerado válido. Segunda Lei de Ohm A Segunda Lei de Ohm mostra como a resistência elétrica está relacionada com suas di- mensões e com a natureza do material com que é feita. Segunda Experiência de George Ohm: Usando materiais de mesma natureza, George Ohm analisou a relação entre a resistên- cia R, o comprimento L e a área A da seção transversal, e chegou às seguintes conclusões: 1º) Quanto maior o comprimento de um material, maior é a sua resistência elétrica; 2º) Quanto maior a área da seção transversal de um material, menor é a sua resistên- cia elétrica: A fig. 4.18 mostra esquematicamente estas relações: Eletricidade II Página 23 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Em seguida, ele analisou a relação entre a resistência R de materiais de naturezas dife- rentes, mas com as mesmas dimensões, chegando às seguintes conclusões: 1º) Cada tipo de material tem uma característica própria que determina sua resistência, independente de sua geometria. 2º) Esta característica dos materiais é a resistividade elétrica, representada pela letra grega ρρρρ (rô), cuja unidade de medida é ρρρρ(ΩΩΩΩ . m) . Assim George Ohm enunciou a sua segunda lei: A figura 4.19 mostra a resistividade elétrica de alguns materiais usados na fabricação de condutores, isolantes e resistências elétricas: Classificação Material Resistividade Metais Prata 1,6 . 10-8 Cobre 1,7 . 10-8 Alumínio 2,8 . 10-8 Tungstênio 5,0 . 10-8 Platina 10,8 . 10-8 Ferro 12 . 10-8 Ligas Latão 8,0 . 10-8 Constantã 50 . 10-8 Níquel-Cromo 110 . 10-8 Grafite 4.000 a 8.000 . 10-8 Isolantes Água Pura 2,5 . 103 Vidro 1010 a 1013 Porcelana 3,0 . 1012 Mica 1013 1015 Baquelite 2,0 . 1014 Borracha 1015 a 1016 Ãmbar 1016 a 1017 (valores mèdios a 20ºC Figura 4.19 - Tabela de Resistividade Elétrica Segunda Lei de Ohm A resistência elétrica R de um material é diretamente proporcional ao produto de sua resistividade elétrica ρ pelo seu comprimento L, e inversamente proporcional à área A de sua seção transversal. R = ρ . L A Eletricidade II Página 24 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Exemplos: a) Dois fios de cobre têm as seguintes dimensões: fio 1 ⇒ comprimento = 30 m , diâmetro = 2 mm fio 2 ⇒ comprimento = 15 m , diâmetro = 2 mm Qual deles apresenta maior resistência elétrica? fio 1 ⇒ comprimento = 30 m , diâmetro = 2 mm fio 1: ⇒ ⋅ ⋅⋅=⇒ ⋅ ⋅= − − 23 8 12 1 1 )210.2( 30107,1 pipi ρ R r LR Ω=Ω= mR 34,16216234,01 fio 2: ⇒ ⋅ ⋅⋅=⇒ ⋅ ⋅= − − 23 8 22 2 2 )210.2( 15107,1 pipi ρ R r L R Ω=Ω= mR 17,8108117,02 Portanto, o fio 1 apresenta o dobro da resistência elétrica do fio 2, pois seu comprimento é duas vezes maior. b) Dois fios de cobre têm as seguintes dimensões: fio 1 ⇒ comprimento = 30 m , diâmetro = 2 mm fio 2 ⇒ comprimento = 30 m , diâmetro = 4 mm Qual deles apresenta maior resistência elétrica? fio 1: )(34,1621 anteriorexemplodofiomesmomR Ω= fio 2: ⇒ ⋅ ⋅⋅=⇒ ⋅ ⋅= − − 23 8 22 2 2 )210.4( 30107,1 pipi ρ R r L R Ω=Ω= mR 58,4004058,02 Eletricidade II Página 25 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Portanto, a resistência elétrica do fio 1 é quatro vezes maior do que a do fio 2, pois seu seu diâmetro é duas vezes menor (a resistência é inversamente proporcional a r2). Pela ordem de grandeza dos resultados, dá para entender por que o cobre é um excelente condutor, uma vez que apresenta baixíssima resistência elétrica, mesmo para grandes compri- mentos. É por isso que os fabricantes fornecem a resistência dos fios condutores em Ω / km. c) Calcular o comprimento de um fio de níquel-cromo de 2mm de diâmetro, cuja resis- tência elétrica é de 100Ω. mLLARL A LR 6,285 10110 )2/102(100 2 8 3 =⇒ × ⋅⋅⋅ =⇒ ⋅ =⇒⋅= − −pi ρ ρ Influência da Temperatura na Resistência Elétrica Um outro fator que influencia o valor da resistência elétrica é a temperatura do ambiente onde a mesma se encontra. Isto é muito importante nos projetos de equipamentos que traba- lham em condições adversas de temperatura ( muito altas ou muito baixas ), como no caso dos projetos aeronáuticos ( aviões e foguetes). Como um material dilata-se ou contrai-se com a temperatura, conseqüentemente, ela muda a energia cinética (mobilidade) dos elétrons livres do material, alterando sua resistividade, conforme a expressão a seguir:onde: ρ [Ω . m] = resistividade do material à temperatura T ρ0 [Ω . m] = resistividade do material à temperatura T0 ∆T [ºC] = T – T0 = variação da temperatura α [ºC –1] = coeficiente de temperatura do material Para se descobrir a resistividade ρ de um material a uma temperatura T, deve-se usar co- mo referência uma resistividade ρ0 a uma temperatura T0. A tabela a seguir mostra o coeficiente de temperatura de alguns materiais. ( )T∆⋅+⋅= αρρ 10 Eletricidade II Página 26 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Classificação Material αααα[ºC-1] Metais Prata 0,0038 Alumínio 0,0039 Platina 0,0039 Cobre 0,0040. Tungstênio 0,0048 Ligas Níquel-Cromo 0,00017 Niquelina 0,00023 Latão 0,0015. Grafite - 0,0002 a - 0,0008 Figura 4.20 – Tabela de Coeficiente de Temperatura OBSERVAÇÕES: •••• Nos metais puros, a resistência aumenta com o aumento da temperatura (coeficientes de temperatura positivos); •••• A grafite e algumas ligas metálicas, como a constantã, o níquel-cromo, a niquelina e manganina, apresentam uma variação muito pequena de resistência numa determina- da faixa de temperatura (coeficientes de temperatura próximos de zero), sendo por isso muito utilizadas na fabricação de resistores. •••• No gases ionizados e na grafite, a resistência diminui com o aumento da temperatura (coeficientes de temperatura negativos). Exemplo: Um fio de cobre tem as seguintes dimensões: comprimento = 2m e diâmetro = 0,5mm. Determinar a sua resistência a 20º C e a 250º C, considerando-se que, nestas condições, suas dimensões praticamente não se alteram. Pela tabela de resistividade (figura 4.19), tem-se que: ρ0 = 1,7 . 10– 8 Ω . m Portanto, a resistência do fio a 20º C será: ( ) Ω=⇒⋅⋅⋅⋅=⇒= − − ⋅ 173,0 2/105,0 2107,1 023 8 000 RRA LR pi ρ Pela tabela da figura 4.20, o coeficiente de temperatura para o cobre vale: α = 0,0040 º C–1 Á temperatura de 250º C, a resistividade e a resistência do fio passarão a ser de: Eletricidade II Página 27 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica ( ) ( )[ ] ⇒−+⋅×=⇒∆⋅+⋅= − 20250.0040,01107,11 80 ραρρ T m⋅Ω×= −810264,3ρ Ω=⇒ ⋅⋅ ⋅×=⇒⋅= − − 332,0)2105,0( 210264,3 23 8 RR A LR pi ρ Nota-se, portanto, que o aumento de temperatura praticamente dobrou a resistência do fio de cobre. Condutância e Condutividade Elétrica A condutância, ao contrário da resistência, expressa a facilidade com que a corrente elétrica circula por um condutor. Ela é simbolizada pela letra G. Matematicamente, a condutância é definida como: R G 1= A unidade de medida de condutância é Siemens (S) ou, também, (ΩΩΩΩ-1). Da mesma forma, defini-se também condutividade σσσσ como sendo o inverso da resisti- vidade, que representa a característica do material relacionada à sua condutância, ou seja: ρ σ 1 = A unidade de medida de condutividade é (ΩΩΩΩ . m)-1 ou (S/m). Curiosidade: Supercondutividade Os supercondutores são materiais que conduzem eletricidade sem oferecer resistência. Eles podem ser considerados condutores ideais. O fenômeno da supercondutividade foi apresen- tado pela primeira vez em 1911, pelo físico holandês Kammerlingh Onnes. O sr. Onnes utilizou mercúrio resfriado até a temperatura do gás Hélio, ou seja, alguns graus acima do zero absoluto (zero absoluto é o zero da escala Kelvin de temperatura, e corresponde a 273,15ºC negativos). Nesta temperatura tão, a supercondutividade não poderia ser utilizada na prática. Mas, o físico Suiço Karl Alexander Müller conseguiu a supercondutividade utilizando uma cerâmica com óxi- do de cobre a temperatura de 35K, aproximadamente –238ºC. Isto lhe rendeu o Prêmio Nobel de física em 1987, juntamente com o Sr. J. Georg Bednorz. A partir daí, vários laboratórios es- palhados pelo mundo começaram a estudar a supercondutividade. A descoberta mais recente que se tem notícia, é a de se ter conseguido a supercondutividade em uma cerâmica a 123K ou -150ºC. A descoberta da supercondutividade é um avanço tecnológico revolucionário, compará- vel à descoberta da pròpria eletricidade, podendo vir a gerar um impacto em nossas vidas tal co- mo gerou o transistor, o computador etc. Eletricidade II Página 28 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Resistores Em eletricidade e em eletrônica, a resistência elétrica tem muitas aplicações. Por isso, existem os dispositivos denominados resistores, que são construídos com materiais condutores de alta resistividade, para oferecerem maior resistência à passagem da corrente elétrica. Os primeiros resistores a serem utilizados em circuitos eletrônicos eram construídos a partir de fios condutores de alta resistividade. Com os avanços da tecnologia, estes componentes começaram a receber formatos mais adequados, e com a descoberta de novos materiais, mais re- sistentes às altas temperaturas, eles passaram a ter tamanhos menores. Hoje, existem resistores dos mais variados tipos. A seguir, são apresentados os mais co- muns: Resistores de Fio Trata-se de um fio condutor de alta resistividade enrolado numa base cilíndrica de porce lana. O comprimento e o diâmetro do fio determinam sua resistência elétrica. Nas extremidades do fio, são soldados os dois terminais. Em seguida, é aplicada uma camada de material isolante para evitar a entrada de umidade e poeira. Estes condutores, devido a sua construção robusta e ao fato de suportarem maiores tem- peraturas, são empregados onde estas características são exigidas. Normalmente, tais resistores são fabricados com resistências baixas, da ordem de unida- des de Ohm, e possuem alta tolerância, de 10 a 20%. Resistor de Filme de Carbono Trata-se de uma base de porcelana, sobre a qual é depositada uma fina película de car- bono (filme). Nesta película, são feitos os sulcos que alteram suas dimensões, alterando sua re- sistência. Nas extremidades da película são soldados os dois terminais. Em seguida, é depositada uma camada de material isolante, para evitar a entrada de umidade e poeira. Finalmente, impri- mem-se os anéis coloridos que servem para informar o valor da resistência, como será visto mais adiante. Eletricidade II Página 29 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Resistor de Filme Metálico Tem a mesma estrutura do resistor de carbono, só que a película é uma liga metálica ní- quel-cromo. Através desta, obtêm-se valores mais precisos de resistência, ou seja, tolerâncias menores, da ordem de 1 a 2%. Esses resistores são fabricados para uma faixa ampla de resistên- cias, de dezenas de Ohm a dezenas de Megaohm. Potenciômetro O potenciômetro é um resistor variável de três terminais, sendo dois ligados às extremi- dades da resistência, e um ligado a um cursor móvel,que pode deslocar-se sobre um material resistivo. A resistência entre as suas extremidades é fixa, porém, entre qualquer extremidade e o terminal ligado ao cursor, a resistência é variável (de zero até o valor máximo especificado), pois depende da posição em que o cursor se encontra (distância entre a extremidade e o termi- nal do cursor). Uma haste giratória ou deslizante é acoplada ao cursor, permitindo a variação da resis- tência manualmente. Dependendo do material resistivo utilizado, o potenciômetro pode ser fabricado para resistências máximas desde unidades de Ohm até centenas de Megaohm. O potenciômetros são utilizados principalmente em circuitos nos quais deseja-se variar determinadas grandezas controladas por corrente ou tensão elétrica como, por exemplo, o volu- me de um rádio, o contraste de uma televisão, a temperatura de um forno elétrico etc. Trimpot O trimpot é também um resistor variável, porém difere do potenciômetro no aspecto construtivo e nas aplicações. Construtivamente, o cursor é acoplado a uma base plana giratória vertical ou horizontal, dificultando o acesso manual. Eletricidade II Página 30 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica As aplicações mais comuns dos trimpots são os circuitos em que não se deseja mudar constantemente suas resistências como, por exemplo, instrumentos que precisam ser calibrados para funcionarem adequadamente. Uma vez calibrados, não se mexe mais nos trimpots. Por isso, os trimpots ficam alojados internamente nos aparelhos. Valores Comerciais de Resistores Comercialmente, são encontrados resistores com valores padronizados, denominados valores nominais. A tabela seguinte mostra as raízes de cada série, cujos valores nominais são seus múltiplos e submúltiplos. Séries de Valores Comerciais de Resistores 1º Série - Resistores de 5%, 10% e 20% de Tolerância 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 2º Série - Resistores de 2% e 5% de Tolerância 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91 Figura 4.27 - Série de Valores Comerciais de Resistores Eletricidade II Página 31 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Exemplos: Observação: •••• Em circuitos eletrônicos, é comum representar o valor de resistores como 4k7Ω, ao invés de 4,7kΩ. Código de Cores para Resistores Alguns tipos de resistores de dimensões grandes têm o valor de suas resistências e tole- râncias escritos diretamente no corpo. Porém, como muitos resistores tem dimensões muito pe- quenas, seus valores foram codificados através de anéis coloridos. Os resistores das 1º e 2º séries possuem 4 anéis e os resistores da 3º série possuem 5 anéis (resistores de precisão), como mostra a figura 4.28. 3º Serie – Resistores de Precisão de 1% e 2% de Tolerância 100 102 105 107 110 113 115 118 121 124 127 130 133 137 140 143 147 150 154 158 162 165 169 174 178 182 187 191 196 200 205 210 215 221 226 232 237 243 249 255 261 267 274 280 287 294 301 309 316 324 332 340 348 357 365 374 383 392 402 412 422 432 442 453 464 475 487 499 511 523 536 549 562 576 590 604 619 634 649 665 681 698 715 732 750 768 787 806 825 845 866 887 909 931 953 976 Figura 4.27 - Série de Valores Comerciais de Resistores (continuação) São valores comerciais de resistores: 1º Série ⇒ 4,7kΩ ± 20% ⇒ 3,76kΩ ≤ R ≤ 5,64kΩ 2º Série ⇒ 220Ω ± 5% ⇒ 209Ω ≤ R ≤ 231Ω 3º Série ⇒ 53,6Ω ± 1% ⇒ 53,064Ω ≤ R ≤ 54,136Ω Eletricidade II Página 32 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Cada um destes anéis tem um significado que, quando analisados em conjunto, informa o valor do resistor em Ohm e a sua tolerância. A figura 4.29 mostra o significado de cada anel e de cada cor. Esta tabela serve para re- sistores de 4 e 5 anéis. Para os resistores de 4 anéis, basta ignorar a coluna referente ao terceiro anel (3º algarismo significativo). Cor 1º Alg. Sign. 2º Alg. Sign. 3º Alg. Sign. Múltiplo Tolerância Preto 0 0 X 1 Marrom 1 1 1 X 10 ± 1% Vermelho 2 2 2 X 102 ± 2% Laranja 3 3 3 X 103 Amarelo 4 4 4 X 104 Verde 5 5 5 X 105 Azul 6 6 6 X 106 Violeta 7 7 7 Cinza 8 8 8 Branco 9 9 9 Ouro X 10-1 ± 5% Prata X 10-2 ± 10% Ausência ± 20% Figura 4.29 – Código de Cores para Resistores Eletricidade II Página 33 Eletrodinâmica – Resistência Elétrica Na maioria dos resistores, o primeiro anel é o que se encontra mais próximo a uma das extre- midades do componente. Quando isto não estiver visível, o primeiro anel é aquele que não possui uma das seguintes cores: preto, ouro e prata. Exemplos: Outro dado importante a respeito do resistor, é a potência que ele pode dissipar sem se danificar. A potência está relacionada com o produto da tensão x corrente ( cuja unidade é o Watt), e que esta especificação é padronizada em função do tamanho do resistor, ou seja, quanto menor o tamanho do dispositivo, menor a sua potência máxima de dissipação. Em muitos resis- tores de tamanho grande, a potência pode estar escrita no próprio dispositivo. Comercialmente, existem resistores desde 1/8 de Watt até centenas de Watt. Qual o valor dos resistores abaixo? a) Vermelho – Violeta – Amarelo – Ouro Como se trata de um resistor de 4 anéis, deve-se ignorar a coluna referente ao 3º alga- rismo significativo, já que neste caso, o 3º anel do resistor corresponde ao fator multiplicativo. Assim, tem-se: Vermelho – Violeta – Amarelo – Ouro 2 7 x 104 ±±±± 5% Portanto o valor deste resistor é de: 27 x 104 = 270.000 = 270kΩ ± 5% b) Marrom - Preto - Vermelho - Laranja - Marrom Marrom - Preto - Vermelho - Laranja - Vermelho 1 0 2 x 103 ±±±± 2% Portanto, o valor deste resistoré de: 102 x 103 = 102.000 = 102kΩ ± 2% c) Violeta - Marrom - Verde - Prata - Marrom Violeta - Marrom - Verde - Prata - Marrom 7 1 5 x10-2 ±±±±1% Portanto, o valor deste resistor é de: 715 x 10-2 = 7,15Ω ± 1% Eletricidade Página 34 Eletrodinâmica – Potência Elétrica Sempre que uma força produz movimento, diz-se que ela realizou um trabalho, ou que ela transformou sua energia acumulada em energia cinética (relacionada ao movimento). Portanto, pode-se dizer que o trabalho realizado é igual à energia transformada ou, ain- da, que energia é a capacidade de realizar trabalho. Já foi visto anteriormente, que uma ddp aplicada entre dois pontos num condutor, cria um campo elétrico que faz com que os elétrons livres se movimentem ordenadamente na forma de corrente elétrica. Como ddp é força-eletromotriz (f.e.m. – força que move elétrons), é claro que ela tam- bém realiza trabalho, ou seja, transforma a energia potencial elétrica em energia cinética. Também já foi visto que, quando um condutor resiste à passagem da corrente elétrica, ele se aquece. Isto significa que a energia cinética dos elétrons, devido aos choques como os á- tomos do condutor, transforma-se em energia térmica ou calor. Como o calor gerado pelo condutor ou pela resistência nem sempre é aproveitado, é muito comum dizer que eles gastam a energia recebida ou, simplesmente, a dissipam. Figura 4.33 – Transformação da Energia Potencial em Cinética e em Calor Portanto, em eletricidade, a transformação de energia está relacionada tanto com a tensão, que produz o movimento dos elétrons, como também com a corrente, que gera o calor. Conceito de Potência Elétrica A rapidez com que a tensão realiza trabalho ao deslocar elétros de um ponto para ou- tro é denominada potência elétrica, representada por P. Potência elétrica é, portanto, o trabalho ττττ realizado num intervalo de tempo ∆t ou a energia elétrica E consumida num intervalo de tempo. Potência Elétrica Energia Térmica Energia Cinética Energia Potencial t E t P ∆ = ∆ = τ Pilha Resistor Eletricidade Página 35 Eletrodinâmica – Potência Elétrica A unidade de trabalho e de energia no SI é o Joule (J). Logo, a unidade de potência Elétrica é Joule/segundo, também denominada Watt (W), em homenagem ao cientista James Watt. Para melhor entender o que vem a ser a potência, vamos fazer a seguinte analogia: Imagine uma corrida de 100 metros com barreiras, na qual o atleta Pedro cruzou a reta final em 18 segundos e o atleta Lucas em 25 segundos. Se os dois realizaram o mesmo trabalho ou gastaram a mesma energia, como Pedro foi mais rápido, significa que ele foi mais potente que Lucas. Da mesma forma, um motor é mais potente que outro, quando ele gira mais rapida- mente ou consegue movimentar cargas mais pesadas, isto é, num mesmo intervalo de tempo, ele transforma mais energia elétrica em mecânica do que o outro. Em eletricidade, isto também acontece com uma fonte de alimentação. A fonte mais potente é aquela que transfere mais energia ao circuito, ou seja, que fornece mais corrente. Isto significa que a potência elétrica está diretamente relacionada com a tensão e a corrente. Figura 4.34 – Potência de uma Fonte de Alimentação Se o circuito for uma simples resistência elétrica, a potência fornecida pela fonte será totalmente dissipada por ela (transformando-a em calor), isto é: Figura 4.35 – Potência Dissipada por uma Resistência Elétrica A potência elétrica fornecida por uma fonte de alimentação a um circuito qualquer, é dada pelo produto de sua tensão pela corrente gerada. Potência Elétrica IVP ⋅= Circuito Elétrico Eletricidade Página 36 Eletrodinâmica – Potência Elétrica Pela 1º Lei de Ohm, tem-se que: ( ) ( )II R VIouIIRV =⋅= Substituindo-se (I) na equação da potência, tem-se: 2 IRPIIRPIVP ⋅=⇒⋅⋅=⇒⋅= Substituindo-se (II) na equação da potência, tem-se: R VP R VVPIVP 2 =⇒⋅=⇒⋅= Assim, a potência dissipada por uma resistência elétrica pode ser calculada por qual- quer uma das seguintes fórmulas: R VPIRPIVP 2 2 =⋅=⋅= Os submúltiplos e múltiplos mais usuais para potência são: Submúltiplos Unidade Valor microwatt µW 10-6 W miliwatt mW 10-3 W Múltiplos Unidade Valor quilowatt kW 103 W Megawatt MW 106 W Exemplos: a) Um resistor de 47Ω é ligado a uma fonte de alimentação de 10V. Calcular a potên- cia dissipada pelo resistor. Tem-se: Ω== 4710 ReVV Portanto: WPP R VP 13,2 47 1022 =⇒=⇒= b) Qual a resistência de uma lâmpada incandescente especificada para 110V/100W, e qual a corrente que circula por ela quando ligada corretamente? Ω=⇒=⇒=⇒= 121 100 110222 RR P VR R VP AII V PIIVP 91,0 110 100 =⇒=⇒=⇒⋅= Eletricidade II Página 37 Eletrodinâmica - Fusível Fusível O fusível é um dispositivo utilizado para proteger equipamentos eletroeletrônicos e instalações elétricas de possíveis aumentos indesejáveis de correntes. O princípio de funcionamento de um fusível está baseado no efeito Joule. Ele consiste basicamente num fio metálico à base chumbo ou estanho que, por terem pontos de fusão muito baixos, um aumento de corrente pode provocar um aquecimento suficiente para derretê-los. Este fio é alojado em invólucros de vários tipos, sendo os mais comuns o de vidro (u- sado em equipamento eletroeletrônicos), o de cartucho de papelão e o de porcelana (os dois úl- timos são usados em instalações elétricas residenciais). Exemplo: Um equipamento eletrônico consome, em condições normais, uma potência de 15W quando alimentado com 10V. Especificar o valor do fusível de proteção, sabendo-se que o fa- bricante doequipamento garante que o mesmo não se danifica, caso a sobrecarga não ultra- passe 50% de sua corrente normal de consumo. A V PI 5,1 10 15 === Uma sobrecarga de 50% significa: AII conssobr 75,0155,0.5,0 =×== Portanto, a corrente máxima que o equipamento suporta é de: AIII sobrconsmáx 25,275,05,1 =+=+= Assim, um fusível adequado para proteger o equipamento é o de 2A, como mostra a figura 4.37. Contatos Metálicos Invólucro de Vidro Condutor de Estanho Fusível Símbolo Figura 4.36 – Fusível de Vidro e Símbolo Elétrico Equipamento Figura 4.37 – Proteção do Equipamento E 2A Eletricidade II Página 38 Eletrodinâmica – Consumo de Energia Elétrica Consumo de Energia Elétrica Como foi visto anteriormente, potência dissipada é energia consumida num intervalo de tempo (P = E / ∆t). Mas toda energia tem um preço, portanto, nunca é demais aprender a quantificá-lo. Da equação acima, tem-se que a energia elétrica consumida por um circuito elétrico qualquer num determinado intervalo de tempo é: [ J ] ou [W.s) Exemplo: Em instalações residenciais e industrias, a unidade de energia mais usual é o quilowatt-hora (kWh). No estado de S. Paulo, por exemplo, o custo do consumo de kWh é escalonado pro- gressivamente em três faixas, como mostra a tabela a seguir: Custo Aproximado do kWh (Eletropaulo) Faixa de Consumo Custo (kWh) (U$) 0 – 30 0,02 31 – 100 0,05 101 – 200 0,09 Acima de 200 0,12 Desta forma, é possível calcularmos o quanto gastamos diariamente com energia elé- trica, para desfrutarmos dos bens que a eletricidade nos oferece, e o quanto desperdiçamos com luzes acesas indevidamente, com novelas assistidas por paredes e sofás vazios etc. tPE Α⋅= Uma pilha comum pode fornecer uma energia de aproximadamente 10Wh. Sabendo- se que um aparelho Walkman consome 2W em média, por quanto tempo você poderá ouvir suas músicas prediletas com uma única pilha? htt P E ttPE 5 2 10 =∆⇒=∆⇒=∆⇒∆⋅= Eletricidade II Página 39 Eletrodinâmica – Consumo de Energia Elétrica Exemplo: Faixa de Consumo Consumo Real Custo Total por Faixa (kWh) (KWh) Custo x Consumo (U$) 0 – 30 30 30 x 0,02 = 0,60 31 – 100 70 70 x 0,05 = 3,50 101 – 200 100 100 x 0,09 = 9,00 Acima de 200 376 376 x 0,12 = 45,12 Totais 576 58,22 Que tal gastar quase U$60,00 por mês somente para os seus banhos? Adicione os banhos do resto de sua família, um pouco de TV, geladeira, forno de microondas etc. e veja quantas horas de trabalho são necessárias para... Se você é uma pessoa super-higiênica, que gosta de tomar banho super-quente duas vezes ao dia, mas também é extremamente tranqüila, pois demora duas horas por banho, vê- ja quanto você gasta mensalmente por ser asseado e assíduo. Os chuveiros mais comuns consomem, em média, 4.800W (na posição inverno). Quanto tempo por mês você gasta cantando no chuveiro? hdiasbanhodetempot 120304 =×=×=∆ Qual a energia elétrica consumida pelo seu chuveiro em um mês? kWHEEtPE 576120800.4 =⇒×=⇒∆⋅= Quanto você paga mensalmente por isso? Os 576 kWh gastos no mês serão, para efeito de cálculo de custo, divididos em 4 par- tes, preenchendo as 4 faixas de consumo: Eletricidade II Página 40 Eletrodinâmica - Exercícios Propostos Corrente Elétrica 4.1 Por que é preciso uma ddp para haver corrente elétrica num condutor? R= ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4.2 Qual a relação entre o movimento dos elétrons livres, o sentido do campo elétrico e a ddp em um condutor sólido metálico? R= ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4.3 Qual é o sentido convencional da corrente elétrica nos condutores sólidos metálicos? R= ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4.4 Qual a intensidade da corrente elétrica num condutor, se em 3 minutos passam por ele 10C? R= 4.5 Sabendo-se que por um condutor passam 22x1027 elétrons por minuto, qual o valor da corrente correspondente? R= Exercícios Propostos Eletricidade II Página 41 Eletrodinâmica - Exercícios Propostos 4.6 A intensidade da corrente elétrica num condutor é 10mA. Qual a carga elétrica que passa por este condutor a cada 5 minutos? R= Eletricidade II Página 42 Eletrodinâmica - Exercícios Propostos Resistência Elétrica 4.9 O que é resistência elétrica e quais as características de um material que a definem. R= ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4.10 O que é efeito Joule e por que ele ocorre? R= ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4.11 Num circuito, um resistor de 75kΩ é submetido a uma tensão de 15V. Qual a corrente que passa por este resistor? R=4.12 Qual o valor da resistência de um resistor que, quando submetido a uma tensão de 7V, deixa passar uma corrente de 12,5mA? 10C? R= 4.13 Qual o valor da tensão que, aplicada em um resistor de 820Ω, faz passar por ele uma corrente de 40mA? R= Exercícios Propostos Eletricidade II Página 43 Eletrodinâmica - Exercícios Propostos Pela curva média, foram escolhidos os seguintes dados para o cálculo da resistência experimental: V1 = ____V I1 = ____µA e V2 = ____V I2 = ____µA Dados 1 ∆V = V2 – V1 = _______V e ∆I = I2 – I1 = ______µA Pela Primeira Lei de Ohm, a resistência elétrica do resistor obtida experimentalmente, pôde ser calculada por: I VR ∆ ∆ =exp V1 = ____V I1 = ____µA e V2 = ____V I2 =____µA Dados 2 ∆V = V2 – V1 = ________V e ∆I = I2 – I1 = _________µA I VR ∆ ∆ =exp Cálculo dos erros percentuais entre o valor experimental e os valores de resistências resultantes de cada medida individualmente ( Rmed ): 100 exp exp × − == R RR e I VR medoomed Tabela com os erros percentuais ( e% ) VR (V) IR (µA) Rmed (µA) e% 1,00 29,87 2,00 62,34 3,00 88,56 4,00 168,76 5,00 148,05 0 20 40 60 80 100 120 140 160 IR(µA) VR(V) 5 4 3 2 1 VR (V) IR (µA) 1,00 29,87 2,00 62,34 3,00 88,56 4,00 168,76 5,00 148,05 a) Construa o gráfico do experimento; b) Determine o valor experimental do resistor; c) Calcule o erro percentual entre o valor obtido experimentalmente e os valores de resistências obtidos por cada medida realizada; d) Analisar os resultados obtidos 4.14 – Num laboratório de eletrônica, foi feita uma experiência para a determinação da resistência elétrica de um resistor desconhecido, usando um voltímetro na escala 6V (±5%) e um microamperímetro na escala de 200µA(±5%), chegando-se à seguinte tabela: Eletricidade II Página 44 Eletrodinâmica – Exercícios Propostos 4.15 Qual a resistência de uma barra de alumínio de 10m, com seção transversal retangular de 2cm x 4mm? R= 4.16 Qual deve ser o comprimento de um fio de cobre com 2mm de diâmetro, para que sua resistência seja de 200Ω? R= 4.17 Qual a relação entre as resistências de dois fios de cobre de mesmo comprimento, sendo que um tem o dobro do diâmetro do outro? R= Eletricidade II Página 45 Eletrodinâmica – Exercícios Propostos 4.19 Um aluno mediu experimentalmente a resistência de dois pedaços de grafite de lapiseira de 5cm de comprimento, sendo um do tipo 0,5mm e outro 0,7mm. Explique as conclusões às quais ele chegou quanto ao valor das resistências das duas grafites, sabendo-se que foram fabricadas com um mesmo material de resistividade ρ=5000.10-8Ω.m. R= 4.20 O filamento de tungstênio de um aquecedor elétrico tem as seguintes dimensões: com- primento = 8m e diâmetro = 1mm. Determine a temperatura do filamento quando o aquecedor estiver ligado, sabendo-se que, nestas condições, suas dimensões pratica- mente não se alteram e sua resistência vale 3Ω. R= Eletricidade II Página 46 Eletrodinâmica – Exercícios Propostos 4.22 Quais valores abaixo correspondem a resistores comerciais e quais suas possíveis tole- râncias? I – 6,8kΩ II – 35kΩ III – 2700Ω IV – 19,1kΩ V – 468kΩ R= 4.23 Qual a faixa de valores em Ohm, garantida pelo fabricante, dos resistores: 150Ω ± 20% e 150Ω ± 1% ? R= 4.24 Num resistor de 39kΩ ± 5%, aplicou-se uma tensão de 78V e mediu-se uma corrente de 1,94mA. Sabendo-se que os instrumentos utilizados eram de grande precisão e que não houve erros de leitura nas medidas, explique o resultado obtido. R= Eletricidade II Página 47 Eletrodinâmica – Exercícios Propostos 4.25 Determine os valores nominais e as tolerâncias dos resistores que tem os seguintes anéis em seu corpo: a) laranja, laranja, laranja, prata b) azul, cinza, preto c) violeta, verde, marrom, ouro d) marrom, vermelho, amarelo e) verde, azul, verde, prata f) marrom, preto, vermelho, ouro g) marrom, preto, vermelho, vermelho h) amarelo, verde, laranja, vermelho, marrom i) laranja, marrom, azul, preto, marrom j) marrom, cinza, violeta, laranja, vermelho k) azul, branco, cinza, ouro, marrom l) vermelho, amarelo, branco, prata, marrom R= a) _________________________________ b) _________________________________ c) _________________________________ d) _________________________________ e) _________________________________ f) _________________________________ g) _________________________________ h) _________________________________ i) _________________________________ j) _________________________________ k) _________________________________ l) _________________________________ 4.26 Determine as cores dos anéis dos resistores a seguir: a) 12kΩ ± 1% f) 2,37Ω ± 1% b 470kΩ ± 10% g) 3,57kΩ ± 2% c) 1800Ω ± 2% h) 10,7Ω ± 1% d) 3M9Ω ± 10% i) 5620Ω ± 1% e) 3K3Ω ± 20% j) 86,6kΩ ± 2% R= a) ___________________________________________________________________ b) ___________________________________________________________________ c) ___________________________________________________________________ d) ___________________________________________________________________ e) ___________________________________________________________________ f) ___________________________________________________________________ g) ___________________________________________________________________ h) ___________________________________________________________________ i) ___________________________________________________________________
Compartilhar