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Eletricidade e Magnetismo UNIDADE 3 1 3ª UNIDADE DISCIPLINA: ELETRICIDADE E MAGNETÍSMO CORRENTE ELÉTRICA E RESISTÊNCIA ELÉTRICA PALAvRAS DO PROfESSOR Na terceira unidade, vamos estudar os conceitos sobre Corrente Elétrica e Resistência Elétrica. Portanto, agora, você irá conhecer a parte da eletricidade que estuda, analisa e observa o comportamento das cargas elétricas em movimento. Vamos começar? CORRENTE ELÉTRICA É a movimentação das cargas elétricas, cujos exemplos existem em grande número, inclusive em nosso organismo, como as minúsculas correntes elétricas nervosas que propiciam a nossa atividade muscular. As batidas do coração também funcionam por meio de descargas elétricas. Entenda melhor esse movimento de cargas elétricas: primeiro, considere um fio metálico, veja a figura abaixo. Sendo o metal um elemento condutor, esse fio apresenta uma grande quantidade de elétrons livres, que se movimentam de maneira desordenada no seu interior. Figura 1 – Material condutor Fonte: http://www.eletronica24h.com.br/cursominipa/minipa2/paginas/atomoeletron.htm Agora, coloque entre os terminais do condutor, um gerador, que pode ser uma pilha ou uma bateria, para manter uma ddp constante. Então, devido ao campo elétrico gerado, surge ao longo de todo o fio condu- tor uma força que começa a agir sobre todos os elétrons impulsionando-os em um determinado sentido na direção do fio. Esse movimento ordenado dos elétrons portadores de carga elétrica, dá-se o nome de corrente elétrica. http://www.eletronica24h.com.br/cursominipa/minipa2/paginas/atomoeletron.htm 2 Figura 2 – Corrente elétrica Fonte: http://www.infoescola.com/quimica/eletron-livre/ Desse modo, quando o gerador é acionado, além do movimento aleatório que os elétrons têm, eles pas- sam também, conforme já visto, a se mover na direção da força, havendo, portanto, uma composição dos movimentos, de forma que os elétrons passam a ter uma trajetória parecida com esta: Figura 3 Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/imagens/010110110504-magnetismo-co-tio2.jpg A diferença de potencial nas extremidades do fio gera uma força que também atua sobre os íons do metal, que são átomos que perderam os seus elétrons livres. Esses íons deixaram de ser neutros e ficam carre- gados positivamente, pois perderam elétrons, sofrem uma força no sentido oposto ao dos elétrons já que esses têm cargas negativas. Vale ressaltar que essa força tem um efeito desprezível sobre os átomos, pois a força que os une, praticamente, não permite sair de suas posições. Quando o elétron percorre 100 km, na realidade, tem um deslocamento, no sentido da força de apenas 1 mm. De fato, a velocidade de um elétron é em torno de 100.000 m/s enquanto a velocidade de desloca- mento ao longo do fio fica em torno de 1 mm/s. http://www.infoescola.com/quimica/eletron-livre/ http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/imagens/010110110504-magnetismo-co-tio2.jpg 3 Os primeiros físicos associaram o movimento da água corrente em encanações com o movimento da ele- tricidade nos fios, daí surgiu a palavra corrente elétrica. Sentido da corrente elétrica O sentido real da corrente elétrica, no seu interior dos condutores sólidos, é o sentido do movimento dos elétrons. Mas, no estudo da Eletricidade, adota-se um sentido convencional, que é o do movimento das cargas positivas, e que corresponde ao sentido do campo elétrico no interior do condutor. Figura 4 Fonte: http://www.dreaminc.com.br/sala_de_aula/wp-content/uploads/fluxo-da-Corrente-eletrica.gif Intensidade da corrente elétrica Caro (a) aluno (a), considere um condutor metálico de secção transversal A, sendo percorrido por uma corrente elétrica. Figura 5 Fonte: http://3.bp.blogspot.com/_kgNfTtq_B5Q/S_xp_zJxKjI/AAAAAAAAAE8/-lwh83s8Hvw/s1600/jhgjhjhj.jpg http://www.dreaminc.com.br/sala_de_aula/wp-content/uploads/Fluxo-da-Corrente-eletrica.gif http://3.bp.blogspot.com/_kgNFTtq_B5Q/S_xp_zJxKjI/AAAAAAAAAE8/-lwh83s8HVw/s1600/jhgjhjhj.jpg 4 Suponha que, num intervalo de tempo ∆t, pela secção transversal A passe uma quantidade de carga Q, em módulo. Define-se como i - intensidade da corrente elétrica, a relação: A quantidade de carga Q é dada pelo produto do número n de elétrons pela carga do elétron: ∆Q = n.e Em homenagem ao físico e matemático francês André Marie Ampère (1775-1836), a unidade de corrente elétrica, no SI, é o ampère (A). É comum o emprego de submúltiplos do ampère: 1 mA = 10-3 A 1 µA = 10-6 A Densidade de Corrente Elétrica Como a densidade de corrente, J, é uma grandeza vetorial, o seu módulo é igual à corrente por unidade de área em um elemento da seção reta. A direção é a mesma da velocidade das cargas. E o seu sentido é o mesmo da velocidade das cargas, se elas forem positivas, e o sentido oposto se as cargas, se elas forem negativas: No SI de unidade, a unidade de densidade da corrente é: A/m² Figura 6 Fonte: http://ensinoadistancia.pro.br/EaD/Eletromagnetismo/CorrenteEletrica/fig-3-10-1.gif http://ensinoadistancia.pro.br/EaD/Eletromagnetismo/CorrenteEletrica/fig-3-10-1.gif 5 velocidade de Deriva Considere um segmento de um condutor, L, e que existam ‘N’ elétrons por unidade de volume; esta é a densidade de portadores é uma característica de cada material. Portanto, a densidade de cargas no con- dutor será ‘Ne’, e a carga total no segmento de condutor será: ∆Q = NeAL Figura 7 Fonte: http://ensinoadistancia.pro.br/EaD/Eletromagnetismo/CorrenteEletrica/fig-3-10-2.gif Quando um elétron percorrer este segmento no intervalo de tempo, tem-se: ∆t = L/v onde v é a velocidade de deriva. Da definição de corrente (i = ∆Q/∆t), obtém-se: NATUREZA DA CORRENTE ELÉTRICA Corrente eletrônica Constituída pelo deslocamento dos elétrons livres. Ocorre, principalmente, nos condutores metálicos. Figura 8 Fonte: http://perlbal.hi-pi.com/blog-images/399846/mn/1224732796.gif Corrente iônica É constituída pelo deslocamento dos íons positivos e negativos, movendo-se simultaneamente em senti- dos opostos. Ela ocorre nas soluções eletrolíticas (soluções de ácidos, sais ou bases) e nos gases ioniza- dos (lâmpadas fluorescentes). http://ensinoadistancia.pro.br/EaD/Eletromagnetismo/CorrenteEletrica/fig-3-10-2.gif http://perlbal.hi-pi.com/blog-images/399846/mn/1224732796.gif 6 Figura 9 Fonte: http://sereduc.com/97Hw85 Nas soluções eletrolíticas, as partículas portadoras de carga são os íons, que se movimentam sob a ação da força do campo elétrico. Os íons positivos movimentam-se no mesmo sentido do campo elétrico ; enquanto os negativos movimentam-se no sentido oposto. Vamos considerar que: i- seja a intensidade de corrente dos íons negativos e que i+ seja a intensidade de corrente dos íons positivos. Como o movimento das cargas negativas num sentido é equivalente ao movimento de cargas negativas no sentido oposto, a intensidade total de corrente (i) é dada por: TIPOS DE CORRENTE ELÉTRICA Corrente contínua (CC) É aquela cujo sentido permanece constante. Quando, além do sentido, a intensidade também se mantém constante, a corrente é chamada corrente contínua constante. É o que ocorre, por exemplo, nas correntes estabelecidas por uma bateria de automóvel e por uma pilha. Sua representação gráfica (i x t) é: http://sereduc.com/97Hw85 7 Figuras 10 Fonte: http://www.eficien.com.br/wp-content/uploads/tensao.jpg Corrente alternada (CA) É aquela cujo sentido e cuja intensidade variam periodicamente. São correntes fornecidas pelos grandes geradores, como as usinas hidrelétricas, termoelétricas, nuclear, etc. Sua representação gráfica (i x t) é: Figuras 11 Fonte: http://www.eficien.com.br/wp-content/uploads/tensao.jpg Aluno (a) conheça, a seguir, um pouco da história da corrente elétrica. No final do século XIX, houve uma disputa para se construir uma linha de transmissão entre Niágara e Búfalo, em NY. Essadisputa ficou conhecida como a Guerra das Correntes, os concorrentes eram o Tho- mas Edison (corrente contínua), inventor da lâmpada elétrica, e o J. Westinghouse (corrente alternada). O Thomas Edison, utilizando um sistema de corrente contínua, fez o possível para desacreditar a corrente alternada que surgiu quando Nikola Tesla foi contratado por J. Westinghouse, o sistema polifásico de Tesla foi vencedor, pois a corrente alternada, devido à facilidade relativa que esta apresenta para ter sua voltagem alterada por intermédio de transformadores, é a forma mais eficaz de se transmitir a eletricida- de para longas distâncias. http://www.eficien.com.br/wp-content/uploads/tensao.jpg http://www.eficien.com.br/wp-content/uploads/tensao.jpg 8 A corrente alternada possui uma frequência na sua transmissão, destacando que na maioria dos países da América, inclusive Brasil e EUA, a frequência da rede elétrica é de 60 Hz. Já na Europa e em alguns países da América do Sul, como por exemplo: a Argentina, a Bolívia, o Chile e o Paraguai, a frequência da rede elétrica usada é de 50 Hz. Mas, existem também sistemas CA de 16,67 Hz em ferrovias da Europa (Suíça e Suécia) e de 400 Hz usa- dos na indústria têxtil, aviões, navios e em grandes computadores. Pois, as baixas frequências facilitam a construção de motores de baixa rotação, já que esta é diretamente proporcional à frequência. Na corrente alternada, uma frequência de 60 Hz o seu valor é zero no momento em que a corrente inverte o sentido. Isso significa que os aparelhos, nessa frequência, desligam-se 120 vezes por segundo. Como efeito desse tempo reduzido, nossos olhos não são capazes de perceber uma lâmpada piscar nem notamos as interrupções no funcionamento dos aparelhos por causa disso. No entanto, os aparelhos que trabalham com indução, como os motores e as campainhas, essa alternância na corrente elétrica é essencial. EfEITOS DA CORRENTE Efeito Térmico ou Efeito Joule Quando uma corrente elétrica atravessa um condutor, ele sofre um aquecimento. Esse efeito é a base de funcionamento dos aquecedores elétricos, ferro de passar, chuveiros elétricos, secadores de cabelo, lâmpadas térmicas etc. Figura 12 Fonte: http://sereduc.com/L9IRWN Efeito Luminoso A passagem da corrente elétrica, em determinadas condições, através de um gás rarefeito faz com que ele emita luz, ou seja, há a modificação direta de energia elétrica em energia luminosa. Tal efeito é a base de funcionamento das lâmpadas fluorescentes e os anúncios luminosos. http://sereduc.com/L9IRWN 9 Figura 13 Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/figura_3_retificacao_filtragem.jpg Efeito Magnético Quando uma corrente elétrica percorre um condutor cria, na região próxima a ele, um campo magnético. Este é um efeito fundamental para se entender o funcionamento dos motores, transformadores, relés etc. Figura 14 Fonte: http://www.notapositiva.com/pt/trbestbs/fisica/imagens/09_circuitos_electricos_37_d.jpg Efeito Químico Quando uma corrente elétrica atravessa uma solução eletrolítica, ela sofre uma decomposição, que se chama eletrólise. Tal efeito é usado, por exemplo, no revestimento de metais: cromagem, niquelação etc. Figura 15 Fonte: http://sereduc.com/3v9iKa http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/figura_3_retificacao_filtragem.jpg http://www.notapositiva.com/pt/trbestbs/fisica/imagens/09_circuitos_electricos_37_d.jpg http://sereduc.com/3v9iKa 10 Efeito fisiológico Pode-se afirmar que, além dos efeitos: térmico, luminoso, magnético e químico, vistos anteriormente, vamos agora, citar um dos efeitos mais importante da corrente elétrica: o choque elétrico, que ocorre quando uma corrente elétrica atravessa um organismo vivo, causando uma contração nos nervos e nos músculos, dependendo da intensidade da corrente elétrica, pode ser acompanhada de sensações doloro- sas, asfixia e perturbações circulatórias. Normalmente, as correntes elétricas com intensidade até 10 miliampères não chegam a provocar efeitos fisiológicos, mas correntes elétricas com intensidade acima de 100 miliampères podem ser fatais. Portan- to, só devemos ter muito cuidado quando formos utilizá-la. Figura 16 Fonte: http://sinalizacaofacil.com.br/lojavirtual/products/Placa-Perigo-Risco-de-Choque-El%E9trico.html RESISTORES ELÉTRICOS Os resistores elétricos são todos os aparelhos elétricos que convertem energia elétrica em energia tér- mica (calor), tais como: lâmpada, chuveiro elétrico, ferro de passar roupa, alguns tipos de aquecedor elétrico, etc. Figura 17 Fonte: http://interna.coceducacao.com.br/ebook/content/pictures/2002-11-122-08-i003.gif http://sinalizacaofacil.com.br/lojavirtual/products/Placa-Perigo-Risco-de-Choque-El%E9trico.html http://interna.coceducacao.com.br/ebook/content/pictures/2002-11-122-08-i003.gif 11 Simbolicamente é representado por: Figura 18 Fonte: http://sereduc.com/fPc91Y Resistência Elétrica – Leis de Ohm A resistência elétrica é uma grandeza característica do resistor na qual representa a dificuldade à passa- gem da corrente elétrica. Querido (a) aluno (a), considere um resistor representado no trecho do circuito, onde se aplica uma ddp U e se estabelece uma corrente de intensidade i. Figura 20 Fonte: http://sereduc.com/QBtkdl Primeira Lei de OHM O físico alemão Georges Simon OHM (1787-1854) verificou experimentalmente, que a resistência elétrica é o quociente da diferença de potencial – d.d.p (U) – pela intensidade de corrente elétrica, ou seja: No S.I., a unidade de resistência elétrica é o ohm (Ω) Segunda Lei de OHM As experiências demonstraram, através da 2a Lei de OHM, que a resistência elétrica depende do material que constitui o condutor (resistividade ρ), é diretamente proporcional ao comprimento do fio condutor ( ℓ ) e inversamente proporcional à área de secção transversal do condutor ( A ), ou seja: Figura 20 - Fonte: http://sereduc.com/MA5Xzq http://sereduc.com/FPc91Y http://sereduc.com/QBtkdl http://sereduc.com/MA5Xzq 12 O coeficiente de proporcionalidade (rô) é denominado resistividade elétrica do material que constitui o resistor. A resistividade é uma característica do material e corresponde à resistência de um resistor de comprimento unitário e de secção unitária. Portanto, quanto menor a resistividade de um material, menor a resistência elétrica. A unidade de resistividade no SI é ∙m. Nos corpos metálicos, a resistividade decresce com a diminuição da temperatura. Determinados metais, a temperaturas próximas do zero absoluto, apresentam resistividade quase nula. É o fenômeno da super- condutividade, que já foi verificado no mercúrio, no chumbo, nos óxidos de ítrio, de bário e de cobre. Efeito da Temperatura A resistência elétrica de um condutor depende da temperatura. Sendo R0 a resistência elétrica de um con- dutor à temperatura 0 e R a resistência à temperatura , pode-se escrever, com boa aproximação, que: em que ∆ é a variação de temperatura e é o coeficiente térmico. Há ligas metálicas cuja resistência não altera com a temperatura, isto é, que tem praticamente igual a zero. As mais importantes são: • constantan – composta de níquel, cobre e zinco; • manganina – composta de cobre e manganês; • niquelina – composta de cobre, manganês e níquel. ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES Em muitos casos práticos, tem-se a necessidade de uma resistência maior do que a fornecida por um único resistor. Em outros casos, um resistor não suporta a intensidade da corrente que deve atravessá-lo. 13 Nessas situações, utilizam-se vários resistores associados entre si. Que podem ser associados em série, em paralelo ou numa combinação de ambas, a associação mista. Em circuitos elétricos utiliza-se o conceito de nó, que é a junção de três ou mais ramos de circuito. Esse conceito é muito importante no estudo das associações em sériee paralelo de elementos de um circuito elétrico. Exemplos: • São nós: • Não são nós: Figura 21 Fonte: http://sereduc.com/agwBfS e http://sereduc.com/25ukdb Resistor equivalente – É o resistor que produz o mesmo efeito que a associação, ou seja, submetido à mesma ddp da associação, deixa passar corrente de mesma intensidade. Associação em Série Um circuito elétrico com resistores, um seguido do outro, de modo a oferecer um único caminho para a passagem da corrente. Figura 22 Fonte: http://pt.slideshare.net/jorgehenriqueangelim/eletrodinmica-associaao-de-resistores Características da associação em série 1ª) A intensidade da corrente i é a mesma em todos os resistores, pois eles estão ligados um após o outro. 2ª) A tensão elétrica Vac na associação é igual à soma das tensões em cada resistor: Vac = Vab + Vbc 3ª) Aplicando-se a 1.ª lei de Ohm a cada um dos resistores, podemos calcular a resistência do resistor equivalente da associação, da seguinte forma: http://sereduc.com/agwBfS http://sereduc.com/25ukdb http://pt.slideshare.net/jorgehenriqueangelim/eletrodinmica-associaao-de-resistores 14 O resistor equivalente tem uma resistência elétrica igual à soma das resistências elétricas de todos os resistores da associação. Associação em Paralelo Quando dois ou mais resistores têm seus terminais ligados à mesma diferença de potencial, de modo a oferecer caminhos separados para corrente. Figura 23 Fonte: http://pt.slideshare.net/jorgehenriqueangelim/eletrodinmica-associaao-de-resistores Características da associação em paralelo 1ª) A tensão V é a mesma em todos os resistores, pois estão ligados aos mesmos terminais. 2ª) A corrente i na associação é igual à soma das correntes em cada resistor: i = i1 + i2 3ª) Aplicando-se a 1.ª lei de Ohm a cada um dos resistores, podemos determinar a resistência do resistor equivalente, calculando o inverso da resistência equivalente que é igual à soma dos inver- sos das resistências associadas: Se houver somente dois resistores em paralelo, de resistências R1 e R2, a resistência equivalente Rp dessa associação pode ser determinada por: http://pt.slideshare.net/jorgehenriqueangelim/eletrodinmica-associaao-de-resistores 15 Se houver somente resistores idênticos em paralelo, de resistências R1, a resistência equivalente Rp dessa associação pode ser determinada por: Associação Mista Como o nome sugere, nessa associação encontramos resistores associados em série e em paralelo, ao mesmo tempo. A determinação do resistor equivalente final é feita por intuição, a partir da substituição de cada uma das associações, em série ou em paralelo, não necessariamente nessa ordem, que compõem o circuito pela respectiva resistência equivalente. Figura 23 Fonte: http://sereduc.com/EKHYPG Curto-Circuito Um elemento de um circuito está em curto-circuito quando ele está sujeito a uma diferença de potencial nula. Figura 23 Fonte: http://interna.coceducacao.com.br/ebook/content/pictures/2002-21-122-12-i008.jpg No circuito acima, a lâmpada L2 está em curto-circuito, pois ela está ligada nos terminais A e B, que apre- sentam ddp nula devido estarem ligados por um fio ideal. Portanto, a lâmpada L2 está apagada, por não passar corrente elétrica através dela. A corrente elétrica, ao chegar ao ponto A, passa totalmente pelo fio ideal (sem resistência elétrica). http://sereduc.com/EKHYPG http://interna.coceducacao.com.br/ebook/content/pictures/2002-21-122-12-i008.jpg 16 POTÊNCIA ELÉTRICA Sabendo que uma energia não se ganha nem se perde, que ela apenas se transforma de uma modalidade em outra. Em eletricidade, a quantidade de energia elétrica transformada em outra modalidade de ener- gia, por unidade de tempo, é denominada potência elétrica. Figura 24 Fonte: http://sereduc.com/Hek6S8 A princípio a potência indica o que o aparelho é capaz de fazer. Um chuveiro de maior potência tem maior capacidade de aquecimento, assim como um aspirador de maior potência tem maior capacidade de aspi- ração e uma lâmpada, maior capacidade de iluminação. Vale ressaltar que a comparação entre as potências dos aparelhos só é válida quando estes aparelhos têm o mesmo rendimento, ou seja, que aproveitam a energia que recebem de forma equivalente. Para aparelhos que utilizam resistores (chuveiros) ou indutores (motores), essa comparação é razoavelmente válida, pois seu aproveitamento é relativamente igual. Cálculo da Potência Elétrica (Pe) Sabe-se que o trabalho da força elétrica em cada portador de carga (q) é obtido do produto entre a d.d.p. (V) e a carga (q), ou seja: W = q ∙ v Sabe-se também que ao atravessar um trecho do circuito, num intervalo de tempo, a carga (q) pode ser calculada pela relação: q = i ∙ ∆t Logo, o trabalho da força elétrica pode ser colocado na forma de: W = V ∙ i ∙ ∆t Como a potência elétrica corresponde ao trabalho realizado pela força elétrica na unidade de tempo, tem-se: Como toda grandeza física, a potência elétrica tem a sua unidade que, no SI, é o watt (W). Então: 1 W = 1 V ∙ 1 A � � �×× =� � = t tiVP t WP ee http://sereduc.com/Hek6S8 17 Nos terminais de um resistor ôhmico, aquele que obedece às leis de ohm, sabe-se que a d.d.p. (V) é cal- culada pela relação V = R ∙ i. Então, a potência elétrica pode ser colocada na forma de: Como i = U / R , vem que: Estas últimas expressões são chamadas de potência dissipada. ENERGIA ELÉTRICA A quantidade de energia elétrica dissipada no resistor, representa o produto da potência instalada duran- te certo intervalo de tempo t, ou seja: Embora a unidade de energia no SI seja o J (joules), uma unidade de energia muito utilizada é o quilowa- tt-hora (kWh). Relação: kWh → J: 1 kWh = (1 000 W) x (3600 s) = 3,6 ∙ 106 J Atenção! A energia não pode ser consumida, apenas transformada! Produção de energia elétrica No Brasil, a geração industrial de energia elétrica pode, basicamente, ser realizada de duas maneiras: a) Conversão hidroelétrica – A energia potencial gravitacional (queda d’água) é transformada em ener- gia cinética (rotação da turbina) e, posteriormente, através do gerador em energia elétrica. No Brasil, de- vido ao o imenso potencial hidráulico, cerca de 90% da energia elétrica é gerada por usinas hidrelétricas. Figura 25 Fonte: http://www.bbc.co.uk/staticarchive/458d9c4dd67e4b9d5aa931a29900b0a9e929af95.gif http://www.bbc.co.uk/staticarchive/458d9c4dd67e4b9d5aa931a29900b0a9e929af95.gif 18 b) Conversão termoelétrica – Aproveita-se a energia potencial dos combustíveis. Figura 26 Fonte: http://www.fisicainterativa.com/wp-content/uploads/2015/03/TRABALHO-5A-300x283.png ACESSE O AMBIENTE vIRTUAL Encerramos, neste momento, todo o conteúdo da Unidade III. É importante que você tenha compreendido todo o assunto, pois ele é a base para compreensão da unidade final. Agora, você deve ir ao Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA) e realizar as ativida- des (caráter avaliativo) referentes ao conteúdo aprendido nesta terceira unidade. Caso tenha alguma dúvida, você deve entrar em contato com o (a) tutor (a). Encontramo-nos em breve na próxima unidade. Até lá! http://www.fisicainterativa.com/wp-content/uploads/2015/03/TRABALHO-5A-300x283.png
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