Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
ELETRICIDADE BÁSICA Professora: Anna Paula Paz 1. Grandezas Elétricas: 1.1- Carga Elétrica 1.2 -Tensão Elétrica 1.3 - Corrente Elétrica 1.4 - Resistênçia Elétrica 2. Condutores e Isolantes 3. Leis de Ohm: 1ª Lei de Ohm 2ª Lei de Ohm 3.1 - Múltiplos e submúltiplos 3.2 – Circuito Elétrico 3.3 – Associação de Resistores - Resistores 4. Potênçia Elétrica 5. Instrumento de Medidas: 5.1 - Voltímetro 5.2 - Amperímetro 5.3 - Wattímetro 5.4 - Ohmímetro 5.5 – Multímetro 6. Leis de Kirchhoff: 6.1 - Lei de Kirchhoff das Tensões 6.2 - Lei de Kirchhoff das Correntes 1. Grandezas Elétricas Grandeza é tudo aquilo que pode ser mensurado, ou seja, que pode ser medido ou contado! As grandezas nos dão a possibilidade de obter características baseadas em informações numéricas e/ou geométricas, sendo que todas essas grandezas são padronizadas pelo Sistema Internacional de Unidades (SI).Todas as grandezas possuem uma unidade de medida padrão e o respectivo símbolo da unidade. Entre as diversas grandezas elétricas, podemos citar a carga elétrica,tensão elétrica, corrente elétrica e resistência elétricas, que serão estudadas a seguir. 1.1 – Cargas Elétricas As unidades fundamentais da matéria são os átomos. Eles são formados por um núcleo com carga elétrica positiva (prótons), além de partículas de carga neutra (nêutrons). O núcleo atômico compõe praticamente toda a massa do átomo, (99,9%), ele é envolvido por uma camada de elétrons de carga negativa. A carga elétrica é um conceito físico que determina as interações eletromagnéticas dos corpos eletrizados. Assim, a partir do atrito entre os corpos, ocorre o fenômeno chamado “eletrização”, de modo que todos os corpos possuem a propriedade de se atraírem ou se repelirem. Dessa forma, cargas de mesma natureza (positivo e positivo, negativo e negativo) se repelem, enquanto que as cargas de sinais contrários (positivas e negativas) se atraem. Isso ocorre pelo fato que as cargas elétricas são formadas por partículas elementares que constituem os átomos, conhecidas como prótons (carga positiva), elétrons (carga negativa) e nêutrons (carga neutra). No Sistema Internacional, a unidade de carga elétrica é o Coulomb (C) em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) pelas suas contribuições nos estudos da eletricidade. Para calcular a quantidade de cargas elétricas, utiliza-se a seguinte expressão: Q = n.e Onde, Q: carga elétrica n: quantidade de elétrons e: 1,6 . 10-19C, chamada de carga elétrica elementar 1.2 - Tensão Elétrica Podemos nos referir a tensão elétrica como a diferença de potencial ou ddp, além disso ela também é muito conhecida pelos mais leigos como voltagem. Isso é porque a unidade de medida da tensão elétrica é o volt (V). A tensão elétrica nada mais é do que a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Ela é fornecida para um circuito através de uma fonte de tensão como por exemplo, pilha, bateria, fontes da rede elétrica ou qualquer outra coisa que seja capaz de gerar uma diferença de potencial (ddp). 1.3 - Corrente Elétrica Assim como a tensão elétrica, é muito comum os mais leigos se referirem a corrente elétrica como amperagem, isso porque a unidade de medida da corrente elétrica é o ampére (A). A corrente elétrica é definida como o fluxo ordenado dos elétrons em um condutor, que ocorre em função da tensão elétrica. Vale a pena destacar que podemos considerar o fluxo dos elétrons em dois sentidos, o real e o convencional. O sentido real da corrente ocorre do ponto de menor potencial elétrico, para o ponto de maior potencial. Já o sentido convencional, considera que o fluxo da corrente elétrica ocorre do ponto de maior potencial elétrico, para o ponto de menor potencial. 1.4 - Resistência Elétrica A resistência elétrica é uma propriedade presente em qualquer material! Ela é definida como uma oposição a passagem da corrente elétrica que um determinado material é capaz de oferecer, ou seja, a resistência elétrica é a grandeza responsável por limitar a corrente que passa pelo circuito. A letra grega ômega (Ω) é usada para representar a resistência e a unidade de medida da resistência é o ohm. 2. Condutores e Isolantes Condutores e isolantes são materiais elétricos que se comportam de maneiras opostas no que respeita à passagem de corrente elétrica. Enquanto os condutores permitem a movimentação dos elétrons, os isolante dificultam essa movimentação, ou seja, a passagem da eletricidade. É o mesmo que dizer que os condutores conduzem as cargas, ou facilitam, a sua passagem e que os isolantes a isolam. Isso acontece em decorrência da estrutura atômica das substâncias, ou melhor, dos elétrons que os materiais apresentam na sua camada de valência . A camada de valência é aquela que fica mais distante do núcleo atômico. Nos materiais condutores, as cargas elétricas se movimentam com mais liberdade em função dos elétrons livres presentes na sua camada de valência. A ligação dos elétrons livres com o núcleo atômico é bastante fraca. Assim, esses elétrons têm tendência para serem doados, movimentam-se e espalham-se facilitando a passagem da eletricidade. São exemplos de condutores elétricos os metais em geral, tais como cobre, ferro, ouro e prata. Nos materiais isolantes, também chamados de dielétricos, verifica-se a ausência ou pouca presença de elétrons livres. Isso faz com que os elétrons dos isolantes estejam fortemente ligados ao núcleo, o que inibe a sua movimentação. São exemplos de isolante elétricos: borracha, isopor, lã, madeira, plástico e papel, vácuo, vidro. 3. Leis de Ohm As Leis de Ohm, postuladas pelo físico alemão Georg Simon Ohm (1787-1854) em 1827, determinam a resistência elétrica dos condutores. Além de definir o conceito de resistência elétrica, Georg Ohm demostrou que no condutor a corrente elétrica é diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada.Foi assim que ele postulou a Primeira Lei de Ohm: ou Onde: R: resistência, medida em Ohm (Ω) U: diferença de potencial elétrico (ddp), medido em Volts (V) I: intensidade da corrente elétrica, medida em Ampére (A). Suas experiências com diferentes comprimentos e espessuras de fios elétricos, foram cruciais para que postulasse a Segunda Lei de Ohm: Onde: R: resistência (Ω) ρ: resistividade do condutor (depende do material e de sua temperatura, medida em Ω.m) L: comprimento (m) A: área de secção transversal (mm2) Nela, a resistência elétrica do condutor, dependendo da constituição do material, é proporcional ao seu comprimento. Ao mesmo tempo, ela é inversamente proporcional à sua área de secção transve 3.4. Circuito Elétrico O circuito elétrico é um caminho fechado onde o começo e fim são no mesmo ponto. Um circuito elétrico básico é composto por fonte, carga e condutor elétrico. A fonte pode ser, uma pilha, bateria, tomada ou outra fonte, onde exista uma diferença de potencial elétrico. A carga que irá consumir a energia elétrica do circuito como por exemplo, lâmpada, computador, televisão etc. O condutor elétrico (fio e cabos elétricos) é responsável por conduzir a corrente elétrica da fonte até a carga do circuito que a consome. Quando tem mais de uma carga podemos ter diferentes tipos de circuito elétrico. Como por exemplo, circuito em série, circuito paralelo e circuito misto. O circuito em série indica uma sequência na ligação como por exemplo, na ligação de três lâmpadas em série. Percorrendo o caminho feito pelo condutor elétrico, vemos que o circuito é fechadocomeçando e acabando no mesmo ponto, de forma com que a corrente elétrica percorra apenas um único caminho de forma com que a corrente elétrica percorra apenas um único caminho. No circuito paralelo a corrente elétrica se divide ao chegar no nó (emenda ou derivação), dessa forma a corrente terá dois ou mais caminhos para seguir, sempre havendo maior corrente elétrica pelo caminho de menor resistência. Confira na imagem abaixo a ligação de três lâmpada em paralelo. O circuito misto é a junção do circuito em série com paralelo como por exemplo, na ligação de três lâmpada em um circuito misto ilustrada na imagem abaixo, o condutor passa pela primeira lâmpada para depois fazer uma derivação no condutor, sendo dividido para as outras lâmpadas. 3.5. Associação de Resistores Resistores Os resistores são dispositivos eletrônicos cuja função é a de transformar energia elétrica em energia térmica (calor), por meio do efeito joule. O resistor é um componente elétrico passivo que tem a função primária de limitar o fluxo da corrente elétrica em um circuito. O resistor possui uma resistência maior do que os cabos de um circuito elétrico, forçando a redução da corrente elétrica que passa por ele provocando uma queda de tensão. Existem vários tipos de resistores e os símbolos para os resistores também são variados. Na imagem abaixo você pode observar isso. Os resistores fixos possuem um valor de resistência constante e eles são o tipo mais comum. Eles podem ser axiais ou SMD, sendo que os resistores SMD são soldados sobre as placas e são os mais utilizados por serem pequenos e fáceis de montar em alta escala. Já os resistores variáveis são aqueles em que é possível mudar o valor da resistência. A maioria dos resistores variáveis são ajustados por movimentação mecânica, ou seja, você precisa mover o ajuste manualmente. Quando é um divisor de tensão com 3 terminais, eles são chamados de potenciômetros. Quando são apenas uma resistência variável, eles recebem o nome de reostatos. Existem também os potenciômetros digitais que são controlados por software, geralmente através de comandos de um sistema micro controlado com um Arduíno, por exemplo. Outra categoria são as resistências que variam a partir de alguma grandeza física, como por exemplo, a temperatura, luz ou tensão. Neste grupo se incluem os LDRs e o varistores, por exemplo. A maior parte dos resistores atuais tem uma marcação com faixas coloridas que serve para indicar o valor da resistência e a sua tolerância. Associação de resistores em série Na associação de resistores em série, os resistores são ligados em sequência. Isso faz com que a corrente elétrica seja mantida ao longo do circuito, enquanto a tensão elétrica varia. Assim, a resistência equivalente (Req) de um circuito corresponde à soma das resistências de cada resistor presente no circuito: Req = R1 + R2 + R3 +...+ Rn Associação de Resistores em Paralelo Na associação de resistores em paralelo, todos os resistores estão submetidos a uma mesma diferença de potencial . Sendo a corrente elétrica dividida pelo ramos do circuito. Assim, o inverso da resistência equivalente de um circuito é igual a soma dos inversos das resistências de cada resistor presente no circuito: Quando, em um circuito em paralelo, o valor das resistências forem iguais, podemos encontrar o valor da resistência equivalente dividindo o valor de uma resistência pelo número de resistências do circuito, ou seja: Associação de Resistores Mista Na associação de resistores mista, os resistores são ligados em série e em paralelo. Para calculá-la, primeiro encontramos o valor correspondente à associação em paralelo e de seguida somamos aos resistores em série. 4. Potênçia Elétrica Potênçia elétrica é definida como a rapidez com que um trabalho é realizado. Ou seja, é a medida do trabalho realizado por uma unidade de tempo.No caso dos equipamentos elétricos, a potência indica a quantidade de energia elétrica que foi transformada em outro tipo de energia por unidade de tempo. A unidade da potência elétrica é o Watt, em homenagem a James Watt, inventor da maquia a vapor. Para demonstrar a força de sua maquina James utilizou a comparação com os cavalos que exerciam a força para mover os moinhos na ausência dos ventos. Desta comparação surgiu uma outra unidade que é o cavalo-vapor ou CV que equivalem a 735,5W, existem ainda o HP, uma sigla em inglês para horse-power, que equivale a 745,7W. A unidade CV no brasil é muito utilizada para potência de motores, tanto elétricos quantos os de combustão, utilizado em automóveis, mas ela não é reconhecida pelo S.I. (sistema internacional). Para calcular a potência elétrica utilizamos a seguinte fórmula: P = U . i Sendo, P: potência (W) i: corrente elétrica (A) U: diferença de potencial (V) Para calcular a potência elétrica em um resistor, podemos usar a seguinte expressão: P = R . i2 Sendo, https://www.mundodaeletrica.com.br/conversao-entre-prefixos-de-unidades-eletricas/ P: potência (W) R: resistência (Ω) i: corrente (A) Usando a Lei de Ohm (U = R . i), podemos substituir a corrente na expressão anterior e encontrar a potência em função da diferença de potencial e da resistência. Nesse caso, teremos: Sendo, P: potência (W) U: ddp (V) R: resistência (Ω) Energia Elétrica O consumo de energia sempre vem relacionado ao período de tempo em que for usado um aparelho. Portanto, quanto maior a potência e maior o tempo de utilização, maior será o gasto de energia elétrica. A energia elétrica depende da potência elétrica da carga(P) e do tempo(t) em que a mesma ficou ligada. Para calcular a energia elétrica utiliza-se a seguinte equação: Eel = P . ∆t Onde: Eel: energia elétrica P: potência ∆t: variação do tempo Para calcular o consumo de energia elétrica nos aparelhos presentes em casa utiliza-se a equação: Onde: K: quilowatt hora T: tempo P: potência 5. Instrumentos de Medidas 5.1.Voltímetro Voltímetro é um instrumento eletrônico,também conhecido como medidor de tensão, é usado para medir a diferença de potencial, ou tensão, entre dois pontos em um circuito elétrico ou eletrônico. Pode exibir leituras em forma analógica (um ponteiro através de uma escala em fração da tensão do circuito) ou digital (mostra a tensão diretamente como números). Alguns destinam-se ao uso em circuitos de corrente contínua; outras são projetadas para circuitos de corrente alternada. Criado pela primeira vez no início de 1800, esses dispositivos eram originalmente chamados de galvanômetros. Voltímetro analógico consiste de um galvanômetro sensível (medidor de corrente) em série com uma alta resistência. A resistência interna de um voltímetro deve ser alta. Caso contrário, ele atrairá uma corrente significativa e, portanto, perturbará a operação do circuito sob teste. A sensibilidade do galvanômetro e o valor da resistência em série determinam a faixa de tensões que o medidor pode exibir. Voltímetro digital mostra a voltagem diretamente como números. 5.2.Amperímetro Amperímetros são um tipo de instrumento de medição eletrônica usado para avaliar o fluxo de corrente elétrica em um determinado circuito. A corrente é o fluxo de elétrons cuja unidade é ampere. Portanto, o instrumento que mede os fluxos de corrente em ampère é conhecido como amperímetro.Amperímetro térmico, usado principalmente para medir corrente alternada com precisão de 0,5 a 3%, a corrente medida aquece um termoconverter (termopar); a pequena voltagem assim gerada é usada para alimentar um milivoltímetro. Amperímetros digitais, sem partes móveis, usam um circuito como o integrador de inclinação dupla para converter uma corrente analógica (contínua) medida em seu equivalente digital. Muitos amperímetros digitais têm precisões melhores que 0,1%. 5.3.Wattímetro O wattímetro é um instrumento de medição capaz de medir a potênçia elétrica fornecida ou dissipada, ele também é usualmente conhecido como medidor de energia. O wattímetro fornece a potência na unidade de medida Watts, que equivale a 1 Joule porsegundo (J/s). Ao realizar a medição da potência elétrica, primeiro é necessário medir os valores de tensão e corrente elétrica. Isso é possível devido ao fato de que os wattímetros possuem mais de uma bobina. A primeira bobina é conhecida como bobina de tensão, bobina de potencial ou bobina móvel, ela é responsável por medir a tensão elétrica aplicada no circuito em Volts. Já a segunda bobina é conhecida como bobina de corrente, bobina de campo ou bobina fixa, e é responsável por medir a corrente elétrica do circuito em Ampères. Para garantir que a medição seja realizada corretamente, os terminais da bobina de potencial devem ser ligados em paralelo, e os terminais da bobina de corrente devem ser ligados em série com o elemento em que será realizado a medição. Após a medição da tensão e da corrente, o wattímetro as multiplica para obter assim o valor da potência em Watts. O wattímetro eletrodinâmico é tradicionalmente um instrumento analógico! Ele possui uma bobina móvel em paralelo com a carga elétrica, além de duas bobinas fixas em série com a carga elétrica. Ele também tem uma agulha ligada à sua bobina móvel, que se move sobre uma escala indicando a medição. Na imagem abaixo é possível ver as ligações internas do wattímetro eletrodinâmico. Os wattímetros digitais mostram os valores de tensão e de corrente várias vezes por segundo. Cada que vez que os valores de tensão e corrente são medidos, ao mesmo tempo eles são multiplicados com a finalidade de achar o valor da potência. Além dos wattímetros eletrodinâmicos e digitais, existem outros tipos de wattímetro que são usados de acordo com a necessidade de medição de cada circuito.Como é o caso do wattímetro alicate, do wattímetro eletrônico e do wattímetro trisfásico. 5.4.Ohmímetro Ohmímetro é um instrumento de medição eletrônico que tem a função de medir a resistência elétrica de um componente ou circuito eletrônico. O funcionamento básico do ohmímetro é simples, através de duas pontas de medição ele aplica uma tensão à uma “resistência”, o resultado da corrente elétrica que passou através da resistência é medida por um galvanômetro. A escala do medidor do ohmímetro é marcada em ohms, porque a tensão fixa da bateria garante que, conforme a resistência diminuísse, a corrente através do medidor aumentaria. Ou seja ele mede a resistência elétrica, a oposição a uma corrente elétrica ( medidor de Ohm ). Todo Multímetro tem escalas em Ohm, ou seja ele mede resistência, portanto é um ohmímetro, mas existem equipamentos mais precisos e potentes que são apenas ohmímetros, capazes de medir cima de Mega Ohm, abaixo de .0 Ohm e com muito mais precisão. http://blog.novaeletronica.com.br/guia-basico-como-usar-um-multimetro-dicas-e-videos/ http://blog.novaeletronica.com.br/lei-de-ohm/ 5.5.Multímetro O multímetro é um equipamento eletrônico que tem por função medir algumas grandezas elétricas. Ele é um dos principais instrumentos de medição usados atualmente, e sua fama se deu por causa da sua fácil utilização. Um multímetro pode medir muitas grandezas e condições. A grandeza que pode ser medida depende do modelo do multímetro, da qualidade, da fabricação, do tipo e de outros fatores. Dentre as grandezas que o multímetro normalmente pode medir estão: A corrente elétrica (Alternada ou Contínua) A resistência A tensão (Contínua ou Alternada) A temperatura Existem dois tipos de multímetro, que estão descritos abaixo. Multímetro Analógico É um tipo de multímetro mais antigo, porém tão eficiente quanto o mais recente. Ele mostra a medição por meio de um ponteiro que fica conectado à uma bobina móvel dentro de um campo magnético, que é feito por um ímã permanente. Multímetro Digital É um tipo de multímetro mais recente, que visa facilitar o seu uso. Ele mostra a medição por meio de uma Tela LCD. Essa tela só consegue mostrar os valores das grandezas pois possui circuitos análogo-digitais, que são os responsáveis de converter a corrente elétrica para sinais digitais. 6. Leis de Kirchhoff: As Leis de Kirchhoff foram criadas e desenvolvidas pelo físico alemão Gustav Robert Kirchhoff, daí o nome leis de Kirchhoff. As Leis de Kirchhoff são geralmente empregadas em circuitos elétricos mais complexos, como por exemplo circuitos com mais de uma fonte e de resistores, estando eles em série ou paralelo. Temos que as lei de Kirchhoff possuem conceitos fundamentais para a análise de circuitos elétricos, seja dos circuitos mais simples até os circuitos mais complexos. Para compreender as leis de Kirchhoff é importante definir o que são “nós” em circuitos elétricos, que são basicamente pontos onde três ou mais condutores são interligado, ou seja onde a corrente irá se separar em um determinado ponto do circuito. Encontramos“nós” nos mais diversos tipos de circuitos como por exemplo, em circuitos paralelos ou em circuitos série paralelo, mas não em circuitos em série. Também é importante compreender o que são as Malhas nos circuito elétricos, que são definidas como caminhos fechados de condutores elétricos, que ao contrário do “nó”,temos em todos os circuitos, pois é um caminho fechado para a circulação da corrente elétrica. 6.1.Primeira Lei de Kirchoff A primeira lei de Kirchhoff, também conhecida como lei dos “nós” ou lei de Kirchhoff para as correntes (LKC), afirma que a soma das correntes que entram em um “nó” é igual a soma das correntes que saem deste mesmo “nó”, como consequência da conservação da carga elétrica, onde soma algébrica das cargas existentes em um sistema fechado permanece constante. As setas indicadas na imagem acima determinam o sentido da corrente elétrica, ou seja, determinam se as corrente estão entrando ou saindo do “nó”. Sendo assim, aplicando a primeira lei de Kirchhoff temos as correntes I1 entrando no “nó”, enquanto isso as correntes I2 e I3 estão saindo deste mesmo “nó”. Portanto a soma das correntes I2 e I3 é igual a corrente I1. Para a primeira lei de Kirchhoff também podemos afirmar que a somas das correntes em um “nó” é igual a zero, ou seja, não acumula carga. Antes de realizar a análise desta forma é preciso definir uma convenção de sinais, ou seja, as correntes que estão entrando em um “nó” devem ser consideradas positivas, enquanto isso as correntes que saem deste mesmo “nó” devem ser consideradas negativas. I1 + I2 + I3 +(- I4) + (- I5) = 0 I1 + I2 + I3 – I4 – I5 = 0 6.2.Segunda Lei de Kirchoff: A segunda lei de Kirchhoff, que também é conhecida como lei das malhas ou lei de Kirchhoff para as tensões (LKT) basicamente apresenta como a tensão elétrica se distribui pelos elementos dos circuitos elétricos. A segunda Lei de Kirchhoff afirma que ao percorrer uma malha por um determinado sentido, partindo e chegando ao mesmo ponto, a soma algébricadas d.d.p. é nula, ou seja, a soma das tensões em uma malha deve ser igual a zero. Antes de aplicar a segunda lei de Kirchhoff no circuito, éimportante destacar que é preciso arbitrar o sentido que a corrente elétrica irá percorrer no circuito e estabelecer a polaridade de todos os componentes deste mesmo circuito. V1 + V2 – V = 0 V1 + V2 = V OBRIGADO PELA ATENÇÃO !!!!
Compartilhar