CAT124 - AULA 01 Matéria e Eletricidade

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Prof. João Carlos Vilela 
jcvilela@demec.ufmg.br 
Matéria e Eletricidade 
 Existe um número muito grande de substâncias diferentes. 
 Estas substâncias são resultados de combinações de um número 
relativamente pequeno de elementos químicos chamados de 
átomos. 
 Estes átomos são compostos pelos mesmos constituintes. 
 Um átomo é constituído de 3 elementos: 
 Prótons; 
 Elétrons; 
 Nêutrons; 
 
Matéria e Eletricidade 
 Para o estudo da eletrotécnica, pode-se dizer que somente os 
prótons e elétrons se mostram importantes; 
 O próton pode ser definido como: 
 A quantidade elementar natural de eletricidade positiva; 
 E o elétron: 
 Quantidade elementar natural negativa; 
 
Matéria e Eletricidade 
 Os prótons se repelem mutuamente; 
 Da mesma forma os elétrons também se repelem mutuamente; 
 Porém, existe uma atração entre prótons e elétrons; 
 A massa de um próton é aproximadamente igual a 1800 vezes 
a massa de um elétron; 
 Para uma massa de 1g são necessários 6,02 × 1023 prótons; 
O ÁTOMO 
 Pode-se dizer que um átomo é a menor partícula de um 
elemento*. 
 O átomo é composto por duas partes: 
 O Núcleo 
 Orbitais de elétrons (...) 
 O núcleo contém os prótons e nêutrons; 
 Os elétrons giram em torno do núcleo em forma de orbitais. 
 Normalmente cada átomo possui um número igual de prótons e 
elétrons. 
 
O ÁTOMO 
 Se o núcleo contivesse apenas prótons o peso atômico do 
elemento seria proporcional ao número de prótons; 
 Porém, isto não se verifica, sendo o peso atômico 
normalmente o dobro do número de prótons do átomo. 
 A outra “metade” do peso atômico é dada pelos nêutrons. 
 Porém os nêutrons não têm efeitos sobre as propriedades 
elétricas dos átomo. 
 
CARGAS ELÉTRICAS 
 Seja um corpo formado por elementos com mesmo número de 
prótons e elétrons. 
 É possível remover ou adicionar elétrons a este corpo. 
 Um corpo que possui números desiguais de elétrons e prótons 
é dito carregado eletricamente; 
 Se número de elétrons é maior que o de prótons, se diz que o 
corpo está carregado negativamente; 
 Se o número de elétrons é menor que o de prótons, o corpo é 
dito carregado positivamente. 
 
EXEMPLO DE CORPO CARREGADO ELETRICAMETE 
 Esfregando-se um pedaço de seda à um 
bastão de vidro, faz-se que a seda 
remova elétrons do bastão; 
 Desta forma: 
 O bastão fica carregado positivamente (perde elétrons) 
 A seda fica carregada negativamente (ganha elétrons) 
 Dois bastões carregados desta maneira irão se repelir; 
 Da mesma forma, dois pedaços de seda se repelirão; 
 Porém, entre o bastão e a seda carregados haverá uma força de atração; 
 
CARGAS ELÉTRICAS 
 Um átomo pode conter dezenas de elétrons; 
 Porém é difícil se remover mais de 1 elétron de um átomo; 
 Quanto mais elétrons se remove, maior o número de prótons 
restantes e maior a força que os prótons exercerão sobre a 
remoção de novos elétrons. 
 O movimento do elétron que é removido constitui a base 
essencial da eletrotécnica. 
 
CORRENTE ELÉTRICA 
 Pode ser dita como sendo um fluxo de elétrons móveis; 
 Uma corrente pra uso prático deve conter bilhões de bilhões de 
elétrons. 
 Ex: 
 Lâmpada incandescente: 
 
A corrente no filamento de uma lâmpada 
incandescente é da ordem de 1019 elétrons. 
 
CORRENTE ELÉTRICA 
 Uma corrente pode também ser produzida por um fluxo de 
cargas positivas. 
 Um exemplo são as partículas carregadas positivamente se movendo 
num sentido em um eletrólito ou em gases ionizados. 
 Nos outros casos (como em um condutor metálico) a corrente 
elétrica consiste em elétrons em movimento. 
 
ISOLANTES, CONDUTORES E RESISTORES 
 Isolante: 
 Material com resistência muito elevada à 
passagem de corrente elétrica. 
 É usado para confinar a uma corrente elétrica 
em um circuito; 
 Serve também como suporte mecânico ao 
condutor; 
 
 Condutor: 
 Material com resistência muito baixa à passagem de 
corrente elétrica; 
 Utilizado para servir de circuito à corrente elétrica. 
EXEMPLOS 
 Exemplos de isolantes: 
 Ar; 
 Vidro; 
 Cerâmica; 
 Porcelana; 
 Borracha; 
 Óleo; 
 Verniz; 
 
RESISTORES 
 Resistor: 
 
 Material que se opõe à circulação de corrente. 
 Em geral utilizado para: 
 Controle da corrente; 
 Converter energia elétrica em calor; 
 As substâncias possuem resistência elétrica variadas devido principalmente 
à diferença de estrutura entre estas substâncias; 
Simbologia utilizada para 
representar um resistor 
RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL 
 A resistência de um material está diretamente ligada à força de 
atração que cada molécula exerce sobre seus elétrons; 
 Se as moléculas de determinado material conseguem reter seus 
elétrons firmemente, não haverá fluxo de elétrons neste material; 
 Porém pode existir uma força que tenda a arrancar elétrons de 
uma molécula, fazendo-os circular pelo material ou até mesmo 
romper este material; 
GERAÇÃO DE CORRENTE ELÉTRICA 
 O primeiro método utilizado para se produzir correntes elétricas foi 
através do atrito; 
 Máquinas de atrito eram construídas de modo a gerar corrente elétrica 
continuamente; 
 Porém este é um método ineficiente de geração 
de eletricidade e foi abandonado principalmente 
com o surgimento das pilhas de volta; 
 Este tipo de energia continua até hoje a ser 
produzido nas fábricas não intencionalmente, 
sendo muitas vezes causadoras de incêndio. 
GERAÇÃO DE CORRENTE POR REAÇÃO QUÍMICA 
 Um grande passo para o conhecimento em eletricidade veio com a 
descoberta de correntes produzidas por ações químicas; 
 Alessandro Volta, por volta de 1800 descobriu que a partir de uma 
reação química entre zinco e ácido sulfúrico podia-se produzir corrente 
elétrica. 
 Dissolvendo-se ácido sulfúrico (𝐻2𝑆𝑂4) em água, algumas de suas 
moléculas se dissociam em íons H+, H+e SO4
2−; 
 A esta solução (dentre outras) dá-se o nome de eletrólito; 
 
GERAÇÃO DE CORRENTE POR REAÇÃO QUÍMICA 
 Ao se introduzir uma lâmina de zinco nesta solução, íons de zinco (Zn2+) 
tendem a deixar a lâmina e formar sulfato de zinco com a solução. 
 
 Ao perder os íons de zinco, a lâmina fica carregada negativamente; 
 
 Isto ocorre até que o sistema entre em equilíbrio; 
 
GERAÇÃO DE CORRENTE POR REAÇÃO QUÍMICA 
 Se for introduzida outra lâmina ao eletrólito, desta vez de cobre ao invés de zinco 
e se ligar um condutor entre esta nova lâmina e a lâmina de zinco surgirá uma 
corrente elétrica; 
 Isto ocorre porque os elétrons “extras” na lâmina de zinco começam se deslocar 
pelo condutor no sentido à lâmina de cobre; 
 Com isso os elétrons que chegam à lâmina de cobre reagem com os íons H+ 
formando hidrogênio que escapa, na forma de bolhas, para o ar; 
 Assim, à medida em que os elétrons se deslocam, rompe-se o equilíbrio entre o 
zinco e o eletrólito de modo que novas reações entre estes dois ocorram. 
 Isto ocorre até que ou o eletrólito ou o zinco se esgotem; 
 
PILHA DE VOLTA 
• Em 1800, Volta empilhou alternadamente discos de 
zinco e de cobre, separando-os por pedaços de 
tecido embebidos em solução de ácido sulfúrico. 
• Este equipamento produzia energia elétrica sempre 
que um fio condutor era ligado aos discos de zinco e 
de cobre, colocados em sua. 
• Devido a este empilhamento nasceu o nome: pilha 
de Volta, e mais tarde, pilha, como são chamadas 
algumas baterias nos dias de hoje; 
Geração de corrente por indução Eletromagnética 
 Outra forma de se gerar corrente, ou energia, é através da indução 
eletromagnética; 
 Este é o princípio utilizado para a geração de energia pelos geradores 
elétricos; 
 Com este método consegue-se gerar correntes de grandes magnitudes e 
de forma muito mais barata que outros métodos. 
 Por este motivo é de longe o método mais utilizado para a geração de 
energia atualmente. 
 Este tipo de geração de energia elétrica, ou corrente,será estudado 
melhor posteriormente neste curso. 
SENTIDO DA CORRENTE 
 O conceito de cargas positivas e cargas negativas já era usado desde a 
época da energia elétrica gerada por atrito. 
 Com a invenção da pilha, notou-se que haviam também cargas positivas e 
negativas e que quando se ligava um eletrodo ao outro, havia uma 
corrente elétrica; 
 Só que não se sabia qual o sentido desta corrente; 
 Daí se convencionou que a corrente fluía do eletrodo positivo para o 
negativo; 
 Com isso o sentido da corrente é dito, por convenção, fluir do polo positivo 
para o negativo, quando se sabe, que na verdade os elétrons fluem do 
negativo para o positivo; 
 
Força Eletromotriz e Diferença de Potencial 
 Quando se liga o condutor às duas lâminas citadas anteriormente, viu-se que 
é produzida uma corrente elétrica. 
 Então a força eletromotriz pode ser dita como a causa que produz a 
circulação dessa corrente elétrica; 
 Este conceito se aplica também à outras formas de geração de corrente além 
da por reação química. 
 Porém, ao se retirar o condutor que liga as lâminas, nota-se que cada lâmina 
fica carregada com cargas de sinais opostos; 
 É dito então que cada lâmina está a um potencial elétrico. 
 A diferença de potencial entre a lâmina de cobre e a de zinco é dada o 
nome de diferença de potencial da pilha. 
 O mesmo também se aplica a outros meios de produção de energia elétrica. 
Força Eletromotriz e Diferença de Potencial 
 Perceba, que a diferença de potencial entre as duas lâminas (ou polos) 
pode ser medida diretamente; 
 Porém a f.e.m. não pode ser medida diretamente, uma vez que esta deve 
ser maior que a ddp em uma quantidade necessária para fazer circular 
corrente através da resistência interna da pilha (ou gerador). 
 Uma forma de medir a f.e.m. é medir a ddp entre os polos da bateria ou 
gerador e somar a este valor a queda de tensão devido à resistência da 
pilha (ou gerador). 
Pilhas voltaicas em paralelo e em série 
 A um grupo de pilhas voltaicas ligadas entre si dá-se o nome de 
bateria; 
 Esta ligação pode-se fazer de duas maneiras 
 Em paralelo; 
 Em série; 
 O símbolo utilizado para representar uma pilha é o seguinte: 
 
Associação em paralelo 
 Sejam duas pilhas, de mesma ddp ligadas em paralelo como 
mostrado abaixo: 
 
 
 
 
 A ddp entre os terminais A e B será o mesmo que o de cada 
pilha individualmente. 
 Porém a capacidade de corrente elétrica que a pilha poderá 
produzir será proporcional ao número de pilhas associadas em 
paralelo. 
Associação em série 
 Liguemos agora duas pilhas em série, como mostra a figura: 
 
 
 
 Neste tipo de ligação, nota-se que a tensão medida entre os 
terminais irá ser a soma das tensões das pilhas em série. 
 Porém, a corrente que esta bateria poderá suprir será a mesma 
corrente máxima de apenas uma das pilhas individualmente 
(caso todas as pilhas sejam iguais)