Eletricidade aplicada

Eletricidade Básica

JEOVÁ LACERDA CALHAU

UM POUCO DE HISTÓRIA...

PIONEIROS DA ELETRICIDADE

ELETROSTÁTICA

Princípios da eletricidade

Elétronscargas negativas

(orbitais)

Prótonscarga positiva

Nêutronscarga neutra(Núcleo)

O átomo

Carga Elétrica

Quando um corpo possui o mesmo número de prótons e de elétrons, dizemos que ele possui um equilíbrio de cargas e, conseqüentemente, que ele está eletricamente neutro.

Dizemos que um corpo está carregado quando há nele um desequilíbrio de cargas (diferente número de prótons e elétrons). Se no corpo há mais prótons do que elétrons, dizemos que este possui uma carga positiva. Se, do contrário, há mais elétrons do que prótons, o corpo possui uma carga negativa.

Unidade de medida de carga elétrica:CoulombSímbolo: C

Carga elétrica fundamental:é a carga de um próton ou de um elétronSeu valor é de e = 1,6 x 10-19 C

• Quantização da carga elétrica:Q = n.e

n é o número de cargas em excesso ou em faltae é a carga elétrica fundamental

Carga Elétrica

Cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem.

Lei das Cargas Elétricas

Processos de eletrização

Os principais processos de eletrização são:

Eletrização por atrito

Eletrização por contato

Eletrização por indução

Tipos de materiais

Condutores – São materiais que possuem uma grande quantidade de elétrons livres, ou seja, elétrons que podem se mover facilmente. Por isso estes materiais conduzem bem a eletricidade. Os principais exemplos são os metais em geral.

Isolantes – São materiais que possuem poucos, ou nenhum, elétron livre. Estes materiais não conduzem bem a eletricidade e podemos citar como exemplos a borracha, o vidro e a cerâmica em geral.

ELET. ESTÁTICA: Raios e Relâmpagos

Lei de CoulombSabemos que há entre duas partículas carregadas uma força eletrostática de atração ou repulsão. A Lei de Coulomb nos fornece o módulo desta força, que é dada pela equação

221

dqqKF =

Onde q1 e q2 são os módulos de cargas das partículas, d é a distância entre elas e K é uma constante que vale K=8,99 x 109 N.m2/C2

Campo elétrico

O campo elétrico é usado para medir a influência que uma carga elétrica exerce no espaço ao seu redor. Trata-se de uma grandeza vetorial (que possui módulo, direção e sentido) e é representado pelas linhas de campo.

As unidades usadas para campo elétrico são o N/C e o V/m (SI).

Campo elétrico

Linhas de campo elétrico

- Elas se estendem apontando para fora das cargas positivas e para dentro das cargas negativas.

As linhas de campo elétrico obedecem as seguintes regras:

- A densidade das linhas de campo elétrico dá uma idéia da intensidade do campo elétrico naquela região.

- As linhas de campo nunca se cruzam.

Campo elétrico

Cargas com sinais opostos

Campo elétrico

Cargas de mesmo sinal

Força e campo elétrico

EqFrr

0=

Cargas positivas – Força no mesmo sentido do campo

Cargas negativas – Força no sentido contrário ao campo

A carga q colocada no interior de um campo elétrico fica sujeita à força:

Trabalho e Potencial elétrico

Uma partícula com carga q0 situada em um ponto onde atua um campo elétrico, fica sujeita a uma força exercida pelo campo.

qWVVU BA =−=

Diferença de potencial

- O potencial mede a capacidade da força elétrica de realizar trabalho.

- A unidade de medida usada no Sistema internacional é o Volt [V], e 1V=1J/C.

- A diferença de potencial, também chamada de tensão, aparece entre dois corpos que possuem um desequilíbrio de cargas.

Analogia com a hidráulica

Reservatório no alto de morro

Tubulação

Caixa d´água

Capacitor é um dispositivo utilizado para armazenar energia na forma de campo elétrico. Os capacitores se apresentam numa grande variedade de tamanhos e formas.

Capacitores

Possuem como elementos básicos dois condutores separados por um material isolante. Os condutores são chamados de placas, qualquer que seja a sua geometria.

Capacitores

O capacitor quando carregado possui um campo elétrico uniforme na região entre suas placas. Este campo permanece mesmo desligando o capacitor da fonte.

Capacitores

Ao ligarmos um condutor entre as duas placas de um capacitor carregado, uma corrente elétrica se estabelece, descarregando o capacitor e liberando a energia que estava armazenada na forma de campo elétrico.

Capacitores

Condutor

_ +

i

Capacitores

A carga q que um capacitor pode adquirir é dada por

q=C.U

Onde U é a diferença de potencial da fonte de tensão, e C é a chamada capacitância do capacitor.

Unidade de medida de capacitância: farad [F]

1F = 1C/V

ΔΔ

CapacitoresParâmetros que influenciam na capacitância de um capacitor:

Formato do capacitor;

Material usado como dielétrico;

Distância entre as placas (quanto maior a distância, menor a capacitância);

Área das placas (quanto maior a área, maior a capacitância);

APLICAÇÕES:

A utilização dos capacitores• Os capacitores têm várias aplicações além de servirem

como armazenadores de energia. Eles constituem elementos importantes nos circuitos elétricos de transmissores e de receptores de rádio e televisão. Os capacitores microscópicos formam os bancos de memória dos computadores.

Corrente elétricaÉ o movimento ordenado de elétrons através de um condutor sujeito a uma diferença de potencial.

Fluxo convencional

Fluxo de elétrons

Fio condutor de cobre Elétrons livres em movimento

Bateria

Corrente elétrica

tqiΔΔ

=

A unidade de medida de corrente elétrica é o Ampére, representado por A, sendo que 1A = 1C/s.

Força eletromotrizA bateria é um dispositivo que consumindo energia química, realiza um trabalho sobre as cargas, elevando o potencial destas cargas para que elas possam se deslocar de um potencial menor para um maior.

Unidade no Sistema internacional – Volt - [V]

Reposição em cargas:fem

Força eletromotriz

Símbolos de fonte de fem

Bateria ou gerador de corrente contínua

Gerador de corrente alternada

AC

Analogia da hidráulica

Reservatório no alto de morro

Tubulação

Caixa d´água

Bomba d´água

Resistência elétricaÉ a oposição que um material apresenta a passagem de corrente elétrica.

Lei de Ohm

A unidade de medida de resistência elétrica no Sistema internacional de unidades é o ohm, representada pela letra grega Ω.

IUR =

Fatores que influenciam na resistência elétricaDimensões do condutor

a

L.R

ρ=

ocomprimentLáreaa

esistividad

=== Reρ

Fatores que influenciam na resistência elétricaTemperatura

( )TRR Δ⋅+= α10

Onde: α = coeficiente de temperatura

TΔ = Variação de temperatura

Resistores

R

Símbolo

São elementos que são introduzidos nos circuitos para aumentar a resistência destes, de modo que para uma fonte de tensão constante, pode-se variar a corrente que percorre o circuito.

Associação de resistores

Associação em série

R2

R1

R3

Vt

RT = R1+ R2+ R3+...+ Rn

Associação de resistores

Associação em série

R1

R2

R3

Rt=R1+R2+R3

Associação de resistores

Associação em paralelo

R1 R2 R3Vt

n

t

RRRR

R1...111

1

321

++++=

Potência elétrica

É a rapidez com que uma carga pode realizar trabalho.

P = U x I OU OU

Unidade no Sistema internacional é o watt

[w] = 1J/s

2RIP =R

UP2

=t

WPΔ

=

Medidas elétricas

Amperímetro

É o instrumento usado para medir corrente elétrica. Ele deve ser ligado sempre em série com a carga, de modo que a corrente a ser medida passe através dele.

Medidas elétricas

Alicate amperímetro

Instrumento digital portátil, de acordo com a categoria III 600V de segurança. Realiza medidas de tensão DC e AC, corrente AC, resistência e freqüência, e testes de diodo e continuidade.

Medidas elétricas

Voltímetro

É o instrumento utilizado para medir diferença de potencial. Este instrumento deve ser ligado sempre em paralelo com o ponto onde se deseja saber a tensão.

Medidas elétricas

Voltímetro

Medidas elétricas

Ohmímetro

É um instrumento utilizado para medir a resistência elétrica. É importante saber que o elemento do qual se quer saber a resistência elétrica deve estar fora de qualquer circuito elétrico, para que não cause um erro na indicação do ohmímetro.

Medidas elétricas

MULTITESTE DIGITAL

•Amperímetro

•Voltímetro

•Ohmímetro

•Medidas de Transistores

•Medidas de Diodos

Representação de resistores

Leitura

resistência de 5 ohms:

resistência de 5,3 ohms:

resistência de 5300 ohms:

R1 = 5 Ω

R2 = 5R3 Ω = 5R3

R3 = 5k3 Ω = 5k3

APLICAÇÃO

O uso de resistores é de larga utilização na indústria:• Lâmpadas incandescentes;• Chuveiros elétricos;• Ferros de passar roupa;• Secadores de cabelos;• Ferros de soldar;• Cafeteiras,Sanduicheiras, fornos, etc• Na eletrônica em geral.

Magnetismo

Pólos magnéticos

Magnetismo

Linhas de campo magnético

Magnetismo

Experiência para visualizar as linhas de campo magnético

Utilizando limalhas

De ferro.

Magnetismo

Amagnéticos: Materiais que não são magnetizados, são magneticamente neutros, como o ar e o vácuo.

Diamagnéticos: São materiais que imantam-se em sentido oposto ao do campo magnético externo, enfraquecendo o campo e distorcendo as linhas de força. Ex: Cobre, ouro, etc.

Paramagnéticos: Apresentam propriedades magnéticas apenas na presença de um campo magnético, sendo que na ausência deste as propriedades magnéticas desaparecem. Ex: Alumínio, estanho, etc.

Ferromagnéticos: São os materiais que exibem maior magnetização, sendo, portanto, os mais utilizados em escala industrial. Ex: Ferro, aço, etc.

Tipos de materiais

Eletromagnetismo

Experiência de Oersted (1820)

A unidade de campo magnético no SI é o tesla [T].

Eletromagnetismo

Campo magnético em torno de um condutor percorrido por uma corrente elétrica.

Campo grande Campo

pequeno

Corrente altaCorrente baixa

Eletromagnetismo

Regra da mão direita

O polegar indica o sentido do fluxo da corrente

Os dedos se curvam nosentido do campo magnético

Cálculo da intensidade do campo magnético

Ao redor de um condutor

r2IB 0

⋅πμ

=Onde r é a distância perpendicular na qual queremos saber a intensidade, I é a corrente que atravessa o condutor e μ0 é a constante de permeabilidade no vácuo, e vale :

AmT.10.4 7−π

No centro de uma espiral

Cálculo da intensidade do campo magnético

R2IB 0μ=

Cálculo da intensidade do campo magnéticoNo interior de um solenóide

lNIB 0μ=

Regra da mão direita para um solenóide

Os dedos indicam o sentido do fluxo da corrente através da bobina

Corrente

O polegar aponta para o pólo N da bobina

Força magnética sobre um fio transportando corrente

θsen0ilBFm =

Força magnética entre dois condutores paralelos

rlii

F om

21

2⋅=

πμ

Fluxo magnético

É um parâmetro usado para medir a concentração das linhas de campo em uma determinada região do espaço. A expressão usada para calcular fluxo magnético é:

θcos⋅⋅=Φ ABA unidade no sistema internacional é o weber [Wb].

Lei da indução de Faraday

O enunciado da Lei da indução de Faraday pode ser escrito como:

“Toda vez que um condutor estiver sujeito a umavariação de fluxo magnético, nele aparece uma feminduzida, enquanto o fluxo estiver variando.”

Matematicamente, a expressão da lei da indução de Faraday é:

tN

ΔΔΦ

−=ε

O enunciado da Lei de Lenz é:

“Uma corrente induzida surgirá numa espira condutora fechada com um sentido tal que ela se oporá à variação do campo magnético que a produziu”.

Lei de Lenz Movimento para dentro

Corrente induzida

Indutores

Uma corrente elétrica percorrendo um condutor gera em torno dele um campo magnético. Este campo magnético pode influenciar no próprio circuito em que o condutor está contido, o que chamamos de auto-indução. O fluxo magnético auto-induzido em um circuito é dado pela equação abaixo.

Li=ΦOnde L é uma característica do circuito denominada indutância. A unidade usada no SI para indutância é denominada Henry (H), em homenagem ao físico americano Joseph Henry.

1 henry = 1 T.m2/A = 1H

Indutores

Há elementos que são usados em circuitos elétricos para gerar indutância, e são chamados de indutores. Podemos dizer que os indutores estão relacionados ao campo magnético assim como os capacitores estão relacionados com o campo elétrico, ou seja, os capacitores têm a capacidade de armazenar campo elétrico e os indutores têm a capacidade de armazenar campo magnético.

APLICAÇÃO

• Guindaste à base de um eletroímã

Trem à base de levitação magnética, construído na Alemanha. Pode atingir mais de 200 km/h, livre de vibrações.

• Trem Eletromagnético

São máquinas capazes de transformar energia elétrica em energia mecânica.

APLICAÇÃO: Motores elétricos

APLICAÇÃO: Transformadores

2

1

2

1

nn

VV

=

2211 iViV =

tensãodeabaixadorumédortransformaonnSetensãodeelevadorumédortransformaonnSe

12

12

<>

A fonte de energia converte alguma forma de energia em energia elétrica. Sendo assim, existem diversos tipos de fonte, classificadas de acordo com o seu princípio de funcionamento.

Fontes de energia

USINAS GERADORAS DE ENERGIA

HidrelétricaTermoelétrica

USINAS GERADORAS DE ENERGIA

• Usina nuclear Usina Eólica

Turbina de Vento

USINAS GERADORAS DE ENERGIA• SOLAR

Utiliza a radiação solar para gerar energia elétrica. É uma das chamadas energias alternativas, devidos aos poucos impactos ambientais causados. O uso da radiação solar é também utilizado em fogões solares. Estes fogões destacam-se pelo baixo custo e estão sendo utilizados em várias comunidades de baixa renda.

Painel fotovoltaico - Austrália

USINAS GERADORAS DE ENERGIA

• BIOMASSA• Utiliza materiais em decomposição (lenha, alimentos em

decomposição) e degradação de polímeros orgânicos derivados de matéria biodegradável, esgoto, substrato da cana-de-açúcar , vinhaça, esterco orgânico e demais materiais biodegradáveis para gerar energia elétrica.

USINAS GERADORAS DE ENERGIA

• Sistema de geração de energia elétrica no qual você utiliza o movimento de fluxo das marés para movimentar uma comporta, que está diretamente ligada a um sistema de conversão, proporcionando assim a geração de eletricidade. As marés servem para gerar eletricidade que é obtida a partir do movimento regular, a cada 12 horas de elevação (fluxo) e abaixamento (refluxo) do nível do mar.

MAREMOTRIZ

Na Noruega existe uma

USINAS GERADORAS DE ENERGIA

• Usina Geotérmica

Energia geotérmica é a energia produzida de rochas derretidas no subsolo (magma) que aquecem a água no subsolo. Na Islândia, que é um país localizado muito ao Norte, próximo do Círculo Polar Ártico, com vulcanismo intenso, onde a água quente e o vapor afloram à superfície ou se encontram em pequena profundidade, tem uma grande quantidade de energia geotérmica aproveitável e a energia elétrica é gerada a partir desta.

OBRIGADO