Eletricidade e Medidas Elet - formare.org.br · que o aluno conheça os fundamentos do eletromagnetismo para que possa compreender o funcionamento dos transformadores. O Capítulo

EElleettrriicciiddaaddee ee MMeeddiiddaass EEllééttrriiccaass

EletroeletrônicaOperador de Montagem de Placas Eletrônicas

2

Coordenação do ProgramaBeth Callia

Supervisão PedagógicaAlfredo Vrubel

ColaboraçãoZita Porto Pimentel

Autoria deste CadernoAldo Santos Pereira

Revisão de textoNONONON

Produção gráficaMDcomunicaçãototal

R. Heitor Penteado, 10305437-000 São Paulo SP

www.md.com.br

EditoraçãoLASER PRESS

Av. Goethe, 71/80690430-100 Porto Alegre, RS

ApoioMEC - Ministério da Educação

PROEP - Programa de Expansão daEducação Profissional

Realização

Al. Tietê, 618 casa 101417-20 São Paulo SP

www.formare.org.br

Iniciativa

5

O Programa Formare tem a missão de desenvolver as

potencialidades de jovens de 15 a 17 anos para integrá-los à

sociedade como profissionais e cidadãos. Constituído por escolas

independentes, localizadas junto às unidades fabris das empresas

parceiras, sob a coordenação geral e técnica da Fundação Iochpe,

oferece oportunidade de formação profissional e de inserção social.

Os alunos Formare, residentes em comunidades vizinhas às

empresas, são encaminhados ao mercado de trabalho e

acompanhados em seu período inicial de atividade.

As primeiras escolas foram criadas pela Iochpe-Maxion S.A., em

1988, no Rio Grande do Sul e em São Paulo. A partir de 1995, o

Programa passou a buscar o aperfeiçoamento dos cursos oferecidos

e o crescimento em âmbito nacional, em um processo comparável à

lapidação de uma pedra bruta para transformá-la em puro

diamante.

Como modelo vitorioso de franquia social, o Formare já se encontra

com mais de duas dezenas de escolas implantadas no Brasil e na

Argentina. Cerca de 85% dos jovens formados empregaram-se em

pequenas, médias e grandes empresas, triplicaram sua renda em

três anos, e muitos prosseguiram seus estudos até o nível superior.

Os cursos e materiais pedagógicos Formare são estruturados de

acordo com as linhas do Programa de Expansão da Educação

Profissional do Ministério de Educação (PROEP/MEC), bem como

dos princípios da educação tecnológica contemporânea. Assim, os

cursos Formare ajudam a desenvolver características essenciais para

um bom desempenho profissional: multifuncionalidade,

flexibilidade, comunicabilidade, responsabilidade e criatividade,

com base em pesquisa para identificar as carências e necessidades

do mundo do trabalho nas regiões em que as escolas são

implantadas.

FFoorrmmaarree -- UUmmaa EEssccoollaa ppaarraa aa VViiddaa

6

IInnttrroodduuççããoo

7

A introdução ao mundo da eletrônica industrial, objeto deste caderno

Formare, compreende oito capítulos temáticos, seguidos de glossário

e bibliografia.

O Capítulo 1, sobre normas para trabalho em laboratório e fábrica,

revela as exigências básicas de conduta e de segurança no ambiente

de trabalho.

O Capítulo 2 aborda o Sistema Internacional de Unidades,

aproximando o aluno dos termos, unidades e grandezas utilizados na

área de eletromecânica.

Os circuitos elétricos são tratados no Capítulo 3, que apresenta ao

aluno os primeiros modelos, os elementos básicos de um circuito e os

equipamentos de medição. O primeiro circuito simples é decomposto

em seus diversos componentes.

Na seqüência, no Capítulo 4, são relacionados os principais

instrumentos de medida: o multímetro e o osciloscópio.

O Capítulo 5 traz informações sobre o capacitor, componente

largamente utilizado em eletrônica, apresentado desde sua operação

até a identificação dos tipos mais comuns.

O objetivo do Capítulo 6, também sobre circuitos elétricos, é

conduzir o aprendiz ao cálculo de circuitos simples. Os primeiros

circuitos apresentados são descritos de forma analítica.

No Capítulo 7, sobre eletromagnetismo e transformadores, são

enfocados os conceitos básicos da área, uma vez que é necessário

que o aluno conheça os fundamentos do eletromagnetismo para que

possa compreender o funcionamento dos transformadores.

O Capítulo 8, finalmente, busca tornar o aluno capaz de analisar

circuitos simples, em corrente alternada e corrente contínua,

introduzindo suas principais características por meio de fórmulas

matemáticas.

8

Estudaremos também o processo de soldagem MIG/MAG. Os

primeiros trabalhos nesse sentido foram feitos com gás ativo em peça

de aço, no início de 1930. O processo era inviável e, somente após a

2ª Guerra Mundial, foi possível implementá-lo - primeiro para

soldagem de magnésio e suas ligas e, em seguida, para os outros

metais, sempre com gás inerte. Algum tempo depois, o gás CO2 foi

introduzido no lugar do argônio, parcial ou totalmente, na soldagem

de aço carbono. Em relação à soldagem MIG/MAG, apresentaremos

fundamentos do processo, equipamentos, execução e aplicações

industriais.

Para os diversos processos de soldagem, foram previstos exercícios

para consolidar informações importantes ou orientar a seqüência de

procedimento em atividades práticas. Para os exercícios propostos, é

apresentado um gabarito ao final do caderno.

Com este material, o aluno Formare terá um conjunto de informações

seqüenciadas que lhe permitirão entender a soldagem como processo

de fabricação para que possa iniciar sua prática aplicando a

tecnologia mais adequada.

NOTA:

Foi adotada a convenção (*) para marcar as palavras e termos que

aparecem no Glossário, com sua conceituação ou exemplificação.

9

1. NORMAS PARA TRABALHO EM LABORATÓRIO/FÁBRICA 111.1 – Segurança no trabalho 121.2 – Posturas físicas, ética e profissional 141.3 – Manuseio de ferramentas 16

2. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) 192.1 – Estrutura do SI 202.2 – Prefixos do SI 27

3. CIRCUITO ELÉTRICO, CC E CA 313.1 – Circuito elétrico 323.2 – Lei de Ohm; associação e codificação de resistores 343.3 – Gerador elementar 383.4 – Curto-circuito 41

4. MULTÍMETRO DIGITAL E OSCILOSCÓPIO 474.1 – Multímetro digital 484.2 – O osciloscópio 50

5 CAPACITORES 59

6 CIRCUITOS ELÉTRICOS 71

7 ELETROMAGNETISMO E TRANSFORMADOR 817.1 – Campo Magnético – ímãs – condutores em campo magnético – eletroímã 827.2 – Motores Elétricos 847.3 – Transformadores 87

8 ANÁLISE DE CIRCUITOS 91

9 BIBLIOGRAFIA 97

10 GLOSSÁRIO 101

11 RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 105

ÍÍnnddiiccee

1NNoorrmmaass ppaarraa ttrraabbaallhhoo eemmLLaabboorraattóórriioo // FFáábbrriiccaa

1.1 – Segurança no trabalho

1.2 – Posturas físicas, ética e profissional

1.3 – Manuseio de ferramentas

Área de Eletroeletrônica - ELETRICIDADE E MEDIDAS ELÉTRICAS

12

1.1 SEGURANÇA NO TRABALHO

O setor eletroeletrônico subdivide-se em um imenso leque de

ações.Elas apresentam grau de risco variado, desde atividades de

mínimo risco até as que recebem grau máximo de periculosidade.

Um operador de montagem de placas eletrônicas não se expõe a

riscos muito grandes e, em geral, esse trabalho não recebe nenhum

adicional de periculosidade ou insalubridade.

No entanto, qualquer atividade pode apresentar riscos se não forem

seguidos alguns procedimentos mínimos de segurança. No caso de

laboratórios e indústrias existe sempre uma lista deles a serem

seguidos e outros que devem ser evitados.

Condições físicas de laboratórios e indústrias.

1 Saídas condizentes com o número de funcionários em cada sala;Evitar: Saídas com portas ou escadas estreitas; uso de corredores como depósito de materiais (em especial inflamáveis); portas de saídas de emergência trancadas.

2 Iluminação condizente com a atividade desenvolvida, dando preferência à luz natural.Evitar: ambientes pouco iluminados, em ambientes amplos evitar regiões mal iluminadas.

3 Equipamentos de incêndio compatíveis com as atividades desenvolvidas, extintores apropriados a cada tipo de combustível, devidamente identificados e carregados.

4 Ambiente bem ventilado, com preferência à ventilação natural sobre a forçada.

ATITUDES DEFENSIVAS DO OPERADOR DE MONTAGEM

DE PLACAS ELETRÔNICAS.

As atitudes do operador devem pautar-se por sua segurança e de

seus colegas de trabalho.

1NNoorrmmaass ppaarraa ttrraabbaallhhoo eemm LLaabboorraattóórriioo // FFáábbrriiccaa

Quando a empresa não oferece cursos de segurança no trabalho, o

técnico deve ser capaz de identificar alguns pontos e atividades de

risco. Alguns podem ser citados facilmente:

- Sistema elétrico em geral, tomadas e fios expostos podem oferecer riscos de choque ou incêndio.

- Aparelho de solda branda. Têm pelo menos um ponto de alta temperatura (algumas centenas de ºC) e podem representar risco de queimaduras ou até mesmo incêndio.

- Aparelhos de solda branda em larga escala (solda onda). Em geral, trabalham com maiores quantidades de energia e por isso apresentam maiores riscos, além de exalarem gases tóxicos.

- Componentes eletrônicos podem possuir contatos pontiagudos ou cortantes que representam risco de pequenos acidentes. Cuidado extra deve ser tomado ao cortar com alicate adequado possíveis excessos, pois com o corte pedaços do material podem ser lançados em direção aos olhos do operador.

- As ferramentas utilizadas pelo operador podem representar riscos graves. Nenhuma ferramenta, em especial as pontiagudas ou cortantes, devem ser forçadas contra o operador ou ajudante.

- São comuns os casos em que o operador apóia uma peça na mão e a pressiona com uma chave de fenda que, ao escapar, perfura e até mesmo atravessa sua mão.

- Em qualquer indústria ou laboratório, o operador deverá usar os cabelos curtos ou presos, evitar o uso de colares, pulseiras, anéis, brincos, além de qualquer objeto metálico preso ao corpo e pendente (alguns tipos de piercing).

A roupa deve deixar o operador à vontade e com liberdade de

movimento, sendo as de fibras algodão melhores do que as de

fibras sintéticas. Gravatas devem ser evitadas ou presas à roupa.

Em caso de acidente, o que fazer?

1 Manter a calma;2 Chamar socorro;3 Identificar o tipo de acidente, queimadura, trauma ou

choque elétrico;4 No caso de choque elétrico, procurar desacionar o sistema

elétrico através de disjuntores ou desligar o equipamento da tomada. Jamais tocar na vítima sem desligar a energia.

5 Atender a vítima, se conhecedor de primeiros socorros, ou aguardar socorro mantendo a vítima confortável.


13


14

1.2 POSTURAS FÍSICAS, ÉTICA E PROFISSIONAL

De um profissional do setor eletro-eletrônico, é esperada uma

exemplar postura profissional e pessoal. O operador deve

comportar-se como um cidadão e cumprir suas obrigações

profissionais. Assim, poderá exigir do empregador, condições de

igualdade, parceria e respeito mútuo.

Deve obedecer a hierarquia da empresa e encaminhar suas

sugestões ou demandas aos setores pertinentes.

Executar suas tarefas com qualidade, maturidade, rapidez e

segurança.

Manter sigilo de segredos industriais ou estratégias da empresa em

relação à concorrência.

Procurar o desenvolvimento profissional e ascensão na carreira

através do trabalho, da honestidade, do aperfeiçoamento

educacional, da participação de atividades em grupo,

demonstrando espírito de liderança ou de equipe.

Com relação à postura física é sempre bom lembrar que o

organismo humano é adaptado para uma vida não sedentária,

portanto, toda a postura estática tende a agredir o organismo.

No caso de trabalho em pé, procurar deixar a coluna alinhada e

apoiar-se nos dois pés igualmente. Evitar posicionamento lateral que

force o rosto a ficar voltado à direita ou à esquerda.

Fig. 1.2.2 – Evite dobrar o corpo quando,estando em pé, realizar um serviço sobreuma prancha ou mesa.

Fig. 1.2.1.


15

Procure mover-se em intervalos de tempos regulares. Ginástica

postural é recomendada e pode ser ministrada por profissional

de Educação Física habilitado.

No caso de trabalho sentado procure também manter a coluna

na vertical ou devidamente apoiada. Procure apoiar os braços na

bancada de trabalho. Os pés devem estar apoiados, nunca

pendentes. Procure levantar-se pelo menos uma vez a cada hora.

Felizmente o organismo avisa quando está sendo agredido. Procure

ficar em uma posição confortável, em pé ou sentado. Quando uma

posição se torna incômoda é porque ela passou a ser prejudicial e

pode provocar dores ou lesões.

Outra fonte de preocupação consiste na forma correta de erguer e

deslocar pesos, muito embora no setor eletroeletrônico essa

atividade não seja comum.

Ao erguer ou baixar pesos o profissional deve dobrar os joelhos e

manter a carga próxima ao tronco, realizando o esforço maior com

as pernas, evitando que a coluna se dobre.

Para deslocar pesos é importante aproximar a carga do tronco,

curvando-o levemente para trás até encontrar o equilíbrio, evitando

o esforço na coluna.

É importante jamais exceder a sua capacidade de carga e, sempre

que possível, utilizar carrinhos para transportar cargas.

Fig. 1.2.4 – Evite levantar pesos do chãoacima de 20% do seu peso corporal.Abaixe-se como um halterofilista. Nãocoloque pesos acima da cabeça emprateleiras altas.

Fig 1.2.5 – Para não sobrecarregar osmúsculos que devem equilibrar ascostas: 1) divida o volume em dois (umem cada mão); 2) Use sapatos comsaltos nem muito altos nem muitobaixos e não se curve. Não carreguebolsas ou pastas pesadas inutilmente,durante o dia todo.

Fig. 1.2.3.


16

1.3 MANUSEIO DE FERRAMENTAS

Em seu trabalho, o operador de montagem de placas eletrônicas,

geralmente utiliza kit de ferramentas que está sob sua

responsabilidade. Cabe a ele zelar e fazer bom uso do material.

Chaves de fenda e Philips são ferramentas bastante simples de

serem mantidas em boas condições. É importante lembrar que, em

geral, essas chaves foram desenvolvidas para apertar ou afrouxar

parafusos de fenda ou Philips. Portanto, o uso das chaves como

formão, alavanca, talhadeira, espátula ou furadeira, mesmo que

demonstre a versatilidade dessas ferramentas, não é recomendado.

Também devem ser seguidas as recomendações de segurança em

relação ao uso, vistas anteriormente.

Alicates: Dividem-se em universais, de bico e de

corte.

Os alicates em geral são máquinas simples que

nos permitem obter vantagem mecânica, pois

podem segurar, apertar ou cortar objetos com

força superior à aplicada. E, por isso, podem danificar-se ou

quebrar, com alguma facilidade, se forem forçadas demais.

Pinças: Ao contrário dos alicates, as pinças atenuam a força

aplicada, por isso são feitas para atividades que exijam delicadeza.

Jamais utilize uma pinça para fazer força. Ela se danificará.

Ferro de solda: É um equipamento elétrico que exige alguns

cuidados especiais no manuseio. A ponta do ferro é suficientemente

quente para derreter o isolante do cabo elétrico do ferro se houver

contato entre eles, deixando exposto o condutor* e causando risco

de choques elétricos.

Para aumentar a durabilidade da ponteira do ferro de solda, essa

deve ser constantemente limpa com uma esponja vegetal umedecida

com água.

Depois da utilização das ferramentas, essas devem ser conferidas,

limpas e guardadas até o próximo uso.

Fig. 1.3.1.

Fig. 1.3.3.

Fig. 1.3.4.

Fig. 1.3.2.


17

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

1.1 No caso de choque elétrico em um companheiro detrabalho. O que fazer?

a ) Manter a calma;b ) Chamar socorro;c ) Procurar desacionar o sistema elétrico.

1.2 Qual a diferença entre pinças e alicates?

Os alicates são projetados para obtenção de uma vantagem

mecânica, as pinças são projetadas para que se trabalhe com

mais precisão.

1.3 Como devem ser erguidos pesos?

Dobrando os joelhos e fazendo força com as pernas, não

com o tronco.

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1.4 Pesquise os tipos de extintores de incêndio parainstalações eletroeletrônicas.

1.5 Desenhe a forma correta de transportar peso.

1.6 Pesquise e entreviste pelo menos uma pessoa quetenha sofrido um choque elétrico e peça para explicar oque ela sentiu. Compartilhe com os colegas.

1.7 Por que não se deve usar cabelos compridos soltos emum laboratório ou indústria?

1.8 Por que devemos preferir roupas de algodão e nãoroupas sintéticas?

EExxeerrccíícciiooss

1.9 Avalie as condições de trabalho em sua sala de aula oulaboratório em relação aos itens físicos e suas atitudesdefensivas.

Faça um breve relatório.

1.10 Dramatize uma situação de acidente de trabalho emseu laboratório, com um grupo de colegas. Em grandegrupo discuta a situação sob os aspectos de socorro eprevenção de acidentes, determinando atitudes positivas enegativas.


18

2SSiisstteemmaa iinntteerrnnaacciioonnaall ddee

UUnniiddaaddeess ((SSII))2.1 – Estrutura do SI

2.2 – Prefixos do SI


20

2.1 ESTRUTURA DO SI

Hoje existe um sistema padrão de unidades, reconhecido no mundo

inteiro, porém, nem sempre foi assim. Conforme Bonjorno (ref. 1)

até meados do século XX eram usadas diferentes unidades de

medida ou padrão.

Observe, nos quadros, alguns desses padrões e os países em que

eram utilizados.

Como cada país fixava seu próprio padrão, as relações comerciais

e as trocas de informações científicas entre as nações tornavam-se

muito difíceis.

Para resolver os problemas oriundos desse fato, foram criados

padrões internacionais.

Surgiu, assim, o Sistema Internacional de Unidades (SI).

O SI estabelece sete unidades de base, cada uma delas

correspondente a uma grandeza.

2 SSiisstteemmaa iinntteerrnnaacciioonnaall ddee UUnniiddaaddeess ((SSII))

Inglaterra e Estados Unidos

China

Rússia

Nome da Unidade

jarda - polegadas

tsun - jin

versta

Valor Aproximado em Metros (m)

0,914 - 0,025

0,06 - 58,8

0,66

Inglaterra e Estados Unidos

China

Egito

Nome da Unidade

libra - onça

pecul

rotolo

Valor Aproximado em Quilogramas (kg)

0,45 - 0,028

71

0,69

Unidade de Comprimento

Unidade de Massa

O SI é também denominado MKS, onde as letras M, K, S

correspondem às iniciais de três unidades do SI:

Existem ainda dois outros sistemas, o CGS e o MKgfS:

O correto é usarmos apenas as unidades do SI, mas é comum o

emprego, em algumas situações, das unidades dos sistemas CGS e

MKgfS.

OBSERVAÇÕES IMPORTANTES:

1 Quando escritas por extenso, as iniciais das unidades devem ser sempre minúsculas, mesmo que sejam nomes de pessoas. Exemplo: metro, newton, quilômetro, pascal etc.

2 A unidade de temperatura da escala Celsius, o grau Celsius, é a única exceção à regra. Neste caso, utilizamos a letra maiúscula.

3 Os símbolos representativos das unidades também são letras minúsculas. Entretanto, serão maiúsculas quando estiverem referindo-se a nomes de pessoas.


21

MKS

Comprimento

m

Massa

Kg

Tempo

s

Unidade

Símboloampère

A

newton

N

pascal

Pa

metro

m

CGS

MKgfS

Comprimento

cm

m

Massa

g

u.t.m.(*)

Tempo

s

s

(*) u.t.m. = unidade técnica de massa

Grandeza

Comprimento

Massa

Tempo

Intensidade de corrente elétrica

temperatura termodinâmica

quantidade de matéria

intensidade luminosa

Unidade

metro

quilograma

segundo

ampère

kelvin

mol

candela

Símbolo

m

kg

s

A

K

mol

cd


22

4 Os símbolos não se flexionam quando escritos no plural. Assim, para indicarmos 10 newton, por exemplo, usamos 10 N e não 10 Ns.

5 As unidades de base, combinadas, formam outras unidades, denominadas unidades derivadas, que serão estudadas no decorrer do desse curso.

Grandeza Física Corrente Elétrica:

Definição: movimento ordenado de elétrons devido à ação de um

campo elétrico.

Sentido da corrente elétrica em nos condutores sólidos, o sentido da

corrente elétrica é o sentido do movimento dos elétrons em seu

interior. Esse é o sentido real da corrente elétrica.

No estudo da eletricidade adota-se o sentido convencional, que é o

do movimento das cargas positivas, e que corresponde ao sentido

do campo elétrico E, no interior do condutor.

Fig. 2.1.1.

Fig. 2.1.2.

Fig. 2.1.3.


23

Obs: note que a letra “A” (maiúscula) é o símbolo da unidade

ampère, enquanto a letra “i” (minúscula) é o símbolo da grandeza

Corrente Elétrica.

Grandeza Física Carga Elétrica

A carga elétrica é uma grandeza física que está relacionada com a

quantidade relativa de prótons e elétrons em um determinado corpo.

Quando estes números estão igualados, o corpo não apresenta

carga, está neutro. Porém, quando existe diferença entre o número

de prótons e elétrons o corpo se encontra carregado.

Definição: A grandeza física carga elétrica pode ser definida como

o número de prótons ou elétrons que o corpo possui a mais. Na

verdade, atribui-se um valor para carga de um elétron e um próton,

carga elementar, e multiplica-se este valor pelo número de cargas a

mais.

O valor da carga Elementar é:

Então:

Obs: A carga de um corpo sempre será um múltiplo da carga

elementar.

Grandeza Tensão Elétrica

É o trabalho realizado pela força elétrica para deslocar uma carga

elétrica de um ponto a outro.

Grandeza

Corrente Elétrica

Símbolo da Grandeza

I

Unidade Utilizada

ampère

Símbolo da Unidade

A

Grandeza

Carga


Q

Unidade Utilizada

coulomb

Símbolo da Unidade

C

A carga do elétron é -1,6.10 -19 C e a carga do próton é 1,6.10 -19 C.

e = 1,6.10 – 19 C


24

1 volt = 1 joule/1 coulomb

Grandeza Intensidade De Campo Elétrico

O campo elétrico corresponde à região do espaço que se encontra

sob a influência de carga elétrica. Em cada ponto desta região

encontram-se diferentes intensidades de campo elétrico. Elas são

determinadas a partir da força elétrica que surge sobre uma carga,

chamada de prova, colocada em cada ponto da região.

1 N/C Corresponde a 1 N de força elétrica que age sobre cada

1 Coulomb de carga sob ação do campo elétrico.

Grandeza

Tensão


V

Unidade Utilizada

Volt

Símbolo da Unidade

V

Grandeza

Campo Elétrico


E

Unidade Utilizada

Newton por Coulomb

Símbolo da Unidade

N/C

Fig. 2.1.4.

Fig. 2.1.5.


25

O campo elétrico em si é uma grandeza que possui

direção e sentido.

Sentido depende do sinal da origem do campo.

Direção a mesma que une o ponto a origem do campo.

Resistência Elétrica

A resistência elétrica mede a oposição que os átomos de um

material oferecem à passagem da corrente elétrica.

Grandeza Resistividade Elétrica

É uma característica intrínseca do material.

Está associada à variação da resistência elétrica de um material

para outro.

A grandeza resistividade elétrica sofre variação com a temperatura.

Grandeza Física Capacitância

Os condutores possuem a capacidade de armazenar cargas

elétricas, porém, com dificuldade. Para armazenar cargas

razoáveis, assumem potenciais muito altos que facilitam a

descarga*.

Grandeza

Resistência


R

Unidade Utilizada

Ohm

Símbolo da Unidade

Ω

Grandeza

Resistividade


P

Unidade Utilizada

Ohm vezes metros

Símbolo da Unidade

Ω . m

1Ω . m = 1V . 1m1A

1Ω = 1 volt/1 ampère


26

Utilizando-se dois condutores de geometria especial separados por

um meio isolante é possível ampliar em muito esta capacidade.

Basicamente, esse é o princípio de construção dos capacitores

(serão estudados no capítulo V).

Portanto, a grandeza capacitância elétrica é o quanto um condutor

pode armazenar de carga por unidade de tensão elétrica.

Grandeza Intensidade de Campo Magnético

O campo magnético é uma região do espaço sob a influência de um

dipólo magnético.

A grandeza intensidade de campo magnético está relacionada com

a força de origem magnética, que surge sobre uma carga elétrica

em movimento perpendicular ao campo, em um ponto da região de

influência desse.

Outra possibilidade é definir o campo a partir da corrente que, ao

circular em um fio, provoca o aparecimento desse campo em um

ponto.

Grandeza

Capacitância


C

Unidade Utilizada

Farad

Símbolo da Unidade

F

Grandeza

Campo Magnético


B

Unidade Utilizada

Tesla

Símbolo da Unidade

T

1F = 1coulomb1volt

1T = 1 . 10 -7 A = 1N1mo 1C . 1m/s


27

2.2 PREFIXOS DO SI

Dependendo do valor da medida em uma determinada unidade é

justificável a utilização de múltiplos e submúltiplos dessa unidade.

O Sistema Internacional de Unidade (SI) prevê a forma de

representar estes múltiplos e submúltiplos. Conforme o

quadro a baixo.

Prefixo

tera

giga

mega

quilo

hecto

deca

deci

centi

mili

micro

nano

pico

Símbolo

T

G

M

k

h

da

d

c

m

µ

n

p

Fator pelo qual a Unidade é Multiplicada

1012

109

106

103

102

101

10-1

10-2

10-3

10-6

10-9

10-12


28


2.1 – Como poderia ser expresso a tensão de 220V em, nomínimo, um múltiplo e um submúltiplo?

2.2 – Se num condutor circulam 3A determine o número deelétrons que circularão em 2s?

1 A = 1 C/s, onde 1C = 6,25 x 1018 elétrons

então 3A = 3C/s e 3A. 3s = 3C/s. 3s = 6C

Em números de elétrons temos:

6,25 x 1018 x 6 = 3,75 x 10-19 elétrons

2.3 – Qual das unidades usadas em eletricidade eapresentadas neste capítulo é uma unidade base?

Ampère


2.4 – Preencha o quadro a seguir corretamente:

EExxeerrccíícciiooss1000 mV = 1V x = 1000 . 220 = 220.000 R: 220.000 mV

x mV = 220V

1000 V = 1 KV x = 220 . 1 = 0,22 R: 0,22 KV

220 V = x KV

1

1000

Grandeza

Corrente Elétrica

Resistência Elétrica


Q

B

Unidade Utilizada

Volt

Símbolo da Unidade

T

F


29

2.5 – Qual a diferença entre resistividade e resistência?

2.6 – O que é MKS?

2.7 – O que significam os prefixos que acompanham asunidades do SI?

2.8 – A potência consumida por um chuveiro elétrico éigual a 4750W. Expresse essa potência em KW.

2.9 – Converta sua altura em unidades inglesas eamericanas, chinesa e russa.

2.10 – Procure nos equipamentos elétricos, do laboratórioe de sua casa, as etiquetas onde estão estampadas as suascaracterísticas elétricas. Anote e compare os valores dosdiversos equipamentos. Pelas unidades adotadas determinea grandeza à qual cada valor se refere.

Leitura Recomendada:

Física Fundamental – Novo: volume único. Bonjorno & Clinton. (Item

1 da Bibliografia.)

3CCii rrccuuii ttooEEllééttrriiccoo,, CCCC ee CCAA

3.1 – Circuito elétrico

3.2 – Lei de Ohm; associação e codificação de resistores

3.3 – Gerador elementar

3.4 – Curto-circuito


32

3.1 CIRCUITO ELÉTRICO

Agora analisaremos um circuito elétrico elementar, constituído de

pilha, condutor, interruptor e lâmpada. Apresentaremos as

características de cada um de seus elementos e sua conceituação,

comparando-o com a um sistema hidráulico, para a melhor

compreensão do aluno.

Elementos de um circuito elétrico

No circuito abaixo aparecem diversos elementos que apresentam

algumas grandezas elétricas.

O que acontece quando se fecha a chave CH1?

É possível observar o acendimento da lâmpada L. É possível explicar

facilmente o que está se processando no circuito a partir das

grandezas apresentadas no capítulo anterior.

A Fonte

Na fonte existe a tensão elétrica entre seus pólos, também chamada

de diferença de potencial, que é medida em volts (V). A fonte atua

de maneira análoga a uma bomba de água, acelerando cargas

elétricas de um pólo para outro em um único sentido (exemplo da

pilha). É comum a idéia equivocada de que a fonte cria cargas

3CCiirrccuuiittoo EEllééttrriiccoo,, CCCC ee CCAA

Fig. 3.1.1

Fig. 3.1.2


33

elétricas ou ainda que armazena cargas elétricas como se fosse uma

caixa d’água (na comparação hidráulica).

Na fonte existe a transformação de uma forma de energia (neste

caso a energia química) em energia elétrica.

Lâmpada

A lâmpada apresenta a grandeza resistência elétrica medida em

ohms (símbolo do ohm). Ela pode ser considerada um resistor, que

é o elemento de circuito elétrico que apresenta a grandeza

resistência elétrica. Comparando com um sistema hidráulico,

corresponderia a um estreitamento no cano.

Fios

Os fios condutores são um meio de baixa resistência à passagem da

corrente elétrica por serem feitos de material de baixa resistividade.

Correspondem, em um sistema hidráulico, aos canos que conduzem

a água.

A chave

É um elemento de manobra do circuito, responsável pela abertura

ou fechamento do mesmo. Em um sistema hidráulico corresponderia

a um registro de esfera que, ou abre a passagem de água

totalmente, ou a restringe completamente.

A corrente elétrica no circuito.

Quando a chave CH1 está fechada se estabelece no circuito uma

corrente elétrica, isto é, um movimento ordenado de cargas elétricas

devido à diferença de potencial existentes entre os pólos da fonte F.

É possével fazer a analogia da corrente elétrica com o fluxo de água

em um circuito hidráulico fechado, conforme o esquema abaixo.

Fig. 3.1.3

Fig. 3.1.4

Fig. 3.1.5

Potência Elétrica

É o produto entre a tensão elétrica e a corrente elétrica.

Corresponde ao trabalho que pode ser realizado pela energia

elétrica na unidade de tempo.

P = V. i

P _ potência elétrica

V _ tensão

I _ corrente elétrica

Unidade da potência elétrica: Watt (W)

Circuito elétrico

Corresponde a um conjunto de elementos elétricos interligados onde

exista a possibilidade da passagem de corrente elétrica. Daí vêm os

conceitos de circuito aberto, no qual não circula corrente elétrica;

de circuito fechado, onde a corrente elétrica está estabelecida.

3.2 LEI DE OHM; ASSOCIAÇÃO E CODIFICAÇÃO DERESISTORES.

A lei de Ohm

A relação entre corrente e tensão aplicadas aos resistores fixos foi

estudada pelo físico e matemático alemão, George Simon Ohm,

cujas conclusões resultaram na chamada lei de Ohm:

“A intensidade da corrente elétrica em um circuito aumenta quando

a tensão é aumentada, e diminui quando a resistência é

aumentada”.

Ou ainda:

“A intensidade da corrente é diretamente proporcional à tensão e

inversamente proporcional à resistência”.

i = V


34

R


35

Obs: A lei de Ohm vale somente para resistores fixos, cujos valores

se mantêm estáveis, e por isso, são chamados de “ôhmicos”.

Resistores

Os resistores, como já foi visto, são elementos de circuito elétrico que

apresentam resistência elétrica.

São simbolizados nos diagramas elétricos pelo símbolo abaixo e se

apresentam conforme a figura 3.8

Associação de resistores

Os resistores podem ser associados em série, paralelo, ou de

maneira mista, com objetivo de resultar em um valor de resistência

equivalente não encontrado no comércio ou não disponível no

momento.

Associação em série

No caso, a resistência equivalente é igual a soma das resistências

associadas.

Req = R1 + R2 + R3

Associação em paralelo

Na associação em paralelo, o inverso da resistência equivalente é

igual à soma dos inversos das resistências.

O que permite simplificações para casos especiais.

Fig. 3.2.1

Fig. 3.2.3

Fig. 3.2.2

1 1 1 1Req R1 R2 R3

____=____=____=____


36

No caso de apenas dois resistores em paralelo, podemos calcular a

resistência equivalente pela fórmula do produto pela soma.

No caso de resistores iguais, divide-se a resistência pelo nº de

resistores iguais;

Associação mista

Consiste de uma associação composta de, pelo menos, uma

associação de cada tipo, direta ou indireta.

Deve ser solucionado resolvendo-se cada tipo de associação

seqüencialmente.

Por exemplo, na associação da Fig. 3.2.6, à esquerda, os resistores

R1 e R2 estão associados diretamente em paralelo entre si e

indiretamente em série com o resistor R3.

Começamos resolvendo a associação direta em paralelo entre R1 e

R2. O resistor equivalente a essa associação estará diretamente em

série com o resistor R3. Resolvendo a série, encontramos o resistor

equivalente à associação inteira.

Codificação de resistores

É possível gravar facilmente as características dos resistores de naior

dimensão e potência – resistência, potência e tolerância.

Req = R1 . R2R1 + R2

Req = Rno resistores iguais

Fig. 3.2.4

Fig. 3.2.5

Fig. 3.2.6


37

Os resistores de baixa potência costumam ser muito pequenos,

dificultando esta gravação. Por isso foi inventado o código de cores,

que consiste em anéis coloridos que representam números, conforme

demonstrado na tabela da figura 3.14. Note que existem dois tipos

de código de cores, o de quatro anéis para resistores de alta

tolerância 5% a 10%, e o de 5 anéis para os resistores de baixa

tolerância 1% a 2%.

A tolerância de um resistor é o máximo de diferença que pode existir

entre o valor gravado no resistor e o valor real do resistor.

Curiosidade: as pessoas daltônicas (que possuem distúrbio visual

que dificulta ou impede a identificação das cores) são incapazes de

identificar os valores dos resistores.

Fig. 3.2.7


38

3.3 GERADOR ELEMENTAR

Um gerador AC simples

Conforme Mileaf (ref. 6), os geradores AC combinam o movimento

físico e o magnetismo para produzir uma tensão AC. Se um

condutor se move através de um campo magnético de modo a cortar

as linhas de fluxo, é aplicada uma força sobre os elétrons livres no

interior do condutor, fazendo com que eles se movimentem. Como

essa força origina um fluxo de corrente, pode ser considerada uma

fem*, ou tensão. Esse é o princípio básico de funcionamento de um

gerador AC.

A figura mostra o tipo mais simples de gerador AC. Este consiste em

uma única espira de fio, colocada entre os pólos de um ímã

permanente e livre para girar. Conforme a espira gira, ela corta as

linhas de força do campo magnético e produz uma tensão. Na

prática, o gerador possui várias espiras (ao invés de uma só espira),

que são enroladas e constituem o rotor ou a armadura.

Fig. 3.2.8


39

Entre os dois extremos da espira temos a tensão produzida. Anéis

de contato e escovas são utilizados para transferir a tensão para um

circuito externo. Os anéis de contato são anéis lisos feitos de

material condutor. Um anel é ligado a cada extremidade da espira

e ambos giram quando a bobina* gira. As escovas estão em contato

com os anéis e para cada anel temos uma escova. As escovas não

se movem, mas permanecem em contato com a superfície dos anéis

enquanto estes giram. Assim, temos entre as escovas, a tensão de

saída do gerador que pode ser facilmente aplicada em um circuito.

Através dessa descrição, podemos verificar que alguma coisa deve

fazer a espira girar para que o gerador funcione. Pode ser água em

movimento, um motor a gasolina, vapor produzido pela queima de

carvão, ou mesmo vapor produzido por um reator nuclear.

Corrente e Tensão Alternada

Na saída de um gerador elementar temos uma tensão alternada.

A tensão alternada é aquela que, ao longo do tempo, varia seu

valor, assumindo valores positivos, negativos e nulos. Um exemplo é

a tensão que chega em nossas casas pela rede de distribuição em

110V, 127V ou 220V conforme a região. A tensão da rede varia

seus valores sessenta vezes a cada segundo. Em um gráfico de

tensão ao longo de tempo teríamos o seguinte:

Fig. 3.3.1


40

Quando se conecta a tensão alternada em um circuito, circula uma

corrente alternada.

A corrente alternada é um fluxo ordenado de elétrons que alterna

sua direção nos mesmos intervalos de tempo que a tensão.

A tensão e a corrente alternada são representadas por seus valores

eficazes, Isto é, o valor eficaz é um valor tal que uma corrente

alternada executa o mesmo trabalho que esse valor em corrente

contínua.

O valor eficaz se encontra abaixo do valor de pico de corrente e

tensão.

Fig. 3.2.2

Fig. 3.2.3

ip = iCA 2

Vp = VCA . 2


41

3.4 CURTO-CIRCUITO

Dois pontos estão em curto-circuito, quando, entre eles, existe uma

resistência próxima de zero, isto é, os dois pontos estão ligados por

um fio.

Praticamente a totalidade da corrente é desviada pelo fio, é como se

os pontos estivessem ligados diretamente. A corrente elétrica tende

a aumentar, geralmente, ultrapassando o limite máximo para o

circuito, danificando-o permanentemente.

Na instalação elétrica convencional, a corrente pode atingir até

centenas de ampères, provocando superaquecimento da fiação e

mesmo um incêndio. Para evitar esse risco as instalações possuem

fusíveis.

Aterramento de Equipamentos

Nos equipamentos elétricos podem surgir, em carcaças metálicas,

tensões elétricas induzidas. Essas podem provocar danos no

equipamento ou risco aos usuários.

Para evitar essas tensões, os aparelhos elétricos possuem, além dos

fios fase* e neutro, o fio terra, que deve ser ligado a uma haste

metálica enterrada diretamente no solo.

Choque Elétrico.

O choque elétrico age diretamente no sistema nervoso do corpo

humano, podendo provocar desde pequenas contrações musculares

até a morte. Sua gravidade é determinada, conforme Paraná (ref.

7), tanto pela intensidade da corrente elétrica como pelo caminho

que ela percorre no corpo da pessoa.

Fig. 3.4.1


42

A menor intensidade da corrente, que percebemos como um

formigamento, é de 1mA (miliampère). Uma corrente com

intensidade de 10mA faz a pessoa perder o controle muscular. O

valor entre 10mA e 3 A pode ser mortal se atravessar o tórax do

chocado, pois atinge o coração, modificando seu ritmo e fazendo

com que ele pare de bombear sangue. A pessoa, então, pode

morrer em poucos minutos. Intensidades acima de 3 A levam à

morte por asfixia em poucos segundos.

O choque mais grave é o que atravessa o tórax, pois afeta o

coração. Nesse caso, mesmo uma intensidade não muito alta da

corrente pode ser fatal. Uma corrente de alta intensidade que circule

de uma perna a outra pode resultar só queimaduras locais, sem

lesões mais sérias.

A ilustração abaixo mostra a porcentagem da corrente elétrica que

passa pelo coração em função do tipo de contato.

Fig. 3.2.2


3.1 – Diferencie corrente elétrica e tensão elétrica.

A corrente elétrica é o movimento ordenado das cargas. A tensão é

o que provoca o movimento.

3.2 – Qual a função de uma fonte de alimentação e comoela funciona?

A fonte de alimentação fornece energia ao circuito através da

conversão de outra forma de energia em energia elétrica.

3.3 – Determine a corrente circulante e a potênciadissipada em R no circuito abaixo.

i = = = 0,15 A = 150 mA

P = V . i = 1,5 . 0,15 = 0,225 W = 225 mW


43


Fig. E.3.1

VR

1,510


44


3.4 – Determine o valor nominal e a tolerância dosresistores descritos abaixo:

a) com faixas: vermelho, vermelho, vermelho e ouro

b) com faixas: marrom, preto, verde e prata

c) com faixas: verde, preto, amarelo e ouro

d) com faixas: amarelo, violeta, prata e ouro

3.5 – Qual a resistência equivalente das associações emsérie abaixo?

a)

b) c)

3.6 – Qual a resistência equivalente das associações emparalelo abaixo:

a) b) c)


45

3.7 – Qual a resistência equivalente das associações mistasabaixo:

3.8 – Para produzir energia elétrica através de um geradorelementar AC, é necessário _ _ _ _ _ _ _ _ _ da espira emrelação ao campo produzido pelo ímã permanente.

3.9 – Faça um gráfico da tensão alternada em suaresidência, indicando o valor de pico e eficaz.

3.10 – Utilizando os materiais disponíveis no laboratório,monte o circuito abaixo. Alterne os valores do resistor eobserve o que ocorre com o brilho da lâmpada. Discuta comos colegas e formule hipóteses.

4MMuullttíímmeettrroo ddiiggiittaall eeOOsscciilloossccóóppiioo

4.1 – Multímetro digital

4.2 – O osciloscópio


48

4.1 MULTÍMETRO DIGITAL

O multímetro é um aparelho que serve para medição de tensão,

corrente e resistência.

O tipo do aparelho pode, inclusive, determinar a realização de

outras medições, com ou sem o uso de acessórios, como intensidade

sonora, temperatura, capacitância e indutância, entre outras.

Um multímetro consiste, no mínimo, em de três instrumentos de

medição, o voltímetro, o amperímetro e ohmímetro. Eles podem ser

selecionados um de cada vez por meio de um seletor rotativo,

conjunto de botões ou pontos de inserção das ponteiras de teste em

posições específicas para cada medida.

O multímetro ainda permite a seleção de escalas, para obtenção de

medidas de maior precisão. Estas escalas são indicadas no

aparelho, com os seus valores de fundo, isto é, máximos.

Para que o multímetro possa realizar medições é necessário que

uma corrente passe em seu interior. O multímetro, por meio de um

circuito eletrônico, é capaz de medir esta corrente e relacioná-la

com a escala e instrumento selecionados, lançando em um display,

o valor da medida na unidade da grandeza selecionada.

Para que o multímetro realize a medição, uma corrente deverá

circular em seu interior, logo o aparelho interferirá na medida que

4MMuullttíímmeettrroo ddiiggiittaall ee OOsscciilloossccóóppiioo

Fig. 4.1.1

Fig. 4.1.2 - Display digital de multímetro.


49

está sendo efetuada. Nesse ponto o multímetro digital é superior ao

seu predecessor, o multímetro analógico. O multímetro digital

interfere muito pouco nas medições e, normalmente, seu erro está

abaixo das tolerâncias dos componentes de um circuito.

O fabricante sempre indica o percentual de erro do aparelho em

cada tipo de medida e em cada escala, no manual que acompanha

o multímetro.

Cada instrumento de medida associado no multímetro requer um

tipo de ligação diferente no circuito para a realização de medidas.

O voltímetro deve ser ligado em paralelo com a região do circuito a

ser medida.

O amperímetro deve ser conectado em série. E o componente, cuja

resistência se quer conhecer, deve ser retirado do circuito para a

utilização do Ohmímetro em paralelo.

Os cuidados com o multímetro também devem constar no manual.

Basicamente, proteja-o da umidade, temperatura excessiva e

impactos. Algumas regras devem ser observadas para sua

utilização:

1 Ter certeza de como conectar as ponteiras do multímetro ao circuito para realizar a medição da grandeza desejada.

2 Para medições de corrente e tensão, selecionar a maior escala da grandeza, o que evita a sobrecarga do multímetro.

3 Desconectar as ponteiras do multímetro do circuito para realizar trocas de escalas.

4 Desligar a energia do circuito para medições de resistência.

Fig. 4.1.3

Fig. 4.1.4


50

4.2 O OSCILOSCÓPIO

O osciloscópio é um dos instrumentos mais versáteis usados na

eletrônica. Com ele podemos verificar um sinal elétrico e suas

variações no tempo. O osciloscópio mostra o gráfico da tensão em

função do tempo. O eixo horizontal (eixo x) é o eixo dos tempos ou

base de tempo, o eixo vertical (eixo y) é o eixo das amplitudes dos

sinais.

O elemento básico de um osciloscópio é o tubo de raios catódicos

(TRC), cuja superfície interna é impregnada de uma substância

fosforescente que emite luz, quando bombardeada por um feixe de

elétrons. Esse feixe move-se na tela sob a ação dos campos elétricos

atuantes nas placas de deflexão horizontal e vertical, que estão no

interior do tubo. Cabe aqui lembrar que os princípios que fazem

funcionar um osciloscópio não são só usados em eletrônica, mas

também em instrumentos de outras áreas, como na química, física,

medicina e mecânica.

Temos abaixo um diagrama em blocos, simplificado, de um

osciloscópio.

Fig. 4.2.1


51

Controles de um osciloscópio:

Observação: Dependendo do modelo, marca e qualidade do

osciloscópio, o mesmo poderá ter mais ou menos controles. O

exposto aqui pretende apenas mostrar alguns dos controles mais

comuns deste instrumento.

– chave liga-desliga (power) – liga e desliga o aparelho.

– chave seletora (ch select) – na posição CA, é ligado

internamente um capacitor para bloquear qualquer componente CC.

Na posição CC, pode-se determinar o nível da tensão contínua sob

teste. Na posição terra a entrada vertical é aterrada para que seja

possível o ajuste correto da posição do feixe, no centro da tela.

– entrada vertical (in) – é onde conectaremos o sinal a ser

medido.

– seletor de amplitude vertical (variable v/div) – controle

escalonado de ajuste do ganho do amplificador vertical e,

conseqüentemente da amplitude do sinal na tela em v/cm ou volts

por divisão.

– seletor de base de tempo (time/div) – controla o tempo

de varredura horizontal, através de um ajuste escalonado.

Geralmente vem acompanhado de um ajuste fino.

– posição vertical (position y) – controle de ajuste do sinal em

relação ao deslocamento do feixe no eixo y da tela.

– posição horizontal (position x) – controle de ajuste do sinal

Fig. 4.2


52

em relação ao deslocamento do feixe no eixo x da tela.

– astigmatismo (astigmatism) – permite focalizar

corretamente o feixe eletrônico, trabalhando como complemento do

controle de foco.

– foco (focus) – em conjunto com o astigmatismo, o controle é

usado para focalizar o sinal na tela, mediante o ajuste de

convergência do feixe. Com estes ajustes impede-se que o sinal

apareça borrado na tela.

– intensidade (inten) – permite variar o brilho do sinal. Deve ser

utilizado em uma posição que possibilite uma boa visualização da

imagem sem, no entanto, permitir que o feixe incida de uma forma

excessiva na tela, desgastando assim a substância fosforescente que

a cobre.

– variação do sinal horizontal (variable h) – mediante este

controle podemos variar o ganho do sinal aplicado à entrada

horizontal. Essa entrada é, geralmente, usada quando trabalhamos

com um outro instrumento chamado de gerador de varredura ou

sweep.

– entrada horizontal (in h) – permite a entrada de sinais para

que possamos usar o osciloscópio como traçador de curvas, com

sweep ou geradores de varredura.

– controle automático de sincronismo (auto) – se o sinal

de entrada tem uma forma de onda periódica, cada ciclo do mesmo

deve aparecer na tela em correspondência ponto a ponto com o

ciclo precedente (a imagem é considerada estável, ou sincronizada).

Isso pode ser conseguido com o ajuste de sincronismo chamado de

trigger.

– nível (level) – controle de nível para o sincronismo, permitindo

que a imagem fique estável na tela.

– entrada de sincronismo externo (sinc ext) – serve para

sincronizarmos o sinal a ser medido com uma fonte de sinal externa.

– atenuador (aten) – pode-se ter uma chave com várias posições

(x1, x10, x100) para atenuar os sinais recebidos pela entrada

horizontal. Na posição x1 o sinal é dividido por 1, na posição x10

o sinal é dividido por 10 e assim sucessivamente.

– saída para calibração (cal) – apresenta um sinal de 0,5 volts

pico a pico, por exemplo, para servir de referência para calibração

das entradas vertical ou horizontal.


53

Funcionamento do osciloscópio:

Observando a figura 4.2.1, seguindo o canhão eletrônico e

partindo de sua base vemos o filamento que aquece o cátodo que

emite os elétrons. Temos, a seguir, uma grade de controle e dois

ânodos que, juntos, dividem as funções de acelerar os elétrons e

focalizar o feixe. Com isso, obtém-se um feixe fino de elétrons e,

como conseqüência, uma imagem nítida na tela (em foco ou

“focada”).

A face interna do bulbo (TRC) é revestida com uma substância

condutora (aquadag), à base de carbono, a qual é conectada

eletricamente ao ânodo, no caso de um único ânodo, ou no ânodo

de focalização, caso existir (estes ânodos são polarizados

positivamente). A função desta cobertura, ou revestimento, é

capturar os elétrons secundários, que são expulsos pelo impacto do

feixe de elétrons principal contra a tela fosforescente. Se esses

elétrons não fossem capturados, seriam absorvidos pela regiões

vizinhas ao ponto de incidência do feixe principal, causando, em

torno dele, uma luminosidade difusa que prejudicaria a nitidez da

imagem.

Quando não há nenhuma tensão aplicada às placas defletoras, o

ponto luminoso forma-se no centro da tela porque o feixe de elétrons

incide nesse local.

Se uma tensão positiva for aplicada a uma das placas defletoras, o

feixe de elétrons (que são negativos) será desviado em sua direção

e a posição do ponto luminoso na tela se alterará, tendendo para a

direção dessa placa. Uma tensão negativa na placa tem,

evidentemente, efeito contrário, de modo a se obter o deslocamento

do ponto em sentido contrário. O importante disto é perceber que,

tanto uma tensão positiva como uma negativa nas placas, desviará

o feixe de elétrons.

Conhecendo agora o princípio da deflexão eletrostática em um

osciloscópio, imaginemos uma forma de onda senoidal aplicada nas

placas defletoras verticais. Nesse caso, uma placa ora será positiva,

ora negativa, o mesmo acontecendo com a outra. Quando a tensão

for tal que a placa superior se encontre positiva e a inferior negativa,


54

o feixe de elétrons se deslocará para cima. Com a inversão das

polaridades, o feixe virá para baixo. Caso a freqüência* da senóide

seja baixa, o ponto luminoso deslocar-se-á, mas se a freqüência for

alta ver-se-á apenas um risco na vertical.

Dessa forma não estaremos visualizando a forma de onda senoidal

que injetou-se no osciloscópio. Mas agora, ao mesmo tempo em que

nas placas verticais injeta-se uma senóide, aplica-se nas placas

defletoras horizontais uma onda dente de serra.

É uma tensão que, partindo de um valor mínimo, cresce linearmente

até um valor máximo, caindo, então, rapidamente, até o valor

mínimo, reiniciando um novo ciclo. É bom lembrar que o período de

subida deve ser bem maior que o de descida. No caso, o feixe, ao

mesmo tempo em que sobe e desce, deslocará de um lado para o

outro da tela, indo para a direita mais lentamente do que volta para

a esquerda (devido ao tempo de subida ser maior do que o tempo

de descida da tensão dente de serra).

Se o tempo que o feixe de elétrons leva para completar um ciclo

vertical, coincidir com o tempo que a tensão dente de serra demora

para ir de seu valor mínimo ao máximo, a imagem projetada será

a de uma senóide, ou seja, corresponderá à forma de onda do sinal

aplicado às placas verticais. Verifica-se, então, que a composição

de uma forma de onda qualquer, com uma forma de onda dente de

serra, sempre resultará no aparecimento de uma forma de onda

qualquer, desde que suas freqüências coincidam.

Fig. 4.2.2

Fig. 4.2.3

Fig. 4.2.4


55

Os cuidados com o osciloscópio são semelhantes aos do multímetro,

porém o osciloscópio é muito mais sensível e caro. Portanto, ouça

atentamente as instruções do seu professor.

A determinação da freqüência de um sinal a partir do período

medido é feita aplicando-se a fórmula:

F = 1/T

f – Freqüência em hertz

T – Período em segundos


56


4.1 – Quais os instrumentos de medidas mínimos quecaracterizam um multímetro?

Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro

4.2 – O que é valor de fundo de uma escala?

É o valor máximo que pode ser medido por essa escala.

4.3 – Como deve ser ligado um multímetro para medircorrente, tensão sobre R1 e a resistência R1 no circuitoabaixo:Para corrente o multímetro é colocado em série com R1.

Para tensão o multímetro é colocado em paralelo a R1.

Para resistência retira-se R1 do circuito e colocam-se as ponteiras

em cada extremidade condutora (lead) de R1.


4.4 – Por que o multímetro sempre apresenta algum errona leitura?



57

4.5 – Faça a medição da resistência de dois resistoresisoladamente, e das associações em série e paralelo.Compare as medições com os valores nominais e com oresultado dos cálculos das associações.

Verifique se os resultados se encontram dentro das tolerâncias e

comente os resultados.

4.6 – Qual a vantagem de um osciloscópio sobre ummultímetro?

São dois equipamentos distintos, porém o osciloscópio permite ver a

forma de onda de uma tensão alternada, enquanto que o multímetro

apenas mede seus valores eficazes.

4.7 – Qual é o alimento básico de um osciloscópio?

TRC (tubo de raios catódicos).

4.8 – A que serve o filamento em um TRC?

O filamento aquece o cátodo, que é o ponto de emissão de elétrons.

4.9 – Quais são os dispositivos responsáveis pelomovimento do feixe de elétrons em um TRC?

As placas defletoras horizontal e vertical.

4.10 – Ligue um transformador 220V – 12V na redeelétrica. Utilizando o multímetro e o osciloscópiodetermine o valor eficaz da tensão, o valor de pico, o

5CCaappaacciittoorreess


60

“Capacitores são dispositivos capazes de

armazenar cargas elétricas”.

Nos circuitos elétricos os capacitores podem estar assim

representados

A capacitância de um capacitor pode ser definida como a

quantidade de carga elétrica acumulada por unidade de tensão.

C - capacitância em faradsQ- carga em coulombsV - tensão em volts

A unidade de capacitância é o farad (F); porém, normalmente, a

capacitância dos capacitores comerciais pertence à faixa de

submúltiplos do farad, entre pico farads e micro-farads.

As placas de um capacitor são chamadas de armaduras.

“A capacitância ou capacidade de um capacitor se deve a sua

forma geométrica e ao meio existente entre as armaduras”.

5 CCaappaacciittoorreess

Fig. 5.1

Fig. 5.3

Fig. 5.2

C=

QV

10-12 F = pF ≤ Ccomercial ≤ µF = 10-6 F


61

A energia armazenada em um capacitor (Ec).

Um gerador elétrico ao ser ligado a um capacitor, fornece a energia

elétrica que fica armazenada nele e pode ser calculada pelas

expressões:

Ec- Energia em joulesQ - Carga em coulombV - Tensão em voltsC - capacitância em farads

O capacitor plano.

O capacitor plano é constituído de duas armadas iguais e paralelas,

entre as quais existe um isolante ou dielétrico*.

“A capacitância do capacitor é diretamente proporcional à área das

placas e inversamente proporcional à distância entre elas. Também

depende do meio entre as placas”.

C - capacitância em faradsε0 - permissividade* do vácuo ε0 = 8,85 x 10-12 F/mk - constante dielétricaA - área das placasd - distância entre as placas

Constante dielétrica (k).

É a relação entre a permissividade do meio (_0)

k - constante dielétricaε - permissividade do meio em F/mε0 - permissividade do vácuo 8,85. 1012 F/m

Fig. 5.4

Ec = ou Ec , ondeQV

2

CV 2

2

C = kε0 Ad

k = εε0

Os valores da constante dielétrica de algumas substâncias são

dados na tabela abaixo:

Obs: Para aumentar a capacitância de um capacitor plano, usar

pelo menos um dos procedimentos abaixo:

1 - Aumentar a área das armaduras.2 - Aproximar as armaduras3 - Inserir entre as armaduras um dielétrico de maior

constante dielétrica.

Especificações dos capacitores.

Os fabricantes devem informar o valor nominal em farads, no caso

de capacitores comerciais. Além disso, divulgam valores de

tolerância e tensão de isolação.

Tolerância.

Em uma linha de produção é complicado e caro produzir

componentes exatamente iguais. Por isso, os fabricantes indicam no

seus capacitores uma faixa de erro aceitável entre o valor nominal e

o valor real do capacitor, faixa que oscila entre ± 1% a ± 20%.

Tensão de Isolação.

Consiste na tensão máxima que pode ser aplicada em um capacitor

durante um intervalo de tempo razoável. Varia de alguns volts até

alguns quilovolts.


62

k

1,0000

1,0006

5 - 10

3 - 35

3 - 6

56

81

Dielétrico

Vácuo

Ar

Vidro

Borracha

Mica

Glicerina

Água

Tab 5.1


63

Os dielétricos são isolantes, porém, a partir de um determinado

valor de tensão passam a se comportar como condutores. A esse

fenômeno chamamos de rompimento de dielétrico, o que cria no

capacitor a chamada resistência de fuga. O capacitor pode até

entrar em curto-circuito.

Capacitores Comerciais.

Os valores típicos de capacitores comerciais são múltiplos e

submúltiplos das décadas mostradas na tabela abaixo:

A próxima figura mostra alguns tipos de capacitores fixos e

variáveis, e algumas de suas características.

Décadas de Valores Comerciais de Capacitores

10 12 15 18 22 27 33 47 56 68 75 82 91Tab 5.2

Tab 5.3


64

Para a leitura de valor nominal e demais características dos

capacitores pode-se utilizar a tabela 5.3 e a figura 5.6, abaixo:

Associação de capacitores.

Os capacitores, como os resistores, podem ser associados com o

objetivo de alcançar valores não disponíveis.

Associação em série.

O inverso das somas dos capacitores associados em série é igual ao

inverso da capacidade equivalente.

Na associação em série a tensão de isolação dos capacitores é

somada.

CódigoLiteral para Tolerância de CapacitoresC

0,25 pF

D

0,5pF

F

1%/ 1pF

G

2%

J

5%

K

10%

M

20%+- +- +- +- +- +- +- +-

Fig. 5.5

Fig. 5.6

Tab 5.4


65

Obs: Para associação de dois capacitores é possível utilizar a

simplificação “produto pela soma”, para capacitores iguais a

“capacitância de um pelo número de iguais”.

Produto pela soma:

Capacitância de um pelo número de iguais:

Associação em paralelo.

A capacitância equivalente é igual a soma das capacitâncias

associadas em paralelo.

Na associação em série, a tensão de isolação do capacitor

equivalente é igual a menor tensão de isolação dos capacitores

associados.

Associação mista.

Em situação análoga aos resistores, os capacitores também admitem

associações mistas, com pelo menos uma associação de cada tipo

em um único circuito. A seqüência de solução é a mesma

apresentada no estudo dos resistores.

Fig. 5.7

Ceq =C1 . C2

C1 + C2

Ceq =C1

nº de iguais

Ceq = C1 + C2 + C3


66

Exemplo de associações mistas:

Constante de tempo de um capacitor.

Pode-se definir, a grosso modo, a constante de tempo de um

capacitor como sendo o tempo necessário para que ele carregue ou

descarregue, aproximadamente, 63,2% de sua carga.

Fig. 5.8


67


5.1 – Determine a carga armazenada em um capacitor de50_F ligado em uma fonte de 12V.

Q = CV Q = 50 x 10-6 . 12

Q = 600 x 10-6 C

Q = 600 µC

5.2 – Determine a energia armazenada em um capacitor de400_F ligado em 50V.

Ec = CV2 Ec = 400 x 10-6 . 502

Ec = 1000000 x 10-6= 1 = 0.5 J

5.3 – Normalmente, a capacitância de um capacitor é bemmenor que 1 Farad. Determine a área de um capacitorplano de 1 Farad, que tem como dielétrico o vácuo e adistância entre placas de 1mm.

C = K ε 0 A

A = Cd = 1.0,001 = 112994350 m2= 112,99 Km2


5.4 – Para um fabricante que pretenda construircapacitores menores que os atuais, porém com as mesmascaracterísticas, o que você recomendaria?


2

2

d

K ε 0 1.8,85 x 10 -12

2


68

Que desenvolvesse um dielétrico de maior constante dielétrica.

5.5 – Além da capacitância existem outras característicasimportantes em um capacitor comercial. Quais são?

Tolerância e tensão de isolação

5.6 – Escreva sobre as características dos capacitoresabaixo:

5.7 – Encontre a capacidade equivalente das associaçõessérie:

a)

b)

5.8 – Encontre a capacidade equivalente das associaçõesem paralelo:

a)

b)


69

5.9 – Encontre a capacidade equivalente das associaçõesmistas:a)

5.10 – Procure, no laboratório, pelo menos 10 capacitorese determine os seus valores nominais de capacitância,tensão de isolação e, se possível, tolerância. (Utilize atabela 5.3 e figura 5.6).

6CCiirrccuuiittooss EEllééttrriiccooss

No capítulo III foram vistos circuitos simples ligados em corrente

contínua e foi aplicada a lei de Ohm. Também foi apresentada a

associação de resistores.

Agora, veremos a aplicação da lei de ohm em circuitos com

associações em série e paralelo em corrente contínua e corrente

alternada.

Circuito série é aquele constituído por pelo menos dois elementos em

série energizados.

Onde:

A tensão total é igual a soma das quedas de tensão em cada resistor.

A corrente total é igual em todos os elementos dos circuitos.

Circuito paralelo é aquele constituído por, pelo menos, dois

elementos ligados em paralelo e energizados.

Onde:

A tensão total é igual a tensão em cada resistor ou braço do circuito.

A corrente total é igual a soma das correntes em cada resistor ou

braço do circuito.


72

6CCiirrccuuiittooss EEllééttrriiccooss

V = V1 + V2 i = i1 = i2V1 = R1 i i = V

V2 = R2 i

Re q

V = V1 = V2 i = i1 + i2V1 = Req . i i = V1

i2 = V2

R1

R2

Fig. 6.1

Fig. 6.2


73

Circuito misto é aquele composto por pelo menos uma associação

de cada tipo (série e paralelo).

Onde:

A partir da resistência equivalente e tensão aplicada é possível

determinar o valor da corrente total fornecida pelo gerador.

Para determinar as correntes e tensões em cada braço do circuito, é

necessário resolver os paralelos ou séries de modo parcial e, em

seqüência própria, de cada circuito.

Circuito em corrente alternada

Para compreender de circuitos em corrente alternada, é necessário

a introduzir características apresentadas por capacitores e indutores

(bobinas), quando sujeitos à corrente alternada.

No caso da corrente contínua, um capacitor depois de carregado,

corresponde a uma resistência infinita e uma bobina após

energizada, corresponde a uma resistência próxima de zero.

Sob corrente alternada, um capacitor tende a diminuir sua

“resistência”, chamada de reatância capacitiva Xc,

proporcionalmente a freqüência da corrente aplicada. Por outro

lado a “resistência” de um indutor, chamado de reatância indutiva

XL, tende a aumentar proporcionalmente a freqüência da corrente

aplicada.

Onde:

p - 3, 14…

f - freqüência em hertz (Hz)

C - capacitância em farads (k)

Xc - Reatância Capacitiva em ohms (_)

V = Req . i

Fig. 6.3

Xc = 12π fC


74

No caso de um indutor (ou bobina) cuja grandeza indutância

elétrica, símbolo L, é expressa em henrys, símbolo H, temos:

Onde:

p - 3,14…

f - freqüência em hertz (Hz)

L - indutância em henrys (H)

XL - Reatância Indutiva em ohms (Ω)

Os valores reatância capacitiva XC e reatância indutiva XL são

expressos em ohm, do mesmo modo que a resistência elétrica R.

Porém as reatâncias têm uma diferença fundamental: a relação

entre elas é vetorial. As grandezas reatância capacitiva e indutiva

são representadas, matematicamente, em um eixo perpendicular ao

eixo da resistência elétrica.

Como a reatância capacitiva e a indutiva encontram-se sobre o

mesmo eixo, podem ser associadas diretamente, o que resulta na

carga reativa (XLC) do circuito.

Onde:

XL _ reatância indutiva (_)

XC _ reatância capacitiva (_)

XLC _ carga reativa do circuito.

A “resistência equivalente” da carga reativa associada à resistência

do circuito é chamada de impedância* (z) e tem como unidade o

ohm (_).

A determinação da impedância de um circuito em corrente

alternada se dá de forma semelhante à obtenção da resistência

equivalente de um circuito em corrente contínua. Com a diferença

que, no caso da impedância, é necessário de dar um tratamento

vetorial ao cálculo, conforme mostra a figura.

XL = 2π fC

XLC = XL - XC

Fig. 6.4

Fig. 6.5


75

A impedância corresponde à diagonal do retângulo cujos lados

valem R e XLC.

Portanto para o cálculo de z devemos utilizar o “Teorema de

Pitágoras”.

“A soma do quadrado dos catetos é igual ao quadrado da

hipotenusa”.

O ângulo de defasagem _ pode ser calculado como

Para um circuito RLC Série, temos:

Porém, as tensões não estão em fase, comportam-se como na

figura 6.7:

A tensão VR, em R, está em fase com a corrente, porque nos circuitos

puramente resistivos a tensão e a corrente estão em fase.

A tensão VL, em L, está adiantada 90º em relação à corrente, pois,

a corrente se atrasa de 90º em relação à tensão nos circuitos

puramente indutivos. VL, portanto, cruza o eixo horizontal 90º antes

da corrente, e varia no mesmo sentido.

A tensão VC, em C, está atrasada 90º em relação à corrente, pois,

nos circuitos puramente capacitivos a corrente se adianta 90º em

c2 = a2 + b2

α = tg-1 IC - IL

IR

Fig. 6.6

Fig. 6.7

( )

Z = R2 + (XL - XC )2

VCA = iCA . Z (lei de Ohm)

VR = iCA . R

VL = iCA . XL

VC = iCA . XC


76

relação à tensão. VC, portanto, cruza o eixo horizontal 90º depois

da corrente, e varia no mesmo sentido.

Para um circuito RLC paralelo temos:

As correntes, no circuito RLC em paralelo, não estão em fase, mas

como mostra a figura abaixo.

Corrente no circuito de corrente alternada em paralelo – A corrente

se divide pelos braços em paralelo. IR em fase com a tensão

aplicada ao circuito, IL atrasada em 90 graus em relação à tensão

e IC adiantada 90 graus em relação à tensão. A corrente total (It) é

a soma vetorial das correntes parciais.

Tensão no circuito de corrente alternada em paralelo – A tensão em

cada braço do circuito em paralelo é igual (e está em fase com) as

dos outros braços e à tensão aplicada ao circuito.

Impedância no circuito de corrente alternada em paralelo – A

Z = R . XL . XC

VCA = Z . iCA

iR = VCA

iL = VCA

iC = VCA

R

(XL . XC)2 = R2 . (XL - XC)2

XL

XC

Fig. 6.8

impedância de um circuito de corrente alternada em paralelo é igual

a tensão aplicada dividida pela corrente total.

ASPECTOS IMPORTANTES DOS CIRCUITOS RCL.

Freqüência de ressonância corresponde a uma freqüência tal que a

reatância capacitiva (XC) e indutiva (XL) têm o mesmo módulo, como

são opostas se anulam. A impedância (Z) se torna igual à resistência

® e o circuito se comporta como se fosse puramente resistivo, isto é,

sem defasagem alguma na corrente ou tensão.

A freqüência de ressonância (fr) pode ser determinada pela

expressão:

Fator de potência.

É a relação entre a potência real e a potência aparente, pelo

cosseno do ângulo de defasagem, ou ainda, pela relação entre a

resistência e a impedância.

A potência aparente é igual ao produto entre a tensão (VCA), e a

corrente (iCA) e é dada em volts-ampères (VA).

A potência real é igual ao produto da tensão (VCA), da corrente

(iCA) e do cosseno do ângulo _, e é medida em watts (W).

POTÊNCIA APARENTE = VCA . iCA


77

fr = 12π LC

FATOR DE POTÊNCIA = POTÊNCIA REAL

POTÊNCIA APARÊNCIA

FATOR DE POTÊNCIA = COSSENO α = R

Z

POTÊNCIA REAL = VCA . iCA . CASSENO α


78


6.1-Determine a corrente total e as quedas de tensão nocircuito série abaixo:

Req = R1 + R2 = 30Ω

i = V = 12 = 0,4A

V1 = i . R1 = 0,4 . 10 = 4V

V2 = i . R2 = 0,4 . 20 = 8V

6.2-Determine a corrente total e as correntes i, e i2 emcada braço do circuito paralelo:

Req = R1 . R2 = 8Ω

i = V = 12 = 1,5A

i = V = 12 = 1,5A

i = V = 12 = 1,5A

Req 30

Req 8

R1 10

R2 40

R1 + R2



79

6.3 - Determine a reatância capacitiva dos seguintescapacitores para uma freqüência de 60 HZ.

a) 200_F

XC = 1 = 1 = 1 = 13,26Ω

b) 50nF

XC = 1 = 53051Ω ≈ 53 KΩ


6.4-Determine a reatância indutiva das seguintes bobinaspara uma freqüência de 60 HZ.

a) 2 H

b) 5 mH

6.5-Determine a impedância do circuito RLC série abaixopara 60 HZ.

6.6-Determine a impedância do circuito RLC paraleloabaixo, para freqüência de 60 HZ.

2πfC 24000π x 10-62π . 60 . 200 x 10-6

2π . 60 . 50 x 10-9


80

6.7-O que é freqüência de ressonância?

6.8-O que é fator de potência?

6.9 – A partir do material disponível em seu laboratório,procure montar o circuito da figura E6.4, semnecessariamente respeitar os valores indicados.

Introduza no circuito uma tensão alternada de, no máximo, 12V (do

secundário de um transformador).

Utilizando um multímetro na escala de tensão CA, faça a medição

da tensão de entrada e a tensão sobre cada componente do circuito.

Se existir em seu laboratório um multímetro para medição de

corrente alternada, faça também a medição de corrente.

Seria possível conhecendo o valor de C e R estimar o valor de L?

Conforme o material que dispõe no laboratório, substitua os

componentes e faça novas medições, comente os resultados, procure

formular hipóteses junto com o educador voluntário.

6.10) Repita os procedimentos do exercício 6.9 para ocircuito da figura E6.3.

Leitura recomendada:

Item 6 da Bibliografia.

7EElleettrroommaaggnneettiissmmoo eeTTrraannssffoorrmmaaddoorr

7.1 – Campo Magnético – ímãs – condutores em campo

magnético – eletroímã

7.2 – Motores Elétricos

7.3 – Transformadores


82

7.1 Campo Magnético

Campo magnético é a região do espaço que está sob a influência

de um dipolo magnético (ímã).

A cada ponto, da região no entorno de um ímã, existe um vetor

campo magnético associado. Tangentes ao vetor campo elétrico em

cada ponto, passam as linhas de campo magnético ou linhas de

indução.

As linhas de campo são fechadas.

Partem do pólo norte do ímã e

chegam ao pólo sul. Por

definição, as linhas de campo não

se cruzam.

Ímã

Os ímãs são conhecidos desde a Antiguidade. A palvra magnetismo

originou-se a partir do nome Magnus, pastor que encontrou as

primeiras “pedras” com propriedades magnéticas. Ou, ainda, a

partir do nome da região onde ocorrem as maiores jazidas naturais

da “pedra” magnética (magnetita), na Magnólia.

Hoje em dia, ímãs de altíssima qualidade são produzidos

artificialmente por diferentes processos e para uso específico em

cada setor industrial.

Os ímãs apresentam algumas propriedades importantes:

7EElleettrroommaaggnneettiissmmoo ee TTrraannssffoorrmmaaddoorr

Fig. 7.1.1


83

1 Os pólos magnéticos de mesmo nome se repelem e de nomesdiferentes se atraem.

2 Os pólos magnéticos não podem ser separados. Quando umímã é dividido dá origem a dois novos ímãs.

3 Os ímãs atraem algumas substâncias, em especial aschamadas ferro magnéticas (ferro, níquel e algumas ligas metálicascomo o aço).

4 Os ímãs em geral conservam suas características por longosintervalos de tempo (alguns anos).

5 Os ímãs perdem suas propriedades magnéticas se expostos aaltas temperaturas.

6 Os ímãs, quando podem girar livremente no plano horizontal,orientam-se conforme os pólos da terra (bússola).

Os pólos magnéticos da terra estão ligeiramente deslocadosem relação aos pólos geográficos e têm seus nomes trocados.

7 Um ímã pode imantar outro material ferromagnético* atravésdo fenômeno da indução magnética. No caso, os domíniosmagnéticos que compõem o material são orientados conforme aslinhas de campo magnético, e este passa a se comportar como umímã.

Fig. 7.1.2

Fig. 7.1.3

Fig. 7.1.4


84

Campo Criado por um Condutor Percorrido por

Corrente Elétrica.

Em 1820, Oersted verificou a partir de experiências com correntes

elétricas e bússolas que, ao redor de um condutor, percorrido por

corrente elétrica, surge um campo magnético.

Quando o condutor é percorrido por corrente elétrica a bússola

sofre desvio.

O sentido do campo magnético pode ser expresso pela regra da

mão direita.

Segure o condutor com a mão direita, envolvendo-o com os dedos

e mantendo o polegar apontando o sentido da corrente. O sentido

das linhas de campo é dado pela indicação dos dedos que envolvem

o condutor.

Eletroímã

O eletroímã consiste de um condutor com camada isolante enrolado

sobre um núcleo ferromagnético. Quando o condutor é percorrido

por uma corrente elétrica, o núcleo tem seus domínios magnéticos

orientados e passa a se comportar como um ímã. Esse é o princípio

de funcionamento de uma série de equipamentos como os

solenóides, as cigarras e campainhas, os alto falantes, cabeçote de

toca fitas e vídeocassetes, etc.

7.2 MOTORES ELÉTRICOS.

A força que um campo magnético exerce sobre um condutor

percorrido por corrente pode ser utilizada para realizar trabalho. É

o que ocorre nos motores elétricos, que transformam energia elétrica

em energia mecânica. O motor elétrico de uma máquina de lavar,

por exemplo, tira energia elétrica da rede elétrica e a converte em

energia cinética de rotação.

Em linhas gerais, um motor elétrico é constituído por uma espira

rígida retangular, que fica imersa num campo magnético. Essa

espira pode girar em torno de um eixo perpendicular às linhas do


85

campo.

– Um motor elétrico simples é constituído por uma espira condutora

imersa num campo magnético. Ao ser percorrida pela corrente, a

espira fica submetida às forças do campo e é forçada a girar em

torno do eixo central. Temos, nesse caso, uma transformação de

energia elétrica em energia cinética. As extremidades da espira

estão presas a dois arcos metálicos, que constituem uma peça

chamada comutador. Não há contato elétrico entre os dois arcos do

comutador. Eles recebem a corrente elétrica através de duas escovas

fixas. Assim, a cada meia volta do comutador em torno do eixo, os

arcos são ligados a pólos opostos do gerador, e o sentido da

corrente na espira se inverte.

Quando uma corrente contínua passa através da espira, esta sofre

a ação de forças geradas pelo campo magnético, que a fazem girar

sobre um eixo. Suponhamos que a espira, de lados e w, esteja

inicialmente posicionada num plano paralelo às linhas do campo.

– A espira onde circula a corrente i está disposta paralelamente às

linhas do campo magnético. Os lados horizontais sofrem a ação do

par de forças F1 e F2, e isso faz a espira girar. Mesmo quando ela

está inclinada em relação às linhas de força, o binário continua a

agir sobre os lados horizontais, que permanecem sempre

perpendiculares ao campo magnético.

– Para determinar a direção e o sentido da força F1, usamos a regra

da mão direita. O polegar aponta no sentido da corrente, os outros

dedos indicam o sentido do campo magnético. A força sai

perpendicularmente da palma da mão (ou seja, é perpendicular ao

campo). Para determinar a direção e o sentido de F2, é preciso girar

a mão meia volta, pois a corrente tem sentido contrário no outro

braço da espira.

O campo magnético B exerce, sobre cada lado de comprimento , a

seguinte força:

Onde i é acorrente que atravessa a espira. As duas forças, que têm

a mesma direção, mas sentidos opostos, formam um binário que

obriga a espira a girar no sentido horário. O movimento continua

até que o plano da espira fique perpendicular ao campo magnético.


86

Nessa posição, as duas forças passam a agir na mesma direção e

em sentidos opostos, tendendo apenas a deformar a espira, sem

fazê-la girar.

– Quando a espira se acha perpendicular às linhas do campo, as

duas forças opostas F1 e F2 agem na mesma direção. O par de

forças, que até esse instante mantinha a espira em rotação, se

anula.

Entretanto, a espira não pára de repente. Ela prossegue em rotação

por inércia, ultrapassando ligeiramente a posição horizontal. O

binário volta então a agir, forçando a espira a girar para trás, em

rotação inversa. Depois de algumas oscilações, de amplitudes cada

vez menores, a espira se detém no plano perpendicular às linhas do

campo.

– Chegando à posição horizontal, a espira tende a prosseguir em

rotação por inércia. Assim que ela ultrapassa a posição horizontal,

refaz-se o binário, que agora tende a girar a espira em sentido

contrário. Ela então oscila durante algum tempo e depois se detém.

Para que ela continue a girar, é preciso inverter o sentido da

corrente, assim que a espira ultrapassar a posição de equilíbrio.

Desse modo, as forças F1 e F2 terão seus sentido invertido e

permitirão o prosseguimento da rotação.

Para fazer com que espira continue a girar sem se deter, precisamos

inverter o sentido da corrente, logo que a espira ultrapassar a

posição de equilíbrio. Desse modo, as forças mudaram de sentido e

o binário continuará a favorecer a rotação em sentido horário.

Os contatos elétricos da espira são feitos por meio de um sistema

composto de um comutador, que gira com a espira, e duas escovas

(tiras metálicas) fixas ligadas ao gerador (figura 7.2.1). Tal sistema

permite inverter, a cada meia volta, o sentido da corrente.

Desse modo, a corrente sempre circulará num sentido que favoreça

a geração de um binário, o que manterá a espira em contínua

rotação.

– Os motores elétricos reais não têm apenas uma espira, mas


87

diversas bobinas, cada uma delas constituída por numerosas

espiras.

Os motores elétricos reais não são constituídos por uma única

espira, mas por várias bobinas montadas sobre um núcleo de ferro.

Cada uma delas apresenta grande número de espiras.

7.3 TRANSFORMADORES.

Já foi visto que a passagem de corrente provoca o surgimento de um

campo magnético. Também a variação de um campo magnético

provoca, em um condutor, o aparecimento de corrente elétrica.

No caso de um transformador, existem dois condutores enlaçados

por um núcleo comum. Quando um sofre variação da corrente

elétrica produz um campo magnético variável que, por sua vez, cria

no outro uma corrente elétrica.

Os transformadores não necessitam de ligações elétricas entre as

bobinas primária e secundária. A transferência de energia se dá

através do acoplamento magnético entre as bobinas. Esse fenômeno

é conhecido como indução mútua.

E um núcleo ferromagnético concentra o fluxo magnético

melhorando o acoplamento.

As relações em um transformador são:

Onde:

Vp _ tensão no primário

Vs _ tensão no secundário

is _ corrente no secundário

ip _ corrente no primário

Np _ número de espiras no primário

Ns _ número de espiras no secundário.

Convém lembrar que o transformador funciona a partir da variação

de fluxo no primário.

Portanto não haverá troca de energia entre primário e secundário,


88

se for conectada ao primário uma fonte de tensão contínua e

regulada, como uma bateria* por exemplo. A menos que a fonte

seja ligada e desligada constantemente.

Os transformadores podem apresentar diversos tipos de núcleos:

As relações de fase entre correntes e tensões de primário e

secundário são apresentadas abaixo.

Os tipos de transformadores são mostrados abaixo:

Às vezes usamos pontos ou outras marcas para indicar os terminais

de mesma fase.

A seguir algumas apresentações externas de transformadores.

Perdas no transformador

Até agora, admitimos que os transformadores eram perfeitos e sem

perdas internas. Embora comumente isto seja quase uma verdade,

existem algumas perdas. Quase todos os transformadores têm

eficiência entre 90 e 99%. As principais perdas em um

transformador são as perdas no cobre (perdas por resistência), no

fluxo, por histerese, por correntes parasitas e por saturação.

– Perdas no cobre: Perda causada pela resistência do fio (de cobre)

nos enrolamentos do transformador = i2 R, onde R é a resistência

dos enrolamentos.

– Perdas de fluxo: Fluxo que não enlaça os enrolamentos e o núcleo,

de modo que há redução do acoplamento e, portanto, perda de

energia.

– Perdas por histerese: Quando o sentido da corrente é invertido, o

alinhamento magnético do núcleo também é invertido, mas há um

retardo por parte dos domínios magnéticos. Gasta-se energia para

alinhar os domínios magnéticos e inverter o alinhamento. Essa

energia, não disponível no secundário, corresponde às perdas por

histerese. Alguns transformadores usam núcleo de ferro pulverizado

para reduzir essas perdas.


89

– Perdas por correntes parasitas: O núcleo do transformador conduz

eletricidade e atua como um secundário de uma única espira em

curto. A corrente que flui no núcleo é chamada corrente parasita. As

correntes parasitas são reduzidas a um mínimo com o uso de um

núcleo laminado.

– Perdas por saturação: À medida que aumenta a corrente no

primário, aumenta o fluxo no núcleo. Finalmente, é atingido um

limite, e qualquer corrente adicional não aumenta o fluxo. Quando

isso acontece, dizemos que o núcleo está saturado, e para aumentar

o fluxo seria necessário um núcleo maior.


7.1-O que acontece quando um ímã é dividido?

Formam-se dois novos ímãs.

7.2-Como se dá a transferência de energia em umtransformador?Através do fenômeno da indução mútua devido aoacoplamento magnético das bobinas primária esecundária.

7.3-O primário de um transformador possui 1000 espiras eo secundário 10 espiras. Sabendo-se que o primário estáligado em 220V e o secundário é percorrido por umacorrente de 30ª, determine a tensão no secundário e acorrente no primário.


7.4-Existe semelhança entre motores e geradoreselementares?

7.5-Quais são os principais tipos de perdas nostransformadores?

7.6-Qual o artifício que é utilizado nos transformadores,em geral, para evitar as perdas por correntes parasitas?


90

7.7-O que é necessário fazer para que as perdas porsaturação sejam minimizadas?

7.8-O que são linhas de campo magnético?

7.9-Desenhe as linhas de campo ao redor dos condutoresabaixo:

7.10- Utilizando um ímã, um pedaço de palha de aço (BomBril‚) e um saco plástico do tipo arquivo de papel, monte oseguinte experimento, para a visualização das linhas decampo magnético:Coloque o ímã no interior do saco plástico e, com cuidado,friccione a palha de aço sobre o saco. As limalhas sedepositarão por fora do saco plástico e formarão aconfiguração das linhas de campo magnético ao redor doímã.

8AAnnáálliissee ddeeCCiirrccuuiittooss


92

Com os conhecimentos de eletricidade adquiridos até o momento,

podemos analisar alguns circuitos bastante simples.

Onde:

Vc _ tensão de entrada

Vs _ tensão de saída

R _ Resistência

L _ Indutância

O circuito acima é um filtro* passa baixa tipo RL. Para baixas

freqüências o indutor comporta-se como um condutor (XL << R),

fazendo praticamente toda a tensão recair sobre o resistor de saída.

Para freqüências altas, o indutor se comporta quase como um

isolante (XL >> R) e uma pequena parte da tensão fica sobre o

resistor de saída.

A tensão de saída pode ser expressa como:

Onde f _ freqüência em HZ.

Onde C _ capacitância

O circuito acima é um filtro passa baixa RC, para baixas

freqüências. O capacitor de saída comporta-se como uma

resistência alta (XC >> R), assim a maior parte da tensão recai sobre

ele.

Para altas freqüências o capacitor se comporta como uma

resistência baixa (XC << R) e uma pequena parte da tensão fica

aplicada sobre ele. A tensão de saída pode ser expressa como:

Acima, temos um circuito passa alta do tipo RL. O indutor se

comporta como um condutor para freqüências baixas (XL << R).

Assim uma pequena parte da tensão fica sobre o indutor de saída.

Quando a freqüência é alta, o indutor se comporta como um resistor

de valor alto (XL >> R) e, então, a tensão de saída é maior.

8 AAnnáálliissee ddee CCiirrccuuiittooss


93


O circuito RC acima se comporta como um circuito filtro passa alta.

O capacitor se comporta-se como um resistor de valor alto (XC >>

R), para baixas freqüências, provocando uma grande queda de

tensão, o que faz com que a tensão de saída seja baixa. Quando a

freqüência é alta, o capacitor se comporta como condutor (XC << R),

provocando pequena queda de tensão, e, então, a tensão de saída

é alta.


No circuito ressonante tipo RLC, tanto as altas freqüências quanto as

baixas freqüências são atenuadas, e a tensão Vs terá seu maior

valor exatamente na freqüência de ressonância.

Pois, nessa freqüência, as reatâncias, indutiva e capacitiva, são

iguais e se anulam. A freqüência de ressonância pode ser dada

como:

O divisor de tensão é um circuito extremamente simples, em que o

resistor R1 provoca uma queda de tensão, fazendo com que parte

da tensão fique sobre ele e o restante sobre R2 e a carga.

Para calcular a tensão de saída Vs temos primeiro, que determinar

o valor da resistência equivalente à carga RC, a partir dos valores

nominais de tensão e potência conhecidas da carga.

Onde:

RC _ Resistência equivalente à carga

VC _ Tensão nominal da carga

PC _ Potência nominal da carga.

Essa expressão corresponde à determinação da corrente total a

partir da tensão de entrada e da resistência equivalente ao circuito

todo, multiplicado pela resistência equivalente ao paralelo de R2 e

RC.

O circuito Ponte de Wheatstone é muito utilizado em instrumentação


94

eletrônica pois serve para medir o valor de uma resistência

desconhecida. É possível desmembrar este circuito em dois outros

divisores de tensão independentes.

Onde

Quando VAB = VA – VB = 0, a ponte está em equilíbrio. Nesse caso:

R2. R3 = R1. R4

Na condiçãoão de equilíbrio o produto das suas resistências opostas

é igual.

Para se conhecer R3, por exemplo, tem os que saber os valores de

R2 e R4 e ajustar um resistor variável R1 até que um voltímetro, entre

A e B, indique zero volts. Então basta medir o valor de R1 e obter

R3 a partir da expressão:

Outra forma de usar a Ponte de Wheatstone é não chegar ao

equilíbrio e usar três resistores de valor fixo, a tensão da fonte e a

tensão VAB, mas a expressão fica mais complexa.


8.1-Determine a tensão de saída do filtro passa baixa dotipo RL, abaixo:

Para a tensão da rede (220V – 60Hz)

8.2-Determine a tensão de saída do filtro passa alta do tipoRC abaixo, para a tensão da rede (220V – 60Hz):

8.3-Qual a freqüência de ressonância do circuito RLCabaixo?


8.4-Para que o divisor abaixo trabalhe com a lâmpada emseus valores nominais, qual o valor de R1?

8.5-A ponte de Wheatstone abaixo encontra o equilíbrioquando R4 = 10_, qual o valor de R3?


95

8.6-É possível trabalhar com uma ponte de Wheatstonedesequilibrada?

8.7-O que acontece em um filtro RC tipo passa alta,quando é submetido a uma baixa freqüência?

8.8-Qual a utilidade prática de um divisor de tensão? Quaissuas limitações?

8.9- Procure analisar o circuito elétrico de seu laboratório.Como os equipamentos estão ligados (em série ou emparalelo)?

8.10 – Quando se usa a ligação em série? Cite exemplos emsua casa ou no laboratório.

9BBiibblliiooggrraaffiiaa


98

1.AMALDI, Hugo. Imagens da Física, São Paulo: Scipione,

1995.

2.BONJORNO, Regina A. e outros. Física Fundamental –

Novo: Volume único, São Paulo: FTD, 1999.

3.CHIQUETTO, Marcos e outros. Aprendendo Física: V3, São

Paulo: Scipione, 1996.

4.CIPELI, Marco e Markus, Otávio. Ensino Modular:

Eletricidade – Circuitos em Corrente Contínua, São Paulo:

Érica, 1999.

5.FERRARO, Nicolau Gilberto e Soares, Paulo Antônio de Toledo.

Física Básica: Volume único, São Paulo: Atual, 1998.

6.MILEAF, Harry. Eletricidade V3, São Paulo: Martins Fontes,

1982.

7.PARANÁ, Djalma N. da Silva. Física para o Ensino Médio:

Volume único, São Paulo: Ática, 1999.

8.VAN VALKENBURGH, Nooger & Neville. Eletricidade Básica,

V4, Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico, 1982.

ENDEREÇOS ELETRÔNICOS:

1.http://br.geocities.com/carlosgoncalves2000/#softwares

2.http://members.nbci.com/eletron/

3.http://www.angelfire.com/de/eletronicaliceu/

4.http://www.angelfire.com/on/eletron/Eletronica.html

5.http://www.cpdee.ufmg.br/~elt/docs/doc6.htm

9BBiibblliiooggrraaffiiaa


99

6.http://www.geocities.com/Area51/4511/download.html

7.http://www.geocities.com/Colosseum/Stadium/3081/saúde/

ergonomia.postura.htm

8.http://www.geocities.com/MotorCity/Speedway/4675/

eletron.htm

9.http://www.webcities.com.br/duarte/

10.http://www2.claretianas.com.br/~barban/download.htm

10GGlloossssáárriioo


102

A

AC – Abreviação de Corrente Alternada, mesmo que CA.

Acumulador – Dispositivo onde a energia elétrica é transformada

em energia química, para ser novamente transformada em energia

elétrica.

Alternador – Gerador de AC

Ampère – Unidade padrão de intensidade da corrente elétrica

Auto-transformador – Transformador em que parte do primário

é secundário também.

B

Bateria – Conjunto de acumuladores com a finalidade de fornecer

corrente contínua para um circuito.

Bipolar – Que possui dois pólos.

Bobina – Enrolamento de um fio condutor com a finalidade de

armazenar energia em seu campo magnético.

C

Capacitor – Dispositivo capaz de armazenar energia elétrica.

Consiste em duas placas separadas por um dielétrico.

CC – Abreviatura de Corrente Contínua.

Circuito – Corresponde a um conjunto de elementos elétricos

interligados. onde exista a possibilidade da passagem de corrente

elétrica.

10GGlloossssáárriioo


103

Condutor – Meio por onde a corrente elétrica consegue fluir.

Corrente Elétrica – É o movimento de cargas elétricas quando

uma força é aplicada sobre elas.

D

DC – ver CC

ddp – Diferença de Potencial, o mesmo que força eletromotriz.

Descarga – Ato de retirar a energia elétrica previamente

acumulada em um dispositivo

Dielétrico – Camada eletricamente isolada.

F

Farad – Unidade de medida dos capacitores.

Fase – A posição de um sinal alternado em seu ciclo.

Fem – Força eletromotriz, mesmo que tensão elétrica.

Ferromagnético – Material que tem grande propriedade de

interação com campos magnéticos.

Filtro – Dispositivo capaz de selecionar apenas uma certa

freqüência.

Freqüência – Número de voltas ou vibrações para uma

determinada unidade de tempo (geralmente o segundo).

Fusível – Dispositivo intercalado em série com um circuito, para

protegê-lo de sobrecargas.

H

Histerese – Do grego hystéresis, atraso. Na física, é um fenômeno


104

que ocorre quando a resposta de um sistema a uma solicitação

externa se modifica conforme varie, crescente ou decrescentemente,

esta solicitação.

I

Impedância – Resistência oferecida por um circuito a uma CA.

O

OHM – Lei que expressa que a intensidade de corrente é

diretamente proporcional à Voltagem e inversamente proporcional à

resistência.

P

Permissividade – Fator numérico que aparece na expressão

analítica da lei de Coulomb. Pode assumir diferentes valores e

dimensões, conforme o sistema de unidades de medida adotado

para exprimir as grandezas elétricas, e conforme o meio em

questão.

R

RLC – Circuito em CA constituído por resistor, bobina e capacitor.

Resistência – Propriedade de certos materiais de oferecer

oposição à passagem de corrente elétrica.

Ressonte –Circuito em CA que opera em sua freqüência natural.

Retificação – Transformação de CA em CC.

Rms – Root mean square – raiz média quadrática – mesmo que

valor eficaz.

V

Voltagem – Tensão elétrica medida em volts.

11RReessppoossttaass ddoossEExxeerrccíícciiooss PPrrooppoossttooss


106

CAPÍTULO I

1.7 Porque existe o risco dos cabelos se prenderem em algummecanismo e a pessoa sofrer sérias lesões.

1.8 Porque as roupas sintéticas costumam ser muito inflamáveis.

CAPÍTULO II

2.4

2.5 A resistividade é um dos fatores que determinam a resistênciade um condutor.

2.6 É outro nome para Sistema Internacional de Unidades,corresponde as iniciais dos símbolos das unidades metro,quilograma e segundo.

2.7 Os prefixos devem ser vistos como multiplicadores. Conformea tabela apresentada.

2.8 4,75 KW.

2.9 Use a tabela da página 10 (unidades de comprimento).

CAPÍTULO III

3.4 a) 2200_ = 2,2k_ ± 5%b) 1000000_ = 1M_ ± 10%

11RReessppoossttaass ddooss EExxeerrccíícciiooss PPrrooppoossttooss

Grandeza

Corrente elétrica

Tensão elétrica

Carga elétrica

Campo Magnético

Resistividade elétrica

Resistência elétrica

Capacitância


i

V

Q

B

_

R

C

Unidade Utilizada

ampère

volt

coulomb

tesla

ohms vezes metro

ohm

farad

Símbolo da Unidade

A

V

C

T

Ω.m

Ω

F


107

c) 500000 = 500k_ ± 5%d) 0,47_ = 470m_ ± 5%

3.5 a) 600kWb) 100kWc) 35kW

3.6 a) 3kWb) 10kWc) 4kW

3.7 a) 8kWb) 10kWc) 5kW

3.8 movimento

3.9

3.10 Quanto maior o valor do resistor menor é o brilho dalâmpada. Isso porque a queda de tensão no resistor se intensifica.

CAPÍTULO IV

4.4 Porque para funcionar, uma corrente tem que circular em seuinterior, logo, ele interfere no circuito que está medindo.

4.6 São dois equipamentos distintos, porém o osciloscópiopermite ver a forma de onda de uma tensão alternada, enquantoque o multímetro apenas mede seus valores eficazes.

4.7 TRC (tubo de raios catódicos).

4.8 O filamento aquece o cátodo, que é o ponto de emissão deelétrons.

4.9 As placas defletoras horizontal e vertical.


108

4.11 O sinal é uma linha reta horizontal, pois é um valor contínuono tempo.

CAPÍTULO V

5.4 Que desenvolvesse um dielétrico de maior constantedielétrica.

5.5 Tolerância e tensão de isolação

5.6 a) 0,39_F ± 10% 250Vb) 47nF ± 10% 250Vc) 47nF ± 20% 50V

5.7 a) 40mFb) 30pF

5.8 a) 42mFb) 10mF

5.9 a) 60mFb) 70pF

CAPÍTULO VI

6.4 a) 2 H XL = 753,6_b) 5 mH XL = 1,884_

6.5 Z = 264,266_

6.6 Z = 51,64_

6.7 Corresponde à freqüência em que a reatância capacitiva eindutiva tem mesmo módulo.

6.8 É a relação entre a carga resistiva e a carga reativa de umcircuito.

CAPÍTULO VII

7.4 Sim. Os motores podem ser usados como geradores e osgeradores como motores.

7.5 Perdas no cobre, no fluxo e perdas por histerese, porcorrentes parasitas e por saturação.


109

7.6 É usado um núcleo de ferro laminado.

7.7 É necessário construir o núcleo maior possível.

7.8 São linhas imaginárias que tangenciam o vetor campomagnético em todos os seus pontos.

7.9 Fig. E 7.2

CAPÍTULO VIII

8.4

8.5

8.6 Sim. Porém o equacionamento fica muito complexo.

8.7 A reatância capacitiva do capacitor fica muito maior do quea resistência e praticamente toda tensão fica sobre ele.

8.8 O divisor é uma maneira simples de atingir as condições defuncionamento de uma carga de tensão de operação abaixo dafonte do circuito. Não é viável quando a carga dissipa muitapotência.

8.9 Provavelmente, os equipamentos do laboratório estãoligados todos em paralelo, para que a corrente seja dividida entreeles.

8.10 Quando se deseja dividir a tensão entre dois equipamentos.O exemplo típico são as luzes do pinheirinho de natal, cujo valornominal de tensão lâmpada é bem abaixo da tensão da rede e sãonecessárias muitas lâmpadas para que sobre cada uma fique ovalor correto.

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