Laboratório de Eletricidade S.J.Troise

11/10/2005 Página 1 de 7

Exp. 0 - Laboratório de eletricidade 0.1 Introdução – Conceitos básicos

O modelo aceito modernamente para o átomo apresenta o aspecto de uma esfera central chamada núcleo que apresenta, no seu interior, entre outras partículas os prótons e os nêutrons e, dispostos em camadas externas ao núcleo, apresenta os chamados elétrons. Sabemos hoje que os prótons apresentam um propriedade chamada cargas elétrica positiva e os elétrons uma propriedade chamada carga elétrica negativa, enquanto que os nêutrons não apresentam essa propriedade carga elétrica.

Em condições normais os prótons são rigidamente ligados ao núcleo e por essa razão não podem se movimentar no interior dos meios. Por outro lado os elétrons em alguns meios são fracamente ligados à periferia e portanto podem se mover nesses meios. Esses meios são chamados condutores e aqueles nos quais esse movimento não é permitido são chamados isolantes. Os elétrons das camadas mais internas estão fortemente ligados ao núcleo enquanto que os das camadas mais externas apresentam mais fraca ligação com o núcleo e conseqüentemente estes últimos podem mover-se com facilidade deslocando-se de um átomo para outro no interior do material. Esse movimento de elétrons constitui a corrente elétrica. Observe-se que os prótons não conseguem deixar o núcleo por processos convencionais e portanto normalmente não participam da corrente elétrica. (em condições especiais esse movimento,pode acorrer)

As cargas elétricas do elétron e do próton são mensuráveis. Medidas efetuadas com grande precisão mostram que as cargas de ambos são iguais em valor absoluto e de sinais contrários. A carga do elétron é

e a carga o próton é C191,6.10eQ −−= C191,6.10pQ −= .

Cargas elétricas interagem. Cargas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem. A força de atração ou de repulsão é calculada pela LEI de COULOMB, que é uma lei experimental. Esta lei estabelece que a intensidade dessa força é dada por

2r2Q1Q

KF⋅

⋅=r

Equação 0-1

onde K é uma constante, denominada “constante da eletrostática”, cujo valor é: 2C

2m.N910.9 , 1Q e 2Q são as

medidas das cargas e r é a distância entre elas. Essa força é chamada força eletrostática ou força Coulombiana.

0.2 Corrente Elétrica Chama-se corrente elétrica ao movimento ordenado de cargas elétricas que são transportadas por

partículas que possuem essa carga elétrica, como os prótons e elétrons. Como os prótons são fortemente ligados ao núcleo somente elétrons participam desse transporte de carga elétrica nas correntes normalmente estudadas pela Eletricidade.

Consideremos então um grupo de elétrons movendo-se numa certa região do espaço. Seja Q∆ a quantidade de cargas que atravessa uma superfície S∆ transportadas pelos elétrons, num certo intervalo de tempo

, transportada pelos elétrons. t∆Por definição, chama-se intensidade (média) de corrente através da superfície a

tQI∆∆

=

Equação 0-2

que é medida em AAmpèrésC

segundoCoulomb

=== .

Devemos lembrar aqui que nem todos os materiais permitem o movimento dos elétrons ou seja, a corrente elétrica. Quando o material permite a corrente elétrica ele é chamado condutor. Caso contrário ele é chamado isolante.

0.2.1 Exercícios 0.2.1.1 ( ) Em um condutor na forma de fio existe uma corrente de . Calcule a carga que é transportada por essa corrente em um intervalo de tempo de 5s.

A3

Resp.:

0.2.1.2 ( ) Em um chuveiro a corrente de operação é de . Qual a carga transportada através do fio do chuveiro durante um A20

banho de 15min. Resp.:

0.2.1.3 ( ) Durante quanto tempo deve funcionar o chuveiro acima para que a carga transportada seja de 400C?. Resp:

0.3 Geradores – Potencial Elétrico Para que haja o movimento das cargas que constituem a corrente é necessário que sobre elas atue uma

força. Havendo força e havendo deslocamento trabalho é realizado e portanto é necessária uma fonte de energia. O dispositivo que fornece energia para produzir corrente elétrica é chamado gerador. Todo gerador tem uma característica chamada potencial elétrico (tensão elétrica ou voltagem) definida como segue abaixo.

Seja a energia fornecida pelo gerador para transportar uma quantidade de carga sendo a energia gasta pelo gerador para transportar carga . Por definição o potencial do gerado é definido como sendo a energia fornecida por unidade de carga transportada, ou seja:

E∆Q∆

QEV

∆∆

=

Equação 0-3

O potencial elétrico é então medido em VVoltCJ

CoulombJoule

=== . Resumindo, para que haja corrente

elétrica é necessário que exista fornecimento de energia e o dispositivo que fornece essa energia chama-se gerador. Os geradores elétricos mais simples são representados pelo símbolo:

Figura 0-1

Observe na figura a existência dos sinais + e - . Eles indicam o sentido na qual o movimento de elétrons ocorre (da esquerda para a direita). Por razões históricas a Eletricidade desenvolveu-se considerando o sentido inverso, chamado “sentido convencional”

0.3.1 Exercícios

0.3.1.1 ( ) Uma carga de é transportada ao longo de um condutor e uma energia de é fornecida pelo gerador. Qual o potencial de um gerador:

C4 J34

Resp: 0.3.1.2 ( ) Se o potencial de um gerador é de 1,5V qual energia que ele fornece para transportar uma carga de ? C5,0

Resp: 0.3.1.3 ( ) Uma pilha, que é um gerador, de potencial V5,1 pode fornecer produzir ma corrente de mA100 durante 12horas. Calcule a energia da pilha quando nova?

Resp:

0.3.1.4 ( ) A tomada é um gerador elétrico pois tem a capacidade de fornecer a energia necessária para que ocorra corrente elétrica. A companhia de eletricidade informa que o potencial da tomada é 220V. Qual a energia fornecida pela tomada quando

um chuveiro que no funcionamento exige uma corrente de e é usado durante 20min? A40Resp:

0.3.1.5 ( ) Uma tomada de potencial fornece energia para o funcionamento de um radio e o consumo de energia em 3h é

de . Calcule a corrente de operação do rádio.,

V110J65

Resp:

0.4 Potência Elétrica Vimos acima que quando ocorre a corrente elétrica energia é consumida, fornecida pelo gerador.

Suponhamos então que uma energia seja fornecida pelo gerador num intervalo de tempo . Por definição chama-se potencia (não confundir com potencial) à energia por unidade de tempo, ou seja

E∆ t∆

tEP∆∆

=

Equação 0-4

Podemos então definir a unidade de medida da potencia como sendo WWattsJ

tempoenergiaP ====

Podemos obter uma expressão prática para o cálculo da potencia: da Equação 0-1 temos tIQ ∆⋅=∆ .

Substituindo na Equação 0-3 teremos tI

EV∆⋅

∆= de onde se obtém imediatamente:

IVP ⋅= Equação 0-5

que é a expressão procurada.

0.4.1 Exercícios

0.4.1.1 ( ) Um gerador fornece de energia em 2min.Qual sua potencia? J400Resp:

0.4.1.2 ( ) Um equipamento de opera numa tomada de 220V. Qual a corrente do chuveiro? W400Resp:

0.4.1.3 ( ) Se um equipamento com a mesma potencia opera em 110V qual será sua corrente de operação? Resp:

0.4.1.4 ( ) Um chuveiro tem uma potência de consumo de . Se uma pessoa toma 30 banhos diários de 15min , qual a energia por ele consumida em um mês?

W4400

Resp:

0.4.1.5 ( ) Calcule a quantos Watt corresponde ! kWh Resp

0.5 Instrumentos de medida Tanto a corrente elétrica como o potenciai elétrico são mensuráveis. Para estas medidas existem dois

instrumentos básicos de medida: Os amperímetros e os voltímetros. Os amperímetros são instrumentos que permitem a medida da corrente elétrica, os quais apresentam

escalas graduadas diretamente em Ampèré (A) ou em miliAmpèré (mA). Os amperímetros são representados pelo símbolo:

Figura 0-2

Os voltímetros são instrumentos que permitem a medida da tensão ou diferença de potencial e apresentam escalas diretamente graduadas em Volt (V). Os voltímetros são representados pelo símbolo:

Figura 0-3

Esses instrumentos são “polarizados”, isto é devem ser conectados com o sentido correto pois a corrente deve circular por eles num sentido determinado, mostrado na figura. Por essa razão existem os sinais −+ e em seus polos. Um estudo completo destes dois instrumentos de medida será feito ao longo deste texto.

0.6 Múltiplos e submúltiplos Muitas vezes o Ampèré e o Volt, bem como outras unidades utilizadas em Eletricidade, são muito grandes

ou muito pequena. Por esta razão são usados os seguintes múltiplos e submúltiplos: Tera T 1210 Giga G 910 Mega M 610 Quilo K 310 mili M 310−

micro µ 610− Nano N 910− pico p 1210−

Tabela 0-1

0.7 Bipolos

Chama-se bipolo a todo dispositivo elétrico constituído de dois polos entre os quais circula corrente elétrica. Dependendo da natureza do bipolo ele é representado por diferentes símbolos nos diagramas elétricos. Abaixo estão apresentados alguns desses tipos, em como apresentados seus respectivos nomes.

+ -

Figura 0-4

ou genericamente por

Figura 0-5

Sempre que se aplica uma tensão sobre um bipolo aparece uma corrente que o atravessa e a

experiência mostra que essa corrente é função da tensão aplicada ou seja

V I)I(fV = . O estudo dos bipolos é feito

determinando-se sua curva característica, isto é, uma curva que mostra a relação entre a tensão aplicada ao bipolo e

a corrente que o atravessa. A curva é obtida experimentalmente medindo-se a corrente correspondente a cada tensão aplicada. Isto é feito utilizando-se um circuito como o mostrado abaixo:

)I(fV =

Figura 0-6

. Dependendo da forma apresentada por esta curva os bipolos podem ser classificados em: 1- bipolo linear: quando a curva caracteriza pode ser aproximada a uma reta; 2- não lineares: quando a curva característica não pode ser aproximada a uma reta; Os bipolos podem ainda ser classificados em: 3- ativos: quando a curva característica mostra a existência de corrente elétrica quando a tensão

aplicada é nula (a curva não passa pela origem) ou; 4- passivo: quando uma tensão nula aplicada corresponde a uma corrente nula (a curva passa pela

origem). Abaixo são colocadas algumas curvas características com sua classificação:

Figura 0-7

Os bipolos podem ainda ser classificados como simétricos quando o comportamento para tensões aplicadas positivas e negativas é simétrico.

Figura 0-8

Os bipolos podem ainda ser classificados em bipolo gerador e bipolo receptor. Um bipolo gerador é aquele que é capaz de produzir, por si só, corrente elétrica. É o caso das pilhas. Um bipolo é receptor quando não é capaz de produzir corrente elétrica. É o caso de uma lâmpada, de um

resistor, etc. nos quais a corrente resultante é produzida por um bipolo gerador associado. Existe uma diferença fundamental entre estes dois tipos de bipolos: no bipolo receptor a corrente circula no

sentido decrescente do potencial elétrico enquanto que no bipolo gerador a corrente circula no sentido crescente do potencial. A figura abaixo mostra este fato através dos sinais + e - colocados sobre os bipolos.

Figura 0-9

No exemplo acima o bipolo receptor é um resistor e o bipolo gerador é um gerador de corrente continua (pilha ou bateria). Observe atentamente nesta figura as diferenças de potencial indicadas. No bipolo gerador o potencial cresce no sentido da corrente enquanto que no bipolo receptor a o potencial decresce e por esta razão dizemos que no bipolo receptor ocorre uma "queda de potencial".

0.8 Os bipolos lineares – Resistores Existem bipolos construídos com o objetivo de produzir resistência à passagem da corrente elétrica ou

então, produzir queda de tensão. Esse bipolos são denominados resistores elétricos e apresentam comportamento

linear, além de serem passivos. Isto significa que a relação entre a tensão e a corrente é do tipo ondeC.I = V C é uma constante. Esta constante é chamada resistência elétrica do resistor e é representada normalmente por , ou seja nos resistores

R

V = R.I ou ainda

R = VI

Equação 0-6

Isto significa que a tensão sobre um resistor é sempre dado por IR=V ⋅ . Este resultado é chamado LEI de OHM. A figura abaixo mostra a curva característica de um resistor bem como mostra como é possível determinar a resistência R da mesma a partir essa curva característica. A resistência nada mais é o que a declividade da reta.

A resistência de um resistor é medida em

Ω=Ampèré

Volt=Ohm

. Figura 0-10

Neste texto os resistores serão representados pelo símbolo:

Figura 0-11

Os resistores apresentam normalmente forma tubular e o valor de sua resistência é indicado pelo fabricante através de faixas coloridas de acordo com o código abaixo:

1º alg. 2º alg. multiplicador tolerância cor 1ª faixa 2ª faixa 3ª faixa 4ª faixa

preto - 0 1 - marrom 1 1 101 ±1%

vermelho 2 2 102 ±2% laranja 3 3 103 -

amarelo 4 4 104 - verde 5 5 105 - azul 6 6 106 -

violeta 7 7 107 - cinza 8 8 108 -

branco 9 9 109 - ouro - - 10 1− ±5% prata - - 10 2− ±10%

As 1ª e 2ª faixas indicam os algarismos significativos; a 3ª faixa indica o fator multiplicativo através da potência de 10 e a 4ª faixa indica a precisão percentual dessa indicação. Alguns fabricantes escrevem diretamente o valor da resistência no corpo do resistor

0.9 Resistência aparente Vimos que quando o bipolo é linear existe uma relação constante entre a tensão e a corrente e o valor dessa razão é denominada resistência. Quando o bipolo é não linear essa razão constante não existe e não podemos falar na resistência. Podemos entretanto

falar de uma resistência aparente como sendo a relação entre a tensão e a corrente em cada ponto da curva. A figura abaixo mostra como se pode determinar a resistência aparente num ponto P da curva de um bipolo não linear.

Para cada valores de e de I obtidos no gráfico existe uma resistência aparente dada por V IIVR .ap = ,

também medida em ohms.