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CEFET-BA Unidade Simões Filho/Eletricidade Básica e Eletrotécnica/ Professor Fábio Pena 1 UNIDADE DE ENSINO SIMÕES FILHO Curso: P&G Disciplina: Eletrotécnica Prof. Fabio Pena Textos Exercícios Problemas Atividades Experimentais

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UNIDADE DE ENSINO SIMÕES FILHO

Curso: P&G

Disciplina: Eletrotécnica

Prof. Fabio Pena

Textos Exercícios Problemas

Atividades Experimentais

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DA BAHIA

Unidade de Ensino Simões Filho

Curso: Eletromecânica

Disciplinas: Eletricidade Básica

Professor Fábio Pena

PLANO DE CURSO

EMENTA: O objetivo da disciplina Eletricidade Básica é aapresenrar as grandezas elétricas

fundamentais, decodificar termos técnicos e unidades de medida, estudar o funcionamento de

circuitos elétricos simples de corrente contínua, e os de corrente alternada, bem como fenômenos

eletromagnéticos fundamentais.

1. CONTEÚDO PROGRAMÁTICO:

1.1 Grandezas Elétricas Fundamentais

DDP (campo elétrico, potencial elétrico); Intensidade de Corrente Elétrica (corrente contínua, corrente

alternada); Resistência Elétrica (condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores); Potência

Elétrica; Instrumentos de medidas elétricas (voltímetro, amperímetro e multímetro).

1.2 Circuitos elétricos simples de Corrente Contínua (CC) e de Corrente Alternada (CA)

Circuitos simples; 1ª e 2ª Leis de Ohm; Associação de resistores, aplicações.

1.3 Magnetismo e Eletromagnetismo

Ímãs e materiais; Efeito magnético da corrente elétrica; aplicações.

1.4 Indução Eletromagnética

Lei de Faraday-Lenz; aplicações.

1.5 Radiação Eletromagnética

Propriedades e aplicações.

2. BASES CIENTÍFICAS e TECNOLÓGICAS

Física Aplicada e Matemática aplicada.

3. RECURSOS / MATERIAIS DIDÁTICOS / AMBIENTES

Demonstrações experimentais de baixo-custo, textos de divulgação científica, textos técnicos,

experimentos, notícias científicas, datashow, retroprojetor e laboratório...

4. METODOLOGIA / ESTRATÉGIA

Aula expositiva (dialógica), questões instigantes, quadrinhos, discussão de textos técnicos e de

divulgação científica, experimentação e resolução de problemas.

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5. AVALIAÇÃO DE ENSINO E APRENDIZAGEM / INSTRUMENTOS DE AVALIAÇÃO

Relatórios simplificados de atividade experimental (3,0 pontos) e duas provas individuais (7,0) pontos.

6. COMPETÊNCIAS

Compreender e decodificar termos técnicos, códigos e símbolos elétricos; Interpretar e utilizar

tabelas, gráficos e relações matemáticas que envolvam fenômenos eletromagnéticos; detectar

problemas em sistemas eletromagnéticos e manipular com cuidado e segurança equipamentos,

aparelhos e instrumentos elétricos.

7. HABILIDADES

Conhecer e distinguir os termos técnicos, códigos e símbolos elétricos usados em ligações e

esquemas elétricos.

8. BIBLIOGRAFIA / REFERÊNCIA

- VALKENBURGH, V. Eletricidade Básica. Rio de Janeiro, Editora Ao Livro Técnico, 1982.

- ARNOLD, R. Fundamentos de Eletrotécnica. São Paulo, Editora Pedagógica e Universitária Ltda,

1975.

- ANZENHOFER, K.; HEIM, T.; SCHULTHEISS, A.; WEBER, W. Eletrotécnica para escolas

profissionais. São Paulo, Editora Mestre Jou, 3ª edição, 1980.

- AIUB, J. E.; FILONI, E. Eletrônica: eletricidade, corrente contínua. São Paulo, Editora Érica, 10ª

edição, 2003.

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Como é formada a matéria.

O sucesso obtido pelos cientistas quando usaram a teoria atômica para explicar diversas experiências levou-os a adotar a idéia de que toda matéria, qualquer que seja ela, é constituída de átomos, partículas muito pequenas, menores do que qualquer coisa que se possa imaginar. Apesar de serem muitíssimo pequeno, os átomos são formados por partículas menores, os prótons, os nêutrons e os elétrons. Atualmente, constatou-se a existência de partículas ainda menores, como os quarks.

Os prótons são partículas com carga elétrica positiva, pois carregam o tipo de eletricidade do vidro. Do resultado de algumas experiências feitas para conhecer a localização dos prótons nos átomos, os cientistas concluíram que eles estão bem juntos, numa região central do átomo, chamada núcleo atômico. Também no núcleo estão os nêutrons, que são as partículas que não têm carga elétrica, nem positiva, nem negativa.

Os elétrons são partículas com carga elétrica negativa e estão distribuídos fora do núcleo central. As cargas dos prótons e dos elétrons têm o mesmo valor. Isto é, eles “carregam a mesma quantidade de eletricidade”, só que a dos prótons é positiva e a dos elétrons negativa. Como o número de prótons de um átomo é igual ao de elétrons, em geral, o átomo é neutro.

Os prótons são todos iguais entre si, e os elétrons também. Os átomos são diferentes uns dos outros pelo número de prótons e de elétrons que eles têm.

Algumas vezes, os elétrons que estão na parte mais distante do núcleo escapam e ficam passeando entre os átomos vizinhos. Esses elétrons são chamados de elétrons livres, e são eles que formam a corrente elétrica que nos é tão útil em casa para fazer funcionar nossos aparelhos eletrodomésticos.

Alguns materiais, como os metais, têm muitos elétrons livres. Isso facilita a formação da corrente elétrica. Por isso, eles são chamados de bons condutores de corrente. Outros materiais têm poucos elétrons livres e são chamados de maus condutores ou isolantes de corrente elétrica. (Ciência Hoje na Escola, volume 5).

Dá para enxergar um átomo?

Sim, mas não com os olhos, e sim com uma engenhoca muito especial, o microscópio de força atômica. Inventado em 1989, esse aparelho funciona da seguinte forma: uma espécie de agulha passa a uma pequena distância da superfície onde estão os átomos, mas sem tocá-los. A agulha funciona como o pólo positivo de uma pilha e a superfície como o pólo negativo. Conforme ela vai se deslocando um eletronzinho de cada átomo salta da superfície para a ponta da agulha. Um computador “anota” esses dados e faz um tipo de mapa. Cada calombo que aparece no mapeamento é um átomo.

Existe também uma outra tecnologia, um pouco mais antiga, que faz um serviço semelhante, embora menos preciso: a varredura tunelante. Trata-se de uma agulha microscopia e supersensível que vai passando sobre uma superfície analisada. Só que neste caso, ela encosta – como se fosse uma agulha de toca-discos em cima de um LP. A agulha está presa a um braço flexível e sobe e desce à medida que percorre a superfície de um átomo. O computador gera um mapa parecido com o do microscópio de força atômica. Esses dois microscópios têm precisão de meio angstrôn, que é o tamanho de um átomo de hidrogênio, o menor que existe. (Super, 09/1997).

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Xampu e condicionador: limpeza e beleza nos cabelos!

Cabelo sujo é assim: tem gordura, poeira e até células mortas - eca! Grudadas nos fios. Mas se a água é capaz de levar embora sujeira, não faz o mesmo com substâncias oleosas que estejam na cabeleira. Ainda bem que elas, no entanto, não são páreo para o xampu! Afinal, na fórmula desse produto há substâncias detergentes! Como elas atuam, você já sabe: fazendo com que á gordura misture-se à água. E o condicionador? Qual será o segredo desse produto para deixar o cabelo fácil de pentear?

Acredite se puder, mas a resposta tem a ver com eletricidade! O nosso cabelo é formado por partículas minúsculas que tem carga elétrica. Há as positivas e as negativas. Diz a Física que partículas com cargas iguais se afastam e com cargas diferentes se atraem. Mas, no cabelo, as partículas carregadas eletricamente estão em equilíbrio. Então, nada disso ocorre. Ao menos até o xampu entrar em cena!

Os detergentes desse produto têm carga elétrica negativa. Assim, após a lavagem, o cabelo apresenta excesso de cargas desse tipo. Como cargas elétricas iguais tendem a se afastar, os fios ficam rebeldes. O condicionador muda essa situação, porque certas substâncias da sua fórmula têm carga positiva. “Por essa razão, o produto restabelece o equilíbrio elétrico do cabelo”, explica Elisabete dos Santos. Assim, torna-o macio e fácil de pentear! (Mara

Figueira, Ciência Hoje/RJ).

Campo Elétrico

Você sabe que as coisas caem não por que o chão seja o lugar delas, mas porque são atraídas pela Terra. Então podemos dizer que, em torno da Terra, existe um campo em que as coisas, aí colocadas, são atraídas por ela. Dizemos que, nesse espaço, existe um campo gravitacional.

Um imã atrai objetos “ferrosos” por uma força também “invisível” que atua a distância. Dizemos que o imã produziu um campo em que os objetos “ferrosos” aí colocados são atraídos por ele. Esse campo é chamado campo magnético.

Em torno de um bastão de vidro que foi eletrizado pelo atrito com a lã, existe um espaço em que os pedacinhos de palha são atraídos, por uma força “invisível”, para o bastão. Só que agora este não é um campo gravitacional e nem magnético, mas um campo elétrico.

Características qualitativas do campo elétrico criado por uma carga puntiforme em repouso

Uma carga elétrica possui sempre em torno de si um campo elétrico. Essa é uma propriedade da carga. Ela sempre traz consigo seu campo, sendo impossível separá-los.

Pode-se pensar no campo elétrico como sendo uma parte real, mas não material de uma partícula carregada que a envolve, preenchendo todo o espaço que a circunda. Podemos entender O conceito de campo elétrico como sendo uma “aura” que envolve a carga elétrica.

Não existe carga elétrica sem campo. O campo elétrico de uma carga é eterno. Cada carga possui seu campo elétrico, a relação entre uma carga e seu campo não é

modificada com a presença de outra carga (princípio da superposição). O campo elétrico é uma grandeza vetorial, portanto, deve ser caracterizado por

intensidade, direção e sentido.

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A intensidade do campo elétrico de uma carga puntiforme1 em repouso varia com o inverso do quadrado da distância.

O campo elétrico é representado pelas chamadas linhas de campo ou de força. A direção do campo elétrico é radial. Num determinado ponto o campo tem a direção da

reta que une este ponto a carga. A intensidade e a direção do campo elétrico são as mesmas para cargas positivas e

cargas negativas. Entretanto, o sentido do campo elétrico depende do tipo de carga considerada: para uma carga positiva diverge da carga, e para uma negativa converge para ela2.

Quando uma carga elétrica q é colocada no campo elétrico criado por uma carga Q, o campo elétrico criado por Q atua sobre q exercendo nela uma força F. Do mesmo jeito que o campo criado pela carga q atua sobre Q exercendo sobre ela uma força F’ (o princípio de ação e reação - 3a lei de Newton). Segundo este princípio F e F’ (ação e reação) têm mesma intensidade, mesma direção, porém sentidos contrários, além de estarem aplicadas a corpos diferentes.

O sentido da força elétrica sobre a carga q será o mesmo do campo elétrico se esta carga for positiva. Se a carga q for negativa, o sentido da força elétrica sobre ela será oposto ao sentido do campo elétrico.

Portanto, as interações entre cargas elétricas (atração e repulsão) são devidas ao campo elétrico.

A Lei de Coulomb

O campo elétrico de uma carga está associado a sua “capacidade” de poder criar forças elétricas sobre outras cargas elétricas. Essa capacidade está presente em torno de uma carga, independente de existirem ou não outras cargas em trono dela capazes de “sentir” esse campo. O campo elétrico E em um ponto P, criado por uma carga Q puntiforme em repouso, tem as seguintes características: - a direção é dada pela reta que une o ponto P e a carga Q. - o sentido de E aponta para P se Q é positiva; e no sentido oposto se Q é negativa. - o módulo de E é dado pela expressão:

Ek Q

d=

.2

onde K é uma constante que no SI vale aproximadamente: 9. 109 N. m2/ C2. A intensidade da força elétrica entre duas cargas Q e q é dada pela expressão que representa a Lei de Coulomb:

Fk Q q

d=

. .2

Onde d é a distância entre as cargas. Quando uma carga elétrica q está “imersa” num campo elétrico E, o valor da força elétrica que age sobre ela é dada por:

F = q.E

No SI de Unidades, a força é medida em Newton (N), a carga elétrica em Coulomb C e o campo elétrico em N/C. 1 Uma carga é denominada puntiforme quando o objeto em que está localizada possui dimensões muito pequenas em relação a distância que o separa de outros objetos. 2 O sentido “convergente” ou “divergente” para o campo elétrico das cargas positivas e negativas é mera convenção.

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Contínua ou Alternada As pilhas e as baterias geram campos elétricos que não variam com o tempo, o que produz uma corrente elétrica contínua. Já o gerador das usinas gera campo elétrico que se altera e, por isso, a corrente é variável. Como essa variação se repete ao longo do tempo, tanto o campo elétrico gerado pela usina como a corrente elétrica no circuito recebem a denominação de alternado (a). Em nossa residência, a repetição ocorre 60 vezes por segundo. Por isso é que aparece nas “chapinhas” dos aparelhos o valor de 60 Hz. A corrente elétrica nos aparelhos ligados à tomada ou diretamente à rede elétrica é do tipo alternada, ou seja, variam com o tempo. Assim os valores indicados nesses aparelhos pelo fabricante, não indicam o valor real mas aquele que os aparelhos necessitariam caso funcionassem com uma fonte que produz corrente contínua. Para se ter uma idéia, se um chuveiro a corrente é 20 A, esse valor se refere à corrente se a fonte produzisse corrente contínua. Na rede elétrica, entretanto, seu valor varia de + 28 até -28, sendo que os sinais + e – indicam sua alteração no sentido (GREF).

Grandezas Elétricas (Eletrodinâmica) 1) Escolha 3 aparelhos resistivos, 3 aparelhos motores e 3 aparelhos de comunicação e preencha a tabela como as seguintes informações:

Categoria Aparelho P V I F

Resistivos

Motores

Comunuc.

2) A partir dos dados, responda as seguintes questões: a) Que categoria de aparelhos costuma apresentar maior potência? b) Qual categoria de aparelhos costuma apresentar menor potência? c) Como se dá a transmissão e a recepção de informações dos aparelhos sem fio?

3) Que informações estão sendo fornecidas em cada um dos itens abaixo: a) 127/220VCA b) 3VCC c) 123 W d) 50/60Hz e) 2 mA f)100-250V g) 400VA h) 10 DCV i) 220 V~ j) 380 ACV k) INPUT:100 – 240 VAC ~ 100mA 50 -60Hz OUTPUT: 4,9 VDC 450mA

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4) Numa conta de energia elétrica encontramos o seguinte valor 234 KWh. Ele se refere a: a)Potência b)tensão c)energia d) corrente e)freqüência

Saiba mais!

Por que há regiões onde a tensão é de 110 volts e outras de 220 volts?

Não existem apenas esses dois valores. “No Brasil, a tensão da rede elétrica pública pode ser de 115, 120, 127 ou 220 volts”, explica o engenheiro Márcio Antônio Sens, da Universidade Federal Fluminense, em Niterói, Estado do Rio de Janeiro. A escolha decorre dos equipamentos elétricos que começaram a desembarcar no país a partir de 1879. Os de origem européia tinham tensão entre 220 e 240 volts. Já os americanos variavam entre 108 e 127 volts. No fundo, os sistemas são parecidos e o consumo de energia é idêntico. Mas o de 220 volts tem uma vantagem: a instalação é mais barata, já que podem ser usados fios de cobre menos espessos. Por isso, as regiões que têm rede elétrica mais recente adotaram essa opção. A tendência do futuro, no entanto, é que só existam duas voltagens. “A tensão acabará sendo padronizado em 127 e 220 volts, por imposição do mercado”, prevê Sens. Não é sem tempo (Super, 08/1999).

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Condutores ou Isolantes?

(...) Algumas vezes, os elétrons que estão na parte mais distante do núcleo escapam e ficam passeando entre os átomos vizinhos. Esses elétrons são chamados de elétrons livres, e são eles que formam a corrente elétrica que nos é tão útil em casa para fazer funcionar nossos aparelhos eletrodomésticos.

Alguns materiais, como os metais, têm muitos elétrons livres. Isso facilita a formação da corrente elétrica. Por isso, eles são chamados de bons condutores de corrente. Outros materiais têm poucos elétrons livres e são chamados de maus condutores ou isolantes de corrente elétrica. (Trecho Extraído da Revista Ciência Hoje na Escola, volume 5).

Questões e problemas

I. Do que são formados os átomos? II. Do que é constituído e como está organizado o metal? III. Por que alguns elétrons recebem a denominação de elétrons livres? IV. Que alterações ocorrem internamente num fio com corrente elétrica? V. O que se entende por movimento térmico aplicado aos componentes de um fio metálico?

Por que levamos choques ao encostar em maçanetas?

Isso acontece quando o corpo humano está tão eletrizado que acaba descarregando a

energia acumulada (conhecida como energia estática) no primeiro objeto condutor que aparece pela frente. A corrente – formada pelo batalhão de elétrons que passa do corpo para a maçaneta – transita numa velocidade tão grande que dá para sentir esse movimento. É essa sensação que chamamos de choque.

“Ficamos carregados quando usamos calçados com sola de borracha, blusas de lã ou tecidos sintéticos. Esses materiais, em movimento, acumulam carga”, afirma o físico Cláudio Furukawa, da USP. E objetos de metal, como maçanetas ou portas de carro, são o destino preferido das cargas extras, atraídas pelos elétrons livres na estrutura.

Apesar de não terem época certa para ocorrer, esses choques têm uma quedinha pelas estações mais secas. “Normalmente, a umidade do ar serve para descarregarmos a carga acumulada”, diz o físico André Luiz Belém, da Unesp. Mas nem todo vaivém de elétrons é chocante: O organismo só sente correntes elétricas com intensidade a partir de 1 miliampère. “Em todo caso, a corrente nesse tipo de choque é pequena e tem pouca duração, por isso não tem efeito prejudicial à saúde”, afirma Cláudio (Super, 06/2004).

É seguro abrigar-se em carros durante tempestades com raio? Como fugir de raios em campo aberto?

“O carro é um abrigo seguro”, diz o físico Adilson Gandu, da Universidade de São

Paulo. Quando o raio atinge o carro as cargas elétricas se espalham pela superfície metálica externa sem atingir quem está dentro. Se o pneu estiver molhado pela chuva, as cargas passam por ele e descarregam no solo. Mesmo com pneu seco, elas se transformam em fagulhas e se espalham pelo chão. Quem for pego por uma tempestade em local aberto, deve ficar agachado. Em pé, funcionará como pára-raios.

Os pés têm que ficar bem unidos. Quando um raio atinge o solo, se espalha de forma concêntrica. À medida que se afasta do centro, seu potencial elétrico diminui. Se alguém

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estiver com as pernas afastadas, o potencial em um dos pés será maior que em outro. A diferença permite a passagem de corrente elétrica pelo corpo, ou seja, o choque. (Super,

03/1995).

Questões e Problemas

1) Como é que se define a diferença de potencial (ddp) entre dois pontos de um campo elétrico? Qual a unidade de medida? 2) Verdadeiro ou falso? Para um condutor em equilíbrio elétrico: a) O campo elétrico é constante no interior. b) O potencial elétrico é constante no interior. c) A densidade de carga é constante na superfície. 3) Complete as frases abaixo com as palavras: elétrons, campo elétrico, força elétrica, corrente e pólos.

Quando ligamos as extremidades de um fio metálico aos _______________________ de uma

pilha, estabelecemos um _____________________ no fio. Como no fio condutor existe um

grande número de ______________________ livres, eles ficarão sob a ação de uma

_______________________ devida ao campo e, sendo livres, entrarão “imediatamente” em

movimento. A este movimento de elétrons no condutor damos o nome de _______________

elétrica.

4) A ddp entre dois pontos depende do caminho percorrido pela carga de um ponto ao outro? Depende do valor absoluto da carga que se desloca? 5) Por que os pássaros que pousam no fio de alta tensão não são eletrocutados? 6) Qual a diferença de potencial entre dois pontos de um campo elétrico, se o trabalho realizado contra a força elétrica, para mover uma carga de 2x10-5 C de um ponto para o outro, for 6x10-4 J? 7) Dois objetos carregados eletricamente repelem-se. Para aumentar a energia potencial elétrica, deve-se: a) mover os objetos mais depressa; b) mover um objeto num círculo em torno do outro objeto; c) colar uma fita de borracha aos objetos; d) afastar os objetos; e) aproximar os objetos. 8) Observe o circuito E. A diferença de potencial entre os pontos 1 e 2 é:

(a) Maior quando o interruptor está aberto do que quando está fechado. (b) Maior quando o interruptor está fechado do que quando está aberto.

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(c) Nula quando o interruptor está aberto. Justifique a resposta.

Pilhas e Baterias

Pilhas e baterias são fontes de energia extremamente convenientes. Leves e seguras fornecem eletricidade a qualquer hora e em qualquer lugar. Sua criação tornou possível a construção de instrumentos úteis como aparelhos para surdez, lanternas elétricas, rádios portáteis, além de computadores e aparelhos de fax.

Pilhas e baterias funcionam por meio da combinação de substâncias químicas. A reação entre essas substâncias produz eletricidade. Normalmente, quando as substâncias acabam de ser consumidas, o mecanismo pára de funcionar. Alguns, porém, como as baterias de automóveis, podem ser recarregados. Nesses casos, uma corrente elétrica é feita passar pela bateria e a reação se dá ao contrário, restaurando-se as substâncias químicas originais. Dependendo da sua ddp, a bateria pode ter uma ou mais células elétricas. Uma bateria de automóvel de 12 V tem 6 células de 2 V

Uma pilha de lanterna tem dois pólos, um positivo e outro negativo. O pólo negativo fica numa das extremidades da pilha e contém mais elétrons que prótons, ficando negativo. O pólo positivo é a outra extremidade da pilha, e nele ocorre o contrário: o número de prótons é maior do que o de elétrons, e o pólo fica positivo. A pilha também tem uma substância condutora entre os pólos, chamada eletrólito.

Como cargas contrárias se atraem, quando ligamos, por um fio bom condutor, os pólos de uma pilha, os elétrons passam pelo fio, formando uma corrente de elétrons, chamada corrente elétrica. Antigamente, quando não se sabia que a corrente elétrica era formada por elétrons, pensava-se que a corrente ia do pólo positivo para o negativo. Agora se sabe que ela vai do pólo negativo para o positivo, embora a maioria dos livros de eletricidade adote o sentido positivo-negativo, que é chamado de sentido convencional.

Os elétrons ao passarem por um fio, se chocam como os átomos e produzem calor, como nos ferros de passar roupa, nos fornos e chuveiros elétricos... (Ciência Hoje na Escola,

volume 5).

Bateria de discos

O cientista italiano Alessandro Volta inventou a pilha em 1800. Sua pilha era composta

de três discos: Um de cobre, um zinco e, no meio, um disco de papelão molhado com água e sal ou com ácido fraco, como vinagre.

A reação do cobre e do zinco com a solução salina ou ácida produz a corrente elétrica. Ao colocar os discos um sobre o outro, o cientista estabeleceu uma ligação e somou a ddp de cada pilha. A corrente elétrica sai por fios ligados aos discos de cima e de baixo dessa pilha, chamada pilha voltaica. A invenção de volta se baseou em uma observação feita por anos antes pelo anatomista Luigi Galvani. Este observou que as pernas de uma rã morta se contorciam quando tocadas simultaneamente por dois metais diferentes. Volta percebeu que a reação dos metais com os sais do corpo da rã produzia uma corrente capaz de ativar os músculos do animal (Globo Ciência, Como as coisas funcionam, volume 2).

Pilha alcalina

A célula desse tipo de pilha tem uma cápsula de ação e um bastonete central de metal.

Entre a cápsula e o bastonete ficam eletrodos de zinco em pó e óxido de manganês misturado

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com carbono. Ela se chama alcalina porque se mistura uma substância alcalina, o hidróxido de potássio, aos eletrodos. O zinco e o manganês dos eletrodos produzem a corrente elétrica. Ela é conduzida pelo bastonete e pela cápsula interna aos pólos da pilha, positivo no topo e negativo na base (Globo Ciência, Como as coisas funcionam, volume 3).

É verdade que dá para recarregar pilhas usadas colocando-as no congelador? (Michel Lopes Granjeiro, Fortaleza, CE)

Não! Esse macete caseiro rende, no máximo, alguns minutos de sobrevida às pilhas. Elas funcionam convertendo energia química em energia elétrica, pela reação entre duas substâncias: zinco e cloreto de amônio. Esse processo acaba liberando gases de hidrogênio e amônio, em bolhas que se movimentam, dificultando a passagem de corrente elétrica no interior da pilha. “Tudo o que a baixa temperatura faz é congelar esses gases, imobilizando-os em bolhas menores. Isso desobstrui o trânsito daquela carga elétrica que ainda resta, fazendo uma pilha gasta voltar a funcionar mais um pouquinho, nada, além disso,”, diz o físico Cláudio Hiroyuki Furukawa, da Universidade de São Paulo – USP (Super, 05/2001).

Questões e Problemas

1) A partir dos textos, complete a tabela:

Tipo eletrodos eletrólito Bateria de discos

Pilha alcalina

Bateria de carro

Pilha caseira

2) Qual a diferença entre fem e ddp? 3) Sobre pilhas e baterias, podemos afirmar que: a) O campo é eletrostático. b) O campo elétrico é de natureza eletroquímica. c) O campo elétrico é induzido eletromagneticamente. d) A energia armazenada é a energia eletrostática. e) As cargas livres (cargas responsáveis pela corrente elétrica) não são os elétrons como nos metais, são os íons positivos e os íons negativos. f) Armazenam grandes quantidades de carga elétrica. g) A associação de geradores elétricos (pilhas, baterias, etc.) em série é para obter, entre os terminais da associação em série, uma ddp que seja maior do que entre os terminais de apenas um dos geradores. h) Durante a vida de uma pilha, a fem permanece praticamente inalterada, ao passo que sua resistência interna cresce. i) As pilhas pequenas novas têm resistência interna menor do que as pilhas grandes novas. j) A resistência interna de uma pilha diminui com o aumento do seu tamanho. k) A associação de duas fontes em série comporta-se como uma única fonte.

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l) Uma associação de dois geradores em paralelo é utilizada para se obter uma intensidade da corrente elétrica maior que em um único gerador e para aumentar a energia química armazenada, a fim de operarem por um tempo maior. m) A associação em paralelo de duas fontes é equivalente a uma única fonte. n) A ddp, entre os terminais de uma fonte, é menor que a fem quando a fonte efetivamente alimenta um dispositivo externo. 4) Quais são as principais diferenças entre uma bateria de carro e uma pilha de lanterna? 5) Um estudante possui um rádio que funciona com uma tensão de 6V. a) Quantas pilhas secas ele deve associar em série para fazer o rádio funcionar? b) Faça um desenho mostrando como deve ser à disposição das pilhas na associação feita pelo estudante. 6) De acordo com a tabela abaixo (valores determinados experimentalmente para pilhas novas de 1,5 V), qual a influência que o tamanho e a natureza da pilha têm sobre sua resistência interna?

Tipo de pilha Intensidade da

corrente de

curto circuito

(A)

Resistência

Interna (Ω)

Pilha grande alcalina

16,0 0,10

Pilha grande convencional

7,5 0,22

Pilha pequena alcalina

13,3 0,12

Pilha pequena convencional

4,6 0,36

Pilha pequena de vendedor ambulante

2,7 0,56

7) O que significam os símbolos A e Ω (tabela acima)?

Por que sentimos choque? (Elétrons em movimento provocam sensação dolorosa que faz arrepiar nossos cabelos!)

Geladeira, freezer, chuveiro, ferro de passar, liquidificador... Todos esses utensílios fazem parte de nosso dia-a-dia e precisam da eletricidade para funcionar. Mas, assim como os eles tornam nossa vida mais fácil, também podem nos proporcionar algo nada agradável: o choque! Isso mesmo! Aquela sensação dolorosa que faz arrepiar nossos cabelos. Para senti-la, basta, por exemplo, tocar sem querer em algum fio desencapado de um eletrodoméstico que esteja em funcionamento. Ou mesmo colocar o dedo, por descuido, em alguma tomada. É um susto e tanto. Mas se há algo de bom nessa experiência é a pergunta que aparece com ela: por que isso ocorreu?

A resposta é a seguinte: quando ligamos um eletrodoméstico na tomada, uma corrente elétrica começa a passar por seus fios. É ela que fornece energia necessária para o aparelho funcionar. A corrente elétrica é constituída por elétrons, minúsculas partículas com cargas

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elétricas que se movimentam, formando um fluxo. Algo que, se você visse, acharia parecido com uma corrente de água, só que feita de elétrons.

Os elétrons, no entanto, não se movimentam livremente em qualquer material. Eles só fazem isso dentro dos que têm a capacidade de receber e transmitir energia elétrica. Os materiais com essa característica -- como os metais -- são chamados de bons condutores de eletricidade. Mas o curioso é que nós, seres humanos, tais como os metais, também podemos receber e transmitir eletricidade. E é por isso que levamos choque!

Vejamos: quando tocamos em algum fio desencapado ou em uma tomada, a corrente elétrica que passa por ali, se conseguir atravessar a nossa pele, irá seguir livremente pelo nosso corpo. Tudo porque ele possui água e sais e, por essa razão, é um bom condutor de eletricidade. Como a corrente elétrica é a circulação de cargas é preciso que essas cargas possam entrar e sair pelo corpo. Por isso, se estivermos descalços, sentiremos choque porque a corrente passará por nós, do fio ao pé. Também teremos essa sensação se alguma parte do nosso corpo estiver em contato com algum material ou superfície condutora, como a mão numa parede, por exemplo.

Por outro lado, se estivermos usando um chinelo com sola de borracha e não houver contato entre o nosso corpo e outro material, não levaremos choque. A razão é simples: a borracha é um material isolante. Isto é, ela não é um bom condutor de eletricidade. Então, não permite que a eletricidade chegue ao solo e seja descarregada.

É bom saber disso para evitar acidentes! E vale saber também que os impulsos que o cérebro manda para controlar os nossos músculos são também correntes elétricas (que circulam pelos neurônios). Assim, quando a gente leva um choque, os músculos confundem a corrente elétrica trazida por ele com os comandos do cérebro. Resultado: nossos músculos se contraem fortemente.

Então, anote: nunca encoste em fios desencapados, nem mexa em objetos condutores de eletricidade sem conferir se a chave geradora de toda energia da casa está desligada! (Ciência

Hoje das Crianças 134, abril 2003).

Efeitos da corrente no corpo humano3

Corrente

elétrica4 (60

Hz)

Duração Efeitos mais

graves5

0 – 0,5mA Qualquer Nenhum

0,5 – 2mA Qualquer Limiar de percep-ção

2 – 10mA Qualquer Dor/contração muscular/descon-trole muscular

10 – 25mA minutos

Contração muscular/dificulda-de respirató-ria/aumento da pressão arterial.

3 Os resultados são deduzidos de experiências e eventuais acidentes. 4 Faixas de valores muito aproximadas devem ser consideradas como ordem de grandeza. Os valores da corrente vão depender: percurso da corrente no corpo, da umidade da pele e área de contato, freqüência da corrente/valor da tensão, e do acoplamento entre os pés do indivíduo e o piso e entre o piso e a terra. 5 Grande probabilidade de ocorrência.

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25 – 50mA Segundos

Paralisia respiratória/in-consciência/fibrila-ção ventricular

50 – 200mA

Mais de um ciclo cardíaco

Fibrilação ventricu-lar/inconsciência/ Paralisia respirató-ria/marcas visíveis.

Acima de 200mA

Menos de um ciclo cardíaco

Fibrilação ventri-cular/inconsciên-cia/marcas visíveis

Acima de 200mA

Mais de um ciclo cardíaco

Parada cardíaca re-versível/inconsci-ência/queimaduras

Saiba Mais!

A velocidade de deslocamento dos elétrons num fio condutor é bem pequena (por exemplo, um fio de cobre de 0,8 cm de raio, percorrido por uma corrente de 10 A possui uma velocidade de aproximadamente 3,8 cm/s). Por que, imediatamente após o interruptor de luz ser acionado, a luz da lâmpada acende? (Sônia Silveira Peduzzi, Depto. de Física, UFSC)

O acender imediato da lâmpada não depende da velocidade de deslocamento dos elétrons, mas sim da velocidade com que se propaga a mudança de configuração do campo elétrico ao longo do fio (esta se aproxima da velocidade da luz). Ou seja, os elétrons que irão provocar o acender da lâmpada não são os do interruptor e sim os que estão no próprio filamento desta (Caderno Catarinense de Ensino de Física, 08/1987)

Questões e Problemas

1) Verdadeiro ou Falso?

(a) O estabelecimento de um campo elétrico em um condutor metálico provoca um fluxo de elétrons neste condutor, fluxo este denominado corrente elétrica. (b) A corrente elétrica é “gasta” na produção de calor e luz. (c) Nos metais a corrente elétrica é constituída de íons positivos e íons negativos. (d) Nos líquidos as cargas que se movimentam são elétrons livres. (e) Nos gases as cargas elétricas livres que se movimentam são íons positivos, íons negativos e elétrons livres. (f) Uma carga negativa em movimento pode ser sempre imaginada como se fosse uma carga positiva (íon positivo) movendo-se como mesma velocidade em sentido contrário. (g) A corrente elétrica real é constituída apenas por cargas negativas, movendo-se no sentido contrário ao do campo elétrico. E a corrente convencional no sentido contrário da real. (h) Denomina-se intensidade da corrente elétrica, a razão entre a quantidade de carga ∆Q, através de uma seção reta de um condutor, e o intervalo de tempo ∆t, ou seja, i = ∆q/∆t. (i) A unidade de medida de corrente elétrica é C/s ou A (ampère). (j) O aparelho usado para determinar a corrente elétrica de um circuito é chamado voltímetro. (k) Uma corrente elétrica em um condutor cria um campo magnético à sua volta. (l) 2) Quando ligamos os pólos de uma bateria por meio de um fio condutor, qual é o sentido:

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a) da corrente que passa neste fio? b) do movimento dos elétrons livres? 3) Explique como surge a corrente elétrica em um condutor líquido, ligado a uma pilha, usando os conceitos de: íon positivo, íon negativo, força elétrica e campo elétrico. 4) Explique como surge a corrente elétrica em um condutor gasoso, ligado a uma pilha, usando os conceitos de: íon positivo, íon negativo, elétron livre, força elétrica e campo elétrico. 5) Com base no circuito elétrico (figura ao lado) podemos afirmar que: a) A corrente flui de um dos pólos da pilha até a lâmpada, não sendo necessário o uso do outro pólo da pilha. b) A corrente flui de ambos os pólos da pilha em direção à lâmpada, onde colidem liberando energia para acendê-la. c) A corrente flui em um único sentido de um pólo ao outro, mas a sua intensidade diminui ao passar pela lâmpada, onde parte da energia é liberada. d) Existe uma corrente dentro da pilha. e) A corrente desaparece em um pólo da pilha para misteriosamente reaparecer no outro pólo. f) Há continuidade e conservação da corrente mesmo dentro da pilha. g) Neste circuito estão presentes átomos, cargas e corrente elétrica. h) A corrente elétrica é constituída por cargas elétricas negativas, flui e tem sentido de percurso. i) A energia elétrica está associada com a origem e a natureza microscópica do material onde está presente (pilha ou condutores). j) O filamento da lâmpada não faz parte do circuito. k) O fio condutor não é constituído de átomos e elétrons. l) A corrente elétrica só se estabelece em um circuito fechado. m) As partículas da corrente elétrica saem da pilha e os condutores são caminhos abertos para esse fluir.

Lei de Ohm

A aceleração de um elétron no vácuo provocada pela ação de um campo elétrico é o exemplo mais simples do efeito de uma diferença de potencial sobre uma partícula carregada. Um exemplo comum é a passagem de corrente elétrica num fio metálico. Neste tipo de montagem, as extremidades do fio estão ligadas aos terminais de uma bateria. As transformações químicas que ocorrem no interior de uma bateria vão produzir um campo elétrico que conduz continuamente as cargas para os terminais, estando um deles carregado negativamente e o outro positivamente. A tensão nos terminais da bateria diz-nos qual o valor da energia disponível por unidade de carga, quando as cargas se deslocam num circuito exterior qualquer constituído.

Verifica-se experimentalmente uma relação simples, descoberta por Georg Wilhelm Ohm e que é, pelo menos, aproximadamente, válida para a maioria dos condutores metálicos: A intensidade total da corrente I que passa num condutor é proporcional a diferença de

potencial V que se aplica entre as extremidades do condutor. Usando o símbolo I para a intensidade de corrente e o símbolo V para a diferença de potencial, podemos escrever:

I V∝

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ou I V= constante x

A esta relação de proporcionalidade dá-se o nome de Lei de Ohm. Escreve-se geralmente na forma:

IV

R=

ou V R I= ×

Onde R é uma constante que se designa por resistência elétrica do condutor. A Lei de Ohm considera, portanto, que a resistência de um dado condutor não depende da intensidade de corrente, nem da tensão. A resistência depende da natureza do material (ρ) e de suas dimensões, nomeadamente, da área da seção transversal (s) e do comprimento do fio (l). A resistência não é, no entanto, rigorosamente constante para todos os materiais: varia, por exemplo, com as mudanças de temperatura.

Rl

s= ×ρ

Questões e problemas

1) Como variará a intensidade de corrente que passa por um condutor metálico se a diferença de potencial entre os extremos do condutor duplicar? 2) Como verificar experimentalmente se a Lei de Ohm se aplica a um determinado comprimento de fio? 3) Uma corrente elétrica de 0,5A flui num resistor de 10Ω. Qual a ddp ou tensão elétrica entre as extremidades do resistor? 4) Um condutor é atravessado por uma corrente de 2A quando a tensão em seus terminais vale 100V. Qual a resistência elétrica do condutor? 5) A figura abaixo mostra o gráfico V x I para certo condutor. a) Esse condutor é ôhmico? b) Qual o valor de sua resistência quando submetido a uma ddp de 10V? c) Qual o valor de sua resistência quando submetido a uma ddp de 15V?

6) Quais são os fatores que influenciam no valor da resistência de um fio condutor metálico? 7) Considerando que o diâmetro do filamento de tungstênio de uma lâmpada de 127V – 100W é cerca de 3,6.10-2 mm, seu comprimento 50 cm e sua resistividade é 5,6. 10-8 Ω.m a 20 ºC, determine a resistência do filamento da Lâmpada, quando ela está desligada.

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8) Os resistores R1= 2Ω, R2= 4Ω e R3= 2Ω estão associados como indicam as figuras abaixo. Qual a resistência equivalente entre os pontos A e B?

9)Assinale os parênteses:

(a) Característica da associação de resistores em série. (b) Característica da associação de resistores em paralelo.

( ) todos os resistores estão submetidos a uma mesma ddp. ( ) a resistência equivalente é igual a soma das resistências associadas. ( ) a ddp total é a soma das ddps parciais. ( ) A intensidade de corrente total é igual a soma das intensidades de correntes parciais. ( ) o inverso da resistência equivalente é igual `a soma dos inversos das resistências associadas. ( ) todos os resistores são percorridos pela mesma corrente elétrica.

Alguns Instrumentos de Medidas Elétricas

Tipo Grandeza Elétrica Características do circuito a ser medido Galvanômetro Corrente CC ou CA Voltímetro Tensão CC ou CA Amperímetro Corrente CC ou CA Ohmímetro Resistência O circuito deve estar desenergizado Wattímetro Potência ativa CC ou CA Fasímetro Fator de potência CA Alicate-amperímetro digital

Tensão/corrente/ potência/freqüência

CC ou CA e resistência com o circuito desenergizado

Osciloscópio Formas de onda de tensão

CC ou CA

Multiteste Tensão/corrente/ resistência

CC ou CA e resistência com o circuito desenergizado

Frequencímetro digital Freqüência CA

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Questões e Problemas

1) Se montássemos os circuitos A e B, o brilho de L1 seria: (d) Maior no circuito A. (e) Igual nos dois circuitos. (f) Menor no circuito A. (g) Nulo no circuito B. 2) Se montássemos o circuito C, o brilho de L1 seria: (h) Maior no circuito A. (i) Igual nos dois circuitos. (j) Menor no circuito A. (k) Nulo no circuito C. 3) Se montássemos o circuito D, o brilho de L1 seria: (l) Maior no circuito A. (m) Igual nos dois circuitos. (n) Menor no circuito A. (o) Nulo no circuito D.

4) Se montássemos o circuito F, o brilho de

L1 seria: (p) Maior no circuito A. (q) Igual nos dois circuitos. (r) Menor no circuito A. (s) Nulo no circuito F. 5) Qual circuito acima (A a F) não é usual?

Nome do

conceito

Letra que

representa

o conceito

Definição Relação

funcional

Unidade

de

medida

(SI)

Símbolo

da

unidade

de medida

Relação

com outras

grandezas

elétricas

∆∆∆∆V=ΤΤΤΤ/q

I

Potência Elétrica

Oposição oferecida por um material a passagem de corrente elétrica.

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6) Com base no circuito ao lado, podemos afirmar que (considere as lâmpadas iguais): a) As lâmpadas estão em série. b) as pilhas estão associadas em série. c) Com a associação das pilhas em paralelo haverá maior brilho nas lâmpadas. d) Quanto Maior a corrente que passa na lâmpada maior o brilho da lâmpada. e) As lâmpadas B e C estão desligadas. f) a corrente elétrica que passa por A é diferente da corrente que passa por D. g) A corrente que passa por A é igual a corrente que passa por B. h) A lâmpada A brilha com a mesma intensidade que D. 7) Em uma seção reta de um fio condutor passa uma carga de 10C a cada 2s. Qual a intensidade da corrente elétrica? 8) Um aquecedor elétrico dissipa 240W quando ligado a uma bateria 12 V. Qual o valor da corrente que percorre a resistência? 9) A transmissão de energia elétrica à grande distância é acompanhada de perdas causadas pela transformação da energia elétrica em que tipo de energia? 10) Como varia a potência dissipada num condutor sob a forma de calor quando se duplica a intensidade de corrente nesse condutor? 11) Ligam-se 12 lâmpadas próprias para a árvore de natal em série e, em seguida, a uma tomada de 120 V.

(a) Se cada lâmpada dissipar 10 W de energia calorífica e luminosa, qual a intensidade da corrente no circuito?

(b) Qual é a resistência de cada lâmpada?

(c) Suponha que queríamos ligar as doze lâmpadas de 10 W em paralelo a uma tomada de 120 V. Neste caso, o que vai acontecer com cada lâmpada?

(d) Que intensidade de corrente passará em cada lâmpada?

12) Considerando que o diâmetro do filamento de tungstênio de uma lâmpada de 127V – 100W é cerca de 3,6.10-2 mm, seu comprimento 100 cm e sua resistividade é 5,6.10-8 Ω.m a 20 ºC, determine: a) A resistência do filamento da lâmpada, quando ela está desligada; b) A resistência do filamento da lâmpada ligada. 13) Um ferro elétrico tem potência de 1000W e funciona ligado à tensão de 110V. a) Calcule o valor da corrente elétrica no circuito em funcionamento. b) Qual o significado do valor encontrado? 14) “Os metais de forma geral, tais como o ouro, o cobre, a prata, o ferro, e outros são fundamentais para a existência da sociedade moderna, não só pelo valor que possuem, mas principalmente pela utilidade que têm.” a) Ao ligar dois fios de cobre de mesma bitola, porém de comprimentos diferentes, numa mesma pilha, notei que o fio curto esquenta muito mais que o fio longo. Qual a explicação para este fato? b) Ao ligar dois fios de cobre de mesmo comprimento, porém de bitolas diferentes, numa mesma pilha, notei que o fio mais grosso esquenta mais que o fio mais fino. Qual a explicação para este fato? 15) É possível calcular o “consumo” de energia de uma residência sem usar a informação da conta? Caso sim que dados são necessários? 16) Numa residência um secador de 1200 W/127V foi usado durante 2 horas por dia durante 30 dias:

a) Qual o “consumo” de energia devido ao secador neste mês?

b) Qual o custo (1 KWh = R$ 0,50)?

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c) O “consumo” do secador é maior ou menor que o de um chuveiro de 2800W/220V usado 30 horas por mês?

Na residência as pessoas também dispõem de um secador de 700W/127 V. Discuta as vantagens e desvantagens em se utilizar um e outro. 17) A intensidade da corrente que foi estabelecida em um fio metálico é 400mA (1mA = 1 miliampère = 10 -3A). Supondo que esta corrente foi mantida, no fio, durante 10 minutos, calcule: a) A quantidade total de carga que passou através de uma seção do fio. b) O número de elétrons que passou através desta seção. 18) Qual a intensidade de corrente elétrica que passa por um fio de cobre durante 1s, sendo que, por ele, passam 1,6 x 10 19 elétrons? 19) Explique a diferença no filamento das lâmpadas com tensões nominais 110V e 220V, porém com mesmas potências, usando o modelo de corrente. 20) O que acontecerá se ligarmos uma lâmpada com inscrições (60W – 110V) na tensão 220 V? Por quê? 21) Preencha a tabela a seguir, utilizando setas na vertical, cujo tamanho indique o valor da grandeza indicada. lâmpada brilho potência Espessura

do filamento

corrente

25 W 60 W 100 W

22) Numa instalação elétrica residencial ocorre freqüentemente a queima do fusível de 15A. Para resolver o problema, um vizinho sugere que se troque por um de 30A. esse procedimento é correto? Justifique, levando em conta à sua função no circuito. 23) Numa rede de 220V é ligado um chuveiro com a inscrição 220V – 2800/4400W. Utilizando essas informações e as da tabela 1, determine: a) A corrente exigida pelo aparelho para dissipar as potências nominais quando o chuveiro está ligado com a chave na posição “verão” e na posição “inverno”;

b) a menor área possível do fio e o disjuntor que devem ser utilizados nessa instalação. Consulte a tabela 1; c) a energia consumida num banho de 15 min com o chuveiro ligado na posição “inverno”; d) a porcentagem de consumo de energia em banhos de aproximadamente 15 min de uma família de três pessoas, cujo consumo mensal é de 250 KWh.

Saiba mais!

- Os disjuntores também têm a mesma função dos fusíveis, proteger a instalação elétrica. Ao contrário dos fusíveis, os disjuntores não são danificados quando a corrente no circuito é maior que a permitida, ele apenas interrompem a corrente abrindo o circuito, de forma que, depois de resolvido o problema, o dispositivo pode voltar a funcionar (GREF). - Quando mais de um aparelho entra em funcionamento, em certos trechos de circuito elétrico residencial a corrente elétrica é maior do que se estivesse ligado apenas um aparelho. Isso deve ser levado em conta no uso dos benjamins. O correto é ligar um aparelho de cada vez numa tomada e o benjamim serve para deixar já conectada a ela. - A espessura dos fios de ligação tem um papel importante. Nas instalações pode ocorrer perdas de energia, seja por aquecimento dos fios (efeito joule), fugas de corrente... colocando em risco a segurança das pessoas e de toda a instalação.

Tabela 1 Área da seção transversal do condutor em AWG

Área da seção

transversal do

condutor em mm2

Corrente máxima

(A)

14 1,5 15 12 2,5 21 10 4 28 8 6 36 6 10 50 4 16 68

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CAMPO MAGNÉTICO E CAMPO ELÉTRICO

Um imã atrai objetos de aço por uma força também invisível que atua a distância. Dizemos que em torno do imã existe um campo magnético em que os objetos de aço aí colocados são atraídos por ele. Todo imã tem sempre dois pólos. Um é chamado de pólo norte, e o outro, de pólo sul. Pólos iguais se repelem e pólos diferentes se atraem.

A Terra também produz um campo magnético, que pode ser observado pela orientação das bússolas. Uma bússola é um imã na forma de uma agulha colocada num apoio sobre o qual ela pode girar livremente. O pólo norte aponta aproximadamente para o norte geográfico da Terra. A pedra magnetita dos gregos é um imã natural, como a Terra.

Se uma corrente de elétrons passar por um fio, além de calor, será produzido um campo elétrico em torno do fio. Isso já era de se esperar. Mas uma coisa estranha é que uma corrente elétrica passando por um fio também produzirá um campo magnético em torno do fio.

Se você ligar um fio metálico entre os pólos positivo e negativo de uma pilha e aproximar uma bússola deste fio, vai observar que a agulha da bússola se desloca, o que indica que a corrente elétrica produziu um campo magnético. Trocando-se os pólos da pilha de lugar, o sentido da corrente fica invertido, e os campos também terão sentidos contrários. O efeito dessa mudança aparecerá no deslocamento da agulha para o outro lado. Agora você já sabe que uma corrente elétrica produz campos elétricos e magnéticos. (Ciência hoje na escola, n.5).

Questões e problemas

1) O que é magnetismo? 2) Por que o imã natural é chamado de magnetita?

3) O que são imãs naturais e imãs artificiais? Dê exemplos? 4) O que são imãs permanentes e imãs temporários? Dê exemplos. 5) Por que nos pólos dos imãs pedaços de ferro são atraídos com mais intensidade do que no meio? 6) Cite algumas aplicações dos imãs. 7) Qual o menor imã que você conhece? 8) Qual a relação entre o campo magnético e a força magnética? 9) O que é campo magnético? 10) Para um imã atrair objetos ferrosos necessita haver contato entre o imã e o objeto? 11) Sobre os fenômenos magnéticos podemos afirmar que: a) Todo imã cria ao seu redor um campo magnético. b) Todo imã apresenta dois pólos, o norte e o sul. c) Pólos opostos se repelem. d) Os pólos dos imãs podem ser separados. e) Se quebrarmos um imã ao meio, cada metade apresentará novamente dois pólos. f) Pólos idênticos se repelem. 12) Explique resumidamente o que é e dê exemplos de: a) substâncias paramagnéticas. b) substâncias diamagnéticas. c) substâncias ferromagnéticas. 13) Considere uma barra de ferro colocada próxima a um dos pólos de um imã. a) Explique por que ela é atraída pelo imã. b) Se esta barra fosse feita de um material diamagnético ela seria atraída ou repelida pelo imã? Por quê? 14) Explique o que é histerese magnética. Dê um exemplo de substância que apresente histerese acentuada e até uma aplicação prática desta substância. O mesmo para uma substância que não apresente histerese.

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A demonstração de Ampère: um breve histórico.

O ano de 1820, François Arago, um físico francês, refez e apresentou à Academia de Ciências de Paris as experiências sobre o efeito magnético associado “ao conflito elétrico” (nome que então era dado a corrente elétrica). Esse efeito foi descoberto pelo dinamarquês Christian Oersted, que o comunicou a vários cientistas e às sociedades da época. Entre os presentes na referida seção da Academia de Ciências de Paris encontrava-se o jovem físico André Marie Ampère, que após quinze dias apresentou uma teoria que explicava o efeito magnético associado a uma “corrente elétrica” (nome criado por Ampère para substituir a expressão “conflito elétrico”). Ampère explicou a experiência de Oersted e resolveu dúvidas cruciais, tais como: Devemos considerar os efeitos magnéticos da eletricidade ou os efeitos elétricos dos imãs? É a eletricidade derivada do magnetismo ou o magnetismo derivado da eletricidade?

Nessa época muitos acreditavam que o fenômeno observado por Oersted era conseqüência da imantação do condutor. Para Ampère, o fenômeno fundamental era elétrico e todos os outros fenômenos reduziam-se a efeitos de corrente elétrica.

Ampère resolveu também outra dúvida que incomodava os pesquisadores da época, dúvida essa que pode ser expressa pela seguinte pergunta: a corrente no interior da pilha é igual ou diferente, em natureza, da corrente que flui pelos fios (as pilhas tinham sido inventadas por Volta no começo do século XIX)? Ampère observou que a agulha de uma bússola colocada sobre um fio ligado entre os pólos de uma pilha, era defletida da mesma maneira que outra bússola colocada sobre a pilha, ou seja, existia uma corrente fluindo pelo interior da pilha que provocava o mesmo efeito magnético de uma corrente fluindo pelo fio, dando evidencias de que se tratava de fenômenos de mesma natureza, além disso, essa demonstração criou

condições para se acreditar que a corrente elétrica era contínua e conservava-se no circuito inteiro, mesmo dentro da pilha (Caderno Catarinense de Ensino de Física,

V.18, n. 3, p. 378, dez. 2001.)

Questões e Problemas

1) Descreva a experiência de Oersted, ilustrando sua explicação com um diagrama. 2) Qual a importante conclusão que foi tirada desta experiência? 3) Diga com suas palavras o que você entende por eletromagnetismo? 4) Em que condições existirá uma força magnética entre duas cargas elétricas? Como é que se sabe que uma corrente elétrica produz um campo magnético à sua volta? 5) Um campo magnético atua em uma carga em repouso? Por quê? 6) Como se deve proceder para criar um campo magnético em uma região do espaço? 7) Explique como se determina, usando-se uma pequena agulha magnética, a direção e o sentido do vetor B em um ponto do espaço. 8) Escreva a expressão matemática que fornece o valor da força que atua em uma carga elétrica em movimento dentro de um campo magnético e a expressão que fornece o valor da força que um campo magnético atua sobre um condutor percorrido por uma corrente elétrica coloca neste campo. Explique o significado de cada um dos símbolos que aparecem em cada expressão. a) Explique como você pode determinar a direção e o sentido de cada força. b) Qual a unidade de medida de B no SI? 9) Calcule a força magnética que age sobre um fio de 0,5m de comprimento que se encontra num campo magnético cujo valor é 0,005T quando a corrente elétrica vale 0,2A e o fio está perpendicular ao campo. 10) Determine a intensidade, a direção e o sentido do vetor campo magnético:

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a) no centro de uma espira circular criado por uma corrente que passa nesta espira; b) de um fio condutor reto por uma corrente que passa neste fio; c) no interior de um solenóide por uma corrente que passa neste solenóide. 11) Explique o princípio de funcionamento de um galvanômetro e um motor cc? 12) Explique o que se entende por um imã elementar em um material? 13) Complete as frases abaixo com as palavras: atrair, corrente, magnético, interrompida. O eletroímã cria um campo magnético por meio da _______________ elétrica. Quando a corrente elétrica é ______________, o eletroímã não consegue ______________ um objeto ferroso, pois já não existe o campo ______________ que o imanta.

ELETROIMÃ

Como os imãs funcionam? De que são feitos? Por que atraem o ferro? (João Paulo Melo de Sampaio, Teresina, PI).

O melhor modo para se entender como um imã funciona é fazer a seguinte experiência: • Primeiro enrola-se um pedaço de fio cobre (esmaltado) ao redor de um prego grande, dando várias voltas. • Depois se raspa com uma palhinha de aço as pontas do fio de cobre e conecta-se cada ponta a um dos pólos de uma pilha. • Por fim, aproxima-se o conjunto de um clipe. Sabe-se que o fio de cobre, desligado da pilha, não atrai o clipe. Mas ao ligá-lo na bateria, ele passa a funcionar como um imã ou um eletroímã. A diferença está no movimento de pequenas partículas atômicas conhecidas como elétrons. Quando o fio é ligado à pilha, o movimento desses elétrons passa a ser ordenado do pólo negativo ao pólo positivo da bateria. Esse movimento é chamado de corrente elétrica – a mesma corrente que

faz a lâmpada acender e os eletrodomésticos funcionarem. No eletroímã cada espira (volta do fio ao redor do prego) percorrida pela corrente elétrica funciona como um pequeno imã. Ao se dar várias voltas no prego, somam-se os efeitos destes imãs. No imã, esta corrente elétrica acontece, de forma natural, no plano atômico, como se fossem as pequenas espiras do eletroímã. Podemos, então, imaginar um imã como sendo feito de pequenos imãs ordenados. Assim, magnetizar um objeto pode ser entendido como um ordenamento destes pequenos imãs. Apenas algumas substâncias, como ferro, cobalto, níquel e suas ligas, como o aço, têm a propriedade de se magnetizar. Quando aproximamos um imã de um pedaço de ferro desmagnetizado, os pequenos imãs do ferro se alinharão, tornando-se imãs também. Portanto, ocorre à magnetização e a conseqüente atração.(Galileu, novembro de 1999).

Pode existir magnetismo sem eletricidade? (João Moraes G. Ribeiro, Rio de Janeiro, RJ)

Embora possam se manifestar independentemente, os campos magnéticos sempre estão associados aos elétricos. A razão é um campo elétrico é criado pela carga, um dos atributos básicos da matéria, assim como a massa. Quando a carga se movimenta – devido ao movimento do corpo ou da partícula que a contém – surge o campo magnético. Em princípio, tudo o que existe deveria possuir campos porque a matéria é formada por átomos, que possuem cargas em movimento. Mas em geral os campos gerados pelas cargas se anulam uns aos outros. Um bom exemplo de campo que não se anula são os imãs: seus campos elétricos existem em escala subatômica, se anulam em larga escala, mas os campos magnéticos, ao contrário, se somam e se tornam responsáveis pela força daqueles corpos. “Os campos elétricos e magnéticos são manifestações

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diferentes do chamamos de campo eletromagnético”, explica o físico Luiz Agostinho Ferreira, do Instituto de Física Teórica, da Universidade Estadual Paulista. Há ainda uma teoria que afirma existir um campo magnético ligado a uma única carga magnética, chamada monopolo, porém, até hoje, não se conseguiu detectar nenhuma dessas partículas (Super, 12/1993).

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Ligamos e desligamos nossos aparelhos com tanta naturalidade, que até esquecemos como são complexas a “geração” e transmissão de energia elétrica.

A eletricidade está tão integrada à

nossa vida que acabamos esquecendo, ou nem percebemos, como é grandioso e complexo o processo de geração e transmissão de energia, até que chegue a nós para ser utilizada. De uma maneira geral, um sistema elétrico é formado pelos equipamentos e materiais necessários para transportar a energia elétrica desde a fonte até os locais em que ela será consumida, o que exige quatro etapas básicas: geração, transmissão, distribuição e utilização. Nas usinas, a geração de energia elétrica ocorre por transformação, a partir das fontes primárias. Assim, as usinas são classificadas da seguinte forma: Usinas hidrelétricas – “geram” a energia elétrica a partir da energia mecânica das quedas d’água; Usinas termoelétricas – a partir da energia térmica da queima de combustíveis (carvão, diesel, gasolina); Usinas nucleares – a partir da energia térmica “produzida” da fissão nuclear de materiais (urânio ou tório). Depois de “gerada” a energia, ainda em alta tensão, precisa ser transportada para os centros consumidores: é a etapa de transmissão. Nas linhas aéreas são usados, geralmente, cabos nus de alumínio em alma de aço, que ficam suspensos em torres metálicas através de isoladores. Nas subterrâneas são utilizados cabos isolados com borracha etilino-propileno (EPR) ou óleo fluido OF. Depois da transmissão, pode haver ainda a subtransmissão, onde a tensão já é um pouco abaixa. Os grandes consumidores de energia, como complexos industriais, abastecem-se diretamente das linhas de trans-missão, ficando abaixamento da tensão também por conta deles. Nas cidades as linhas de transmissão alimentam subestações abaixadoras de tensão, de onde partem as linhas de distribuição primárias, que podem ser aéreas ou

subterrâneas. Estas abastecem diretamente as indústrias e prédios de grande porte, que possuam subestação ou transformador próprio, e também as linhas de transmissão secundárias, com tensão mais reduzida. É a partir daí que os chamados pequenos consumidores (casas, pequenas indústrias, oficinas) passam a receber energia.

Dentro de nossas casas e no trabalho, acontece a última etapa: a utilização da energia. Através das instalações elétricas a energia “gerada”, nas usinas e transportada pelas linhas de transmissão e distribuição, pode ser utilizada. Cada aparelho que ligamos transforma a energia elétrica em energia mecânica, luminosa ou térmica. Uma Espira é arrastada perpendicularmente a um campo magnético uniforme e estacionário. Surgirá nela uma força eletromotriz induzida?

Sim. Os elétrons livres dentro da espira, arrastados com ela no campo magnético, sofrem uma força magnética descrita por F = e.V x B (B entrando na folha) que desloca-os para o lado de baixo, deixando uma concentração de cargas positivas no lado de cima. Nesse caso, pode-se mostrar que a força eletromotriz induzida é dada pelo produto B.d.V, onde d representa o diâmetro da espira. É um caso típico de força eletromotriz induzida devida ao movimento, princípio básico no qual se fundamenta a construção da maioria dos geradores de energia em uso atualmente. Para enfatizar que se trata de um caso de força eletromotriz, podemos imaginar conectar um resistor aos “pólos” positivo e negativo de nossa “fonte” por meios de fios condutores paralelos ao campo magnético, ficando o resistor fora da região de atuação do campo e movendo-se todo o conjunto solidário à espira. Uma corrente elétrica induzida percorrerá o resistor, embora não se possa identificar

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circuito algum através do qual haja variação do fluxo magnético. Na verdade, o argumento todo continua válido substituindo-se a espira por um simples fio. A sugestão de uma espira foi apenas para enfatizar que pode haver força eletromotriz induzida mesmo quando não há variação do fluxo magnético através de qualquer circuito fechado (Caderno Catarinense de Ensino de Física, 12/2001)

Questões e Problemas

1) Qual foi o acontecimento que conduziu ao começo da era da energia elétrica? 2) Qual é a definição geral de indução eletromagnética? 3) Em quais dos casos ocorrerá a indução eletromagnética?

(a) Liga-se uma bateria a um enrolamento em espiral, colocado nas proximidades de outro enrolamento.

(b) Desliga-se a ligação entre uma bateria e um enrolamento que está perto de outro enrolamento.

(c) Faz-se mover um imã através de um enrolamento.

(d) Coloca-se uma espira dentro de um campo magnético estacionário.

(e) Desloca-se um enrolamento ou uma espira metálica num campo magnético estacionário

4) Descreva uma montagem que produza correntes induzidas por meio de um campo magnético e explique em que é que esta montagem difere de uma que produza um campo por meio de uma corrente. 5) Esquematize uma situação em que exista um fio perpendicular a um campo magnético e use a regra da mão direita para determinar a direção e o sentido da força que atua sobre a corrente. Imagine que o fio se move lateralmente em resposta a esta força. Este movimento lateral corresponde a um movimento adicional e, por isso, cada carga existente no fio é atuada por uma força adicional. Qual é a direção e sentido desta força adicional que se exerce sobre as cargas?

6) Como construir um motor a partir de um gerador? 7) Por que é que os transformadores não funcionam se fornecermos uma corrente contínua ao enrolamento primário? 8) Para um transformador, a razão entre as tensões dos terminais do secundário e do primário é igual a razão entre o número de voltas do fio da bobina do secundário e o número de voltas do fio da bobina do primário. Se um transformador tivesse um rendimento de 100%, a potência de saída era igual a potência de entrada. Considere que é este o caso e deduza uma expressão para a razão entre a intensidade de corrente elétrica nos enrolamentos primário e secundário e o número de voltas do fio nas duas bobinas. 9) Um transformador foi construído com o primário constituído por uma bobina de 400 espiras e o secundário com 2000 espiras. Aplica-se ao primário uma ddp alternada de 120V. a) Qual a ddp no secundário? b) Suponha que este transformador esteja sendo usado para alimentar uma lâmpada fluorescente ligada ao seu secundário. Sabendo que a corrente no primário vale 1,5A, qual o valor da corrente no secundário? (Considere o transformador com rendimento de 100%) 10) O que diz a Lei de Lenz? 11) Considere que se deixem cair ao mesmo tempo duas barras magnéticas ambas suspensas ao mesmo nível por uma das extremidades e afastadas de alguns centímetros. Uma delas passa através da espira metálica. Qual dos imãs chega primeiro ao chão? Por quê? 12) Por que é mais difícil fazer rolar um gerador de bobina quando este está ligado a um aparelho a que fornece corrente (uma lâmpada, por exemplo) do que quando não está ligado a qualquer receptor?

Como funciona uma usina nuclear? Como é gerada a energia elétrica?

O princípio de funcionamento de uma usina nuclear é muito parecido com o de uma usina térmica: o calor serve para fazer

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evaporar a água de uma caldeira e o vapor aciona uma turbina. O processo começa dentro do reator. Lá existe uma grande quantidade de urânio 235, uma substância radioativa. Os núcleos dos átomos desse elemento químico são bombardeados com nêutrons e se dividem em dois, liberando mais nêutrons, que irão quebrar outros núcleos atômicos. Essa reação em cadeia (fissão nuclear) provoca calor. Ele aquece a água do chamado circuito primário, que circunda o núcleo do reator. O líquido chega a atingir a 320º Celsius, mais ou menos a temperatura da chama de um fósforo. Para que ela não entre em ebulição ao atingir os 100º Celsius, há uma estrutura chamada pressurizador que mantém a pressão elevada à cerca de 157 vezes atmosferas (ou seja, 157 vezes maior que em um ambiente normal). Se a pressão é maior, o líquido entra em ebulição apenas com temperatura mais alta, porque suas moléculas ficam mais comprimidas. A água do sistema primário passa, por meio de tubulações, dentro de outra estrutura também cheia de água, chamada gerador de vapor. Ao entrar em contato com as tubulações aquecidas, o conteúdo do último recipiente se transforma em vapor. Este se expande e, por meio de outras tubulações, atinge uma turbina fazendo-a girar. A energia térmica se transforma então, em energia mecânica. A energia do movimento de rotação do eixo da turbina é transferida para o eixo de um gerador, produzindo energia elétrica. O vapor, depois de passar de passar pela turbina, vai para um condensador onde é resfriado, transformando-se novamente em líquido e voltando para o reator para ser reutilizado. Esse é o processo de funcionamento da maioria das usinas nucleares, incluindo a Central Nuclear de Angra, no estado do Rio de Janeiro (Super,

06/1995).

Atividade de Revisão 1

1. Analise as afirmativas abaixo dizendo se são verdadeiras ou falsas. a) No circuito abaixo o voltímetro e o amperímetro estão conectados à lâmpada de modo a efetuar nela medidas corretas de diferença de potencial e de intensidade corrente elétrica ( ) b) Diferença de potencial é a causa e tem a corrente elétrica como possível efeito ( ) c) Diferença de potencial é uma grandeza puntual, corrente elétrica é uma grandeza bipuntual ( ) d) Corrente elétrica flui pelo circuito, diferença de potencial flui também ( ) e) A tomada é uma fonte de diferença de potencial. Na tomada a corrente elétrica normalmente se mantém estável ( ) f) Em uma mesma tomada são conectados três circuitos diferentes: um com uma lâmpada comum, outro com um secador de cabelos e outro com barbeador elétrico. Nesses circuitos provavelmente a ddp não difere de um para o outro ( ) g) Na representação do campo elétrico criado por uma carga puntiforme em repouso, o valor do campo no ponto A é maior que em B ( )

h) Você tem duas lâmpadas ligadas, La (60W / 127V / 60Hz) e Lb (100W / 220V / 60Hz). A intensidade de corrente elétrica que “passa” pelo filamento de Lb é maior que em La ( ) i) Se La ficasse ligada 3h por dia durante um mês (30 dias) o “consumo de energia seria de 5,4 kWh ( ).

. B

. A .

Q

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j) A lâmpada ligada à bateria, conforme a figura, irá acender ( ) k) Quando um pedaço de ferro é posto nas proximidades de um ímã, a atração do ferro pelo imã é mais intensa do que a do imã pelo ferro ( ) l) O campo magnético produzido por uma bobina deve-se à corrente elétrica que circula em seus fios. No momento que a bobina é desligada, o campo magnético produzido por ela não deixa de existir.( ) m) O motor elétrico é uma aplicação prática do eletromagnetismo.( ) n) Faraday descobriu que uma corrente elétrica só pode ser gerada quando um circuito elétrico fechado é colocado num campo magnético variável. ( ) o) O pólo norte geográfico da Terra é o seu pólo sul magnético. ( ) p) O chuveiro elétrico é uma aplicação prática do efeito joule. ( ) q) A Lei de Lenz determina o sentido da corrente induzida numa espira quando empurra-se um imã na direção da espira. ( ) r) É possível um transformador funcionar se a corrente elétrica no primário for contínua. ( ) s) A obtenção do movimento de um motor elétrico só é possível se o ímã for colocado na parte fixa do motor e a

bobina na parte móvel, uma vez que só ela pode “sentir” o campo magnético criado pelo ímã ( ) t) Dois fios com corrente elétrica paralelos entre si ficam sujeitos a forças magnéticas ( ) u) Os pólos magnéticos e geográficos da Terra são absolutamente coincidentes ( ) v) Quando o ar está úmido os fenômenos eletrostáticos são mais atenuados ( ) w) Alguns aparelhos trazem a seguinte informação do fabricante: 60 Hz. A informação corresponde à freqüência da rede elétrica ( ) O maior valor do campo elétrico que pode ser aplicado a um isolante sem que ele se torne condutor é denominado rigidez

dielétrica do material. A rigidez dielétrica varia de um material para o outro. Experimentalmente a rigidez dielétrica do vidro pirex é 1,4 x 107 N/C, enquanto a da mica (malacacheta) pode atingir 1,0 x 108 N/C e a do ar vale cerca de 3,0 x 106 N/C. Sabendo que existe um campo elétrico uniforme na atmosfera terrestre de 100 N/C (dirigido verticalmente para baixo), pode-se afirmar que: x) O valor do campo elétrico na atmosfera é suficiente para vencer a rigidez dielétrica do ar, ocasionando os relâmpagos ( ) y) O vidro pirex pode ser usado como isolante elétrico em um aparelho submetido a um campo elétrico de 2,0 x 10 7 N/C ( )

Atividade de revisão 2

Questões (1 e 2) adaptadas da prova da CESPE – PETROBRÁS, 2004. 1. A figura ao lado mostra um circuito alimentado por cinco pilhas secas de 1,5 V cada uma, em perfeito estado de funcionamento, ligadas em série. As três lâmpadas são, cada uma, de 2,5 V e precisam ser rosqueadas nos suportes. Suponha que as resistências internas das pilhas sejam desprezíveis e que as ligações foram feitas de forma adequada. Com base nessas informações podemos afirmar que:

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(a) Se uma das lâmpadas não for rosqueada corretamente as outras duas acenderão. (b) A tensão equivalente da fonte constituída a partir das pilhas é igual a 7,5 V. (c) Se cada lâmpada ficar ligada ininterruptamente por 12 minutos e a energia “consumida” por cada lâmpada individualmente for igual a 0,5 W.h, a corrente que flui pelas pilhas no intervalo considerado é igual a 0,5 A. 2. A figura ao lado mostra um circuito elétrico constituído por uma fonte ideal e uma rede de resistores. Com base no circuito apresentado, podemos afirmar que: (a) A potência fornecida pela fonte é igual a 120 W. (b) A tensão v é igual a 8 V. (c) Se ocorrer um curto-circuito nos terminais do resistor de 4Ω ligado em série com a fonte, a corrente i triplica em relação a situação em que o resistor funcionava normalmente no circuito. 3. Considere três lâmpadas com as seguintes características:

L1: 110V – 75W L2: 220V – 75W L3: 220V – 150W

a) Classifique por ordem crescente a resistência elétrica de cada lâmpada; b) Classifique por ordem crescente a intensidade de corrente elétrica que atravessa cada lâmpada. 4. Considerando-se que a gravidade local vale 10m/s2, é correto afirmar que um campo magnético uniforme de 0,5T é capaz de equilibrar um condutor retilíneo com 10 cm de comprimento e 10g de massa posicionado na horizontal perpendicularmente às linhas de indução magnética, quando por ele passa uma corrente de 2 A? (Justifique a sua resposta).

5. O transdutor de pressão ilustrado na figura ao lado possui um diafragma que se move quando a pressão p aumenta ou diminui. Esse diafragma está conectado a um núcleo de material ferromagnético, colocado dentro de um conjunto de bobinas, de forma que, ao se mover, altera a quantidade de linhas de campo magnético que atravessam o conjunto de bobinas. Acerca do dispositivo mostrado na figura e de seu funcionamento, marque a(s) alternativa(s) verdadeira(s). (Questão adaptada da prova CESPE – PETROBRÁS, 2008).

a) A partir do diagrama mostrado, é correto inferir que a esse transdutor aplica-se o mesmo princípio de

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funcionamento de um transformador.

b) Uma das formas de se conectar esse transdutor é ligar uma bateria entre os terminais D e E e um voltímetro de corrente contínua entre os terminais A e B para medir o sinal elétrico, que é função da pressão.

c) Se as resistências entre os terminais A e B e entre os terminais B e C forem ambas de 5Ω, nesse caso, a corrente elétrica que circulará entre os terminais A e C, se estes forem conectados a uma fonte de corrente contínua de 1 V, será igual a 200 mA.

d) Se os terminais D e E forem conectados a uma fonte de corrente alternada e os demais terminais forem mantidos eletricamente desconectados, o núcleo de material ferromagnético estará sujeito a um campo magnético que mudará de sentido com a mesma freqüência com que o sentido da corrente na bobina se alterar. 6. Duas lâmpadas de 220V – 150 W em série alimentadas por uma tensão de 220V fornecem tanta luz quanto uma lâmpada de 110V-75W (com mesmo rendimento luminoso)? Considere o filamento da lâmpada um resistor puramente ôhmico (característica linear). Justifique a sua resposta.

O que são Ondas eletromagnéticas?

A energia elétrica chega ás nossas casas através de fios metálicos e ser para acender as lâmpadas, ligar os motores de liquidificadores e enceradeiras e fazer funcionar rádios e televisores. Todos os aparelhos costumam ser ligados às tomadas.

Você pode ser tentado a achar que músicas, notícias e imagens são recebidas pela rede elétrica, mas logo vai se lembrar de que existem rádios e televisores alimentados com pilhas e que não são ligados às tomadas. Rádios de automóveis e telefones celulares também funcionam sem fio. As informações chegam às nossas casas não pelos fios, mas por ondas eletromagnéticas.

Onda já se sabe o que é. São coisas vindas do oceano e arrebentando na areia. Se você mora no interior e nunca viu Omar, já observou ondas em rios e em lagos. Se você jogar uma pedra num lago, vai reparar que ela forma pequenos morros circulares de água que se afastam do ponto em que a pedra caiu. Essas são ondas de água. A distância entre dois morros consecutivos é chamada de comprimento de onda. Todos os morros circulares são

separados por um comprimento de onda. A velocidade com que as ondas se afastam do centro é chamada de velocidade de propagação das ondas.

Tente fazer um desenho de como

veria essas ondas se estivesse bem em

cima do lugar em que a pedra caiu. Diga

qual seria o comprimento de onda no seu

desenho.

A quantidade de ondas que passam num determinado ponto num intervalo de tempo é chamada de Freqüência das ondas. Pense na freqüência das ondas na praia. Imagine que durante um minuto você contou 1o ondas chegando à areia. A Freqüência é uma coisa dada em hertz (Hz). O número de ondas no intervalo de 1 segundo é a freqüência em hertz. Então

qual a freqüência das ondas que você

contou na praia? Ondas de água já entendemos. Agora

vamos às ondas eletromagnéticas. Vamos lembrar dos campos elétricos

e magnéticos produzidos por correntes elétricas que passam por um fio ligado aos pólos de uma pilha. Como foi explicado, se os pólos forem trocados, os campos também serão trocados (lembre-se da experiência com o eletroimã). É assim que

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funciona um transmissor de rádio ou de televisão.

Um circuito eletrônico chamado oscilador faz com que os elétrons percorram um fio ora num sentido, produzindo campos elétricos e magnéticos que se alteram e são transmitidos no espaço. As ondas de som não se propagam no vácuo, mas as ondas eletromagnéticas, sim.

Esses campos fazem com que elétrons livres de um condutor, a antena do receptor, se movimentem, produzindo uma corrente alternada, isto é, que troca de sentido, no receptor. Esta corrente é amplificada, detectada e atua no alto-falante, produzindo som.

Quando os sons de vozes e músicas variam o valor da corrente, isto é, a amplitude da corrente do oscilador, a transmissão é chamada de amplitude modulada (AM).

Quando variam ligeiramente a corrente do oscilador, a transmissão é chamada de freqüência modulada (FM).

O número de inversões do sentido da corrente que percorre a antena em 1 segundo é a freqüência de transmissão em hertz. Normalmente são usados o quilohertz (kH), que são mil hertz, e o megahertz (MHz), que é um milhão de hertz.

Portanto, o que quer dizer a

expressão “Antena 3, light FM, 103

MHz”? (Ciência Hoje na Escola, no 5).

Questões e problemas

1) O que é uma onda eletromagnética? 2) O que causa o aparecimento de uma onda eletromagnética? E a sua propagação? 3) Qual é a perturbação que se propaga em cada uma das seguintes ondas: a) Ondas à superfície da água b) Ondas sonoras c) Ondas eletromagnéticas

4) Que prova existe para supor que as ondas eletromagnéticas transportam energia? 5) As descargas elétricas, sinais de néon, relâmpagos e algumas perturbações atmosféricas produzem ondas de rádio. O resultado é a “estática” ou ruídos nos receptores de rádio de ondas médias. Indique outras fontes possíveis de tais interferências.

6) Por que é que as ondas de rádio podem ser detectadas a distâncias maiores do que as usadas na televisão e nas estações de FM? 7) Explique porque é que os aviões que passam por cima de nós provocam “perturbações” na imagem da TV. 8) Se existirem seres extraterrestres, com civilizações bem avançadas, que métodos poderiam usar para obter informações sobre a população terrestre? 9) Suponha que a corrente que circula nas espiras de um eletroimã esteja oscilando com uma freqüência de 600 kHz. Lembrando-se de seus conhecimentos sobre ondas eletromagnéticas, responda: a) Qual será a freqüência f da onda eletromagnética que é irradiada? b) Qual a velocidade V que está onda se propaga? c) Qual a relação entre f, V e λ (comprimento de onda) para uma onda qualquer? d) Qual é, então, o valor do λ da onda eletromagnética medida a partir do eletroimã? 10) Considere o espectro eletromagnético, esquema ao abaixo, em que λ é o comprimento de onda, e responda as questões a seguir:

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a) Onde se situam os comprimentos de onda da luz visível? b) Qual é o comprimento de onda das “ondas curtas” de rádio? c) Coloque em ordem crescente de suas freqüências as seguintes radiações eletromagnéticas: Raios X, Ultravioleta, Raios γ, microondas, ondas de rádio e luz azul. d) Medindo-se o comprimento de onda de uma radiação eletromagnética, propagando-se no vácuo, encontrou-se o valor λ = 7,5 x 10-9 m. Determine que tipo de onda eletromagnética constitui esta radiação.

Saiba Mais! (...) Por que o som de um rádio é perturbado por ruídos durante uma tempestade? (Sônia Peduzzi, Depto. de Física, UFSC)

As Ondas de rádio são ondas

eletromagnéticas geradas pela antena da emissora. Essas ondas são captadas pela antena do receptor.

Durante uma tempestade, as descargas elétricas dos raios geram ondas eletromagnéticas. Assim os raios atuam como uma estação emissora propagando sinais desordenados que são também captados pelo receptor de rádio. O resultado disso são os ruídos, mais comumente chamados de estática

(Caderno Catarinense de Ensino de Física,

08/1984).

O que é a Gaiola de Faraday? Como funciona? (Daniel Ferreira Tosta, Marica, RJ)

O Físico inglês Michael Faraday

(1791-1867) descobriu que superfícies metálicas impedem a passagem de campos elétricos. Para provar, ele se colocou de pé sobre um tablado de madeira ou borracha isolante, no interior de uma caixa de

paredes feitas com tela metálica – como uma gaiola.

Evitando o contato das mãos e do corpo com o metal, ele fazia passar pela parede uma corrente elétrica, provocando faíscas entre a caixa e o exterior. Comprovou, assim, que não sentia nenhum efeito no interior da gaiola. A experiência mostra o que ocorre quando raios atingem aviões ou acidentes elétricos atingem um trem, sem afetar os passageiros. O físico descobriu que a blindagem valia também para ondas eletromagnéticas, como as de rádio. É por isso que um rádio portátil não funciona dentro de um carro, a menos que sua antena esteja esticada fora da janela. O mesmo ocorre com o rádio, mesmo instalado no carro, quando ele entra em um túnel: a malha metálica das paredes de concreto bloqueia as ondas elétricas, funcionando como uma Gaiola de Faraday. (Galileu, 02/1999).

Colocar palha de aço na antena da TV realmente melhora a recepção?

Depende! A qualidade do som e da imagem é determinada, em primeiro lugar, pela posição da antena em relação à fonte transmissora. “Se a antena da sua televisão estiver perfeitamente alinhada com a antena da emissora, a palha de aço só vai piorar a recepção”, afirma o engenheiro elétrico Renato Giacomini, da USP. Mas a palha pode funcionar. Isso acontece porque o aço, como material condutor, altera o perfil das correntes elétricas no interior da antena. Quando a palha metálica é colocada na ponta dessa vareta, ele passa a captar os sinais transmitidos em todas as direções. Dessa forma, uma antena alinhada pode repassar sinais mais completos – enquanto uma antena alinhada acabaria sofrendo interferências indesejáveis, fazendo a recepção perder qualidade. Dá até para fazer um teste: Sae você colocar a palha de aço e a imagem da TV piorar, é porque a antena já está na melhor posição possível (Super, 10/2001).

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É verdade que o alimento preparado no forno de microondas faz mal à saúde? A comida perde as proteínas? (Elizete de Paula Intrieri Ribeiro, São Bernardo do Campo, SP)

Não. As refeições preparadas no forno de microondas não fazem mal à saúde. As ondas eletromagnéticas produzidas pelo aparelho são de alta freqüência e, ao penetrar nos alimentos, são imediatamente convertidas em calor, sem deixar nenhum resíduo. Ao contrário das ondas de raio X, raios gama e ultravioleta, as microondas não são ionizantes, ou seja, não modificam as moléculas do alimento atingido. Do ponto de vista nutricional, os alimentos cozidos em microondas são iguais ou até melhores que os preparados de forma convencional, pois a comida passa menos tempo em cozimento, perdendo, assim, menor quantidade de vitaminas e sais minerais. Também não há perda de proteínas nas refeições preparadas em microondas. O que pode ocorrer em temperaturas acima de 45oC, é a desnaturação protéica, processo que transforma as proteínas e destrói suas propriedades fisiológicas, dificultando seu congelamento e sua mistura à água, por exemplo. Mas isso não implica perda de suas propriedades (Fonte: Renata Faggion Bortoluzzo, nutricionista pós-graduanda da Unifesp – Escola Paulista de Medicina, Galileu, 02/1999).

O que é luz negra? (Thalita Dol,

Rio de Janeiro, RJ) Todo mundo já viu aquela

iluminação especial em pistas de dança, que dá um fantasmagórico brilho roxo a qualquer objeto de cores claras ou fluorescentes – especialmente roupas brancas. A receita de fabricação é muito simples: basta pegar uma lâmpada fluorescente, dessas usadas em escritórios, e remover a camada de pó branco, formada por sais de fósforo. O vidro tem de ser

trocado, então, por outro mais escuro, para barrar radiações claras. Na lâmpada fluorescente normal, a luz branca vem da incidência da radiação ultravioleta na tal camada de fósforo. “Com a luz negra, esse fenômeno de fosforescência muda de lugar: quando estamos num ambiente escuro, as roupas claras fazem o papel do fósforo e reemitem a luz que recebem, dando a impressão de que estão brilhando”, diz o físico Mikiya Muramatsu, da USP. Criada durante a Segunda Guerra pelo inventor americano Philo Farnsworth (1906–1971) – considerado o pai da televisão -, a luz negra tinha a intenção original de melhorar a visão noturna e também costuma ser utilizada para identificar falsificações ou cédulas de dinheiro. Atualmente, a Universidade Federal de Lavras, em Minas Gerais, pesquisa seu uso na detecção de fungos em sementes (Super, 10/2002).

Tinta denuncia o fôlego da bateria Como funciona o medidor de carga que

algumas pilhas trazem?

É um mecanismo simples, que fica escondido no rótulo de uma fina camada de plástico. “Para permitir a medida de carga pelo usuário, o fabricante coloca lá dentro uma tira de metal coberta por uma substância que ganha cor ao ser aquecida”, disse à SUPER o engenheiro Robert Milanese, da Duracell, empresa que já adota o sistema. Quando a pilha está carregada, o metal se aquece e a cor aparece. A fórmula do corante é trancada a sete chaves pelos fabricantes. É um composto obtido a partir da mistura entre metais e elementos orgânicos. O resultado é uma molécula muito peculiar que absorve calor e devolve a energia para o meio ambiente na forma de luz visível. Aí você vê se está na hora de trocar as pilhas do rádio.

Em outras palavras, ao pressionar os dois pontos indicados com os dedos na pilha, uma tira de metal escondida embaixo do rótulo encosta nos pólos da

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pilha e cria uma corrente. A passagem da “eletricidade” gera calor. Encostada no metal, uma camada de corante emite luz ao receber o calor. Como a extremidade mais larga precisa de mais corante para esquentar, este lado não se ilumina quando a pilha está descarregada. Quando nem o zero da escala acende, é hora de jogar a pilha fora (claro, em local adequado). Uma curiosidade: aquecido de outra forma, o aparato também se colore. Você pode tirar a prova colocando a pilha num copo com água quente. Mas jamais use fogo para fazer a experiência, pois a pilha pode explodir (SUPER, setembro de 1999).

O que são semicondutores e quais as suas aplicações? (Nivaldo Marschalk Filho, Canoínhas/SC)

Os materiais semicondutores atraem muita atenção principalmente porque são matéria-prima indispensável à preparação de uma série de dispositivos ópticos e eletrônicos (transistores, retificadores, células fotoelétricas, lasers, células solares etc.) responsáveis, nas últimas décadas, por uma revolução tecnológica em nossas vidas, sobretudo nas áreas de comunicações e informática. Mas o que diferencia um material semicondutor dos materiais isolantes e dos condutores (ou metais)? A denominação justifica-se por sua resistividade elétrica, situada entre a dos materiais bons condutores e a dos isolantes. As diferenças de condutividade elétrica desses materiais podem ser mais bem entendidas com o auxílio da mecânica quântica. Admite-se que os elétrons – que nos átomos isolados possuem níveis discretos de energia – têm, em um material sólido, seus níveis de energia agrupados, formando regiões largas de energia chamadas ‘bandas de energia’. Estas são separadas por regiões (barreiras) de energia proibidas aos elétrons. Para a condução ocorrer em um dado material, seus elétrons devem poder vencer a barreira de energia proibida, através do fornecimento de energia externa. Em um

caso extremo, em que a barreira é muito grande, é impossível ocorrer a transposição entre as bandas, o que explica a existência dos materiais isolantes. Mas nos metais a ligação dos átomos se dá de tal forma que os elétrons livres tornam-se disponíveis após a formação das bandas; resulta daí a inexistência da região de energias proibidas. Por isso é possível conseguir a condução eletrônica fornecendo pequenas quantidades de energia. O caso intermediário – em que a barreira entre as bandas existe mas é moderada – corresponde aos semicondutores. Outra característica é que sua condutividade pode ser controlada através da introdução de impurezas – a chamada ‘dopagem’. Para um dado semicondutor, dependendo da impureza (elemento) dopante, a dopagem pode produzir um material carregado negativa ou positivamente. A combinação desses dois tipos de materiais gera dispositivos com propriedades elétricas particulares, que permitem o controle dos sinais elétricos (diodos, transistores). Essa técnica é empregada na preparação de dispositivos elétricos e de circuitos integrados. Possuem propriedades semicondutoras materiais formados por elementos da coluna IV da Tabela Periódica, silício (Si) e germânio (Ge); compostos binários formados por elementos das colunas III e V (GaAs, GaSb, InSb, InP etc.); das colunas II e VI (CdSe, Cte, Cu2S); das colunas IV-VI (PbS, PbSe, PbTe); compostos ternários (AlGaAs) e quaternários (InGaAsP). O semicondutor mais utilizado na eletrônica é ainda o Si, mas muitas aplicações – lasers, por exemplo – são feitas atualmente com semicondutores compostos, como o GaAs (arseneto de gálio). Os avanços mais recentes vêm da tecnologia que permite preparar os semicondutores com controle em nível atômico, camada após camada. Uma das técnicas de fabricação de maior sucesso é a chamada de epitaxia por feixes moleculares, em que o material é crescido, em altíssimo vácuo, a partir de feixes moleculares das suas espécies

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constituintes. Controla-se com grande precisão a composição, a dopagem e a espessura dos filmes finos assim produzidos, que podem medir apenas algumas camadas atômicas e têm alta qualidade cristalina. Assim, preparam-se, por exemplo, as super-redes – nanoestruturas semicondutoras feitas de camadas alternadas de semicondutores (como GaAs e AlAs). Esses semicondutores nanoestruturados apresentam propriedades ópticas e eletrônicas diferentes das de seus constituintes e que podem ser manipuladas durante o crescimento. Aliando-se a isso a viabilidade de fabricar estruturas de dimensões muito reduzidas a partir desses novos materiais, é possível obter

dispositivos ópticos e eletrônicos de alta velocidade (chamados dispositivos ‘quânticos’ por operarem em regimes em que os fenômenos físicos são descritos pela mecânica quântica). Os impactos esperados justificam as pesquisas tecnocientíficas que hoje movem esforços monumentais no aprimoramento dos dispositivos já disponíveis e na busca de novas soluções (José Cláudio Galzerani, Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos, Ciência Hoje, 06/ 2004).

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Textos e Atividades Complementares

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Modelo Básico do Gerador de Corrente Alternada

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Referências L. Gonik, A. Huffman, Introdução Ilustrada à Física (Editora Harbra Ltda, São Paulo, 1994). Projecto Física: Unidade 4 – Luz e Eletromagnetismo: Texto e manual de experiências e atividades (Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa-PT, 1985). 198 p. [ ] J. -M. Lévy-Leblond/André Butoli, A Eletricidade e o Magnetismo em

Perguntas. 1 ed. Coleção Aprender Fazer Ciência, Lisboa: Ed. Gradiva, Portugal, 1991. 206 p. GREF (Grupo de Reelaboração do Ensino de Física) - Instituto de Física/USP,

Leituras de Física: pra ler, fazer e pensar: Eletromagnetismo, vol. 3, COPIART Editora LTDA, São Paulo, versão preliminar (1998). FRANCHI, C. M. Acionamentos elétricos. Editora Érica, São Paulo: 2007.