Física III
Prof. Márcio T. de Castro18/05/2017
Capítulo 03
Eletrodinâmica
Técnico em Edificações (PROEJA)
Parte I
2
Corrente Elétrica
• Corrente Elétrica: movimento relativamente ordenado de elétrons.
• Sentido da Corrente Elétrica: contrário ao sentido de deslocamento dos elétrons.
• Gerador: estabelece uma ddp entre os pontos A e B que obriga os elétrons a um deslocamento organizado, criando uma corrente elétrica.
Corrente Elétrica
• Intensidade de Corrente Elétrica (i): quantidade de elétrons que atravessa
determinada seção do condutor num intervalo
de tempo.
– Unidade (SI): ampère (A).
qi
t
∆=∆
Circuito Elétrico
• Circuito Elétrico Simples: um condutor (fio
metálico) acoplado aos polos de um gerador
(pilha), fica submetido à energia potencial
(fem) deste gerador e através do condutor
pode circular uma corrente elétrica.
Tipos de Corrente Elétrica
• Corrente Contínua: ocorre um fluxo contínuo
de elétrons do polo negativo ao polo positivo.
– Pilha: a ação química de seus componentes
separa as cargas positivas num terminal e os
elétrons noutro e quando acoplada a um circuito
existirá um deslocamento de elétrons do polo
negativo para o positivo, passando pelo condutor.
Tipos de Corrente Elétrica
• Corrente Alternada: os elétrons livres do condutor ficam num constante movimento vibratório de ir e vir, já que as polaridades se invertem a cada instante, numa determinada frequência.
– Tomada: dispositivo com contatos permanentemente ligados a um fonte onde são acoplados os plugues dos equipamentos
• Intensidade da Corrente Elétrica: 10 a 20 A.
• Equipamento Eletrônicos: funcionam internamente com corrente contínua (transformadas por um retificador) e a baixas tensões (transformadas por um transformador).
Efeitos da Corrente Elétrica
• Efeito Térmico (ou Joule): conversão de
energia elétrica em energia térmica.
– Equipamentos Elétricos: ferro de passar, chuveiro
elétrico, aquecedores elétricos etc.
Efeitos da Corrente Elétrica
• Efeito Magnético: corrente elétrica cria, na
região próxima a ele, um campo magnético.
– Utilidade: motores, transformadores e unificação
da eletricidade e do magnetismo.
Efeitos da Corrente Elétrica
• Efeito Químico: solução eletrolítica sofre
decomposição quando atravessada por
corrente elétrica (Eletrólise).
– Utilidade: revestimento de metais, reações
químicas de baterias.
Efeitos da Corrente Elétrica
• Efeito Luminoso: a passagem de corrente
elétrica em um gás rarefeito faz com que ele
emita luz.
– Utilidade: lâmpadas fluorescente e anúncios
luminosos.
Efeitos da Corrente Elétrica
• Efeito Fisiológico: corrente elétrica age
diretamente no sistema nervoso provocando
contrações musculares (choque elétrico).
Corrente Elétrica Consequência
Até 10 mA Dor e contração muscular
De 10 mA até 20 mA Aumento das contrações musculares
De 20 mA até 100 mA Parada respiratória
De 100 mA até 3 A Fibrilação ventricular que pode ser fatal
Acima de 3 A Parada cardíaca, queimaduras graves
Dispositivos de Segurança
• Fusível: fio condutor que ao ser atravessado por corrente elétrica de intensidade maior que um determinado valor, funde-se, interrompendo a passagem da corrente elétrica.
– Símbolo:
• Disjuntor: chave magnética que se desliga automaticamente quando a intensidade da corrente elétrica ultrapassa determinado valor.
– Símbolo:
Parte II
14
Resistência Elétrica
• Resistência Elétrica (R): oposição ao fluxo de
elétrons livres devido a choques com as
partículas constituintes do condutor.
– Unidade (SI): ohm (Ω).
– Resistência: característica do aparelho elétrico e
dos condutores elétricos (medida
experimentalmente) e varia com a temperatura
ambiente, isolamento e grupamento de
condutores.
Resistência Elétrica
• 1ª Lei de Ohm: a resistência R dos condutores
ôhmicos (caso dos metais) é diretamente
proporcional à diferença de potencial V
estabelecida no circuito e inversamente
proporcional à intensidade i da corrente
elétrica que o percorre.
VR
i=
Resistência Elétrica
• Exemplo: uma pequena lâmpada está
submetida a uma tensão de 12 V. Sabendo
que sua resistência é de 8 Ω, determine a
corrente que percorre a lâmpada.
128
VR
i
i
=
=
12
8
1,5 A
i
i
=
=
Resistência Elétrica
• Resistor: condutores que se aquecem com a
passagem da corrente elétrica, transformando
energia elétrica em energia térmica e a
resistência elétrica assume valores intermediários
adequados numericamente identificados.
– Reostato: resistor cuja resistência elétrica pode ser
variada.
Resistência Elétrica
• Resistividade: resistência elétrica que uma
unidade de volume de material oferece ao
fluxo de corrente.
– Unidade (SI): ohm metro (Ω.m)
Resistência Elétrica
• 2ª Lei de Ohm:
R = resistência do resistor
ρ = resistividade do material
L = comprimento do resistor
A = área da seção reta transversal do resistor
LR
Aρ=
Resistência Elétrica• Exemplo: A resistividade é característica dos materiais e a
resistência elétrica é característica do objeto. Para demonstrar isto, calcule: a) a resistência de um metro de fio de cobre de 1,5 mm² de bitola (seção reta transversal); b) a resistência de um metro de fio de cobre de 2,5 mm² de bitola (ρcobre = 1,7.10-8 Ω.m).
8
6
2
11,7.10
1,5.10
1,1.10
A
A
A
LR
A
R
R
ρ
−
−
−
=
=
= Ω
8
6
3
11,7.10
2,5.10
6,8.10
B
B
B
LR
A
R
R
ρ
−
−
−
=
=
= Ω
Resistência Elétrica
• Condutividade Elétrica (σ): indica a facilidade
com a qual um material é capaz de conduzir
uma corrente elétrica.
– Unidade (SI): um por ohm metro (Ω.m)-1
1σ
ρ=
Resistência Elétrica
• Resistência e Temperatura: para a maioria dos
materiais condutores de energia elétrica o
aumento da temperatura ocasiona o aumento
da resistência elétrica, pois isto aumenta a
amplitude de oscilação dos átomos e aumenta
a probabilidade de choques.
Resistência Elétrica
• Supercondutividade: propriedade física de
característica intrínseca de certos materiais
que, quando resfriados a temperaturas
extremamente baixas (ordem de 1 K), tendem
a conduzir corrente elétrica sem resistência
nem perdas.
– Utilidades: magnetos supercondutores
(aceleradores de partículas), fios supercondutores
(chips), ímãs (trens bala).
Resistência Elétrica
• Curto-Circuito: passagem de corrente elétrica
acima do normal em um circuito devido à
redução abrupta da resistência deste, quando
uma ligação errada é feita, eliminando
componentes do circuito.
ViR
=
Associação de Resistores
• Resistores associados em série: resistores
interligados de tal maneira que, se forem
percorridos por corrente elétrica, ela terá a
mesma intensidade em todos eles.
1 2...eq nR R R R= + + + 1 2
... nV V V V
i cte
= + + +
=
Associação de Resistores
• Resistores associados em paralelo: resistores
interligados de tal maneira que fiquem todos
submetidos à mesma diferença de potencial.
1 2
1 1 1 1...
eq nR R R R= + + +
1 2...
n
V cte
i i i i
=
= + + +
Associação de Resistores
• Associação Mista de Resistores:
Parte III
29
Potência Elétrica
• Potência Elétrica (P): quantidade de energia
elétrica que o equipamento é capaz de
transformar na unidade de tempo, ou seja, é o
trabalho elétrico efetuado na unidade de
tempo.
– Unidade (SI): watt (W)
Potência Elétrica
• Cálculo da Potência Elétrica (P): é resultado
do produto da tensão V disponível pela
corrente i circulante.
• Ex: seja um chuveiro elétrico de 2200 W ligado à rede de 110 V. Calcule a corrente que o percorre.
P V i= ⋅
Potência Elétrica
• Potência Elétrica dissipada num Resistor:
2P R i= ⋅
2V
PR
=
Aparelho Tensão Potência Corrente Resistência
Lâmpada 110 V 60 W 0,56 A 200 Ω
Lâmpada 110 V 100 W 0,9 A 121 Ω
Lâmpada 220 V 100 W 0,45 A 484 Ω
Chuveiro 110 V 4400 W 40 A 2,8 Ω
Chuveiro 220 V 4400 W 20 A 11 Ω
Soldador 110 V 30 W 0,3 A 403 Ω
Valores Nominais
• Tensão Nominal: tensão da rede elétrica para
a qual o produto foi fabricado.
• Potência Nominal: potência elétrica
consumida pelo produto quando submetido à
tensão nominal.
Fio Fase
Parte IV
35
Energia Elétrica
• Energia Elétrica (τ): calculada pelo produto da
potência P desenvolvida no equipamento,
pelo tempo ∆t durante o qual ele permanece
ligado.
– Unidade (SI): joule (J)
– Unidade (Usual): quilowatt-hora (kWh)
P tτ = ⋅∆
Energia Elétrica• Exemplo: considere uma casa em que mora uma família
de 5 pessoas, que o chuveiro elétrico possui potência nominal de 3000 W, o tempo médio do banho de cada pessoa é de 15 minutos e o preço médio do kWh é de R$ 0,40. Quanto se gasta por mês para tomar banho nesta casa?
Raio• Raio: descarga elétrica ocorrida entre nuvens eletrizadas e a Terra
devido a uma grande diferença de potencial, em que cargas elétricas negativas (descarga inicial), liberadas pela nuvem em direção ao solo, e o intenso campo elétrico formado em seu trajeto produz outra descarga elétrica, bem mais intensa, do solo para a nuvem (descarga de retorno) que se encontram.– Relâmpago: emissão de luz devido à forte ionização das partículas de
ar que estão no trajeto das cargas elétricas em movimento
– Trovão: forte estrondo devido ao aquecimento brusco do ar que provoca uma rápida expansão dessa massa gasosa, produzindo intensa onda de pressão.
– Duração: 0,5 s a 2 s
– Voltagem: 100 milhões V a 1 bilhão V
– Corrente: 30 mil A a 300 mi A
– Energia: 300 kWh
– Comprimento: 100 km
– Temperatura: 30 mil °C
Parte V
39
Medidores Elétricos
• Medidores Elétricos: instrumentos que
medem grandezas elétricas.
• Multímetros: instrumentos que se prestam à
medição de corrente, tensão e resistência,
bastando posicionar adequadamente uma
chave seletora para o exercício de cada
função.
• Valor de Fundo de Escala: valor máximo
indicado na escala de um medidor.
Medidores Elétricos
• Amperímetro: instrumento utilizado para
medir a intensidade de uma corrente elétrica,
devendo ser ligado em série.
– Símbolo:
– Amperímetro ideal: medidor hipotético em que a
resistência interna do aparelho é igual a zero.
Medidores Elétricos
• Voltímetro: instrumento utilizado para medir
a diferença de potencial, devendo ser ligado
em paralelo.
– Símbolo:
– Voltímetro ideal: medidor hipotético em que a
resistência interna do aparelho é infinitamente
grande.
Medidores Elétricos
• Ohmímetro: instrumento utilizado para medir
resistência elétrica.
– Símbolo:
– Medição: aplica-se uma tensão na resistência de
modo que uma corrente seja forçada a circular,
então usa-se a 1ª lei de Ohm.
Parte VI
44
Circuito Elétrico
• Circuito Elétrico: ligação de elementos
elétricos de modo que formem pelo menos
um caminho fechado para a corrente elétrica.
– Elementos do Circuito: resistor, indutor, capacitor,
gerador, receptor, dispositivos de segurança,
medidores elétricos, interruptores, fios, etc.
Fio de Ligação
• Fio de Ligação: fio condutor que permite o
fluxo de cargas elétricas pelo circuito.
– Símbolo:
– Fio ideal: fio condutor hipotético, cuja resistência
elétrica é igual a zero.
– Fio de Cobre: fio condutor real de resistência tão
baixa que pode ser considerado ideal.
Interruptor
• Interruptor: dispositivos por meio dos quais
abrimos ou fechamos um circuito elétrico
– Símbolo:
Interruptor
• Interruptor Simples: utilizado para ligar ou
desligar uma lâmpada e apresenta dois
terminais.
Circuito Elétrico
• Interruptor Paralelo: apresenta três terminais
e permite instalar uma lâmpada de modo que
possa ser ligada ou desligada de dois
diferentes locais.
Circuito Elétrico
• Interruptor Intermediário: dotado de quatro
terminais úteis que combinado com
interruptores paralelos, podemos ligar ou
desligar uma lâmpada de qualquer posição.
Circuito Elétrico
• Gerador: fornece energia elétrica ao circuito que ele alimenta.– Geradores Mecânicos: convertem energia mecânica
em energia elétrica.• Ex: usinas hidrelétricas
– Geradores Químicos: convertem energia potencial química em energia elétrica.• Ex: pilhas e baterias
– Geradores Luminosos: convertem energia luminosa em energia elétrica.• Ex: fotômetros e células solares
– Geradores Térmicos: convertem energia térmica diretamente em energia elétrica.• Ex: termopar
Elementos do Gerador
• Força Eletromotriz (Ԑ): diferença de potencial
existente entre os terminais de um gerador
quando não percorrido por corrente elétrica.
• Resistência Interna do Gerador (r): resistência
elétrica própria do material que compõe o
gerador.
• Símbolo do Gerador:
• Equação do Gerador: .V r iε= −
Elementos do Gerador
• Gerador ideal: gerador hipotético em que a
resistência interna é nula.
• Gerador em curto-circuito: toda a força
eletromotriz que o gerador produz fica
aplicada em sua resistência interna.
V ε=
0V ir
ε= ⇒ =
Fio-Terra
• Fio-Terra: a ddp que estaria aplicada em uma
pessoa, se não houvesse o fio-terra, passa a estar
“jogada” na linha de transmissão de energia, que
faz o papel de um gerador em curto-circuito.
Elementos do Gerador
• Potência Elétrica Total do Gerador:
• Rendimento Elétrico do Gerador (η): fração
da potência elétrica total que está sendo
transferida para quem ele alimenta.
.tP iε=
Vη
ε=
Elementos do Gerador
• Associação de Geradores em Série: a força
eletromotriz equivalente é a soma das forças
eletromotrizes de todos os geradores.
1 2...
eq nε ε ε ε= + + +
1 2...
eq nr r r r= + + +
Elementos do Gerador
• Associação de Geradores em Paralelo: a corrente que passa em cada gerador é apenas uma fração da corrente total, o que prolonga sua vida útil, e há redução da resistência interna, o que provoca maior estabilidade de tensão.
eqε ε=
eq
rr
n=
Receptor Elétrico
• Receptor Elétrico: dispositivo que recebe
energia elétrica de um gerador e converte
uma parte dela em energia não-térmica.
– Exemplo: motor elétrico.
– Símbolo:
– Força Contra-Eletromotriz (Ԑ’): parte útil da ddp
estabelecida nos terminais do receptor.
– Resistência Interna do Receptor (r’): resistência
elétrica do receptor.
` `.V r iε= +
Elementos do Receptor
• Receptor ideal: receptor hipotético em que a resistência interna é nula.
• Corrente Elétrica no Receptor: tem o sentido do positivo para o negativo.
• Potência Elétrica Útil do Receptor:
• Rendimento Elétrico do Receptor (η): fração da potência elétrica total que está sendo convertida em energia não-térmica.
`.UP iε=
`
V
εη =
Capacitor• Capacitor: componente eletrônico constituído de duas
peças condutoras (armaduras), entre elas existe um isolante, cuja função básica é armazenar cargas elétrica e, consequentemente, energia potencial eletrostática.– Símbolo:
– Exemplos: flash da máquina fotográfica, teclas do teclado.
Carga de um Capacitor
• Carga de um Capacitor (Q): o gerador passa a retirar elétrons da armadura A, que vai se eletrizando positivamente, e a introduzir elétrons na armadura B, que vai se eletrizando negativamente, até atingir o equilíbrio eletrostático.
Capacitor
• Capacitância (C): capacidade de um capacitor
de armazenar carga.
– Unidade (SI): farad (F)
QC
V=
Capacitor
• Flash: toda a energia armazenada num
capacitor é lançada na lâmpada.
Capacitor
• Tecla: quando a tecla é pressionada, a
distância entre as placas desse capacitor
diminui e, com isso, sua capacitância
aumenta, que é detectada por um circuito
eletrônico.
Capacitor
• Circuito Ressonante: para cada valor da
capacitância, o receptor sintoniza ondas de
determinada frequência.
Capacitor
• Divisor de Frequências: o capacitor bloqueia a
passagem de baixas e medias frequências, que
é reproduzido pelo Woofer, mas facilita a
chegada das frequências mais elevadas ao
Tweeter.