aula cap. 2 e 3 - circuitos eletricos - conceitos basicos e resistividade, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe aula cap. 2 e 3 - circuitos eletricos - conceitos basicos e resistividade e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! CONCEITOS BÁSICOS e RESISTIVIDADE Cap. 2 e 3 - Boylestad Prof. Me. Raone Guimarães Barros [email protected] Sala: 514 – atendimento aos alunos às sextas-feiras à tarde (14h às 18h) UNIVERSIDADE FEDERAL DE RORAIMA CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 2 Objetivo • FONTES DE TENSÃO • CONDUTORES E ISOLANTES • AMPERÍMETROS E VOLTÍMETROS • RESISTIVIDADE • APLICAÇÕES • EXERCÍCIOS FONTES DE TENSÃO Torque aplicado “Entrada” * Tensão de “saída” 120V Figura 2.16 Bateria de íon de lítio de um laptop da Dell: Figura 2.18 Gerador CC. 11,1 V, 4.400 mAh. Figura 2.19 Fonte CC de alimentação digital de O a 60 V. 0a 1,5A. (Cortesia de Fotosenmeer/Shutterstock.) 6 FONTES DE TENSÃO Baterias • Células primárias (não recarregáveis) • Células secundárias (recarregáveis) – Bateria de chumbo-ácido (automóveis) – Bateria de níquel-hidreto metálico – Ni-HM (calculadoras, equipamentos portáteis) – Bateria de íon de lítio FONTES DE TENSÃO Baterias - Alcalinas Terminal ZE Cobertura: aço So - posto: > f )) Filme plástico aço laminado Ef FS, + metalizado com o [ Eletrólito: ; nome do fabricante hidróxido Ânodo: zinco de potássio/água pulverizado Cátodo: Coletor de dióxido corrente: latão de manganês e carbono Vedação: nylon Separador: Cobertura interior fibra têxtil da pilha: aço não traçada rm Ad Ccell AAcell 9V AAAcll metálica 1.5V L5V 625mAh 15V Reforço Terminal negativo: 8350 mAh 2850 mAh 1250 mAh metálico aço laminado . (a) ã ; ai ret Rs E Z Celula alcalina primária: (a) vista em corte de uma célula alcalina cilíndrica: (b) vários tipos de células primárias. (O Cortesia de (a) Hamera'Getty Images: (b) iStockphotos/Getty Images) “q FONTES DE TENSÃO Baterias — Ni-HM vm * - e E — pd pe pa É: Ego QE QE ATE eos | SE SE E E OR 5 E | ha E E X dd q 3 y $ JR o o ( Ra E : ar =“ Re) D cell C cell AA cell AAA cell 9V (7.2 V nominal) 1.2 V 1.2 V 12V: 1.2 V 150 mAh 2200 mAh 2200 mAh 1850 mAh 750 mAh OQ 30 mA (wo 440 mA w 440 mA & 37 mà Q 150 mA 11 ESPECIFICAÇÃO AMPÈRE-HORA • O dado de informação mais importante de qualquer bateria (além de sua especificação de tensão) é sua especificação ampère-hora (Ah). • Você provavelmente observou nas fotografias de baterias mostradas anteriormente que tanto a especificação de tensão quanto a de ampère-hora foram fornecidas para cada bateria. – A especificação ampère-hora (Ah) indica quanto tempo uma bateria de tensão fixa será capaz de fornecer uma corrente em particular. 12 FATORES DA VIDA DA BATERIA • A vida de uma bateria está diretamente relacionada à magnitude da corrente de descarga. • Entretanto, há fatores que afetam a especificação ampère- hora de uma bateria, de maneira que podemos descobrir que uma bateria com uma especificação de ampère-hora de 100 pode fornecer uma corrente de 10 A por 10 horas, mas pode fornecer uma corrente de 100 A por apenas 20 minutos em vez da 1 hora inteira. – Em outras palavras, a capacidade de uma bateria (em ampère-horas) muda com a alteração na demanda de corrente. 15 FATORES DA VIDA DA BATERIA • A tensão terminal de uma bateria vai eventualmente cair (a qualquer nível de descarga de corrente) se o período de tempo de descarga contínua for longo demais. 16 CONDUTORES E ISOLANTES • Se ligarmos fios construídos com materiais diferentes aos terminais da mesma bateria e medirmos a corrente em cada um deles, verificaremos que elas são diferentes. • Muitos fatores, como densidade, mobilidade e características de estabilidade do material que constitui o fio explicam essas diferenças nos fluxos de carga. – Entretanto, em geral, denominamos condutores os materiais que permitem a passagem de um fluxo intenso de elétrons com a aplicação de uma força (tensão) relativamente pequena. – Além disso, os átomos dos materiais que são bons condutores possuem apenas um elétron na camada de valência (camada mais distante do núcleo). CONDUTORES E ISOLANTES Condutividade relativa de vários materiais. Metal Condutividade relativa (%%) Prata 105 Cobre 100 Ouro 70,5 Alumínio 61 Tungstênio 31,2 Níquel 221 Ferro 14 Constantan 3,52 Nicromo 1,73 Calorita 1.44 20 SEMICONDUTORES • Os semicondutores constituem um determinado grupo de elementos químicos cujas características elétricas são intermediárias entre as dos condutores e as dos isolantes. • Os materiais semicondutores possuem quatro elétrons em sua camada mais externa (camada de valência). 21 AMPERÍMETROS E VOLTÍMETROS • É importante saber medir os níveis de corrente e de tensão de um sistema elétrico para verificar seu funcionamento, identificar defeitos e investigar efeitos que possam ocorrer e que seriam impossíveis de serem previstos em uma análise teórica. • Como o próprio nome indica, os amperímetros são utilizados para medir a intensidade da corrente, e os voltímetros, a diferença de potencial entre dois pontos. • Se os níveis de corrente forem em geral da ordem de miliampères, o instrumento usado será denominado miliamperímetro, e se os níveis de corrente estiverem na faixa de microampères, o instrumento usado será um microamperímetro. AMPERÍMETROS E VOLTÍMETROS Conexão de um voltímetro para uma leitura positiva (+). »> 25 • Essa oposição, devido fundamentalmente a colisões e fricção entre os elétrons livres e outros elétrons, íons e átomos no curso do movimento, converte a energia elétrica fornecida em calor, que aumenta a temperatura do componente elétrico e do meio circundante. • O calor que você sente vindo de um aquecedor elétrico é simplesmente o resultado da corrente que passa por um material de alta resistência. RESISTÊNCIA 26 RESISTÊNCIA: FIOS CIRCULARES • A resistência de qualquer material é devida fundamentalmente a quatro fatores: – Material; – Comprimento; – Área do corte transversal; – Temperatura do material. 27 RESISTÊNCIA: FIOS CIRCULARES • A estrutura atômica determina quão facilmente um elétron livre passará por um material. • Quanto maior o comprimento do caminho que o elétron livre tem de percorrer, maior o fator de resistência. • Elétrons livres passam mais facilmente através de condutores com áreas de corte transversal maiores. – Além disso, quanto mais alta a temperatura dos materiais condutivos, maiores a vibração interna e o movimento dos componentes que formam a estrutura atômica do fio, e mais difícil os elétrons livres encontrarem um caminho pelo material. RESISTÊNCIA: FIOS CIRCULARES Ry Copper R Copper Ry Copper op = P2>P1 b>h Aj>Ap R,>R, R,>R, R,>R, (a) (b) (c) Casos em que R, > R,. Em todos os casos, todos os outros parâmetros que influenciam a resistência são os mesmos. 30 31 EFEITOS DA TEMPERATURA • A temperatura tem um efeito significativo sobre as resistências de condutores, semicondutores e isolantes. - Condutores - Semicondutores - Isolantes EFEITOS DA TEMPERATURA R R Dil — Temperature + Temperature o eeficient coelficient = [= 0| Temperature ] Temperature ta) (b) Demonstração dos efeitos de coeficientes de temperatura negativo e positivo sobre a resistência de um condutor. 32 35 Temperatura Absoluta Inferida 2 2 1 1 5,2345,234 R T R T + = + Exemplo Se a resistência de um fio de cobre é 50  a 20C, qual será a Sua resistência a 100C? ohmsR R 72,65 5,254 5,33450 1005,234 50 205,234 2 2 =  = + = + 36 CONDUTÂNCIA • Quando calculamos o inverso da resistência de um material, obtemos uma medida da facilidade com que o material conduz eletricidade. • Essa grandeza é denominada condutância, cujo símbolo é G e cuja medida é dada em siemens (S). R G 1 = 37 OHMÍMETROS • O ohmímetro é um instrumento usado para realizar, entre outras, as seguintes tarefas: – Medir a resistência de um elemento individual ou de elementos combinados. – Detectar situações de “circuito aberto” (resistência alta) e de “curto-circuito” (resistência baixa). – Verificar a continuidade das conexões de um circuito e identificar fios em um cabo com múltiplas vias. – Testar alguns dispositivos semicondutores (eletrônicos). – Jamais conecte a um circuito energizado. TIPOS DE RESISTORES Resistores fixos TAMANHO REAL 5W 3W 1W m Iaw m Vw Figura 3.14 Resistores fixos de carbono com diferentes especificações de potência. 41 TIPOS DE RESISTORES Resistores variáveis • Os resistores variáveis, como o próprio nome sugere, têm uma resistência que pode ser variada ao se girar um botão, um parafuso ou o que for apropriado para a aplicação específica. • Eles podem ter dois ou três terminais, mas a maioria possui três. • Quando um dispositivo de dois ou três terminais é usado como um resistor variável, geralmente ele é denominado reostato. 42 TIPOS DE RESISTORES Resistores variáveis • Se um dispositivo de três terminais é usado para controlar níveis de potência, então ele é normalmente denominado potenciômetro. • Mesmo que um dispositivo de três terminais possa ser usado como reostato ou potenciômetro (dependendo de como ele é conectado), ele costuma ser denominado potenciômetro quando aparece em revistas especializadas ou em listas de componentes para aplicações específicas. 45 CÓDIGO DE CORES E VALORES PADRONIZADOS DE RESISTORES • Há uma grande variedade de resistores, fixos e variáveis, suficiente para ter o valor da resistência escrita em ohms em seu encapsulamento. • Entretanto, alguns são muito pequenos para terem números impressos, então um sistema de código de cores é usado. • Para os resistores de filme fino, quatro, cinco ou seis faixas coloridas podem ser usadas. O esquema de quatro faixas é descrito aqui. • Mais tarde, nesta seção, as finalidades da quinta e da sexta faixas serão descritas. 46 Cor Valor Fat. Multip. Tolerância Preto 0 x100 - Marrom 1 x101 ±1% Vermelho 2 x102 ±2% Laranja 3 x103 - Amarelo 4 x104 - Verde 5 x105 ±0,5% Azul 6 x106 ±0,25% Roxo 7 x107 ±0,1% Cinza 8 x108 ±0,05% Branco 9 x109 - Dourado - x0,1 ±5% Prateado - x0,01 ±10% nenhum - - ±20% Com 3 ou 4 faixas: Cor 1: 1º dígito Cor 2: 2º dígito Cor 3: fator multiplicativo Cor 4: tolerância Com 5 faixas: Cor 1: 1º dígito Cor 2: 2º dígito Cor 3: 3º dígito Cor 4: fator multiplicativo Cor 5: tolerância CÓDIGO DE CORES E VALORES PADRONIZADOS DE RESISTORES 47 APLICAÇÕES Aquecedor elétrico • Uma das aplicações mais comuns da resistência é feita em aparelhos domésticos para preparação de alimentos como torradeiras e aquecedores elétricos, nos quais o calor é gerado por uma corrente que passa por um elemento resistivo usado para realizar uma função útil.