Eletrônica I, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”

Campinas – S.P.

Eletrônica I

 SENAI-SP, 2004

Trabalho elaborado pela Escola Senai “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”

Coordenação Geral Magno Diaz Gomes

Equipe responsável

Coordenação Luíz Zambon Neto

Elaboração Edson Carretoni Júnior

Versão Preliminar

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Avenida da Saudade, 125, Bairro Ponte Preta CEP 13041-670 - Campinas, SP [email protected]

Unidade IV Análises em Corrente Alternada

Reatância Indutiva Capacitores Reatância Capacitiva Impedância Potência em Corrente Alternada Transformadores Osciloscópio Medição de sinais com osciloscópio Gerador de funções

Referências Bibliográficas

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Energia

Freqüentemente usamos a palavra energia. Às vezes, ouvimos dizer que determinado alimento é rico em energia, que recebemos energia do sol ou então, que o custo da energia elétrica aumentou. Fala-se também em energia térmica, química, nuclear... A energia está presente em quase todas as atividades do homem moderno.

Por isso, para o profissional da área eletroeletrônica, é primordial conhecer os segredos da energia elétrica.

Neste primeiro capítulo, estudaremos algumas formas de energia que se conhece, sua conservação e unidades de medida.

Energia e Trabalho A energia está sempre associada a um trabalho. Por isso, dizemos que energia é a capacidade que um corpo possui de realizar um trabalho. Como exemplo de energia, pode-se citar uma mola comprimida ou estendida, e a água, represada ou corrente.

Assim como há vários modos de realizar um trabalho, também há várias formas de energia. Em nosso curso, falaremos mais sobre a energia elétrica e seus efeitos, porém devemos ter conhecimentos sobre outras formas de energia.

Dentre as muitas formas de energia que existem, podemos citar:

• energia potencial;
• energia cinética;
• energia mecânica;
• energia térmica;
• energia química;
• energia elétrica.

baterias ou acumuladores que, por meio de uma reação química geram ou armazenam energia elétrica.

Transformação de energia mecânica em energia elétrica, quando a água de uma represa flui através das comportas e aciona as turbinas dos geradores da hidroelétrica.

Transformação de energia elétrica em mecânica que acontece nos motores elétricos que, ao receberem a energia elétrica em seu enrolamento, transformam-na em energia mecânica pela rotação de seu eixo.

Unidades de Medida de Energia Para melhor conhecermos as grandezas físicas, é necessário medi-las. Há grandezas cuja medição é muito simples. Por exemplo, para se medir o comprimento, basta apenas uma régua ou uma trena. Outras grandezas, porém exigem aparelhos complexos para sua medição.

As unidades de medida das grandezas físicas são agrupadas em sistemas de unidades onde as medidas foram reunidas e padronizadas no Sistema Internacional de Unidades , abreviado para a sigla SI.

A unidade de medida de energia é chamada joule , representada pela letra J , e corresponde ao trabalho realizado por uma força constante de um newton (unidade de medida de força) que desloca seu ponto de aplicação de um metro na sua direção.

As grandezas formadas com prefixos SI têm múltiplos e submúltiplos. Os principais são apresentados na tabela a seguir.

Prefixo SI Símbolo Fator multiplicador Giga G 109 = 1 000 000 000 Mega M 106 = 1 000 000 Quilo K 103 = 1 000 Mili m 10 -3^ = 0, Micro μ 10 -6^ = 0,000 001 Nano n 10 -9^ = 0,000 000 001 Pico p 10 -12^ = 0,000 000 000 001

Você deve se familiarizar com todas as unidades com os prefixos SI e suas unidades derivadas, pois elas serão usadas durante todo o curso.

Exercícios Responda às seguintes perguntas: a) O que é energia?

b) Cite dois tipos de transformação de energia.

c) Cite três formas de energia.

d) Dê um exemplo prático de energia cinética, não citado no texto.

e) Qual é a unidade de medida de energia?

f) Cite um efeito fisiológico da energia elétrica.

Molécula Molécula é a menor partícula em que se pode dividir uma substância de modo que ela mantenha as mesmas características da substância que a originou. Tomemos como exemplo uma gota de água: se ela for dividida continuamente, tornar-se-á cada vez menor, até chegarmos à menor partícula que conserva as características da água, ou seja, a molécula de água. Veja, na ilustração a seguir, a representação de uma molécula de água.

As moléculas se formam porque, na natureza, todos os elementos que compõem a matéria tendem a procurar um equilíbrio elétrico.

Átomo Os animais, as plantas, as rochas, as águas dos rios, lagos e oceanos e tudo o que nos cerca é composto de átomos.

O átomo é a menor partícula em que se pode dividir um elemento e que, ainda assim, conserva as propriedades físicas e químicas desse elemento.

Observação Os átomos são tão pequenos que, se forem colocados 100 milhões deles um ao lado do outro, formarão uma reta de apenas 10 mm de comprimento. O átomo é formado de numerosas partículas. Todavia, estudaremos somente aquelas

átomos de

hidátomo de ê i

= molécula

átomo átomo

que mais interessam à teoria eletrônica. Existem átomos de materiais como o cobre, o alumínio, o neônio, o xenônio, por exemplo, que já apresentam o equilíbrio elétrico, não precisando juntar-se a outros átomos. Esses átomos, sozinhos, são considerados moléculas também.

Constituição do Átomo O átomo é formado por uma parte central chamada núcleo e uma parte periférica formada pelos elétrons e denominada eletrosfera.

O núcleo é constituído por dois tipos de partículas: os prótons , com carga positiva, e os nêutrons , que são eletricamente neutros.

Veja a representação esquemática de um átomo na ilustração a seguir.

Os prótons, juntamente com os nêutrons, são os responsáveis pela parte mais pesada do átomo.

Os elétrons possuem carga negativa. Como os planetas do sistema solar, eles giram na eletrosfera ao redor do núcleo, descrevendo trajetórias que se chamam órbitas.

Na eletrosfera os elétrons estão distribuídos em camadas ou níveis energéticos. De acordo com o número de elétrons, ela pode apresentar de 1 a 7 níveis energéticos, denominados K, L, M, N, O, P e Q.

Os átomos podem ter uma ou várias órbitas, dependendo do seu número de elétrons. Cada órbita contém um número específico de elétrons.

órbita núcleo elétron

próton

órbita

nêutron

letras de identifi-cação das órbitas nelétrons por órbitao^ mínimo de

Prótons = + Elétrons = -7_ Resultado = +

A transformação de um átomo em íon ocorre devido a forças externas ao próprio átomo. Uma vez cessada a causa externa que originou o íon, a tendência natural do átomo é atingir o equilíbrio elétrico. Para atingir esse equilíbrio, ele cede elétrons que estão em excesso ou recupera os elétrons em falta.

Exercícios Resolva as seguintes questões: a) Quais as partículas subatômicas que constituem o átomo?

b) Relacione a segunda coluna com a primeira.

1. Região central do átomo, formada pelo agrupamento dos prótons e dos nêutrons
2. Região do espaço onde os elétrons se movimentam
   3. Os elétrons que orbitam ao redor do núcleo do átomo estão distribuídos em
3. Camada externa de eletrosfera onde se realizam as reações químicas e elétricas

( ) camada de valência ( ) camadas ou níveis energéticos ( ) núcleo ( ) eletrosfera ( ) prótons

c) Qual a condição necessária para que um átomo esteja em equilíbrio elétrico?

d) Como se denomina um átomo que perdeu elétrons na sua camada de valência?

e) Como se denomina um átomo que recebeu elétrons na camada de valência?

f) O que se pode afirmar a respeito do número de elétrons e prótons de um íon positivo?

g) Quais elétrons são denominados de elétrons livres?

h) Qual é a carga elétrica dos prótons, nêutrons e elétrons?

i) O que é molécula?

j) O que é camada de valência?

k) Qual é a diferença entre ânions e cátions?

l) Cite algo que não seja matéria.

Entre corpos eletrizados, ocorre o efeito da atração quando as cargas elétricas têm sinais contrários. O efeito da repulsão acontece quando as cargas elétricas dos corpos eletrizados têm sinais iguais.

No estado natural, qualquer porção de matéria é eletricamente neutra. Isso significa que, se nenhum agente externo atuar sobre uma determinada porção da matéria, o número total de prótons e elétrons dos seus átomos será igual.

Essa condição de equilíbrio elétrico natural da matéria pode ser desfeita, de forma que um corpo deixe de ser neutro e fique carregado eletricamente.

O processo pelo qual se faz com que um corpo eletricamente neutro fique carregado é chamado eletrização.

A maneira mais comum de se provocar eletrização é por meio de atrito. Quando se usa um pente, por exemplo, o atrito provoca uma eletrização negativa do pente, isto é, o pente ganha elétrons.

Ao aproximarmos o pente eletrizado positivamente de pequenos pedaços de papel, estes são atraídos momentaneamente pelo pente, comprovando a existência da eletrização.

opostas se^ cargas atraem

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A eletrização pode ainda ser obtida por outros processos como, por exemplo, por contato ou por indução. Em qualquer processo, contudo, obtém-se corpos carregados eletricamente.

Descargas Elétricas Sempre que dois corpos com cargas elétricas contrárias são colocados próximos um do outro, em condições favoráveis, o excesso de elétrons de um deles é atraído na direção daquele que está com falta de elétrons, sob a forma de um descarga elétrica. Essa descarga pode se dar por contato ou por arco.

Quando dois materiais possuem grande diferença de cargas elétricas, uma grande quantidade de carga elétrica negativa pode passar de um material para outro pelo ar. Essa é a descarga elétrica por arco. O raio, em uma tempestade, é um bom exemplo de descarga por arco.

Relação entre Desequilíbrio e Potencial Elétrico Por meio dos processos de eletrização, é possível fazer com que os corpos fiquem intensamente ou fracamente eletrizados. Um pente fortemente atritado fica intensamente eletrizado. Se ele for fracamente atritado, sua eletrização será fraca.

carregadas^ nuvens eletricamente(com cargas negativas)

descargaelétrica ponto de descar-ga (com falta de elétrons)

fraca eletrização

A quantidade de carga elétrica que um corpo possui, é determinada pela diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que o corpo contém.

O símbolo que representa a quantidade de carga elétrica de um corpo é Q e sua unidade de medida é o coulomb (c).

Observação

Diferença de Potencial Quando se compara o trabalho realizado por dois corpos eletrizados, automaticamente está se comparando os seus potenciais elétricos. A diferença entre os trabalhos expressa diretamente a diferença de potencial elétrico entre esses dois corpos.

A diferença de potencial (abreviada para ddp) existe entre corpos eletrizados com cargas diferentes ou com o mesmo tipo de carga.

A diferença de potencial elétrico entre dois corpos eletrizados também é denominada de tensão elétrica , importantíssima nos estudos relacionados à eletricidade e à eletrônica.

Observação No campo da eletrônica e da eletricidade, utiliza-se exclusivamente a palavra tensão para indicar a ddp ou tensão elétrica.

1 coulomb = 6,25 x 10^18 elétrons

Unidade de medida de tensão elétrica A tensão (ou ddp) entre dois pontos pode ser medida por meio de instrumentos. A unidade de medida de tensão é o volt , que é representado pelo símbolo V.

Como qualquer outra unidade de medida, a unidade de medida de tensão (volt) também tem múltiplos e submúltiplos adequados a cada situação. Veja tabela a seguir:

Denominação Símbolo Valor com relação ao volt megavolt MV 106 V ou 1000000V quilovolt kV 103 V ou 1000V Unidade (^) volt V - milivolt mV 10 -3^ V ou 0,001V microvolt (^) μV 10 -6^ V ou 0,000001V

A conversão de valores é feita de forma semelhante a outras unidades de medida.

kV V mV (^) μV

Exemplos de conversão: a) 3,75V = _ _ _ _ _ mV V mV V mV 3 7 5 - 3 7 5 0 ↑(posição da vírgula) ↑ (nova posição da vírgula) 3,75V = 3750 mV

b) 0,6V = _ _ _ _ _ mV V mV V mV 0 6 0 6 0 0 ↑ ↑ 0,6V = 600 mV c) 200 mV = _ _ _ _ _ _V V mV V mV 2 0 0 0 2 0 0 ↑ ↑ 200 mV = 0,2V

d) 0,05V = _ _ _ _ _ _ mV V mV V mV 0 0 5 0 0 5 0 ↑ ↑

Observação Em eletricidade empregam-se mais freqüentemente o volt e o quilovolt como unidades de medida, ao passo que em eletrônica as unidades de medida mais usadas são o volt , o milivolt e o microvolt.

Múltiplos

Submúltiplos