Fundamentos da eletrotecnica, Exercícios de Matérias técnicas

Baixe Fundamentos da eletrotecnica e outras Exercícios em PDF para Matérias técnicas, somente na Docsity!

1

INSTITUTO CENTRO DE ENSINO TECNOLÓGICO- CENTEC

CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA

FLÁVIO MURILO DE CARVALHO LEAL

FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA

Juazeiro do Norte 2013

FLÁVIO MURILO DE CARVALHO LEAL

FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA

Material de apoio para alunos do curso técnico de nível médio em Eletrotécnica abordando o conteúdo da ementa da disciplina de Fundamentos de Eletrotécnica, módulo II, do Instituto Centro de Ensino Tecnológico.

Juazeiro do Norte 2013

RESUMO

Desde sempre o homem busca formas de energia para aplicação no

dia a dia, para realizar desde as atividades mais básicas como preparar um

alimento ou iluminar algum lugar, até as mais sofisticadas, como colocar em

movimento um potente carro movido à eletricidade. Devido a essa imensa abrangência de aplicação é que se faz necessário o estudo dos aspectos mais

básicos envolvidos na geração, distribuição e aplicação da eletricidade.

Iremos ver os benefícios e riscos que esse fenômeno físico nos

oferece, bem como suas aplicações. Estudaremos formas de analisar um

circuito elétrico, o comportamento de uma corrente aplicada a uma carga

matematicamente e fisicamente, entre diversas outras coisas.

É importante também saber que tal conhecimento não é possível sem o prévio conhecimento básico em outras áreas da ciência, como a química e até

mesmo a biologia. Afinal, sabe-se que não se cria e nem se perde qualquer

coisa no universo, tudo é transformado. Essa transformação acontece de

diferentes maneiras e é justamente disso e de outras coisas importantes que

iremos tratar mais adiante.

LISTA DE FIGURAS

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 10

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

1. INTRODUÇÃO

1.1 - Átomo

O átomo é a menor parte que compõe um elemento e elementos são a base para composição de toda matéria que existe. Um átomo é composto de um núcleo com prótons (que têm carga positiva) e nêutrons (têm carga neutra), enquanto que ao redor desse núcleo orbitam os elétrons (com carga negativa).

Figura 1 – Átomo

1.1.1 - Elétrons

Possuem massa muito pequena. Esse movimento é muito rápido e em 8 camadas diferentes denominadas eletrosfera onde a mais externa é a mais energética e é chamada de camada de valência.

Figura 2 - Camadas do átomo

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 11

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

1.1.2 - Prótons

Junto com os nêutrons, formam o núcleo e possuem carga elétrica positiva com mesmo valor absoluto que a carga dos elétrons fazendo com que estes tendam a se atrair. Mas porque não ocorre a atração já que ambos têm cargas elétricas opostas? Isso se deve ao fato de que a força de atração entre prótons e elétrons é anulada pela força centrípeta provocada pelo movimento dos elétrons ao redor do núcleo, numa velocidade extremamente rápida.

1.1.3 - Nêutrons

Junto com os prótons, compõe quase 100% da massa de um átomo. Estabilizam o núcleo evitando que aconteça uma fissão nuclear causado pelo choque entre prótons, para isso ficam dispostos em posições estratégicas intercalados entre um próton e outro.

Curiosidade : Apenas um átomo de hidrogênio não possui nêutrons, mas apenas um elétron que gira em torno de um próton.

Figura 3 - Átomo de hidrogênio

1.2 - Molécula

Possui dois ou mais átomos, unidos por meio de uma ligação covalente. Os metais e todas as substâncias como o sal de cozinha são exceção por se formarem por meio de ligação metálica (no caso dos metais) e por ligação iônica (como é o caso do sal de cozinha).

A geometria molecular estuda como os átomos estão dispostos espacialmente em uma molécula e classifica essa disposição em linear, angular, trigonal plana, piramidal e tetraédrica.

Figura 4 - Peróxido de hidrogênio

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 13

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

2. ELETROESTÁTICA

2.1 – Princípios da eletroestática

É a parte da física que estuda as propriedades das cargas elétricas em repouso em relação a um referencial inercial.

2.1.1 – Princípio da atração e repulsão

Ao aproximarmos dois corpos previamente energizados, podemos observar que haverá repulsão caso ambos estejam positivamente ou ambos negativamente carregados. Porém se cada corpo possui cargas opostas, haverá atração entre eles.

Figura 7 - Atração e repulsão entre corpos

2.1.2 – Princípio da conservação das cargas elétricas

Se um sistema está isolado eletricamente, então a soma algébrica das cargas positivas e negativas é constante.

Por exemplo, se tivermos um corpo A e um corpo B com carga e respectivamente, então a carga deles continua sendo e até que os dois entrem em contato físico, provocando a transferência de carga, fazendo então com que as cargas sejam e. A soma algébrica entre a carga inicial de ambos é igual a carga final:

• = + = constante

Esta condição só é válida se estes dois corpos estiverem isolados, sem nenhum contato com um terceiro corpo.

Figura 8 - Conservação de carga após contato entre corpos

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 14

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

2.2 – Eletrização

A eletrização pode ocorrer por atrito, por contato ou por indução.

Acontece quando um corpo entra em contanto com outro mais ou menos carregado, visto que não se pode criar e nem perder energia, mas transformar

ou transferir.

2.2.1 – Condutores e isolantes

Materiais como o metal têm elétrons mais afastados do núcleo, portanto

estão mais fracamente ligados a ele. Quando uma pequena força os estimula,

eles abandonam o átomo e se movimentam pela órbita de outros núcleos

vizinhos, produzindo assim a condução de eletricidade, espalhando carga por

todo o material. Estes elétrons mais afastados são os elétrons livres e estes materiais são chamados de condutores.

Quando um material como o vidro sofre algum estimulo, como o atrito,

apenas a parte que foi estimulada mantém carga elétrica, não há o

espalhamento de carga por todo o material. Estes são chamados de isolantes.

Este tipo de material é útil quando se quer proteger o meio externo de um

material isolante eletrizado, como é o caso dos cabos elétricos.

Figura 9 - Cabo elétrico

Nenhum material é completamente condutor e nenhum é completamente

isolante. O que existem são bons condutores (metal, grafite) e bons isolantes

(mica, ebonite). Podemos então afirmar que todo material que existe é

condutor, seja ele bom ou mal condutor. Concluímos então que o nosso corpo

e o planeta Terra também são condutores.

Imagine, por exemplo, que façamos atrito em um bastão de metal com

nossas mãos. Os elétrons em excesso irão se espalhar pelo nosso corpo, pelo

bastão de metal e pela Terra. Porém, devido às dimensões reduzidas do

bastão em relação à Terra, o bastão não irá se eletrizar. Podemos dizer dessa

forma que ao ligarmos um condutor que estiver eletrizado a Terra, ele irá

perder a sua eletrização.

2.2.2 – Eletrização por atrito

Se pegarmos dois corpos inicialmente neutros (com a mesma quantidade de prótons e elétrons) e atritarmos um com o outro haverá a

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 16

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

2.2.4 – Eletrização por indução

Se aproximarmos, sem permitir o contato um corpo A carregado de um

corpo B neutro, os prótons de A atrairão os elétrons de B ou vice-versa

fazendo com que estes se mantenham concentrados em uma parte específica de B. Se conectarmos B à Terra, haverá o escoamento para a Terra da carga de B de mesmo sinal da carga de A e a Terra envia a B carga de sinal contrário a carga de A até que B se estabilize.

Ainda na presença de A, desconecta-se B da Terra e só então se afasta o corpo A. As cargas em excesso de B irão se espalhar por todo o seu corpo imediatamente, dessa forma B fica eletrizado.

Chamamos, neste caso, o corpo A de indutor e B de induzido. A todo este processo chamamos de indução eletroestática.

Figura 13 - Eletrização por indução

2.2.5 – Carga elétrica puntiforme

É a carga de um corpo que tem dimensões desprezíveis em relação a distância que o separa de um outro corpo eletrizado.

2.2.6 – Lei de Coulomb

Se considerarmos duas cargas elétricas puntiformes e a uma distância d e supostamente no vácuo, elas irão se atrair se tiverem sinais opostos e se repelir se tiverem sinais iguais. De acordo com o princípio da ação e reação, em caso de repulsão, a força entre essas cargas será de mesma intensidade, na mesma direção e em sentidos opostos. A intensidade dessa

força depende da distância d entre elas e do valor das cargas e.

Figura 14 - Lei de Coulomb

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 17

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

Experimentalmente, Coulomb determinou que “a intensidade da força

mútua entre as cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto do

valor destas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância

entre elas”

Matematicamente:

Onde k é a constante eletroestática do vácuo. Esta constante vale:

ATIVIDADE PRÁTICA I – Eletrização por atrito e por indução

Faça atrito com um objeto de plástico (caneta, por exemplo) em sua roupa ou seu cabelo, aproxime de papel picotado e observe o que acontece. Depois responda:

1 – Por que o plástico atrai os pedaços de papel?

2 – Por que os pedaços de papel caem após o contato com o plástico?

Faça novamente o atrito com o objeto de plástico e dessa vez aproxime- o de um filete de água. Agora responda:

1 – O que acontece com o filete de água?

2 – Por que isto acontece?

ATIVIDADE PRÁTICA II – Pêndulo elétrico

Amarre uma linha num canudo sanfonado e na extremidade amarre uma bolinha de isopor, novamente atrite uma caneta de plástico no cabelo ou na roupa e aproxime da bolinha. Observe o que acontece e responda:

1 – Explique o que acontece eletricamente ao aproximar a caneta da bolinha e encostar os dois.

2 – Como fazer para saber o sinal da carga da caneta?

ATIVIDADE PRÁTICA II – Pêndulo elétrico

Repita e experiência anterior, porém com um eletroscópio de folhas metálicas e explique o que acontece.

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 19

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

**Comprovado pela experiência do Físico dinamarquês Hans Christian Öerted, em que a corrente elétrica que passa em um fio deflete a agulha de uma bússola.

2.3.2 – Unidade de intensidade de campo elétrico

De forma análoga ao campo gravitacional da Terra, a força é gerada pelo produto entre uma grandeza escalar por uma vetorial. Matematicamente, fazemos esta analogia:

Na terra:

⃗⃗ = m. ⃗⃗ , onde a massa (m) é o fator escalar e a aceleração da

gravidade ou campo gravitacional é o fator vetorial ( ⃗⃗ ). O produto de ambos

resulta em um fator vetorial, que é a Força Peso ( ⃗⃗ ).

No campo elétrico:

⃗⃗⃗⃗ = q. ⃗⃗ , onde a carga de prova (q) é o fator escalar (análoga a m) e o

campo elétrico ( ⃗⃗ ) é o fator vetorial (análogo a ⃗⃗ ). O produto de ambos resulta

em um fator vetorial, que é a Força Elétrica ⃗⃗⃗⃗ (análogo a ⃗⃗ ).

Da notação vetorial ⃗⃗⃗⃗ = q. ⃗⃗ , vem. = |q|. E (em módulo). Então:

E =

Onde E é unidade de intensidade de campo elétrico, é unidade de intensidade de força e |q| é unidade de carga.

De acordo com o Sistema Internacional:

1 E = 1 = 1

2.3.3 – Linhas de força

Um vetor ⃗⃗ está associado a cada ponto do campo elétrico.

Desenhando um determinado número de linhas tangentes ao vetor ⃗⃗ e

orientadas no mesmo sentido, teremos uma representação gráfica de um campo elétrico. Estas linhas utilizadas para a representação gráfica do campo elétrico são chamadas de linhas de força.

Fundamentos de Eletrotécnica – Instituto Centro de Ensino Tecnológico 20

Prof. Flávio Murilo de Carvalho Leal

Figura 15 - Linhas de força

Caso o vetor E tenha a mesma intensidade, mesma direção e mesmo sentido em todos os pontos então o campo elétrico é uniforme.

Figura 16 - Campo elétrico uniforme

2.4 – Trabalho e potencial elétrico

Como sabemos, na mecânica, o trabalho ( ) é o produto de uma força ( F ) aplicada num intervalo de espaço ( ∆S ou d ).

= F.d

Para calcular o trabalho num campo elétrico, utilizamos a força elétrica

( ) e o módulo de deslocamento entre os pontos A e B ( d ):

= .d

Vimos anteriormente que = q. E , então o trabalho realizado entre os pontos A e B é:

= q.E.d

2.4.1 – Diferença de potencial elétrico

O trabalho da força resultante que age em uma carga elétrica q depende dos pontos de partida A e de chegada B (imagem), não da forma da trajetória.