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CURSO TÉCNICO EM MANUTENÇÃO E
SUPORTE EM INFORMÁTICA
ELETRICIDADE
BÁSICA
Professora: Ana Flávia Peixoto de Camargos
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA
ESCOLA TÉCNICA ABERTA DO BRASIL
2010
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IFMG eletricidade basica , Notas de estudo de Sistemas de Informação
elétrica básica
Tipologia: Notas de estudo
2012
1 / 102
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CURSO TÉCNICO EM MANUTENÇÃO E
SUPORTE EM INFORMÁTICA
ELETRICIDADE
BÁSICA
Professora: Ana Flávia Peixoto de Camargos MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA ESCOLA TÉCNICA ABERTA DO BRASIL 2010
Indicação de ícones
Os ícones são elementos gráficos utilizados para ampliar as formas de linguagem e facilitar a organização e a leitura hipertextual. Atenção: indica pontos de maior relevância no texto. Saiba mais: oferece novas informações que enriquecem o tema estudado. Glossário: indica a definição de um termo, palavra ou expressão utilizada no texto. Mídias Integradas: sempre que se desejar que os estudantes desenvolvam atividades empregando diferentes mídias: vídeos, filmes, jornais, ambiente AVEA e outras. Atividades de aprendizagem: apresenta atividades em diferentes níveis de aprendizagem para que o estudante possa realizá-las e conferir o seu domínio do tema estudado.
- Sumário
- Palavra da professora-autora
- Projeto instrucional
- Aula 1 - Estrutura atômica, campo elétrico e potencial elétrico
- 1.1 Carga elétrica e estrutura da matéria
- 1.2 Processo de eletrização
- 1.3 Condutores, semicondutores e isolantes.........................................................................
- 1.4 Lei de Coulomb
- 1.5 Campo elétrico
- 1.6 Trabalho e potencial elétrico
- Aula 2 Conceitos básicos da eletricidade
- 2.1 Corrente contínua e alternada
- 2.2 Valor médio e valor eficaz
- 2.3 Força eletromotriz
- 2.4 Resistividade, resistência e Lei de Ohm.........................................................................
- Aula 3 - Introdução aos circuitos de corrente contínua
- 3.1 Resistores em série e paralelo
- 3.2 Capacitores em série e em paralelo
- 3.3 Lei de Kirchhoff
- 3.4 Curto-circuito e circuito aberto
- 3.5 Instrumentos de medidas elétricas..................................................................................
- Aula 4 - Eletromagnetismo
- 4.1 Campo magnético...........................................................................................................
- 4.2 Força magnética
- 4.3 Fluxo magnético
- 4.4 Aplicação do campo magnético
- Referências
- Currículo da professora-autora
Palavra da professora-autora
Caro aluno, a disciplina de Eletricidade Básica irá te auxiliar e lhe dará base em várias outras disciplinas do curso Técnico em Manutenção e Suporte em Informática. É de grande importância você aprender os principais conceitos e definições da Eletricidade para que você possa avançar o seu curso e conseguir cursar as outras disciplinas, como por exemplo, Introdução a Instalações Elétricas. A Eletricidade está presente em nosso dia a dia! Não podemos viver sem ela. Então, cabe a você, aluno, estudar bastante e se dedicar para aprendê-la e saber aplicá-la. Não podemos estudar Eletricidade sem aprender os princípios básicos da Física, os quais permitem que você tenha uma compreensão mais ampla da tecnologia que está presente em nosso cotidiano e como lidar com situações reais. Essa disciplina irá te permitir utilizar com mais segurança e eficiência os recursos tecnológicos, interpretar manuais, instruções técnicas, dentre outras coisas. Esse curso irá lhe proporcionar trabalhar em várias áreas produtivas dentro de uma empresa. Atualmente, qualquer empresa não sobrevive sem os recursos que a área da informática proporciona, e sendo assim, será de suma importância você aprender um pouco sobre a Eletricidade. Iremos trabalhar nessa disciplina com estrutura atômica dos materiais, as grandes diferenças dos condutores, semicondutores e isolantes. Iremos apresentar os principais elementos de um circuito elétrico, introduzir os circuitos de corrente contínua e mostrar quais são os principais instrumentos de medição. Por fim, iremos estudar o campo eletromagnético. Vale lembrar que essa disciplina é introdutória, mas caso você queira se aprofundar mais, as referências bibliográficas estão presentes para lhe ajudar. Caso você tenha dúvidas no andamento da matéria, o que é natural, procure o professor ou o tutor da disciplina para lhe auxiliar. O bom aprendizado só depende de você! Então, vamos lá e nunca desista dos seus sonhos! Bom estudo!
elétrica.
- Conceitos básicos da eletricidade Estudar a diferença entre corrente contínua e corrente alternada. Aprender o conceito de valor médio, valor eficaz, força eletromotriz, potência e as características dos principais elementos de um circuito: resistência elétrica e capacitores. Compreender os conceitos de condutividade elétrica e de resistividade elétrica e como a resistividade pode variar com a temperatura. Caderno e Referências Bibliográficas 7 horas
- Introdução aos Circuitos CC Estudar os circuitos de corrente contínua, onde o sentido da corrente não varia com o tempo. Aprender como calcular um valor de tensão, corrente e resistência. Aprender a determinar a resistência equivalente e a capacitância equivalente os quais podem estar dispostos no circuito de forma paralela ou em série. Caderno e Referências Bibliográficas 8 horas
Estudar quais são os instrumentos de medição utilizados para medir a corrente e a tensão no circuito.
- Campo eletromagnético Estudar o magnetismo que está presente em vários mecanismos no nosso dia a dia, tais como: máquinas elétricas, computadores, microondas, etc. Compreender os conceitos de força magnética e fluxo magnético, bem como estudar várias aplicações do campo magnético. Caderno e Referências Bibliográficas 7 horas
Núcleo
Elétrons
Figura 1.1: Estrutura do átomo Fonte: http://www.picturesandbox.com As massas das partículas individuais são iguais a: Massa do elétron: 9,1093897 x 10-^31 Kg Massa do próton: 1,6726231 x 10-^27 Kg Massa do nêutron: 1,6749286 x 10-^27 Kg O próton tem massa 2000 vezes maior que a do elétron. A carga do próton é designada por e e a do elétron de e , onde e é a unidade fundamental de carga. Os elétrons são mantidos no interior de um átomo pela força de atração elétrica entre o núcleo positivo e os elétrons. Todas as cargas, designadas por Q , que podem aparecer na natureza são múltiplas da unidade fundamental de carga e. Assim: onde, a unidade SI de carga elétrica é o coulomb (C) e a unidade fundamental da carga elétrica e é igual a 1,60 x 10-^19 C. Assim, coulomb é a quantidade de carga elétrica que passa pela área da seção transversal de um fio condutor, em um segundo, e N é o número de elétrons.
Em seu estado natural, todo átomo tem o mesmo número de prótons e elétrons, ou seja, é eletricamente neutro. Quando dizemos onsiderando os prótons com carga elétrica positiva e os elétrons com carga elétrica negativa, então, estamos querendo dizer que esse corpo está com maior número de elétrons do que de prótons. De maneira contrária, outro corpo com carga positiva queremos dizer que o número de prótons é maior que o número de elétrons. Como os elétrons estão na eletrosfera, eles são facilmente removíveis. Assim quando removemos um ou mais elétrons do átomo neutro, a carga elétrica positiva resultante constitui um íon positivo; quando um átomo ganha um ou mais elétrons temos o íon negativo. O processo no qual o átomo ganha ou perde elétrons é denominado de ionização. Quando o número total de prótons for igual ao número total de elétrons, a carga total é igual a zero; então, dizemos que o corpo está eletricamente neutro. Assim, podemos definir um princípio muito importante na física o qual é conhecido como princípio da conservação da carga elétrica. Esse princípio diz que a soma algébrica de todas as cargas elétricas existentes em um sistema isolado permanece sempre constante, ou seja, a carga elétrica se conserva. Quando atritamos dois corpos, não há criação de carga, apenas transferência de elétrons entre eles. Assim, podemos dizer que a carga líquida dos dois corpos atritados em conjunto não se altera. http://www.youtube.com/watch?v=gUGh-oRlrb http://www.youtube.com/watch?v=cuVvgkY39oU&NR=
Figura 1.2: Eletrização por atrito Fonte: Adaptado de Young et al. ( 2009 ) Da análise dessas informações, podemos concluir que duas cargas positivas se repelem e duas cargas negativas também se repelem, enquanto que, cargas com sinais opostos se atraem. 1.2.2 Eletrização por contato Sejam duas esferas metálicas, designadas por A e B , conforme ilustrado na Figura 1. 3 a. Considere a esfera A carregada positivamente, enquanto a esfera B está neutra. Quando colocamos as duas em contato, tal como ilustrado na Figura 1.3b, a esfera B tende a neutralizar A , com a transferência de elétrons de B para A , até que as duas atinjam a mesma carga, como pode ser visualizado na Figura 1.3c. Dessa forma, ocorre a eletrização por contato. Cargas com sinais iguais se repelem, enquanto que, cargas com sinais
contrários se atraem.
Figura 1. 3 : Eletrização por contato Fonte: http://www.picturesandbox.com 1.2.3 Eletrização por indução Considere uma esfera metálica apoiada sobre um suporte isolante, como ilustrado na Figura 1.4a. Um bastão carregado negativamente, ao se aproximar da esfera, mesmo que o bastão não toque na esfera, os elétrons livres da esfera metálica são repelidos pelo excesso de elétrons do bastão e descolados para a direita da esfera, afastando-se do bastão. Podemos dizer que em cada lado da esfera surgiu uma carga induzida, como visualizado na Figura 1.4b. Quando ainda mantivermos o bastão próximo da esfera e ligarmos um fio condutor sobre o lado direito da esfera, e em contato com a terra, muitas cargas negativas fluem através do fio para a terra, tal como ilustrado na Figura 1.4c. Se nesta situação removermos o fio condutor, uma carga líquida positiva ficará sobre a esfera. Assim, a esfera metálica ficará carregada por indução, como pode ser visualizado na Figura 1.4 e (TIPLER, 1995). Figura 1.4: Eletrização por indução Fonte: Autoria própria Quando um corpo é eletrizado, não há destruição nem criação de cargas elétricas. Na verdade o que acontece é que as cargas elétricas passam de um corpo a outro através da eletrização por atrito ou contato ou então, ocorre a eletrização por indução, onde as cargas se separam dentro do corpo.
Figura 1. 6 : Estrutura do cobre Fonte: http://www.picturesandbox.com Quando um grande número de átomo de cobre, por exemplo, organiza-se numa amostra de cobre metálico, a ligação dos elétrons de cada átomo se altera em virtude das interações dos átomos vizinhos. Um, ou mais de um, entre os elétrons externos de cada átomo, não mais estão ligados ao núcleo, mas tem a liberdade de se deslocar por toda a amostra do metal. O átomo de cobre, desprovido de um dos seus elétrons externos, tem uma carga positiva e é um íon positivo, como já introduzido anteriormente. Em situação normal, um condutor é eletricamente neutro, pois a cada íon de uma configuração regular com uma carga positiva +e corresponde um elétron livre com a carga negativa e. Um condutor pode ter uma carga líquida diferente de zero pela adição ou remoção de elétrons livres (TIPLER, 1995). Continuando a análise da Figura 1. 6 podemos ver que a parte central de um átomo de cobre tem 29 prótons e nas suas três primeiras órbitas tem 28 elétrons internos. A órbita externa é também chamada de órbita de valência. Assim, o elétron de valência é levemente atraído pela parte central, uma força externa pode facilmente deslocar esse elétron livre do átomo de cobre. Por isso, podemos dizer que o átomo de cobre é um bom condutor. Isso permite que o elétron livre num fio de cobre circule de um átomo
para outro. Os melhores condutores possuem um simples elétrons de valência, como por exemplo, a prata, o cobre e o ouro (MALVINO, 2001). Um condutor permite que ocorra o movimento de cargas elétricas através dele, enquanto um isolante não ocorre esse movimento. Em um isolante não existe praticamente nenhum elétron livre, e a carga elétrica não pode ser transferida através do material. Como já introduzido anteriormente, os elétrons se movimentam ao redor do núcleo do átomo em trajetórias circulares. Assim, essas trajetórias podem ser chamadas de faixas ou níveis os quais possuem um determinado valor de energia, onde o elétron pode transitar. Os elétrons com maiores níveis de energia são conhecidos como elétrons de valência, estão situados na banda de valência, ou seja, na camada mais afastada do núcleo do átomo. Se forem permitidos maiores níveis de energia na banda de valência, ou se a banda de valência se unir suavemente com a banda de condução, ocorre um fluxo de elétrons, como pode ser visualizado na Figura 1. 7 a. Neste caso, temos um condutor metálico. Mas, se o elétron com o maior nível de energia ocupar o nível do topo da banda de valência e existir uma grande banda proibida entre a banda de valência e a banda de condução, então, o elétron não pode receber energia adicional, assim o material passa a ser conhecido como isolante, tal como ilustrado na Figura 1. 7 b (MALVINO, 2001). Também ocorre uma condição intermediária quando somente uma pequena região proibida separa as duas bandas. Pequenas quantidades de energia na forma, por exemplo, de calor pode aumentar a energia dos elétrons do topo da banda preenchida e fornecer a base para condução. Estes materiais são conhecidos como semicondutores, como por exemplo, o silício e o germânio (MALVINO, 2001). A zero grau Kelvin, o semicondutor se comporta como um isolante perfeito, mas devido à pequena camada proibida, a agitação térmica do aumento da temperatura é capaz de fazer com que os elétrons da banda de valência pulem para a banda de condução, como pode ser visualizado na Figura 1. 7 c.
Coulomb conclui com suas experiências que a intensidade da força elétrica é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Assim, cada partícula exerce uma força sobre a outra. Se as partículas se repelem, a força que age sobre cada partícula está na direção contrária a da outra partícula, como mostra a Figuras 1. 8 a e 1. 8 b_._ Caso contrário, a força que age sobre cada partícula está no sentido da outra partícula, como mostra a Figura 1.7c. Figura 1. 8 : Duas partículas carregadas e separadas por uma distância r Fonte: Autoria própria A constante k é normalmente escrita como:
A grandeza (^) 0 é chamada de constante de permissividade e é igual a: Assim, a lei de Coulomb se transforma em: A lei de Coulomb descreve apenas a interação entre duas cargas puntiformes. Quando duas cargas exercem força sobre uma terceira carga, podemos definir um princípio importante chamado de superposição das forças. Neste caso, a força total exercida sobre a terceira carga q 3 , pela carga q 1 e q 2 , é dada pela soma vetorial (módulo, sentido e direção) das forças que essas duas cargas exercem individualmente, tal como: Onde, por exemplo, podemos escrever a seguinte notação de como sendo a força atuando sobre a carga 3 devido a presença da carga 1 , e a força atuando sobre a carga 3 devido a presença da carga 2. http://www.youtube.com/watch?v=MURbr0sD8uc&feature=related A força que uma carga puntiforme exerce sobre outra carga está dirigida sobre a reta que une as duas cargas. Se as cargas tiverem o mesmo sinal, a força é repulsiva, caso contrário, a força é atrativa.