Manual do Electricista

Manual do Electricista

(Parte 4 de 8)

Uma bateria separa cargas eletricas atraves de reacoes quımicas. Se a carga e removida de alguma forma, a bateria separa mais cargas, transformando energia quımica em energia eletrica. Uma bateria pode produzir cargas, por exemplo, para forca-las atraves do filamento de uma lampada incandescente. Sua capacidade para realizar trabalho por reacoes eletricas e medida em Volt, unidade nomeada por Volta. Um volt e igual a 1 joule de trabalho ou energia por cada Coulomb de carga. A capacidade eletrica de uma bateria para realizar trabalho e denominada Forca Eletromotriz, ou fem.

Por causa de um acidente, no seculo XVIII o cientista italiano Luigi Galvani comecou uma cadeia de eventos que culminaram no desenvolvimento do conceito de voltagem e a invencao da bateria. Em 1780, um dos assistentes de Galvani noticiou que uma perna de ra dissecada se contraıra, quando ele tocava seu nervo com um escalpelo. Outro assistente achou que tinha visto uma faısca saindo de um gerador eletrico carregado ao mesmo tempo. Galvani concluiu que a eletricidade era a causa da contracao muscular da ra. Ele, erroneamente pensou, entretanto, que o efeito era devido a transferencia de um fluido, ou “eletricidade animal”, em vez da eletricidade convencional.

1.2.2 O conceito de potencial

Considere um certo corpo de massa m sujeita a um campo gravitacional g. Sabemos que a forca que atua neste corpo e:

F =m g

A energia potencial gravitacional sera proporcional a altura h (diferenca de nıvel):

W =mg h

O potencial gravitacional G sera a energia potencial dividida pela unidade de massa. Corresponde a energia potencial de um corpo com 1kg de massa.

G = g h

O potencial gravitacional corresponde ao potencial disponıvel. Veremos, no capıtulo sobre producao de energia, que o potencial hidreletrico e proporcional a queda disponıvel. Diz o ditado: Elementar, meu caro Watson.

1.2.3 Diferenca de potencial

Um tipo de conservacao de energia e tambem associado com a fem (forca eletro motriz). A energia eletrica obtida de uma bateria e limitada pela energia estocada nas ligacoes quımicas das moleculas. Tanto a fem como o potencial eletrico sao medidos em volts, e, infelizmente, os termos voltagem (tambem chamada tensao), potencial e fem sao usados indistintamente. Por exemplo, no caso da bateria o termo potencial muitas vezes e utilizado em lugar de fem.

A carga, num circuito eletrico, corresponde a massa sujeita ao potencial gravitacional. A tensao eletrica e o potencial eletrico que desloca os eletrons atraves do circuito fechado. E expressa em Volts ou ‘V’.

Seja como uma fem (forca eletro motriz) ou um potencial eletrico, a tensao e uma medida da capacidade de um sistema para realizar trabalho por meio de uma quantidade de carga eletrica unitaria. Assim:

W = q V

Para exemplificar tensao tem-se: a voltagem medida em eletrocardiogramas, que fica em torno de 5milivolts, a tensao disponıvel nas tomadas da casa de 220V, e alem disso tem-se o enorme potencial de 10 mil volts existente entre uma nuvem carregada e o chao, que e necessario para a producao de um relampago.

28 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELETRICAS FUNDAMENTAIS

Figure 1.5: Esquema eletrico de uma lanterna. A letra i e usada para designar a corrente eletrica.

Dispositivos para o desenvolvimento de tensao inclui baterias, geradores, transformadores e geradores de Van de Graaff.

Algumas vezes altas tensoes sao necessarias. Por exemplo, os eletrons emitidos em tubos de televisao requer mais de 30000 volts. Eletrons se movendo devido a essa tensao alcancam velocidades perto de um terco da velocidade da luz e tem energia suficiente para produzir um ponto na tela. Essas altas diferencas de potenciais podem ser produzidas por baixas tensoes alternadas utilizando-se um transformador.

1.2.4 Circuito de uma lanterna

Nenhum circuito eletrico ou eletronico pode funcionar sem um gerador de corrente eletrica. Os geradores nada mais sao que baterias, pilhas ou fontes de alimentacao. Possuem dois terminais, sendo um positivo e um negativo. O terminal positivo e aquele por onde “sai” a corrente da bateria para o circuito, e o negativo e aquele por onde “retorna” a corrente do circuito para a bateria.

A figura 1.5 mostra o diagrama de um circuito de uma lanterna, no qual temos uma lampada alimentada por uma bateria. A corrente eletrica sai do terminal positivo da bateria e trafega atraves do fio. Chegando a lampada, a energia eletrica e transformada em energia luminosa e calor. Depois de atravessar a lampada, a corrente retorna a bateria atraves do seu terminal negativo. Uma bateria e na verdade um dispositivo que empurra a corrente eletrica atraves dos fios ligados aos seus terminais.

Toda bateria tem uma voltagem especificada. As pilhas, por exemplo, tem 1,5 volts. Tambem sao bastante populares as baterias de 9 volts. Hoje em dia encontramos varios tipos de bateria com diversas voltagens, inclusive recarregaveis. E o caso das baterias de telefones celulares.

Em operacao normal, uma bateria deve ter circuitos ligados aos seus terminais. A corrente eletrica faz com que esses circuitos funcionem. Por exemplo, se o circuito consistir em uma simples lampada, o funcionamento e caracterizado pelo acendimento desta lampada. E o que chamamos de circuito fechado. Uma bateria pode tambem estar desligada. Neste caso, existe tensao entre seus terminais, porem nao existe corrente. A bateria nao esta portanto fornecendo energia eletrica ao circuito. E o que ocorre quando temos uma bateria isolada, fora do circuito, ou entao quando o interruptor (ou chave) esta desligado. Chamamos esta situacao de circuito aberto.

Uma situacao anormal e o chamado curto-circuito. Temos um fio ligando diretamente os dois terminais da bateria. A corrente atravessa o fio, porem como nao existe circuito para alimentar, esta corrente tem enorme facilidade para trafegar. Isto faz a corrente atingir um valor altıssimo, e gerando muito aquecimento. O fio pode ate mesmo derreter e pegar fogo, a bateria pode esquentar ate ser danificada. Para proteger equipamentos de curto-circuitos acidentais, usamos fusıveis. Se voce ligar os dois terminais de uma pilha atraves de um fio, o curto circuito nao sera muito perigoso, mas se ligar os dois terminais de uma tomada

Figure 1.6: Detalhe do circuito aberto e curto circuito de uma bateria (fonte).

eletrica, pode ate provocar um incendio.

Em um circuito aberto, a corrente e sempre zero. No curto circuito, a corrente pode ser, do ponto de vista matematico, infinita. Na pratica isto nao ocorre, mas a corrente tende a apresentar um valor bastante elevado e perigoso.

A figura 1.6 mostra as caracterısticas de uma bateria em aberto e outra em curto. Na bateria em aberto, a tensao entre os terminais e igual a tensao da bateria (vamos chama-la de V0), e a corrente vale 0. Quando a bateria esta em curto, a tensao entre os terminais vale 0, e a corrente assume um valor elevadıssimo. Usando componentes teoricos, a corrente tenderia a ser infinita. Na pratica isto nao ocorre, mas atinge um valor alto, dependendo das caracterısticas da bateria.

A fonte de alimentacao e um circuito que tem a mesma funcao de uma bateria. Ela recebe a tensao da rede eletrica e realiza varias operacoes: reducao, retificacao, filtragem e regulacao. O resultado e uma tensao contınua, semelhante a fornecida por baterias. Mais adiante neste capıtulo mostraremos como uma fonte de alimentacao realiza este processo.

A tensao e medida com um voltımetro ligado em paralelo com o circuito, nos dois pontos onde se deseja medir a diferenca de potencial.

Se voce pretende medir a tensao da bateria da placa de CPU (em torno de 3 volts), nao use a escala de 2V, pois tensoes acima de 2V serao indicadas como 1,9 V. Escolha entao a escala de 20V, pois tera condicoes de fazer a medida esperada. Da mesma forma, para medir a tensao de uma rede eletrica de 220 volts (use AC, pois trata-se de tensao alternada), nao escolha a escala de 200 volts, pois a maxima tensao medida sera de 19,9 volts. Escolha entao a escala de 2.0 volts ou outra para tensoes elevadas. Como regra geral, sempre que a leitura indicada tem valor maximo ou outra indicacao que esteja fora da escala, devemos utilizar uma escala maior. Quando nao temos ideia aproximada da tensao que vamos medir, devemos comecar com a escala de maior valor possıvel, pois se medirmos uma tensao muito elevada usando uma escala baixa, podemos danificar o aparelho.

Para medir a tensao entre dois pontos, selecione a escala e encoste as pontas de prova nos terminais nos quais a tensao deve ser medida (figura 1.7). Muitas vezes queremos fazer medidas de tensao relativas ao terra (o terminal ”negativo” da fonte de alimentacao). Voce pode entao fixar a ponta de prova preta em um ponto ligado ao terra (por exemplo, os fios pretos do conector de alimentacao da placa de CPU) e usar a outra ponta de prova para medir a tensao no ponto desejado.

30 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELETRICAS FUNDAMENTAIS

Figure 1.7: Medicao de tensao (ou voltagem).

Lei de Kirchoff da tensao

A soma de todas as fontes de tensao de uma ’malha’ e igual a soma de todas as tensoes nas cargas desta ’malha’. E conhecida como lei das malhas.

Quem ainda nao trocou pilhas de um dispositivo eletronico? Certamente, todos ja fizeram, tomando o cuidado de ligar as pilhas ou baterias em serie: o positivo de uma com o negativo da outra. Assim, as tensoes se somam. Por exemplo, com 4 pilhas de 1,5V obtemos 6,0V.

Exemplo

Considerando o circuito formado por malhas de voltımetros DC, determine qual sera a leitura dos outros instrumentos?

1.2.6 Ligacao de um painel fotovoltaico

Esta experiencia consiste na ligacao de um painel fotovoltaico com diversas cargas. Vamos fazer a medicao de tensao e corrente, e desenhar um grafico, onde tem a corrente no eixo das abcissas e tensao nas ordenadas.

Muitos materiais sao isolantes. Neles todos os eletrons estao nos limites dos atomos e nao permite um fluxo de cargas, menos quando submetidos a altos campos eletricos que proporcionam uma “quebra” dessas iteracoes dos eletrons. Entao, em um processo denominado ionizacao, os eletrons mais “frouxos” sao arrancados dos atomos, formando um fluxo de corrente. Essa condicao existe durante uma tempestade eletrica. A separacao de cargas entre as nuvens e o chao cria um grande campo eletrico que ioniza os atomos do ar, pelo qual e formado um caminho de conducao eletrica entre as nuvens e o chao (relampago).

Embora um condutor permita o fluxo de cargas, isso nao ocorre sem uma perda de energia. Os eletrons sao acelerados por um campo eletrico. Em geral, eles se movem a distancias razoaveis, porem eles colidem com alguns dos atomos do condutor, diminuindo sua velocidade ou mudando sua direcao. Como resultado, eles perdem energia para os atomos. Essa energia aparece como calor, e essa dispersao e uma resistencia para a corrente.

1.3.1 Resistividade ρ

Em 1827 um professor alemao de nome Georg Ohm demonstrou que a corrente em um fio aumenta em proporcao direta com a tensao V e com area S da secao transversal do fio, e em proporcao inversa ao comprimento l do fio. Dessa forma, a corrente tambem depende das propriedades do material, a Lei de Ohm e entao

R = ρ l onde ρ e a resistividade. A quantidade R e denominada Resistencia eletrica. A Resistividade depende apenas do tipo de material. A unidade de resistencia e o Ohm ou Ω, onde 1 Ω e igual a 1volt/amp. No chumbo, um condutor razoavel, a resistividade e

Onde altas resistencias entre 1 e 1 milhao ohms sao necessarias, resistores sao feitos de materiais como o carbono, que tem uma resistividade de

Certos materiais perdem sua resistencia quase que completamente quando submetidos a uma temperatura de alguns graus acima do zero absoluto. Esses materiais sao denominados de Supercondutores. Algumas substancias recentemente encontradas mantem a supercondutividade em temperaturas mais elevadas. A resistividade ρ e definida por:

onde σ e a condutividade do material expressa em (Ω.m)−1. A condutancia e o inverso da resistencia.

A tabela 1.1 apresenta a resistividade media dos materiais mais utilizados em instalacoes eletricas.

Observa-se que a sua unidade esta alterada para que, multiplicando-se pelo comprimento em metros e dividindo pela secao condutora em milımetros quadrados, se obtenha a resistencia do condutor em Ω. A condutividade do alumınio corresponde a 61% da do cobre.

Table 1.1: Resistividades dos materiais mais usados em instalacoes.

Material Resistividade ρ a 20oC

A resistividade ρ para a maioria dos materiais varia com a temperatura. Para muitos materiais, incluindo os metais, a relacao linear empırica e onde, T0 e uma temperatura de referencia, ρ0 e a resistividade em T0 e α e o coeficiente de temperatura media da resistividade. A resistencia do cobre aumenta de 0,00393 Ω por cada aumento de 1 oC. A projecao da curva interceptara a linha de resistencia zero em -234,5 oC. Entretanto, na pratica observam-se resistencias extremamente baixas nesta faixa de temperatura.

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Figure 1.8: Relacao entre corrente, tensao e resistencia.

A resistencia eletrica R e definida como:

A lampada da lanterna, na figura 1.5, pode ser representada como um resistor, pois ela tem o efeito de uma resistencia no circuito. Veja na figura 1.8 o sımbolo usado para representar uma resistencia num diagrama eletrico.

Todo resitor tem um valor, que e a chamada resistencia. A unidade usada para medir a resistencia e o ohm, cujo sımbolo e Ω. A voltagem gerada por uma bateria tem seu valor dado em volts, cujo sımbolo e V. A unidade usada para medir a corrente eletrica e o ampere, cujo sımbolo e A.

Existe uma relacao direta entre a tensao aplicada sobre um resistor, a corrente que o atravessa e o valor da sua resistencia. Esta relacao e a chamada lei de Ohm. Ela diz que se um resitor de valor R e ligado a uma tensao V , sua corrente i e dada por:

e o mesmo que escrever: V = R i

Por exemplo, ao ligamos uma bateria de 12 V em um resistor de 6Ω, de acordo com a lei de ohm, a corrente que atravessara o resistor sera de:

1.3.3 Tipos de resistores Este e o mais basico componente eletro-eletronico. Vamos ver alguns tipos de resistores.

Resistores de fio

Muitos o chamam erradamente de resistencia. Seu nome certo e resistor, e a resistencia e a sua caracterıstica eletrica. Ainda assim o publico leigo usa termos como “a resistencia do chuveiro eletrico”, ”resistencia do aquecedor”, ”resistencia do ferro de passar”, “resistencia da torradeira”. Esses dispositivos sao resistores formados por fios metalicos com resistencia baixa. Ao serem ligados em uma tensao eletrica, sao atravessados por uma elevada corrente, resultando em grande dissipacao de calor. Note que nas resistencias desses aparelhos, o objetivo principal e a geracao de calor. Ja nos circuitos eletronicos, suas funcoes sao outras, e nao gerar calor. Os resistores usados nesses circuitos devem ter valores tais que possam fazer o seu trabalho com a menor geracao de calor possıvel.

Resistores de carvao - codigo de cores

Os resistores usados nos circuitos eletronicos sao de varios tipos e tamanhos. Seus dois parametros eletricos importantes sao a resistencia e a potencia. Resistores que irao dissipar muita potencia eletrica sao de maior tamanho, e vice-versa. Os mostrados na figura 13 sao de 1/8 W. Existem resistores de 1/4W, 1/2W, 1W, 2W, 5W, 10W e valores ainda mais elevados.

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