Manual do Electricista

Manual do Electricista

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O valor de um capacitor e chamado de capacitancia. A grandeza usada para medi-la e o faraday, cujo sımbolo e F. O faraday e uma unidade muito grande para medir os capacitores da vida real. Um capacitor de 1F seria imenso. Encontramos na pratica capacitores medindo algo da ordem de milesimos ou milionesimos do faraday. Por isso e mais comum usar o microfaraday ((F) para medir os capacitores. Um capacitor de 4700 (F, por exemplo, e considerado de tamanho relativamente grande para um circuito eletronico. Ainda assim existem os chamados supercapacitores, que possuem capacitancias da ordem de alguns faradays, entretanto nao sao empregados em circuitos eletronicos devido ao seu grande tamanho.

Os capacitores tem varias aplicacoes nos circuitos eletronicos. Um das principais e a filtragem. Eles podem acumular uma razoavel quantidade de cargas quando estao ligados a uma tensao. Quando esta tensao e desligada, o capacitor e capaz de continuar fornecendo esta mesma tensao durante um pequeno perıodo de tempo, funcionando portanto como uma especie de bateria de curta duracao.

Em qualquer placa de circuito, encontramos pequenos capacitores ao lado de cada chip. Sao chamados de capacitores de desacoplamento. Uma das caracterıticas eletricas dos chips e que de um instante para outro podem aumentar substancialmente a quantidade de corrente consumida. A fonte de alimentacao nem sempre tem condicoes de responder ao fornecimento de corrente com a rapidez necessaria (em geral em bilionesimos de segundo), e o resultado e uma pequena queda de tensao proxima ao chip que esta solicitando este aumento de corrente. O capacitor de desacoplamento tem condicoes de fornecer rapidamente a corrente elevada que o chip exige, dando tempo a fonte para se adaptar ao novo patamar de corrente. Os capacitores de desacoplamento funcionam portanto como pequenas baterias axiliares, ajudando a fonte de alimentacao no fornecimento de corrente para os chips.

Um capacitor nao precisa necessariamente ter placas paralelas e um dieletrico. Qualquer objeto possui uma capacitancia. O corpo humano, por exemplo, pode funcionar como um capacitor de baixo valor, mas ainda assim capaz de armazenar cargas eletricas. E o que chamamos de eletricidade estatica.

Capacitores tambem tem grandes aplicacoes em circuitos de radio. Eles nao permitem a passagem da corrente contınua, ja que seu dieletrico e um isolante, mas permitem a passagem de tensoes alternadas. Como a corrente alternada trafega ora no sentido direto, ora no sentido inverso, um capacitor pode ora se carregar positivamente, ora negativamente, deixando que a corrente alternada o ”atravesse”. Quanto mais alta e a frequencia da corrente alternada, mais facilmente ela atravessa o capacitor. Eles podem assim ser usados como filtros, barrando as frequencias baixas e deixando passar as frequencias altas.

Quando sao necessarias capacitancias elevadas, sao utilizados capacitores eletrolıticos de alumınio ou tantalo. Os capacitores eletrolıticos de alumınio sao muito usados em fontes de alimentacao, em circuitos de som, radio e TV, e ate em placas de computador. Entretanto para as placas de computador e mais recomendavel usar os capacitores de tantalo. Eles sao mais caros, porem sao mais duraveis e de menor tamanho. Sao muito usados em discos rıgidos e telefones celulares, mas tambem os encontramos sendo usados como capacitores de desacoplamento do processador, nas placas de CPU. Infelizmente para economizar, muitos fabricantes de placas de CPU usam capacitores eletrolıticos de alumınio, ao inves de tantalo. Isso poderia ser aceitavel, se levassem em conta a vida util do capacitor. Existem capacitores eletrolıticos com

2.2. MAGNETISMO 47 duracao de 10.0 horas, outros com 5.0 horas, outros com apenas 1.0 horas, que sao mais baratos. Placas de CPU de baixo custo e baixa qualidade usam muitos componentes inadequados, sobretudo capacitores de baixa qualidade. Placas de CPU feitas por fabricantes comprometidos com a qualidade utilizam capacitores de tantalo ou entao eletrolıticos de alumınio de longa duracao.

O capacitor, um descendente da Garrafa de Leyden, e um dispositivo capaz de armazenar trabalho eletrico ou estocar carga. Se uma carga Q e deslocada entre placas de metal a voltagem sobe para uma quantidade V . A medida utilizada para medir o quanto de carga um capacitor pode estocar e a Capacitancia C, onde

A carga flui de um capacitor da mesma forma que na bateria, mas com uma diferenca significante.

Quando a carga deixa as placas do capacitor, nao e possıvel obter mais carga sem recarregar o dispositivo. Isso acontece devido o carater conservativo da forca eletrica. A energia liberada nao pode exceder a energia estocada. Essa capacidade para realizar trabalho foi denominada de Potencial Eletrico.

A energia eletrica W, em Joules, armazenada num capacitor e:

onde V e a tensao instantanea entre os terminais do capacitor. Por exemplo, um capacitor de 10µF com 100V nos seus terminais tera a energia de

terıamos o valor de W = 5/3,6 × 10−8kWh. Mas como esta energia nao pode ser convertida diretamente em trabalho (movimento, calor, luz, etc), ela e chamada de energia reativa de um circuito de corrente alternada (ver capıtulo especıfico).

Exemplo

Num circuito de corrente alternada, a energia absorvida por um capacitor num determinado intervalo de tempo (meio perıodo) sera devolvida para o circuito eletrico num outro intervalo de tempo (meio perıodo seguinte). A quantidade total de energia trocada de um capacitor com o circuito eletrico e denominada de energia reativa capacitiva. Normalmente, a leitura e feita a cada 30 dias. Ela e medida e expressa em kVArh (le-se ‘ca-ve-A-erre-hora’). O sımbolo para esta energia e Q.

No exemplo anterior, a energia reativa capacitiva armazenada e trocada com o circuito em meio perıodo e Q1/2T = 18 × 10−8kVArh. Para calcular o consumo mensal basta multiplicar pelo numero de perıodos de um mes. Entao:

2.2 Magnetismo

Nesta secao, estudaremos o circuito magnetico com ımas, sem envolver corrente.

O mais antigo livro de Medicina que se conhece, escrito cerca de 1000 anos antes de Cristo - o ”Livro de Medicina Interna do Imperador Amarelo” - faz referencia ao uso do magnetismo nas artes da cura. Ha evidencias, em obras hindus, egıpcias e persas, de que as propriedades da magnetita eram conhecidas mesmo em epocas ainda mais remotas.

48 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAC OES ELETROMAGNETICAS

Quando se descobriu a eletrizacao por atrito, comecou-se a suspeitar de uma possıvel relacao entre esse fenomeno e o magnetismo, ja que ambos apresentavam a caracterıstica da atracao. Mas nao existiam meios para investigar se a suposicao tinha fundamento.

Tendo observado que pedacos de magnetita, quando em formas mais ou menos semelhantes a cilindros ou barras, apresentavam a tendencia de se orientar na direcao (aproximada) norte-sul, os chineses inventaram a bussola. Originalmente as bussolas nao possuıam indicadores delgados como as atuais ”agulhas imantadas”; tinham uma base em feitio de tigela rasa, sobre a qual repousava uma ”concha de sopa” feita de magnetita. Essa concha era construıda de tal maneira que o cabo nao se apoiava na beirada da tigela, mas ficava livre para se mover, e sempre acabava apontando no sentido sul.

Nos seculos seguintes descobriram-se alguns fatos intrigantes: os ımas (que nada mais eram do que os tais cilindros ou barras de magnetita) dispoem de ”polos”, em numero de dois, e opostos. O comportamento de dois ımas, ao serem aproximados, depende dos tipos de polos em aproximacao: os opostos se atraem e os semelhantes se repelem. E talvez o maior misterio de todos: nao se podem obter polos isolados (”monopolos magneticos”)! Sempre que um ıma e quebrado, instantaneamente aparecem polos opostos nas extremidades partidas. Cada fragmento do ıma original e tambem um ıma completo, nao importando em quantos pedacos tenha sido quebrado - ou esmigalhado - o primeiro.

A relacao entre eletricidade e magnetismo, comprovada em 1820, autorizou Ampere a sugerir a existencia de correntes eletricas microscopicas e permanentes na materia imantada. Quanto ao fenomeno da orientacao espontanea na direcao (aproximada) norte-sul, a hipotese de que o planeta Terra e um grande ıma, como sugeriu William Gilbert, parece razoavel: uma vez que polos diferentes se atraem, o sul magnetico da Terra atrai o norte do ıma, e vice-versa. Maricourt batizou os polos do ıma de acordo com o sentido para o qual apontavam; concluimos entao que o norte geografico corresponde (aproximadamente) ao sul magnetico da Terra, e vice-versa. So falta descobrir o que esta provocando o magnetismo do planeta. Por volta de 1600 Gilbert ainda pensava em ”efluvios” na tentativa de entender o magnetismo, mas, um seculo depois, ideias semelhantes a essa estavam banidas do pensamento cientıfico devido ao prestıgio da obra publicada por Isaac Newton em 1687, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Princıpios Matematicos da Filosofia Natural), um tratado de Mecanica Classica que incluıa a Teoria da Gravitacao Universal.

Essa teoria, que teve grande sucesso em explicar fenomenos ate entao incompreendidos, passou a ser aceita livremente, e a filosofia na qual se baseava acabou sendo estendida a campos nao abrangidos por ela, como por exemplo a Eletricidade e o Magnetismo.

O fato e que a Teoria da Gravitacao Universal de Newton supunha a atracao gravitacional como uma forca que agia a distancia - ou seja, sem necessidade da existencia de coisa nenhuma entre os dois corpos em interacao. Dispensava efluvios, almas, ou qualquer coisa que emanasse dos objetos. Bastava haver um corpo de massa m1 aqui, outro de massa m2 ali, e pronto! os dois atraıam-se instantaneamente com uma forca proporcional ao produto das massas, e inversamente proporcional ao quadrado da distancia.

A respeitabilidade (ate hoje indiscutıvel) dos trabalhos de Newton influenciou o modo de pensar dos outros estudiosos, e foram elaboradas formulas parecidas com a da Lei da Gravidade tanto para as interacoes magneticas (John Michell, 1750) quanto para as interacoes eletricas (Augustin Coulomb, 1785). Hoje se sabe que essas expressoes - baseadas nao so na Mecanica de Newton como tambem em cuidadosas medicoes - nao estao erradas; no entanto (como a propria teoria em que foram inspiradas), sao uteis em um numero limitado - embora grande - de casos, nao tendo validade universal.

As evidencias da correlacao entre eletricidade e magnetismo, obtidas por Oersted, Faraday e outros, eram experimentais (fundamentadas em experiencias), sem sustentacao em nenhuma teoria que lhes desse legitimidade matematica. Essa teoria - o Eletromagnetismo - foi construıda depois por James Clerk Maxwell, que se baseou principalmente nos experimentos de Faraday, e na sua propria criatividade e erudicao.

2.2. MAGNETISMO 49

2.2.1 Uso do magnetismo pela humanidade

Existem indıcios, na antiga literatura de varios povos (hebreus, arabes, hindus, egıpcios e chineses), de que o fenomeno do magnetismo e conhecido ha alguns milhares de anos.

A magnetita era usada com finalidades terapeuticas; as doencas tratadas iam desde reumatismo e espasmos musculares (caimbras) ate prisao de ventre. Os medicos chineses usavam as pedrinhas magneticas juntamente com a acupuntura, na tentativa de aliviar dores e de restabelecer a saude de seus pacientes.

Quando a bussola foi inventada, seu uso nao se destinava a orientacao dos viajantes, mas sim a pratica do

Feng Shui, uma arte chinesa exercida ainda hoje. Os praticantes do Feng Shui acreditam que a construcao de edifıcios, tumulos e monumentos, e tambem a disposicao dos moveis e objetos dentro destes, devem obedecer a uma certa orientacao em relacao aos pontos cardeais. O objetivo e harmonizar os ambientes para a obtencao de bem-estar e felicidade.

Atualmente comercializam-se muitos objetos magneticos para tratamento de saude: braceletes, calcados, adesivos, colchoes, etc. Porem nao ha, ate agora, nenhuma evidencia cientıfica (isto e, obtida por meio do ”metodo cientıfico”) de que esses metodos sejam realmente eficazes.

Os fenomenos magneticos sao largamente utilizados no desenvolvimento de novas tecnologias desde sistemas de geracao e distribuicao de energia hidreletricas, entre outros outros sistemas de conversao eletromecanica.

Embora o magnetismo nao receba a enfase necessaria no ensino medio, esta muito presente em nossa vida, pois desde o ıma que colocamos na porta da geladeira ate a memoria do HD (hard disk) do computador, ou mesmo as fitas cassete que utilizamos para armazenar as nossas musicas preferidas utilizam fenomenos e materiais magneticos.

A palavra magnetismo esta associada ao nome de uma cidade da regiao da antiga Turquia que era rica em minerio de ferro: a Magnesia.

Provavelmente foram os gregos quem primeiro refletiram sobre as propriedades da magnetita Fe3O4.

Este mineral, que no seu estado natural frequentemente tem o poder de atrair o ferro e outros metais, era extraıdo na provıncia da Magnesia.

A primeira aplicacao tecnologica magnetica foi a bussola. Foi introduzida na China no seculo XIII e os pioneiros na sua utilizacao foram os Arabes. Entretanto todos concordam que a bussola era certamente conhecida no oeste da Europa por volta do seculo XII, pois a primeira referncia sobre a sua utilizacao foi feita por Alexander Neckma.

Os oxidos resultam da combinacao do oxigenio com metais e metaloides, ja os hidroxidos sao definidos pela presenca da hidroxıla como elemento essencial e podem ser subdivididos de acordo com a relacao do oxigenio com os cations. Dessa forma podem ser classificados em oxidos simples, oxidos multiplos, oxidos contendo hidroxıla e hidroxidos, etc. Esta classe de minerais que corresponde a quase 4% do volume da crosta terrestre, constitui as principais jazidas de minerio de ferro (hematita, magnetita e goethita) de cromo (cromita); manganes (pirolusita, manganita, criptomelana e psilomelana), de estanho (cassiterita), de alumınio (bauxita) e de titanio (anatasio, ilmenita e rutilo).

2.2.2 Os polos norte e sul

Ha muitos seculos atras, o homem descobriu certa pedra que era capaz de atrair outras pedras iguais a ela. Naquele tempo, evidentemente, nao se podia compreender como isso acontecia, nem porque. A coisa ficou apenas como curiosidade. Na verdade, nao era bem uma pedra, mas um minerio de algum metal ate entao desconhecido. Ainda hoje, de vez em quando encontramos grandes concentracoes desse minerio, em alguns lugares da terra.

Mais tarde, constatou-se que um pedaco dessa pedra, com a forma de um estilete, colocada sobre uma madeira e posta a flutuar sobre a agua, apontava sempre para o norte. Estava inventada a primeira bussola.

50 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAC OES ELETROMAGNETICAS

Figure 2.1: Amperımetro de ferro movel.

Por causa dessa acao, uma das pontas da pedra era chamada norte e a outra, sul. Notaram tambem que polos de mesmo nome se repelem e de nomes contrarios se atraem.

Como a forca de atracao e repulsao variava com a posicao dos ımas, onde existiam linhas em que a forca era constante, Faraday imaginou as linhas de forca. Todo o espaco onde elas existem chamamos de campo magnetico.

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