Aula 2 - Eletricidade e Eletrônica - Eletrização e Cargas elétricas

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  • Muito OBRIGADO mesmo Guilherme Nonino Rosa por Compartilhar essa maravilha que é a Eletrônica.
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Aula 2 - Eletricidade e Eletrônica - Eletrização e Cargas elétricas

  1. 1. Eletricidade e Eletrônica
  2. 2. Prof. Guilherme Nonino Rosa - Técnico em Informática pela ETESP – Escola Técnica de São Paulo - Graduado em Ciências da Computação pela Unifran – Universidade de Franca no ano de 2000. - Licenciado em Informática pela Fatec – Faculdade de Tecnologia de Franca no ano de 2011. - Pós-Graduado em Tecnologia da Informação aplicada aos Negócios pela Unip-Universidade Paulista no ano de 2012. - Pós-Graduando em Docência no Ensino Superior pelo Centro Universitário Senac.
  3. 3. Atuação: - Docente da Faculdade Anhanguera desde Fevereiro / 2013 - Docente do Senac – Ribeirão Preto desde fevereiro/2012. - Docente do Centro de Educação Tecnológica Paula Souza, na Etec Prof. José Ignácio de Azevedo Filho e Etec Prof. Alcídio de Souza Prado desde fevereiro/2010.
  4. 4. Contatos: Prof. Guilherme Nonino Rosa guinonino@gmail.com guilhermerosa@anhanguera.com http://profguilhermenonino.wordpress.com
  5. 5. PEA –Plano de Ensino e Aprendizagem
  6. 6. PLANO DE ENSINO E APRENDIZAGEM
  7. 7. EMENTA • Eletrização e cargas elétricas. • Quantização de cargas. • Campo, potencial e diferença de potencial. • Corrente elétrica. • Componentes elétricos básicos: capacitor, resistor e indutor. • Carga e descarga de um capacitor - circuito RC. • Dispositivos semicondutores: diodos e transistores.
  8. 8. Objetivos Conhecer os conceitos básicos de eletricidade e eletrônica, seus componentes básicos: capacitor, resistor, indutor, diodos e transistores.
  9. 9. Procedimentos Metodológicos • Aula expositiva • Exercício em classe • Aula prática.
  10. 10. Sistema de Avaliação 1° Avaliação - PESO 4,0 Atividades Avaliativas a Critério do Professor Práticas: 03 Teóricas: 07 Total: 10 2° Avaliação - PESO 6,0 Prova Escrita Oficial Práticas: 03 Teóricas: 07 Total: 10
  11. 11. Bibliografia Padrão 1) BOYLESTAD, Robert L.. Introdução à Análise de Circuitos.. 10ª ed. São Paulo: Pearson, 2006.
  12. 12. Bibliografia Básica Unidade Faculdade Anhanguera de Ribeirão Preto (FRP) 1) RAMALHO JR, F. Os Fundamentos da Física. 9ª ed. São Paulo: Moderna, 2007. 2) HALLIDAY, David. Física 3. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, 2004.
  13. 13. Cronograma de Aulas Semana n°. Tema 1 Apresentação da Disciplina e Metodologia de Trabalho. Conceitos básicos de Eletricidade e Eletrônica. 2 Eletrização e Cargas Elétricas. 3 Quantização de Cargas. 4 Campo, Potencial e Diferença de Potencial. 5 Campo, Potencial e Diferença de Potencial. 6 Corrente Elétrica. 7 Componentes Elétricos Básicos: Capacitor, Resistor e Indutor. 8 Componentes Elétricos Básicos: Capacitor, Resistor e Indutor.
  14. 14. Cronograma de Aulas Semana n°. Tema 9 Atividades de Avaliação. 10 Laboratório - Instrumentação. 11 Laboratório - Instrumentação. 12 Carga e Descarga de um Capacitor - Circuito RC. 13 Circuito RC. 14 Circuito RC. 15 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. 16 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.
  15. 15. Cronograma de Aulas Semana n°. Tema 17 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. 18 Prova Escrita Oficial 19 Exercícios de Revisão. 20 Prova Substitutiva.
  16. 16. Eletrostática Eletrostática é o ramo da eletricidade que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso, ou que estuda os fenômenos do equilíbrio da eletricidade nos corpos que de alguma forma se tornam carregados de carga elétrica, ou eletrizados.
  17. 17. Átomo É uma partícula presente em toda matéria do universo. O universo, a terra, os animais, as plantas... tudo é composto de átomos. Até o início do século XX admitia-se que os átomos eram as menores partículas do universo e que não poderiam ser subdivididas. Hoje sabe-se que o átomo é constituído de partículas ainda menores. Estas partículas são: • Prótons • Nêutrons • Elétrons chamadas partículas subatômicas Importante  Todo átomo possui prótons, elétrons e nêutrons.
  18. 18. Átomo Elétrons : São partículas subatômicas que possuem cargas elétricas negativas. Prótons : São partículas subatômicas que possuem cargas elétricas positivas. Nêutrons : São partículas subatômicas que não possuem cargas elétricas Núcleo : É o centro do átomo, onde se encontram os prótons e nêutrons. Eletrosfera : São as camadas ou órbitas formadas pelos elétrons, que se movimentam em trajetórias circulares em volta do núcleo. Existem uma força de atração entre o núcleo e a eletrosfera, conservando os elétrons nas órbitas definidas camadas, semelhante ao sistema solar.
  19. 19. -19 Qe = Qp = 0,00000000000000000016 ou 1,6x10 C Qe = - 1,6x10 -19 -19 Qp = +1,6x10
  20. 20. A eletrosfera pode ser composta por 7 camadas, identificadas pelas letras maiúsculas K, L, M, N, O, P e Q. Determina-se a quantidade de elétrons pela equação 2n², onde n é o número da camada.
  21. 21. A distribuição de prótons, nêutrons e elétrons é que de fato diferenciará um material do outro Quanto mais elétrons. Mais camadas Menos força de atração exercida pelo núcleo. Mais livres os elétrons da última camada. Mais instável eletricamente. Mais condutor o material Quanto menos elétrons. Menos camadas Mais força de atração exercida pelo núcleo. Menos elétrons livres. Mais estável eletricamente. Mais isolante o material
  22. 22. Lei de Du - Fay
  23. 23. Lei de Coulomb A intensidade da força de ação mútua entre duas cargas elétricas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.
  24. 24. Lei de Coulomb
  25. 25. Exercício 1: Duas partículas igualmente eletrizadas estão separadas pela distância de 20 cm. A força eletrostática com que elas interagem tem intensidade de 3,6 N. O meio é o vácuo (k0 = 9.109 N.m2/C2). a) Entre as partículas ocorre atração ou repulsão? b) Qual é o valor da carga elétrica de cada partícula? c) Sendo 1,6.10-19 C a carga elétrica elementar (carga elétrica do próton que em módulo é igual à carga elétrica do elétron), qual é o número de elétrons (em excesso ou em falta) que constitui a carga elétrica de cada partícula?
  26. 26. Exercício 1: Resolução a) Entre as partículas ocorre repulsão pois elas estão eletrizadas com carga elétrica de mesmo sinal. b) Fe = k0.(IQI.IQI/d2) => 3,6 = 9.109.Q2/(0,20)2 => Q = ±4.10-6 C c) Q = n.e => n = Q/e => n = (4.10-6)/1,6.10-19) => n = 2,5.1013
  27. 27. Diretamente Proporcional Inversamente Proporcional
  28. 28. Eletrodinâmica A eletrodinâmica é a parte da física responsável pelo estudo do comportamento das cargas elétricas em movimento
  29. 29. Corrente Elétrica Considere um material condutor de tal maneira que não haja diferença de potencial nos seus extremos. A B UAB = 0 Os elétrons livres que se perderam do átomo, deste fio movem-se em todas as direções com movimento desordenado, perdendo ou ganhando energia em função de suas mudanças de direção e velocidade.
  30. 30. Corrente Elétrica Quando se estabelece uma diferença de potencial nos extremos do fio condutor, os elétrons livres do fio passam a se deslocar ordenadamente da extremidade B para a extremidade A. A B UAB  0 VA > VB E Agora as cargas elétricas possuem um movimento ordenado e os fenômenos elétricos decorrentes deste movimento preferencial das cargas serão analisados pela eletrodinâmica.
  31. 31. COMO OBTER UMA CORRENTE ELÉTRICA? Para obtermos uma corrente elétrica precisamos de um circuito elétrico Para obtermos um circuito elétrico, são necessários três elementos, no mínimo: Gerador, Condutor e Carga.
  32. 32. GERADOR Orienta o movimento dos elétrons CONDUTOR Assegura a transmissão da corrente elétrica. CARGA Utiliza a corrente elétrica (transforma em trabalho) IMPORTANTE: Em um segmento AB de um fio metálico por onde passa uma corrente elétrica contínua e constante, a carga elétrica total de AB é nula.
  33. 33. Para que haja corrente elétrica Gerador Carga é necessário que o circuito esteja fechado.
  34. 34. Corrente Elétrica O sentido da corrente elétrica convencionalmente adotado é aquele no qual se deslocariam espontaneamente as cargas positivas no interior do condutor. A B E U 0 AB V> VSentido i A B convencional Observe que as cargas elétricas que se movimentam no interior do condutor são os elétrons e o fazem no sentido de B para A (sentido real da corrente). No entanto, o sentido convencional se conserva até hoje. Assim, sempre que se fala em sentido da corrente, trata-se do sentido convencional.
  35. 35. SENTIDO REAL Nos condutores sólidos, o sentido da corrente elétrica corresponde ao sentido do movimento dos elétrons, pois são eles que se deslocam. Ou seja, a corrente é do potencial menor (pólo negativo) para o potencial maior (pólo positivo). Esse é o sentido real da corrente elétrica. Real
  36. 36. SENTIDO CONVENCIONAL No estudo da corrente elétrica, entretanto, adota-se um sentido convencional, que é o do deslocamento das cargas positivas, ou seja, do potencial maior para o menor. Assim sempre que for citado o sentido da corrente estaremos nos referindo ao sentido convencional, e não ao sentido real. Convencional
  37. 37. Intensidade de Corrente Elétrica Seja o fio condutor submetido a uma diferença de potencial. A B A Numa determinada secção reta (A) desse condutor, passa uma determinada quantidade de carga, num certo intervalo de tempo (Dt). A intensidade da corrente elétrica (i) nesse condutor é a razão entre a carga que atravessa uma secção do condutor e o intervalo de tempo gasto para isto. i = q t i
  38. 38. Intensidade de Corrente Elétrica i = q t Q = m * E Onde “delta q” é a carga elétrica expressa em Coulomb© e o “delta t” o tempo expresso em segundos(s), o resultado é expresso em Ampêre(A) Onde “m” é o número de elétrons e “e” é a carga elétrica elementar do elétron. (1,6.10-19 C)
  39. 39. A kA MA GA nA A mA Para cada degrau descido, multiplique por 10-3 Para cada degrau subido, multiplique por 103 Unidades M.K.S. coulomb/segundo (ampére) (A)
  40. 40. Tipos de corrente elétrica Corrente Contínua (C.C ou d.c.) - É aquela em que o sentido e a intensidade permanecem constantes com o tempo. Seu símbolo é representado por :
  41. 41. Tipos de corrente elétrica Divide-se em três amplas categorias: 1) Baterias (usam reações químicas). FIGURA 2.12 (A) CORTE DE UMA CÉLULA ALCALINA CILÍNDRICA (B) CÉLULAS PRIMÁRIAS.
  42. 42. Tipos de corrente elétrica 1) Baterias (usam reações químicas). FIGURA 2.13 CÉLULAS PRIMÁRIAS DE LÍTIO-IODO. (COURTESY OF CATALYST RESEARCH CORP.)
  43. 43. Tipos de corrente elétrica 1) Baterias (usam reações químicas). FIGURA 2.14 BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO LIVRE DE MANUTENÇÃO DE 12 V (NA REALIDADE 12,6V). (COURTESY OF DELCO-REMY)
  44. 44. Tipos de corrente elétrica 1) Baterias (usam reações químicas). FIGURA 2.15 BATERIAS RECARREGÁVEIS DE NÍQUEL-CÁDMIO. (COURTESY OF EVEREADY BATTERIES.)
  45. 45. Tipos de corrente elétrica 2) Geradores (Eletromecânicos)
  46. 46. Tipos de corrente elétrica 3) Fonte de Alimentação FIGURA 2.21 Fonte de alimentação utilizada em laboratório. (Courtesy of Leader Instruments Corporation.)
  47. 47. Tipos de corrente elétrica Corrente Alternada (C.A) - É aquela em que a intensidade e o sentido mudam periodicamente com o tempo. Nas tomadas de sua casa, encontra-se uma corrente alternada. 0 t i
  48. 48. Tipos de corrente elétrica Nos metais e no grafite a corrente elétrica tem como portadores de cargas livres os elétrons, e o sentido convencional é igual ao sentido do vetor campo elétrico que se estabelece no interior do condutor. Corrente elétrica convencional E  + _ i A B
  49. 49. Tipos de corrente elétrica Nas soluções eletrolíticas (uma solução de NaCl em água, por exemplo) os portadores de cargas livres são os íons positivos de Na+ e os íons negativos de Cl–. A intensidade de corrente na solução, num certo intervalo de tempo, será calculada pela expressão: placas metálicas |Q| = |Qp| + |Qn| i = |Q| t , onde Qp: total de cargas dos íons positivos e Qn: total de cargas dos íons negativos.
  50. 50. Tipos de corrente elétrica Nos gases rarefeitos a corrente elétrica tem como portadores de carga os íons positivos e negativos como também a movimentação de elétrons livres. A corrente elétrica que se estabelece nos condutores eletrolíticos e nos condutores gasosos (como a que surge em uma lâmpada fluorescente) é denominada corrente iônica.
  51. 51. CORRENTE ELÉTRICA Tipos de condutores: a) Primeira classe: Condutores Metálicos
  52. 52. CORRENTE ELÉTRICA b) Segunda classe: Condutores Eletrolíticos placas metálicas
  53. 53. CORRENTE ELÉTRICA c) Terceira classe: Condutores Gasosos
  54. 54. CORRENTE ELÉTRICA Isolante elétrico é todo meio que oferece boa resistência a movimentação de portadores de cargas elétricas no seu interior
  55. 55. EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA Efeito térmico Os elétrons , acelerados pelas forças elétricas, colidem com os átomos da rede atômica, transferindo-lhes energia, que faz com que haja um aumento da energia de vibração desses átomos, o que implica macros-copicamente num aumento de temperatura. Este fenômeno, também chamado efeito Joule. Alguns exemplos clássicos: •Lâmpada incandescente •Chuveiro elétrico •Ferro elétrico •Fusíveis
  56. 56. Efeito químico Fazendo-se passar uma corrente elétrica por uma solução de ácido sulfúrico em água, por exemplo, observa-se que da solução se desprende hidrogênio e oxigênio. A corrente elétrica produz, então, uma ação química nos elementos que constituem a solução.
  57. 57. Efeitos fisiológicos A corrente elétrica tem ação, de modo geral, sobre todos os tecidos vivos, porque os tecidos são formados de substâncias coloidais e os colóides sofrem ação da eletricidade. Mas é particularmente importante a ação da corrente elétrica sobre os nervos e os músculos. Na ação sobre os nervos devemos distinguir a ação sobre os nervos sensitivos e sobre os nervos motores. A ação sobre os nervos sensitivos dá sensação de dor. A ação sobre os nervos motores dá uma comoção (choque). A corrente elétrica passando pelo músculo produz nele uma contração.
  58. 58. Efeito magnético Em 1820, o dinamarquês Oersted descobriu que quando a corrente elétrica passa em um fio metálico desviava a agulha de uma bússola. Curiosidade: O primeiro modelo de um motor elétrico nasceu dessas pesquisas.Um fio condutor, que ao ser percorrido pela corrente elétrica, girava quando colocado próximo ao ímã.O mesmo estava convertendo diretamente energia elétrica em energia mecânica. Uma outra grande aplicação ocorreu quando da invenção dos galvanômetros.
  59. 59. CURIOSIDADE: Parada respiratória A máxima corrente que uma pessoa pode tolerar ao segurar um eletrodo, podendo ainda largá-lo usando os músculos diretamente estimulados pela corrente, segundo determinações experimentais em corrente alternada de 50/60 Hz, são valores de 6 a 14 mA, em mulheres (10 mA de média) e 9 a 23 mA em homens (16 mA de média); portanto uma corrente elétrica inferior à necessária ao funcionamento de uma lâmpada incandescente normalmente usada em nossas residências. Correntes superiores a estas podem causar uma parada respiratória, contração de músculos ligados à respiração e/ou à paralisia dos centros nervosos que comandam a função respiratória. Se a corrente permanece, o indivíduo perde a consciência e morre sufocado. A rapidez da aplicação da respiração artificial (boca a boca), e do tempo pelo qual ela é realizada, principalmente intervir imediatamente após o acidente (em 3 ou 4 minutos no máximo) para evitar asfixia da vítima ou mesmo lesões irreversíveis nos tecidos cerebrais é muito importante nestas situações.
  60. 60. Efeito luminoso A corrente elétrica num gás apresenta movimentos de íons e elétrons. As constantes colisões dessas partículas com os átomos do gás faz com que haja transferência de energia ; parte dessa energia faz com que elétrons dos átomos sejam transferidos para níveis de energia mais elevados. Quando retornam aos níveis anteriores, a energia absorvida é então liberada sob forma de radiação. Alguns exemplos clássicos são: • Lâmpadas de vapor de mercúrio • Lâmpada de vapor de sódio • Letreiros luminosos de neon • Luminosidade dos raios que ocorrem numa tempestade
  61. 61. Uma corrente de 0,3 A que atravessa o peito pode produzir fibrilação(contrações excessivamente rápidas das fibrilas musculares) no coração de um ser humano, perturbando o ritmo dos batimentos cardíacos com efeitos possivelmente fatais. Considerando que a corrente dure 2,0 min, o número de elétrons que atravessam o peito do ser humano vale: Dado: carga do elétrcn = 1,6.10-19 I = 0,3ª t = 120s 1,6.10-19 C N= ? i= Q / t Onde i= (n.e)/ t 0,3 = (n. 1,6.10-19 C)/120 => n= 0,3.120 / 1,6.10-19 C N= n= 22,5.1019

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