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Eletricidade e Eletrônica
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.
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.
Contatos:
Prof. Guilherme Nonino Rosa
guinonino@gmail.com
guilhermerosa@anhanguera.com
http://profguilhermenonino.wordpress.com
PLANO DE ENSINO E APRENDIZAGEM
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.
Objetivos
Conhecer os conceitos básicos de
eletricidade e eletrônica, seus
componentes básicos: capacitor,
resistor, indutor, diodos e
transistores.
Procedimentos Metodológicos
• Aula expositiva
• Exercício em classe
• Aula prática.
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
Bibliografia Padrão
1) BOYLESTAD, Robert L.. Introdução à Análise de Circuitos.. 10ª
ed. São Paulo: Pearson, 2006.
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.
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.
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.
Cronograma de Aulas
Semana n°. Tema
17 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.
18 Prova Escrita Oficial
19 Exercícios de Revisão.
20 Prova Substitutiva.
Cronograma de Aulas
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.
ÁtomoÉ 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.
ÁtomoElétrons : 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.
Qe = Qp = 0,00000000000000000016 ou 1,6x10 C
Qe = - 1,6x10
Qp = +1,6x10
-19
-19
-19
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.
A distribuição de prótons, nêutrons e elétrons é que de fato
diferenciará um material do outro
Mais camadas
Menos força de atração exercida pelo núcleo.
Mais livres os elétrons da última camada.
Mais instável eletricamente.
Mais condutor o material
Quanto mais elétrons.
Quanto menos elétrons.
Menos camadas
Mais força de atração exercida pelo núcleo.
Menos elétrons livres.
Mais estável eletricamente.
Mais isolante o material
Lei de Du - Fay
Lei de CoulombA intensidade da força de ação mútua entre duas cargas elétricaspuntiformes é diretamente proporcional ao produto dos valoresabsolutos das cargas e inversamente proporcional ao quadrado dadistância que as separa.
Lei de Coulomb
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?
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
Diretamente Proporcional
Inversamente Proporcional
Eletrodinâmica
A eletrodinâmica é a parte da física responsável pelo
estudo do comportamento das cargas elétricas em
movimento
Corrente ElétricaConsidere um material condutor de tal maneira que não haja diferença de
potencial nos seus extremos.
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.
A B
UAB = 0
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.
Agora as cargas elétricas possuem um movimento ordenado e os
fenômenos elétricos decorrentes deste movimento preferencial das
cargas serão analisados pela eletrodinâmica.
A B
UAB 0
VA > VB
E
Corrente Elétrica
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.
GERADOROrienta o movimento
dos elétrons
CONDUTORAssegura a transmissão
da corrente elétrica.
CARGAUtiliza 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.
Para que haja corrente elétrica
é necessário
que o circuito esteja fechado.
Gerador Carga
Corrente Elétrica
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.
O sentido da corrente elétrica convencionalmente adotado é
aquele no qual se deslocariam espontaneamente as cargas
positivas no interior do condutor.
EA B
UAB 0
VA > VBSentido
convencional
i
SENTIDO REALNos 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
SENTIDO CONVENCIONALNo 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
A
A B
Intensidade de Corrente ElétricaSeja o fio condutor submetido a uma diferença de potencial.
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
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)
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)
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 :
Tipos de corrente elétricaDivide-se em três amplas categorias:
1) Baterias (usam reações químicas).
FIGURA 2.12 (A) CORTE DE UMA CÉLULA ALCALINA CILÍNDRICA (B) CÉLULAS PRIMÁRIAS.
Tipos de corrente elétrica1) Baterias (usam reações químicas).
FIGURA 2.13 CÉLULAS PRIMÁRIAS DE LÍTIO-IODO. (COURTESY OF CATALYST RESEARCH CORP.)
Tipos de corrente elétrica1) 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)
Tipos de corrente elétrica1) Baterias (usam reações químicas).
FIGURA 2.15 BATERIAS RECARREGÁVEIS DE NÍQUEL-CÁDMIO. (COURTESY OF EVEREADY BATTERIES.)
Tipos de corrente elétrica2) Geradores (Eletromecânicos)
Tipos de corrente elétrica3) Fonte de Alimentação
FIGURA 2.21 Fonte de alimentação utilizada em laboratório. (Courtesy of Leader Instruments Corporation.)
0t
i
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.
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.
Tipos de corrente elétrica
+ _A B
Corrente elétrica convencional
E
i
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–.
Tipos de corrente elétrica
placas metálicas
A intensidade de corrente na solução, num certo intervalo de
tempo, será calculada pela expressão:
|Q| = |Qp| + |Qn|i =|Q|
t
, onde
Qp: total de cargas dos íons positivos
e
Qn: total de cargas dos íons negativos.
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.
CORRENTE ELÉTRICATipos de condutores:
a) Primeira classe: Condutores Metálicos
CORRENTE ELÉTRICA
b) Segunda classe: Condutores Eletrolíticos
placas metálicas
CORRENTE ELÉTRICA
c) Terceira classe: Condutores Gasosos
CORRENTE ELÉTRICAIsolante elétrico é todo meio que oferece boa
resistência a movimentação de portadores de
cargas elétricas no seu interior
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
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.
Efeitos fisiológicos
A corrente elétrica tem ação, de modo geral, sobre todos ostecidos vivos, porque os tecidos são formados desubstâncias coloidais e os colóides sofrem ação daeletricidade. Mas é particularmente importante a ação dacorrente elétrica sobre os nervos e os músculos.
Na ação sobre os nervos devemos distinguir a ação sobreos nervos sensitivos e sobre os nervos motores. A açãosobre os nervos sensitivos dá sensação de dor. A açãosobre os nervos motores dá uma comoção (choque). Acorrente elétrica passando pelo músculo produz nele umacontração.
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.
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.
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
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