Eletroeletrônica

Carlos Eduardo Caraski

Introdução

Energia é a propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho. Pode ter várias formas: potencial, mecânica, química, eletromagnética, elétrica, calorífica, etc. Essas várias formas de energia podem ser transformadas umas nas outras. A energia elétrica - ou eletricidade - é como se designam os fenômenos em que estão envolvidas cargas elétricas.

Introdução

A energia elétrica pode ser gerada por meio de fontes renováveis de energia (a força das águas e dos ventos, o sol e a biomassa), ou não-renováveis (combustíveis fósseis e nucleares). No Brasil, onde é grande o número de rios, a opção hidráulica é mais utilizada e apenas uma pequena parte é gerada a partir de combustíveis fósseis, em usinas termelétricas.

IntroduçãoAs partes principais de uma usina hidrelétrica são:

a barragem, que tem por função barrar o fluxo da água do rio, represando-a; as comportas e o vertedouro, que controlam o nível de água da represa, evitando transbordamentos; e a casa de máquinas, onde estão instalados os geradores acoplados às turbinas. Para transformar a força das águas em energia elétrica, a água represada passa por dutos forçados, gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador, faz com que este entre em movimento, gerando a eletricidade.

Introdução

No caso de uma usina termelétrica, temos uma combinação diferente: a fornalha, onde é queimado o combustível; a caldeira, onde é produzido o vapor. O jato de vapor extraído da caldeira gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador faz com que este entre em movimento, gerando a eletricidade.

Introdução

Após ser gerada, a energia elétrica é conduzida por cabos até a subestação elevadora, onde transformadores elevam o valor da tensão elétrica (voltagem). Assim, nesse nível de tensão, a eletricidade pode percorrer longas distâncias pelas linhas de transmissão, sustentadas por torres, até chegar nas proximidades de onde será consumida.

IntroduçãoAntes disso, porém, a energia elétrica precisa ser reduzida

na subestação abaixadora por meio de transformadores. Em seguida, ela percorre as linhas de distribuição, que podem ser subterrâneas ou, como é mais corriqueiro, por rede aéreas. Finalmente, a energia elétrica é transformada novamente para os padrões de consumo local e chega às residências e outros estabelecimentos. A AES Eletropaulo é responsável pela entrega da eletricidade até a conexão dos fios de sua rede com as instalações do consumidor, geralmente no poste particular.

IntroduçãoO consumo de energia elétrica depende da potência

do aparelho utilizado e do tempo de utilização. Os aparelhos elétricos possuem diferentes potências, consumindo mais ou menos energia. Essa potência é expressa em watts (W) e deverá estar mencionada na placa de identificação afixada no próprio aparelho. É o medidor de energia elétrica (relógio de luz) que registra o consumo de eletricidade. Mensalmente a AES Eletropaulo realiza a leitura do consumo, para que seja emitida a fatura (conta) de energia elétrica. O consumo do mês é calculado com base na diferença entre a leitura obtida no mês em curso e a do mês anterior.

Vídeo

Observe as duas figuras a seguir.Nelas podemos identificar alguns elementos conhecidos, mesmo para pessoas que não tenham conhecimentos de eletricidade. A Fig01a  mostra uma bateria ,  uma lâmpada e um interruptor  .A lâmpada está apagada. A Fig01b mostra a mesma bateria e a mesma lâmpada , agora acesa.Por que a lâmpada está apagada ? Por que a lâmpada está acesa ? As respostas você obterá  quando alguns conceitos  de  eletricidade  forem  colocados  a seguir.

Conceitos Básicos

Todas as substâncias são constituídas de átomos e moléculas .Por exemplo a substância chamada de água, cuja fórmula química é H2O, é constituída de dois átomos de  hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio(O) os quais tem características totalmente diferentes da água.

  Os átomos por sua vez são constituídos  de minúsculas partículas : os  prótons, os elétrons e os nêutrons.Os prótons estão localizados na parte central do átomo chamada de núcleo, enquanto os elétrons giram ao seu redor em órbitas bem definidas, de forma parecida com os planetas girando ao redor do sol.

Nas duas figuras temos  os desenhos  do modelo mais simples que representa um átomo:  O núcleo central no qual estão os prótons e os nêutrons, e ao redor deste, girando, os elétrons. Existem varias órbitas , com diferentes números de elétrons  girando em cada uma. A última camada, chamada de camada valência  é a que tem maior interesse, pois  a diferença entre os principais materiais usados  na eletrônica tem o seu comportamento determinado pela característica desta camada.

*Átomo é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico.

• Prótons e elétrons tem uma propriedade física chamada de carga elétrica.  É por causa da existência das  cargas elétricas  que existe o raio , podemos assistir TV, tomar banho quente no inverno e outras comodidades que antes não existiam pois  as cargas elétricas não tinham sido "domadas ".

Cargas elétricas ( elétrons ) em movimento produzem uma corrente elétrica e é essa corrente elétrica que permite que nós tenhamos todas aquelas comodidades.Para gerar uma corrente elétrica precisamos  de um caminho ( condutor ) para as cargas elétricas percorrerem  e de um dispositivo que forneça a energia necessária para que essas cargas  se desloquem por esse caminho. Este dispositivo é chamado de Gerador de Tensão. Pilhas e baterias são exemplos de  geradores  de tensão. Outro elemento importante   são os isolantes , sem os quais não seria possível tudo isso.

   Um isolante não deixa as cargas elétricas se movimentarem pelo seu interior. Plásticos , madeira, borracha, vidro  e o ar são exemplos de isolantes .

Movimento de um elétron através de um condutor

Respondendo a pergunta  do inicio

Observe as figuras a seguir , são semelhantes às do inicio, a diferença é que não tem o interruptor. A lâmpada está apagada pois não existe caminho para as cargas se deslocarem (na Fig1a interruptor aberto ). Quando um caminho é criado ( no caso da Fig01b fechando o interruptor )  ligando a lâmpada à bateria,  a lâmpada acende (a energia dos elétrons é convertida em luz).

É importante notar  que o caminho  não existe porque o ar é isolante. Observe  que a corrente elétrica tem um sentido bem definido: a corrente sai do pólo positivo , percorre o circuito  e retorna para a bateria entrando pelo pólo negativo pois neste caso a corrente é chamada de CONTÍNUA (CC) e o gerador que a produziu,  GERADOR DE TENSÃO CONTÍNUA. A corrente cujo sentido está indicado na Fig 02b é chamada de corrente convencional ( sai do pólo positivo , percorre o circuito retornando pelo pólo negativo ).  A corrente real , de elétrons,  se movimenta no sentido contrário ao da corrente  convencional . O sentido que é usado é o convencional. 

Observe que isso não modifica  o funcionamento de qualquer dispositivo eletrônico, é como o  lado  que os carros se movimentam. Qual o correto ? O lado direito ( aqui no Brasil e maioria dos paises)  ou o lado esquerdo da rua ( Inglaterra e alguns paises ) ? Não importa , qualquer que seja o lado, o carro funciona da mesma forma, só devemos ter o cuidado  de lembrar em que pais estamos dirigindo. Pois é a mesma coisa com o sentido da corrente.O SENTIDO QUE ADOTAREMOS É O CONVENCIONAL.

Exemplo de Circuito Elétrico Circuito elétrico é todo caminho fechado percorrido pelos

elétrons, é constituído de no mínimo  um gerador, fios condutores, e de no mínimo um receptor ( lâmpada por exemplo ).

Medida das grandezas

Agora que você já sabe alguns conceitos básicos  qualitativos de eletricidade , precisamos  dar alguns conceitos quantitativos ( valores ) e para isso precisamos conhecer as unidades  de medida das grandezas  que  conhecemos.

Grandeza Elétrica

Para algumas das grandezas acima podemos dar um significado físico.Assim é que  o Coulomb pode ser definido

como sendo a quantidade de carga  correspondente a  6,25x1018 elétrons.

*A unidade SI de carga elétrica é o coulomb, definido em termos da unidade de corrente elétrica, o ampère. O coulomb (C) é a quantidade de carga que passa por um condutor, em um segundo, quando a corrente é de um ampère (1 A).

Assim é que  o Coulomb pode ser definido como sendo a quantidade de carga  correspondente a  6,25x10 elétrons.                                     1C = 6,25x10 elétrons.

  1 Ampere corresponde  a um fluxo de 6,25x10 elétrons por segundo ou 1Coulomb por segundo1A=1C/s   genericamente    I =Q/t  ou  Q = I.t

Onde  I é a intensidade da corrente em Amperes (A),  Q a quantidade  de carga ( em C) que atravessa uma secção do condutor no intervalo de tempo t (em s). 

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Exercícios

1 - A intensidade da corrente em um condutor é de 2A. Qual a quantidade de carga que passa por uma secção do fio em : a) 1s    b)   10s    c)    20s

Reposta

De acordo com a expressão dada acima  Q = I.t , onde Q é a carga em C, I a intensidade em A e t o tempo em s. Portanto só precisamos substituir na expressão acima em cada caso:

Q = 2A.1s = 2C      b)  Q = 2A.10s = 20C    c)Q=I.T Q=2A.20s = 40C

2 - Sabendo que a quantidade de carga que passa por um secção de fios em 10s é de 30C. Qual a intensidade da corrente?

I=Q/T I=30C/10s I=3A

Resolução

I=Q/T I=30C/10s I=3A

EletrostáticaEletrostática (português brasileiro) ou

electrostática (português europeu) (do grego elektron + statikos, estacionário) 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.

A eletricidade estática é a carga elétrica num corpo cujos átomos apresentam um desequilíbrio em sua neutralidade.

O fenômeno da eletricidade estática ocorre quando a quantidade de elétrons gera cargas positivas ou negativas em relação à carga elétrica dos núcleos dos átomos.

Quando existe um excesso de elétrons em relação aos prótons, diz-se que o corpo está carregado negativamente. Quando existem menos elétrons que prótons, o corpo está carregado positivamente. Se o número total de prótons e elétrons é equivalente, o corpo está num estado eletricamente neutro.

A eletricidade nos diversos materiais

A eletricidade estática é o fenômeno de acumulação de cargas elétricas em um material qualquer, condutor, semicondutor ou isolante. No material isolante, este efeito é facilmente detectado devido à dificuldade de deslocamento de cargas; quando o material isolante é eletrizado, ou seja, de alguma forma sofre um desequilíbrio entre cargas positivas e negativas, a natureza tende a restabelecer o equilíbrio, mas isso leva algum tempo, e durante esse intervalo o material é capaz de atrair ou repelir outros isolantes.

Nos condutores, o desequilíbrio de cargas altera o potencial elétrico do material, isso faz com que surja uma diferença de potencial entre o material condutor eletricamente carregado e a Terra, cujo potencial é considerado absoluto (V = 0). Em conseqüência dessa diferença de potencial, podem ocorrer descargas elétricas a fim de restabelecer o equilíbrio, só que nesse caso o deslocamento de cargas ocorre num tempo muito curto, podendo causar choques, faíscas, ruídos e outros fenômenos físicos capazes de provocar acidentes.

Em semicondutores, as cargas acumuladas em um corpo podem alterar abruptamente a condutividade do material; em dispositivos semicondutores, esse efeito pode causar a queima do componente. Esse fato era muito comum antigamente nos componentes CMOS, mas esse problema já foi contornado.

Existem muitas formas de "produzir" eletricidade estática

Eletrização

Quando os objetos estão carregados, não importa a polaridade, estão eletrizados. A eletrização pode ocorrer por indução, contato e posterior separação entre dois materiais, ou atrito.

Eletrização por Atrito Pode-se eletrizar um corpo atritando-o á outro,

fazendo com que um deles perca elétrons, e consequentemente deixando-o com carga elétrica (positiva ou negativa). A carga dos corpos eletrizados desse modo possuem carga de sinais opostos. Um exemplo é quando passamos um pente várias vezes no cabelo , o pente fica carregado,podemos perceber isso aproximando-o a pequenas particulas de papel. funciona com qualquer coisa de plástico que se esfrega no cabelo.

Eletrização por Contato

Ao se pegar um corpo eletrizado e encostá-lo em um neutro, este cede uma parte de sua carga ao corpo neutro, deixando-o com carga de mesmo sinal que o primeiro. Suponhamos que uma das esferas seja a esfera "A" e a outra, esfera "B", digamos que a esfera "A" está eletrizada negativamente e a esfera "B" está neutro, ao entrarem em contato, os elétrons em excesso na esfera "A", espalham-se pelo conjunto.

Eletrização por Aquecimento ou Piroeletrização

Ao aquecermos determinados corpos, estes adquirem algum dos tipos possíveis de carga. A este tipo possível de eletrização chamamos Piroeletrização.

Influência em máquinas e equipamentos

Na aviação, a eletricidade estática é factor relevante à segurança das aeronaves. Um avião, por exemplo, após aterrisar necessita ser descarregado estaticamente, pois a tensão desenvolvida pode facilmente ultrapassar 250.000 volts.

Os helicópteros também precisam ser descarregados eletricamente, pois a carga eletrostática acumulada na fuselagem pode provocar faíscas e, conseqüentemente, explosões ao se aproximarem do local de aterragem.

Nos automóveis também ocorre a eletrização, quando estes são submetidos a grandes velocidades ao ar seco, podendo seus ocupantes ao sair ou entrar no veículo tomarem uma descarga elétrica. Há relatos de acidentes com incêndios em postos de abastecimento causados por faisca devidas a descargas eletrostaticas durante o manuseio da bomba de combustível.

• Em eletrônica, a eletricidade estática é objeto de estudo e pesquisa, pois muitos são os danos causados pela carga dos corpos e sua consequente descarga em equipamentos e componentes sensíveis, como por exemplo, placas-mãe de computadores, módulos de memória, etc.

• Recentemente (2003), ocorreu um acidente que, presume-se, foi causado por uma faisca devida a uma descarga eletrostática num foguetão brasileiro na base aeroespacial de Alcântara, cuja explosão causou a morte de diversos técnicos e engenheiros.