CFQ Sistemas Electricos e Electronicos 2004

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1 A electricidade com que convivemos no dia a dia ........................................................73 2 A compreensão de uma força misteriosa… ........74 3 Corrente eléctrica e circuitos eléctricos .............80 4 Tensão, intensidade da corrente e resistência eléctrica ........................................86 5 Ímanes, electroímanes e indução electromagnética ..................................104 6 O mundo da comunicação, do controlo e da regulação ...................................................114 7 Componentes e circuitos electrónicos: alguns exemplos ................................................120 Síntese das ideias principais ..............................130 Teste..................................................................132 Sistemas eléctricos e electrónicos

Transcript of CFQ Sistemas Electricos e Electronicos 2004

  • 1 A electricidade com que convivemosno dia a dia........................................................73

    2 A compreenso de uma fora misteriosa ........74

    3 Corrente elctrica e circuitos elctricos.............80

    4 Tenso, intensidade da correntee resistncia elctrica........................................86

    5 manes, electromanes einduo electromagntica..................................104

    6 O mundo da comunicao, do controloe da regulao ...................................................114

    7 Componentes e circuitos electrnicos:alguns exemplos................................................120

    Sntese das ideias principais..............................130

    Teste..................................................................132

    Sistemas elctricos e electrnicos

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    1 A electricidade com queconvivemos no dia a dia

    A electricidade to antiga como o Universo. E por todo o lado

    utilizada no dia a dia. Desde o relgio despertador que te acorda

    de manh, at ao walkman ou o rdio que te acompanha at

    hora de dormir, tudo gira em torno da electricidade. J pensaste

    como seria viveres num local onde no pudesses dispor da

    electricidade que te fornecida?

    Conta-se que h mais de dois mil e quinhentos anos, asmulheres gregas usavam vestidos de seda e colares deelektron. Esta era a designao grega para o mbaramarelo com que ainda hoje se fazem colares e outrasjias valiosas. Quando as mulheres gregas semovimentavam, as contas do colar, de elektron,friccionavam-se no vestido e adquiriam a propriedadeestranha de atrair corpos leves. A explicaoprevalecente naquele tempo era a de que os colares deelektron eram lgrimas das Heladas, filhas do Sol, e porisso tinham esse poder sobrenatural Este fenmenotambm pode ser facilmente observado friccionandouma esferogrfica de plstico num pano de l ou flanelae aproximando-a de pequenos pedaos de papel.

    Dois mil anos depois, William Gilbert (1544-1603),mdico pessoal da rainha Isabel I de Inglaterra,escreveu um livro sobre o magnetismo e a electricidade.No acreditou na explicao miraculosa dos antigosgregos e decidiu investigar a propriedade do elektron:comeava assim a histria da electricidade. Estapalavra provm precisamente da palavra gregaelektron

    Normalmente, quando se fala em electricidade,pensa-se em lmpadas, televises, computadores, etc.No entanto, a electricidade responsvel por muitomais do que proporcionar luz,calor e entretenimento. Elaencontra-se envolvida numaenorme variedade defenmenos, desde o bater docorao at ao ouvir e ao pensar...

    Colares de mbar, ou seja, colares deelektron

    A raia elctrica emite descargaselctricas atravs da gua que atordoamou matam as suas presas.

    As clulas nervosas estabelecemcomunicao umas com as outrasatravs de correntes elctricas

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    2 A compreenso de uma foramisteriosa

    A matria vulgar no manifesta propriedades elctricas. Se tal

    sucedesse andvamos permanentemente a apanhar choques

    elctricos! Um corpo que manifesta a propriedade elctrica diz- s e

    electricamente carregado. O procedimento mais fcil para que um

    corpo fique electricamente carregado friccion-lo. Ser que esta

    electrizao por frico possvel com todos os corpos? E todos

    os corpos ficam carregados de igual modo? Que significa

    d i zer que um corpo est carregado electricamente?

    Experimenta friccionar uma esferogrfica plstica, ou umavareta em vidro, numa camisola de l. Aproxima o objectoutilizado de pequeninos pedaos de papel, antes e aps africo. Que concluis?

    Friccionados muitos outros objectos com um pano de l,eles atraem corpos leves. Uns atraem melhor, outrosatraem pior. Uns tm maior quantidade de electricidade, eoutros menor quantidade de electricidade. Os nossosantepassados aprenderam a medir a quantidade deelectricidade (actualmente designada por cargaelctrica), pelo efeito de uns corpos noutros, sem, noentanto, saberem a que eram devidas as foras de atraco.

    Todos j vimos relmpagos que ocorrem quando astrovoadas esto relativamente perto de ns. Os relmpagostambm so manifestaes de fenmenos elctricos. Umrelmpago uma enorme descarga elctrica que ocorreentre as nuvens e a terra ou mesmo de umas nuvens paraoutras. Os povos antigos encaravam as trovoadas como asvozes iradas dos deuses, mas hoje temos uma explicaonatural ou cientfica para as trovoadas. Pequenas descargaselctricas tambm podem ocorrer em muitas outrassituaes. Por exemplo, quando se sai de carro, aps umaviagem num dia seco de vero, pode apanhar-se umpequeno choque elctrico, isto , pode sofrer-se o efeito deum pequeno relmpago

    Por vezes, utiliza-se o termo electricidade esttica paranos referirmos carga elctrica que um corpo isoladoacumula e que se manifesta quando esse corpo postodepois em contacto ou em interaco distncia com outroscorpos carregados ou neutros.

    Umaesferogrfica,depois defriccionada, atrai pequenos pedaos depapel!

    Os relmpagos so cargas elcricas emmovimento rpido (descargaselctricas) de nuvem para nuvem ou deuma nuvem para a terra. extremamente perigoso brincar com umpapagaio em dia de trovoada, pois ocordel pode facilitar uma descargaelctrica das nuvens para a terraatravs do corpo de quem segura opapagaio.

  • Experimenta

    Detectar cargas elctricas

    Objectivo

    Observar interaces entre objectos carregados com omesmo tipo de carga ou com cargas de tipo diferente.

    Material necessrio

    Panos bem secos (de l ou flanela).

    Rguas e canetas de plstico.

    Tubos, varetas ou frascos de vidro.

    Outros corpos leves no metlicos (ex.: discos, carto,borrachas, etc.).

    Varetas de ebonite, se possvel.

    Linha de costura ou fio leve e um suporte para suspenderos objectos.

    Procedimento

    1 Monta um sistema como o da figura aolado.

    2 Coloca diversos objectos no suporte,aps terem sido friccionados nospanos ou noutros objectos. Aproxima doobjecto suspenso no suporte um outrocorpo igualmente friccionado.

    2 Preenche a tabela com registosadequados, como est exemplificado paraduas situaes.

    Discusso1 Que tipos de interaco observaste entre

    os diferentes objectos?

    2 Quantos tipos de carga elctrica devemexistir? Fundamenta a resposta.

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    A figura mostra um pndulo que pode ser electrizado porcontacto. Uma vez electrizado, o pndulo passa a funcionar comoelectroscpio, isto , como detector de tipo de carga elctrica.No caso da figura, as duas varetas A e B possuem cargas domesmo tipo ou de tipos diferentes? Fundamenta a resposta.

    A B

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    A origem da cargaelctrica nos corposSabemos hoje que todos os tomos possuempartculas com carga elctrica:

    protes (com carga elctrica positiva), noncleo;

    electres (com carga elctrica negativa),em volta do ncleo.

    A carga de um electro exactamentesimtrica da carga de um proto. Isto , tem omesmo valor absoluto e apenas difere no sinal. Porrazes histricas, a carga do electro consideradanegativa pelo que a carga do proto resultaobviamente positiva. Trata-se de uma meraconveno (ou seja, um acordo entre os cientistas).Os tomos possuem tambm partculas sem cargaelctrica, os neutres (que fazem parte do ncleo).

    Sabemos hoje que a electricidade apropriedade que os corpos revelam por possuremmais electres do que protes, ou mais protesdo que electres. As cargas elctricas j existem namatria, e, por isso, a electricidade to antiga comoo mundo E pensa-se, mesmo, que o aparecimentodas primeiras formas de vida estiveram ligadas a fortesdescargas elctricas.

    A carga elctrica de um corpo (designadaantigamente por quantidade de electricidade) tantomais positiva quanto menor for o nmero de electresem relao ao nmero de protes. E tanto maisnegativa quanto maior for o nmero de electres emrelao ao nmero de protes.

    Quando se friccionam dois objectos, transferem-seelectres dos tomos de um dos objectos para ostomos do outro objecto. Mas a carga que sai de um exactamente igual carga que o outro recebe. No h,pois, nem perda nem criao de carga elctrica. Diz-seque a carga elctrica se conserva.

    Interaco entre corposelectrizadosQuando um corpo electrizado se aproxima de outrocorpo electrizado, duas situaes podem ocorrer:

    os corpos repelem-se, se tiverem cargas domesmo sinal.

    os corpos atraem-se, se tiverem cargas de sinaldiferente.

    A origem da electricidadeencontra-se na estrutura

    da matria. A matria constituda por tomos.Cada tomo,electricamente neutro,contm cargasnegativas a girar emtorno do ncleo,constitudo por cargas

    positivas. O excesso ou afalta de electres num

    corpo faz com que essecorpo fique electrizado

    O instrumento da figura um electroscpio defolhas (observem-se asfolhas de ouropenduradas da haste).Quando est carregado,quer com carga positivaquer com carga negativa,as folhas afastam-se umada outra.

    Duas pequenasesferas leves esuspensaspodem afastar-se ou atrair-se,consoantetenham cargado mesmo sinalou cargas desinal dferente.

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    Duas pequenas esferas carregadas, naproximidade uma da outra, repelem-semutuamente. Explica-se esta repulsodizendo que o campo criado por umadas esferas carregadas actua na outraesfera, e vice-versa. Na foto,equipamento experimental para medir afora de interaco entre duas esferascarregadas.

    Unidade SI de carga elctricaA unidade SI de carga elctrica designada por coulomb(C). Um coulomb bastante superior s cargas dos corposcom que vulgarmente trabalhamos. Para um corpo ter acarga 1 C, ter de perder um nmero de electresverdadeiramente astronmico: 6,25 1018 electres (625seguido de dezasseis zeros!). Pelo contrrio, para um corpoter a carga 1 C, ter de ter um excesso de 6,25 1018

    electres sobre o nmero de protes.

    Campo elctricoHoje temos muitas provas experimentais de que qualquercorpo electricamente carregado cria sua volta o que sedesigna por um campo de foras elctricas ou,simplesmente, campo elctrico. O campo elctrico criadopor um corpo em cada ponto sua volta tanto maisintenso (mais forte) quanto maior for a carga do corpo. Ocampo elctrico vai enfraquecendo com o aumento dadistncia carga at se tornar to pouco intenso que sepode considerar nulo.

    Projectos

    Usos da electricidade estticaUma das utilizaes da electricidade esttica nas cabinas de pintura de fbricasde automveis. As gotas de tinta so electrizadas negativamente e a superfcie apintar positivamente. As gotas de tinta, por terem cargas do mesmo sinal,repelem-se umas s outras, mas so atradas para a superfcie metlica do carrocarregada positivamente. H uma economia de tinta (evitam-se espalhamentospara reas que no interessa pintar) e a tinta fica melhor espalhada.

    Outra utilizao da electricidade esttica nas fotocopiadoras. Nestasmquinas, h uma chapa metlica electrizada positivamente sobre a qual colocado o original a ser copiado. Nessa chapa, as zonascorrespondentes parte branca do original ficam neutras (nessespontos, a carga escoada para a Terra) e as zonascorrespondentes parte escura do papel mantm a sua cargapositiva. Deste modo, cria-se na chapa uma rplica do que estno papel original. As zonas positivas desta rplica atraem um pnegro e fino (toner) carregado negativamente, quando este entraem contacto com essa chapa. A rplica com toner transferidapara uma folha em papel branco e d-se a sua aderncia a estapor aquecimento.

    Sugere-se que os alunos investiguem estas e/ou outras aplicaes daelectricidade esttica. Algumas pginas da Internet com informaointeressante sobre este assunto:

    http://wikibooks.org/wiki/Uses_of_static_electricity(GCSE_science)

    http://electronics.howstuffworks.com/photocopier.htm

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    Apesar dos fenmenos elctricos serem conhecidos desde h mais dedois mil e quinhentos anos, o seu estudo sistemtico s se iniciou comWilliam Gilbert (1544-1603), um dos precursores da fsica, que foimdico da rainha Isabel I de Inglaterra. Utilizando um grande nmerode corpos diferentes, Gilbert pde concluir que muitos deles secomportavam como os pedaos de mbar, quando friccionados.Era o caso de corpos de vidro, de enxofre, de resina, de goma-laca,das pedras preciosas, de muitos cristais, etc. E os corpos levesatrados tambm eram variados: pedaos de madeira, limalha demetais, fibras vegetais, terra, areia, gotas de gua, etc.

    Gilbert organizou uma lista de materiais que no conseguiuelectrizar por frico: metais, madeiras duras, mrmore, marfim,ossos, etc. No fim da sua vida, em grande parte consagrada investigao das propriedades elctrica e magntica, Gilbert tinhadesenvolvido muitas ideias, umas certas, outras erradas, e tinha,principalmente, muitas dvidas. Tem sido sempre assim na histria daCincia, pois esta, por cada resposta que proporciona, cria muitasquestes, ao colocar novos problemas para resolver.

    Um ano antes da morte de Gilbert, nascia na Alemanha o homemque seria um digno continuador da sua obra: Otto von Guericke(1602-1686). Guericke colocou a hiptese de que as foras quemantm os planetas a mover-se em torno do Sol so foraselctricas. Os seus estudos no confirmaram esta hiptese, masconduziram-no construo da primeira mquina electrosttica, umamquina feita com uma esfera de enxofre capaz de carregar corposelectricamente. Entre as descobertas de Guericke, reala-se uma pelasua importncia: a electrizao por contacto. De facto, verificou quepenas de aves, em contacto com uma esfera electrizada, ficavamelectrizadas. E mais: imediatamente aps o contacto, as penas eramfortemente repelidas. Mas, logo que tocava nas penas, elas perdiam asua electrizao, passando novamente a ser atradas pela esfera deenxofre carregada. Concluiu que os corpos electrizados perdem o seuestado elctrico sempre que se toca neles com a mo.

    No meio sculo que se seguiu s descobertas de Guericke,publicadas em 1672, os progressos no conhecimento sobre aelectricidade foram muito poucos. Mas, em 1729, em Londres,Stephen Gray (1666-1736) descobriu que a electricidadese pode transmitir distncia em fios metlicos e emcordas humedecidas e identificou materiais que conduziame que no conduziam a electricidade.

    Quatro anos mais tarde, o francs Dufay (1698-1739)introduziu pela primeira vez os termos condutor e nocondutor da electricidade. Verificou que era capaz decarregar electricamente os bons condutores (como osmetais) por frico desde que os isolasse e afirmou,arrojadamente, que a electricidade uma propriedadeinerente a toda a matria e desempenha um papel

    Leitura

    Breve histria da electricidade esttica

    Guericke e a sua mquina electrosttica

    Tales de Mileto, um dosfundadores da filosofia grega(filsofo significa, letra,amigo do conhecimento),especulava que a origem daatraco do mbar seria aexistncia de partculasminsculas que provocariamuma fora elctrica Osinteresses de Tales iam desdea geometria at astronomia.Por exemplo, ficou famosopor prever o eclipse do Solque ocorreu em 28 de Maio de585 aC.

    William Gilbert(1544-1603)

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  • Questes

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    fundamental no Universo. Esta ideia ainda hoje se mantm vlida. aDufay que ficamos a dever a teoria dos dois fluidos elctricossegundo a qual a electricidade propagada distncia por meio dedois fluidos, um que propaga num dado sentido a electricidadevtrea (do tipo da electricidade do vidro friccionado com l) oupositiva, e outro que propaga em sentido contrrio aelectricidade resinosa (do tipo da electricidade da resinafriccionada com l) ou negativa.

    Em 1747, o americano Benjamin Franklin (1706-1790) realizouestudos notveis: explicou os raios que caem na terra duranteas trovoadas e que tantos estragos fazem, testando a ideia deque so correntes elctricas fortes e ultra-rpidas (descargaselctricas) que ocorrem entre as nuvens e a terra; descobriu que aelectricidade se escoa dos corpos para a atmosfera maisfacilmente pelas pontas desses corposo chamado poder daspontas; e inventou, com base neste poder das pontas, o pra-raios(em 1752). Para alm disso, enunciou o princpio da conservaoda electricidade e props a teoria de um fluido elctriconico. A ideia de Franklin de um s fluido no se imps logo, atporque vrios estudos mostravam que os termos electricidade vtreae electricidade resinosa eram enganadores porque nem o vidro nema resina adquirem sempre uma electricidade da mesma natureza(dependia do material friccionante).

    O francs Charles de Coulomb (1736-1806) consideravaexistirem duas electricidades, dois tipos de fluidos materiaiscujas partculas se atraam ou repeliam. Foi o primeiro a estudarquantitativamente as atraces e repulses elctricas. Em 1785concluiu que a fora repulsiva (entre cargas do mesmo tipo) ouatractiva (entre cargas de tipo diferente) era directamenteproporcional ao produto dos valores que quantificam essascargas e inversamente proporcional ao quadrado da distnciaentre elas.

    Apenas em 1800 o italiano Alexandro Volta construiu a primeirapilha elctrica, que permitia obter correntes elctricas de modocontinuado. Comeava um novo captulo na histria da electricidade eda histria da Humanidade.

    1 Encheram-se dois bales de borracha. Emseguida fizeram-se duas cruzes nos dois balese friccionaram-se fortemente com panos de las zonas dos bales onde esto as cruzes.Depois aproximaram-se essas zonas uma daoutra.

    1.1 O que prevs que tenha sucedido?

    1.2 Como explicas o que sucedeu?

    2 Voltou-se a friccionar um dos balesfortemente na zona da cruz e aproximou-se umdedo da mo, bem seco, dessa zona do balo.Notou-se um pequeno estampido.

    2.1 Caso esta experincia fosse feita numa salaescura, o que poderias ver?

    2.2 Explica a origem do pequeno estampido.

    Gravura alusiva sexperincias de Franklincom o pra-raios, em1752.

    A electricidade esttica estevena moda nos sales nobresno sculo XVIII. Os seus usosforam muito diversificados

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    Em 1746, o padre Nollet, de Paris,estudioso da electricidade,verificou que esta se movia muitodepressa... Colocou 200 frades emfila, ligados entre si. Fez incidiruma descarga elctrica no primeirofrade e verificou que todos osoutros saltaram e comearam apraguejar simultaneamente,devido passagem da correnteelctrica! O padreNollet refere estaexperincia noseu livro Lettressur Llectricit,1753 (Cartassobre aElectricidade).

    Corrente elctrica temporria epermanente. Pilhas elctricasQualquer objecto electricamente carregado descarrega-sequando o colocamos em contacto com a terra por meio de umcondutor elctrico. Os electres movem-se facilmenteatravs dos condutores, constituindo o que se chama umacorrente elctrica. Numa descarga elctrica para a terra, acorrente pode ser:

    da terra para o objecto carregado, se este estiverpositivo (tem falta de electres);

    do objecto carregado para a terra, se o objecto estivernegativo (tem excesso de electres).

    Na descarga, a corrente elctrica praticamenteinstantnea, como no caso do choque elctrico que se sentepor vezes ao sair de um automvel, num dia seco e quente. Acarga elctrica da carroaria metlica (originada pela fricocom o ar) descarregada atravs do nosso corpo, quandotocamos no cho.

    Vimos que as correntes elctricas temporrias existemdesde sempre: o caso, por exemplo das trovoadas. Porm,a manuteno das cargas elctricas em movimento, ou seja aproduo de correntes elctricas permanentes, s foiconseguida h pouco mais de 200 anos pelo fsico italianoAlexandro Volta (1745-1827), ao inventar a primeira pilhaelctrica. A corrente obtida com uma pilha (ou com outrogerador elctrico) mantm-se durante muito mais tempo doque numa descarga elctrica e tem sempre o mesmo sentido., por isso, uma corrente contnua (DC, de direct current).

    Quando se liga uma pilha ou qualquer outro gerador a umcircuito exterior, so estabelecidos campos eltricos no circuitoexterior e dentro do prprio gerador. Isto faz com que o

    3 Corrente elctrica e circuitos elctricos

    Se a interaco entre corpos electrizados (electricidade esttica)

    j conhecida h muitas centenas de anos, o estudo das cargas

    em movimento atravs dos circuitos elctricos (electrodinmica)

    mais recente: iniciouse h cerca de 200 anos, com a inveno

    da primeira pilha elctrica.

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    A corrente elctrica percorre todos os componentes docircuito: gerador, fios, lmpada e interruptor A correntegerada por uma pilha uma corrente contnua (temsempre o mesmo sentido).

    movimento de cargas no ocorra apenasno circuito exterior mas tambm dentrodo gerador. Caso contrrio, no teramoscorrente, pois o gerador deixava de o serpara passar a ser um interruptor(interrompia a corrente que ele prpriopretendia criar!).

    Qualquer pilha elctrica possui umcircuito interior formado por condutores emcontacto:

    dois elctrodos metlicos, a que seliga o circuito exterior;

    o electrlito (em geral uma soluo)embebendo os elctrodos, e quecontm ies (tomos ou grupos detomos que, tendo perdido ourecebido electres, so portadores decarga elctrica).

    A produo de corrente estrelacionada com reaces qumicas que sedo entre os elctrodos e o electrlito.Nessas reaces, h partculas que cedemcarga a outras partculas. O resultado final um fluxo de cargas no interior e noexterior do gerador, quando este includo num circuito fechado. Noelectrlito, so ies as partculas quetransportam a carga elctrica; nos

    elctrodos e nos fios,so electres quetransportam a carga.

    Numa pilha elctricatransfere-se energia dasreaces qumicas para acorrente ao longo do circuito.A pilha elctrica, um geradorelectroqumico de corrente,foi inventada no princpio dosculo XIX pelo italianoAlessandro Volta. Este fsicodescobriu que entre doispedaos de metal (cobre ezinco), separados por papelembebido em gua salgada,se estabelecia uma tensoelctrica. Ligando os doismetais atravs de umcondutor, verificou quepassava corrente.

    O termo "pilha" vem do factode Volta ter empilhado vrios elementosconstitudos, cada um, por uma pequena chapa decobre separada de uma chapa de zinco por umafolha embebida em gua salgada (figura ao lado).

    Abrindo uma pilha, verificas que h sempredois slidos condutores, os elctrodos (grafitee zinco, nas pilhas vulgares, ou outrosmateriais nas pilhasde maior durao),separados por umamistura que temembebida umasoluo condutora.

    carvo(grafite)

    zinco

    Uma forma simples deproduzir corrente: duasmoedas diferentes e umlimo

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    Modelo sub-microscpico da corrente elctrica

    Nos metais, como o cobre,o ferro, o alumnio ou osdio, os electres maisafastados do ncleo,chamados electres deconduo, estofracamente ligados aostomos e podem mover-sedesordenadamente, emtodas as direces, detomo para tomo.

    Os electres de conduo so arrastados para oplo positivo do gerador, pelas fora do campoelctrico no fio, originando uma corrente elctrica.

    O campo elctrico nos fios particularmente intenso e propaga-semuito rapidamente (a uma velocidade de cerca de 200 000 quilmetrospor segundo!). Nota que o facto de o campo elctrico se propagar torapidamente no fio no significa que os electres de conduo progridammuito depressa ao longo dos fios. Bem pelo contrrio, devido s colisescom os tomos, os electres de conduo progridem no fiorelativamente devagar (alguns milmetros por segundo, numa correntecontnua).

    Cuidados com a corrente elctricaO corpo humano um bom condutor da corrente elctrica,principalmente quando est molhado. Uma corrente elctricasuficientemente intensa atravs do corpo pode provocar a morte.

    As regras seguintes devem ser sempre respeitadas quando seusam aparelhos elctricos:

    1 As superfcies metlicas de contacto dos elementos doscircuitos (pontas dos fios e terminais dos aparelhos) devemestar limpas e secas, e devem ser bem ligadas de modoa no poderem ser tocadas com as mos.

    2 No se deve utilizar um aparelho com as mos hmidasou perto de gua.

    3 Quando se liga uma ficha, o aparelho deve estardesligado.

    4 Sempre que possvel, devem-se usar tomadas com ligao Terra (porque canalizam para a Terra qualquer excesso decorrente).

    5 Os fios condutores devem estar devidamente isolados e teruma espessura adequada, no devendo estar partidospor dentro.

    6 Nunca se devem ligar muitos aparelhos mesma tomadade corrente.

    7 Em caso algum se deve tocar nos fios descarnados, emquaisquer corpos metlicos ou em outros que tambmsejam condutores e estejam intercalados no circuito.

    Nunca se deve utilizar umaparelho elctrico com moshmidas ou prximo de gua.Porqu?

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    +

    lmpada

    interruptor (aberto)

    gerador (pilha)

    Como representar umcircuito elctrico?Um circuito elctrico uma sequncia decondutores por onde circula uma correnteelctrica. Os circuitos podem serrepresentados por esquemas elctricos.

    A figura ao lado mostra um circuito comuma pilha, uma lmpada e um interruptor. Apilha o gerador de corrente para o circuito(outros exemplos de geradores so as bateriasde automvel e os dnamos de bicicletas) e almpada o receptor (outros exemplos dereceptores so os motores elctricos e oscircuitos electrnicos).

    Diz-se que um circuito est:

    aberto, se o interruptor estiverdesligado;

    fechado, se o interruptor estiverligado.

    O esquema de um circuito elctrico no um desenho realista do circuito. Alm de sermais difcil fazer um desenho do que umesquema, um desenho pode no dar uma ideiaclara do modo como esto ligados oscomponentes do circuito.

    Cada tipo de componente de um circuito representado por um smbolo prprio. Naprxima seco, podem ver-se fotos de algunstipos de componentes de circuitos elctricos erespectivos smbolos. Os smbolos queutilizamos so os recomendados pela ComissoElectrotcnica Internacional (CEI) e esto deacordo com as normas portuguesas.

    Um circuito elctrico com uma pilha, umalmpada, um interruptor e fios e o respectivoesquema elctrico.

    Nas experincias escolares, os perigos de utilizao da corrente elctrica so muito baixos, porqueos aparelhos didcticos garantem uma boa segurana e as correntes so pouco intensas. Mas o riscode danificao dos aparelhos elevado. H, pois, que respeitar as normas indicadas pelosprofessores. Por exemplo:

    1 Qualquer montagem deve ser feita com base num esquema elctrico prvio, para servir deorientao e incluir, pelo menos, um interruptor inicialmente desligado.

    2 S se deve dar incio passagem da corrente no circuito, fechando o interruptor, quando se tema certeza de que as ligaes esto de acordo com o esquema e de que as grandezas amedir esto dentro do alcance dos aparelhos de medida.

    3 Nos aparelhos com vrias escalas, devem utilizar-se as escalas de maior alcance e sdepois ir reduzindo os alcances das escalas adequando-as aos valores entretanto medidos.

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    Os efeitos magntico e qumico da corrente elctrica contnua sugeremque a corrente tem um sentido. De facto, invertendo as ligaes nogerador, inverte-se o sentido da corrente e, em resultado disso, mudade sentido o desvio da agulha magntica e mudam de elctrodo osprodutos que se formam quando a corrente passa numa soluo.

    Efeitos da corrente elctricaQuando a corrente elctrica passa num fio ou numa soluo condutorapodemos observar diversos efeitos:

    N

    NO

    O

    SO

    S

    SE

    E

    NE

    +0

    2

    3

    4

    5

    67

    8

    9

    10

    11

    12

    Efeito trmico dacorrente (ou efeito

    Joule)

    Um condutor percorrido por umacorrente elctrica sofre um

    aumento de temperatura (podeser difcil detectar este

    aquecimento, se a intensidadeda corrente for pequena). O efeito

    trmico tambm conhecido porefeito Joule, em homenagem aofsico ingls James Joule que, no

    sculo XIX, o estudou pelaprimeira vez.

    Efeito magntico dacorrente

    A passagem da corrente elctricacontnua num fio provoca oaparecimento de um campomagntico na proximidade do fio quepode ser detectado pelo desvio deuma agulha magntica. Seinvertermos o sentido da corrente, aagulha magntica desvia-se emsentido contrrio.

    Efeito qumico da corrente

    A corrente elctrica contnua pode provocarreaces qumicas, isto , a formao de novassubstncias, quando passa atravs de soluescondutoras. Por exemplo, fazendo passarcorrente numa soluo condutora de cloreto decobre, observa-se o aparecimento de novassubstncias (cobre e cloro) nos elctrodos. Parteda energia que estava associada correnteelctrica (energia elctrica) vai surgir na forma deenergia qumica. Tal processo o oposto do queacontece nas pilhas elctricas. Numa pilha,ocorrem reaces qumicas que do origem corrente elctrica. Se invertermos as ligaes nogerador, o cobre passa a depositar-se na outrabarra condutora. O mesmo ocorre com o gscloro, que passa a libertar-se na outra barracondutora ou elctrodo.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 9:29 PM Pgina 84

  • Sentido real ou electrnico esentido convencional da correnteA corrente obtida numa pilha tem sempre o mesmo sentido:os electres de conduo seguem,nos fios, do plo negativo para oplo positivo. O sentido do movimentodos electres sentido electrnico dacorrente tambm designado porsentido real da corrente elctrica.

    No sculo XIX, ainda no se tinhauma ideia clara sobre a correnteelctrica: no se sabia que era um fluxode electres e pensava-se que era algode semelhante a um "fluido" (um gs ouum lquido so fluidos, porque fluem,escorrem). Convencionou-se ento queesse fluido elctrico passava do plopositivo para o plo negativo sentidoconvencional da corrente. O sentido convencional aindahoje muito utilizado em engenharia e em Fsica, se bem que nocorresponda de facto ao sentido do movimento dos electres.

    85

    A corrente elctrica e asmanifestaes de energiaOs efeitos da corrente elctrica acabados de estudar, maisno so do que manifestaes de uma forma de energiaque se designa vulgarmente por energia elctrica. Esta,como qualquer outra forma de energia, no criada donada. fornecida ao circuito pelo gerador, a partir de outrasformas de energia. Mas muitas vezes no vemos essaenergia elctrica, pois no vemos quaisquer efeitos dacorrente. Porqu?

    Porque simplesmente no h corrente elctrica (o circuitoest aberto). S com o circuito fechado o campo elctricono circuito arrrasta as cargas elctricas ao longo docircuito, tal como vimos. Havendo arrastamento das cargaselctricas pelas foras do campo elctrico, h trabalhorealizado sobre essas cargas. E pelo facto de serrealizado este trabalho que h energia elctrica transformadaem outras formas nosdiversos componentesdo circuito. A energiatransformada em cadaparte do circuitodepende deste trabalhodas foras do campoelctrico sobre as cargaselctricas.

    A emisso de luz e omovimento de um comboioelctrico so manifestaesda energia da correnteelctrica.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 11:00 PM Pgina 85

  • 86

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    4 Tenso, intensidade dacorrente e resistncia elctrica

    Leitura de aparelhos e algarismos significativos

    1 Quando se faz a leitura num aparelho de medida, l-se sempre umvalor aproximado, que depende das divises da escala doaparelho.

    2 Chamam-se algarismos significativos aos algarismos que fazsentido considerar no resultado da leitura.

    3 Por exemplo, no voltmetro ao lado, de alcance 5 V, cada divisogrande (isto , o conjunto de 10 divises pequenas) vale 1 V.

    4 A menor diviso (ou diviso propriamente dita) vale 0,1 V(1 V/10).

    5 Neste voltmetro s se pode ler com exactido de 0,1 V em 0,1 V.Por aproximao, pode ler-se metade deste valor: 0,05 V.

    6 Os algarismos significativos numa medio so os que se lemcom exactido e o primeiro que se l por aproximao. Voltmetro com um alcance

    mximo de 5 V = 5 000 mV.

    Tenso elctricaAo longo de um circuito elctrico percorrido por uma corrente, a energiadas cargas elctricas vai-se transformando em outras formas deenergia nos diversos componentes do circuito. A tenso elctrica entredois pontos do circuito mede a energia que transformada, porunidade de carga, entre esses pontos do circuito.

    A tenso elctrica (grandeza que tambm designada pordiferena de potencial elctrico) representa-se pelo smbolo U (algunslivros usam V, mas U o smbolo recomendado internacionalmente).Mede-se com aparelhos designados por voltmetros.

    A unidade de tenso elctrica o volt, cujo smbolo V. Utiliza-setambm o milivolt (mV), que a milsima parte do volt.

    1 V = 1000 mV

    1 mV = 0,001 V = 1000

    milivoltvolt

    voltmilivolt

    1V

    A energia elctrica que transformada em outras formas de

    energia num troo de circuito depende da chamada tenso

    elctrica nos extremos desse troo. A tenso a grandeza que

    determina a maior ou menor rapidez com que as cargas elctricas

    so arrastadas. A intensidade da corrente depende desta rapidez

    de arrastamento. Por sua vez, a rapidez de arrastamento tanto

    menor quanto maior for a resistncia dos condutores.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 9:31 PM Pgina 86

  • 87

    Como ligar lmpadas num circuito?Que materiais so bons condutoresde corrente elctrica?

    Objectivos

    Construir circuitos simples.

    Identificar materiais bons e maus condutores da corrente elctrica.

    Material necessrio

    1 pilha de 4,5 V

    2 lmpadas e respectivos suportes

    1 interruptor

    fios de ligao soltos e com bananas

    diversos materiais para teste decondutibilidade (exemplos: cortia, papel,chapas metlicas, couro, vidro, etc.)

    O que se faz

    1 Montar um circuito com uma lmpada, norespectivo suporte.

    2 Retirar a lmpada do respectivo suporte einvestigar como acender a lmpadautilizando fios soltos, ligando-adirectamente pilha (ver figura ao lado).

    3 Construir um circuito com duas lmpadas, nos respectivossuportes.

    4 Descobrir, por tentativas, um outro processo que h para ligar asduas lmpadas no circuito.

    5 Construir um circuito que permita testar a condutibilidadeelctrica de um objecto.

    6 Verificar se os materiais de que so feitos diversos objectosconduzem ou no a corrente elctrica. Organizar um quadro com asobservaes.

    Experimenta

    Como ligar a lmpada(fora do suporterespectivo) pilha demodo a acend-la...?

    11 Sistemas electricos 4/14/04 11:16 PM Pgina 87

  • 88

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Medio da tenso elctrica em associaes delmpadas em srie e em paralelo

    Experimenta

    4 Que relao h entre a tenso nos extremos daassociao em srie das duas lmpadas e as tensesnas extremidades de cada lmpada? Esquematiza ocircuito e escreve os respectivos valores.

    As ideias A tenso elctrica entre dois pontos quaisquer de um circuito

    elctrico pode ser medida com um voltmetro.

    O voltmetro ligado em paralelo aos dois pontos entre os quaisse pretende medir a tenso elctrica.

    Materialnecessrio

    voltmetro

    pilha

    fios de ligao

    2 lmpadas iguais

    1 interruptor1. experincia (lmpadas em srie)

    1 Montar um circuito como o da figura para medira tenso elctrica nos extremos de uma lmpada.

    2 Medir a tenso entre os extremos da outra lmpada.Registar os respectivos valores.

    3 Medir a tenso entre os extremos da associao em srie dasduas lmpadas. Registar o respectivo valor.

    O voltmetro ligadoem paralelo lmpada.

    O voltmetro ligadoaos extremos das duaslmpadas.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 11:13 PM Pgina 88

  • 89

    V

    V

    V

    U = ?

    U = ?

    U = ?+

    2. experincia (lmpadas em paralelo)

    1 Montar um circuito como o da figura para medir a tensoelctrica nos extremos de uma lmpada.

    2 Medir a tenso entre os extremos da outra lmpada.Registar os respectivos valores.

    3 Medir a tenso entre os extremos da associao emparalelo das duas lmpadas. Registar o respectivo valor.

    4 Que relao h entre a tenso nos extremos da associaoem paralelo das duas lmpadas e as tenses nasextremidades de cada uma das lmpadas? Completa oesquema do circuito (ao lado) escrevendo os valores lidosnos voltmetros.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 11:13 PM Pgina 89

  • 90

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Questes

    1 Converter:

    1.1 2,5 V em milivolts.

    1.2 250 mV em volts.

    1.3 4,8 mV em volts.

    1.4 0,5 V em milivolts.

    1.5 0,25 V em milivolts.

    2 Observa a fotografia do voltmetro ao lado.

    2.1 Qual o alcance mximo do voltmetro?

    2.2 Como se deve proceder para efectuar uma medio comum alcance de 15 V?

    2.3 Em que posio deve estar o ponteiro para marcar 1,5 Vquando o alcance for de 3 V?

    3 Estabelece as ligaes de tal modo que:

    +

    V

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    +

    V

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    3.2 duas das trs lmpadas fiquem emparalelo e a terceira em srie e que ovoltmetro mea a tenso naassociao das lmpada em paralelo.

    3.1 as trs lmpadas fiquem em srie eque o voltmetro mea a tenso nalmpada do meio.

    4 O Segway Human Transporter (HT) pretende ser um veculo revolucionriopara o transporte nas cidades. Usa como fonte de alimentao duas bateriascom um total de 72 V.Num certo percurso, o HT funcionou com uma potncia de 700 watts(700 W), ou seja, recebeu 700 J da fonte de tenso em cada segundo.

    4.1 Qual a energia que o HT recebeu em 10 s?

    4.2 Verifica que a energia que o HT recebeu em 1 min 42 000 J.

    4.3 A tenso elctrica, em volts, indica a energia, em joules, que transformada por cada coulomb de carga que circula no circuito. Verificaque a carga elctrica que circulou no sistema elctrico do HT durante1 min foi 583 coulombs.

    http://www.segway.com

    11 Sistemas electricos 4/14/04 9:33 PM Pgina 90

  • 91

    Gerador (pilha)

    Lmpada

    Voltmetro

    Tomada de corrente de 220 V

    Fios de ligao

    Resistor (ou resistncia)

    Ampermetro

    Campainha

    Gerador (caixa de alimentao)

    Interruptor

    Motor elctrico

    Restato

    +

    G

    AV M

    220 V

    Componentes mais vulgares dos circuitos delaboratrio e respectivos smbolos

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:52 PM Pgina 91

  • 92

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    A10 2 3 4

    5

    0

    0.2 0.4 0.60.8

    1.0

    Intensidade da corrente elctricaUma corrente elctrica num fio pode ser pouco intensa ou muitointensa. Quando o campo elctrico, criado pelo gerador, maisintenso, os electres de conduo so arrastados maisrapidamente. O nmero desses electres que passam em qualquerseco do fio condutor, por unidade de tempo, maior. E, por isso,a corrente elctrica mais intensa (nota que no h maiselectresmais cargaa circular os electres de conduoprogridem mais depressa!).

    A intensidade da corrente elctrica mede a carga elctricaque passa em cada seco por unidade de tempo. Representa-sepelo smbolo I e mede-se com aparelhos chamadosampermetros.

    A unidade SI de intensidade da corrente elctrica o ampere,cujo smbolo A. Um submltiplo muito utilizado o miliampere,a milsima parte do ampere.

    +

    1 A = 1000 mA

    1 mA = 0,001 A = 1000

    miliampereampere

    amperemiliampere

    1A

    Exemplificando

    Como converter em miliamperes uma medida emamperes

    Como converter em amperes uma medida emmiliamperes

    Para medir a intensidade da correntenum circuito que tem todos os seuselementos ligados em srie, bastaintroduzir um ampermetro em srie emqualquer ponto do circuito.

    Ampermetro com um alcancemximo de 0,1 A = 100 mA.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:53 PM Pgina 92

  • 93

    1 230

    A1 2

    30

    A

    Exemplificando

    Se o alcance for 3 A

    cada diviso maior da escala vale1 A e a menor diviso vale 0,1 A.

    O valor marcado

    1 A + 2,5 0,1 A =

    = 1,25 A = 1250 mA

    Como medir valores num ampermetro?

    necessrio conhecer o alcance ou valor mximo da escala e

    1 Calcular quanto vale cada diviso da escala, tendo em conta o alcance.

    2 Calcular quanto vale a menor diviso, tendo em conta o nmero de divises.

    Se o alcance for 30 mA

    cada diviso maior da escala vale10 mA e a menor diviso vale 1 mA.

    O valor marcado

    10 mA + 2,5 1 mA =

    = 12,5 mA = 0,0125 A

    Se o alcance for 300 mA

    cada diviso maior da escala vale100 mA e a menor diviso vale 10 mA.

    O valor marcado

    200 mA = 0,200 A

    Se o alcance for 60 mA

    cada diviso maior da escala vale20 mA e a menor diviso vale 2 mA.

    O valor marcado

    3,5 2 mA =

    = 7 mA = 0,007 A

    Utilizando estes doisterminais, o alcance 5 A Equanto vale cada diviso?

    Utilizando estes doisterminais, o alcance 1 A Equanto vale cada diviso?

    A que terminais se deve ligareste ampermetro para que oalcance seja 0,5 A?

    Se o alcance for 1,5 A

    cada diviso maior da escala vale0,5 A e a menor diviso vale 0,05 A.

    O valor marcado

    0,5 0,05 A =

    = 0,025 A = 25 mA

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:53 PM Pgina 93

  • 94

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Corrente em circuitos em srie e emparalelo

    As ideias principais Um ampermetro monta-se sempre em srie.

    Na ligao em srie, toda a corrente percorre o mesmo caminho.Na ligao em paralelo, a corrente reparte-se por vrioscaminhos (os ramos da ligao).

    Material necessrio 1 pilha

    2 lmpadas iguais nos respectivos suportes;

    1 voltmetro

    1 ampermetro

    1 interruptor

    fios de ligao

    1. experincia (lmpadas emsrie)

    1 Monta o circuito da figura ao lado, com asduas lmpadas L1 e L2 em srie.

    2 Modifica o circuito de modo a incluir oampermetro entre as duas lmpadas.Regista a intensidade da corrente.

    3 Modifica o circuito, colocando oampermetro entre o interruptor almpada L2. Regista a intensidade dacorrente.

    4 Modifica o circuito, colocando oampermetro entre a lmpada L1 e ogerador. Regista a intensidade da corrente.

    5 Nota-se alguma variao na intensidade dacorrente ao longo do circuito?

    6 Desenrosca uma das lmpadas. Quesucede? Porqu?

    Experimenta

    11 Sistemas electricos 4/14/04 10:54 PM Pgina 94

  • 95

    2. experincia (lmpadas emparalelo)

    1 Monta o circuito da figura ao lado, com as duaslmpadas em paralelo.

    3 Modifica o circuito de modo a incluir oampermetro no troo do circuito da outra lmpadaem paralelo. Regista a intensidade da corrente.

    2 Modifica o circuito de modo a incluir oampermetro no troo do circuito de uma daslmpadas em paralelo. Regista a intensidade dacorrente.

    4 Modifica o circuito de modo a incluir oampermetro entre a lmpada L2 e ointerruptor. Regista a intensidade da corrente.

    5 Modifica o circuito de modo a incluir oampermetro entre a lmpada L1 e o gerador.Regista a intensidade da corrente.

    6 Nota-se alguma diferena na intensidade dacorrente nos diversos troos do circuito? Onde que a corrente mais intensa: no gerador e nointerruptor ou em cada uma das lmpadas?

    7 Desenrosca uma das lmpadas. Que sucede?Porqu?

    11 Sistemas electricos 4/14/04 10:54 PM Pgina 95

  • 96

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    +

    troos em paralelo

    n docircuito

    n docircuito

    troo principal do circuito

    Um circuito com duas lmpadas em paraleloe respectivo esquema.

    Estas duas figuras mostram o mesmocircuito de duas lmpadas em paralelo. Naprimeira, usa-se menor nmero de fios...mas a passagem da corrente d-se de modosemelhante: a corrente que circula no trooprincipal do circuito divide-se num n paraos troos em paraleloas duas lmpadasevolta a juntar-se no outro n do circuito.

    +

    Um circuito em srie e respectivo esquema.

    O valor da corrente em circuitos emsrie e em circuitos em paraleloQuando os componentes de um circuito esto ligados em srie, a corrente stem um caminho que passa por todos esses condutores. Quando num circuitoh um n onde a corrente se divide em dois ou mais caminhos e h umoutro n onde estes caminhos se juntam, diz-se que os componentes dessescaminhos esto ligados em paralelo ou derivao.

    Num circuito com componentes em paralelo, chama-se troo principal docircuito parte do circuito onde no existem componentes em paralelo. Acorrente no troo principal a soma das correntes nos troos em paralelo.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 10:54 PM Pgina 96

  • 97

    Questes

    3 Completa os valores de intensidade da corrente e de tensoelctrica nos circuitos esquematizados:

    4 A figura representa um regato a descer uma montanha que sebifurca em dois que posteriormente se reunem. O caudal de gua doregato antes da bifurcao 10 m3 por minuto. Um dos doiscaudais resultantes da bifurcao 4 m3/min.

    4.1 Qual o caudal do outro ramal?

    4.2 Qual o caudal de gua aps a reunio dos dois ramais?

    4.3 H alguma analogia entre este movimento da gua e o quesucede com a corrente elctrica? Explica a tua resposta.

    +

    1 Converter:

    1.1 2,25 A em miliamperes.

    1.2 1 550 mA em amperes.

    1.3 4,8 mA em amperes.

    2 Estabelece as ligaes de tal modo que:

    +

    +

    2.2 duas das trs lmpadas fiquem em paralelo e aterceira em srie e que o ampermetro mea aintensidade no troo principal do circuito.

    2.1 as trs lmpadas fiquem em srie eque o ampermetro mea aintensidade no circuito.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 9:08 PM Pgina 97

  • 98

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Resistncia elctrica dos condutoresOs tomos e outras partculas do condutor oferecem uma certaresistncia passagem da corrente. Esta resistncia, designada porresistncia elctrica do condutor, pode ser medida por diversosprocessos. Para um condutor percorrido por uma corrente de intensidadeI e submetido tenso elctrica U, define-se a resistncia elctrica pelaequao:

    No Sistema Internacional de Unidades, a resistncia elctrica expressa numa unidade designada por ohm, cujo smbolo a letra gregamega, . O ohm a resistncia elctrica de um condutor que estandosubmetido tenso de 1 volt percorrido por uma corrente de 1ampere:

    Um condutor submetido, por exemplo, tenso de 4,5 V epercorrido por uma corrente de 200 mA = 0,200 A tem a resistnciaelctrica de 22,5 ohms:

    R

    UI

    = = =

    4 522 5

    ,,

    V

    0,200 A

    R

    UI

    = = =11

    11

    ohm volt

    1 ampere

    V

    1 A

    resistncia elctricatenso elctrica

    intensidade da corrente=

    =RUI

    Resistores de carvoNos circuitos electrnicos e em muitos outros dispositivos,utilizam-se pequenos resistores de carvo. O valor daresistncia de um resistor dado por um cdigo de cores.

    Por exemplo, o resistor abaixo tem uma resistnciaelctrica de 1500 75 . Este valor de 75 aincerteza da resistncia, indicada pela ltima banda, de cordourada.

    1 5

    2 5%

    5% de 1500 so:0,05 1500 = 75

    A terceira bandaindica o n. de zerosque se seguem aos doisprimeiros algarismos

    A quarta bandaindica o valor da incertezada resistncia

    resistor de

    1500 75

    A primeira e a segundabanda indicam os doisprimeiros algarismosdo valor da resistncia

    1, 2 e 3 banda4 banda

    (incerteza)

    preto 0

    castanho 1

    vermelho

    castanho = 1 %

    vermelho = 2 %2

    laranja 3

    amarelo 4

    verde 5

    azul 6

    violeta 7

    cinzento 8

    branco 9

    dourado = 5 %

    prateado = 10 %

    resistor

    A

    200 mA

    4,5 V

    +

    V

    R = =

    4 522 5

    ,,

    V

    0,200 A

    11 Sistemas electricos 4/14/04 9:01 PM Pgina 98

  • 99

    Medio da resistncia elctrica deum condutor

    1. processo: usando a definio de resistncia

    Procede-se do seguinte modo:

    1 Liga-se o condutor (porexemplo, um resistor), de quepretendemos medir a resistncia,em srie com um gerador, uminterruptor e umampermetro.

    2 Em seguida, liga-se umvoltmetro aos extremos docondutor e mede-sesimultaneamente a tensoelctrica U e a intensidade dacorrente I.

    3 Finalmente, utiliza-se a equao dedefinio de resistncia elctrica paracalcular a resistncia do condutor.

    2. processo: usando um multmetro

    Um multmetro um aparelho muito utilizado em trabalhos deelectricidade porque pode medir intensidades de corrente, tenseselctricas, resistncias e outras grandezas (multi significa vrios).

    Para medir a resistncia elctrica de um condutor com um multmetro necessrio seleccionar primeiro a funo adequada (indicada pelosmbolo ) rodando o cursor do multmetro. Em seguida, ligam-se aspontas de prova aos extremos do resistor (que no pode estar num circuitofechado!). O multmetro faz passar uma certa corrente no resistor, mede atenso elctrica e calcula imediatamente a resistncia.

    A10 2 3 4

    5

    0

    0.2 0.4 0.60.8

    1.0

    V0

    12 3 4

    5

    resistor

    ampermetro

    voltmetro

    R

    UI

    =

    Multmetrodigital.

    pontasde prova

    Multmetroanalgico.

    cursor paraseleccionar agrandeza a medir ea escala

    bornes para ligao das pontasde prova (escolhidos de acordocom a grandeza a medir)

    11 Sistemas electricos 4/14/04 9:01 PM Pgina 99

  • Discute...

    100

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    De que depende a resistnciaelctrica de um fio condutor?Condutores diferentes tm resistncias elctricas diferentes.Que variveis influenciam a resistncia elctrica de um fiocondutor? evidente que uma varivel o material deque feito o condutor. Por exemplo, certos metais somelhores condutores que outros metais.

    Consideremos agora as seguintes variveis:comprimento do condutor e seco recta do condutor(ver figura ao lado).

    1 Admite que tens dois condutores feitos do mesmomaterial com igual seco recta mas com diferentecomprimento. Qual dos condutores deve ter maiorresistncia elctrica? Fundamenta a resposta.

    2 E se tiveres dois condutores feitos do mesmo materialcom igual comprimento mas com diferente secorecta, qual deve ter maior resistncia elctrica?Fundamenta a resposta, tendo em conta que quantomais grosso for o fio, mais facilmente passam oselectres

    3 Um dos grficos ao lado mostram uma relao deproporcionalidade directa e outro uma relao deproporcionalidade inversa. Estes grficos esto deacordo com as respostas que deste nas questesanteriores? Explica a tua resposta.

    4 Tendo em conta a informao dos grficos ao lado eos dados da tabela abaixo, completa a tabela com osvalores correctos em falta.

    5 Qual dos seguintes metais, cobre oualumnio, melhor condutor elctrico?Fundamenta a resposta.

    c

    s2s3s

    2c3c

    R

    2R

    3R

    R/4

    R/2

    R

    c 2c 3c

    s 2s 3s

    resistnciado fio

    resistnciado fio

    comprimento

    rea da seco recta

    seco rectado condutor

    rea da seco recta= 3,14 x raio2

    comprimentodo condutor

    comprimentodo fio (m)

    materialdo fio

    seco rectado fio (mm2)

    resistncia elctricado fio ()

    cobre 1,00 1,00 170 104

    cobre 2,00 1,00

    cobre 10,00 1,00

    cobre 0,50 1,00

    alumnio 1,00 1,00 500 104

    alumnio 1,00 2,00

    alumnio 1,00 3,00

    alumnio 1,00 5,00

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 100

  • 1 A resistncia de um fio condutor depende dasua temperatura. Em geral, quanto maior atemperatura de um condutor, maior aagitao dos seus tomos e maior , portanto,a resistncia passagem dos electres deconduo. O grfico ao lado refere-se resistncia de trs condutores em funo datemperatura.

    1.1 A resistncia do termistor varia muito oupouco com a temperatura? Fundamenta aresposta.

    1.2 Qual dos condutores se ope cada vezmais passagem da corrente medida quea temperatura aumenta? Fundamenta aresposta.

    1.3 Que caracterstica apresenta o condutor de"constantan" (liga metlica que contm55% de cobre, 44% de nquel e 1% demangans)?

    1.4 Qual o valor da resistnciaelctrica do condutor detungstnio temperatura de70 C?

    2 Observa a figura ao lado. Qual aresistncia da lmpada se ovoltmetro indicar 4,3 V e oampermetro 200 mA?

    3 Determina a resistncia do resistor da figura utilizando o cdigo decores.

    4 Uma bateria de 12 V de um carro alimenta o desembaciador do vidrotraseiro. Quando o interruptor ligado passa no circuito uma correntede 0,6 A.

    4.1 Qual a resistncia do desembaciador?

    4.2 O desembaciador fica quente mas os fios de ligao mantm-sefrios. Porqu?

    101

    Questes

    A10 2 3 4

    5

    0

    0.2 0.4 0.60.8

    1.0

    V0

    12 3 4

    5

    ampermetro

    voltmetro

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 101

  • 102

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Lei de Ohm e condutoreshmicosEm alguns condutores (a temperatura constante),verifica-se que a tenso nos extremos do condutor ea intensidade da corrente que opercorre so directamenteproporcionais. Esta afirmaoconstitui a chamada lei de Ohm e oscondutores elctricos em que tal seobserva chamam-se condutoreshmicos.

    A figura ao lado mostra um circuitoque permite verificar essa relao comum resistor de carvo. Quando se faz variara resistncia total do circuito, deslocando ocursor do restato, variam a tenso elctrica nosextremos do resistor e a intensidade da correnteno circuito e, portanto, no resistor. (Numa experinciadeste tipo s se deve manter o circuito ligadoenquanto se efectuam as leituras nos aparelhos demedida, a fim de que a temperatura dos condutoresno varie significativamente).

    Para um certo condutor, obtiveram-se os dados databela, representados no grfico. Estes dadospermitem concluir que, para aquele condutor, se tem:

    O quociente U/I , por definio, a resistnciado condutor. A resistncia , portanto, constante nocondutor utilizado (vale 7 ohms, para qualquer valorda tenso ou da intensidade de corrente). Este umexemplo de um condutor hmico.

    Muitos condutores no seguem a lei de Ohm, ouseja, a tenso nos seus extremos no proporcional intensidade da corrente. Nessescondutores condutores no-hmicos ou no lineares o valor da resistncia depende datenso elctrica.

    tenso elctrica

    intensidade da correnteconstante = 7

    constante =

    =

    =

    UI

    R

    A10 2 3 4

    5

    0

    0.2 0.4 0.60.8

    1.0

    V0

    12 3 4

    5

    resistor

    restato (o cursor faz variar a resistncia do restato)

    ampermetro

    voltmetro

    tenso elctrica (V)

    tensoelctrica

    U (V)

    1,0 0,15 6,667 7

    1,5 0,21 7,142 7

    2,0 0,29 6,896 7

    2,5 0,36 6,944 7

    intensidade dacorrente

    I (A)

    UI

    Quando aumenta a tenso elctrica aplicada nas extremidades do resistor, aumentatambm a intensidade da corrente que o percorre. Repara que quando a tenso

    aumenta para o dobro, a intensidade da corrente aumenta igualmente para o dobro (sedesprezarmos pequenas diferenas que atribumos s incertezas das medies). As

    duas grandezas so directamente proporcionais. Quando duas grandezas sodirectamente proporcionais, o grfico que as relaciona uma linha recta que passa

    pela origem dos eixos. O quociente dos respectivos valores constante.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 102

  • 1 Considera o circuito elctrico esquematizado ao lado. Ocircuito engloba os componentes X, Y, Z, T, U, S e K. Oinstrumento Y indica o valor 10,2 unidades SI. Oinstrumento Z indica o valor 0,3 unidades Sl. Oinstrumento U indica o valor 3,6 unidades SI

    1.1 Faz a respectiva legenda.

    1.2 Qual o valor da intensidade da corrente quepassa em S?

    1.3 Qual a finalidade do componente S?

    1.4 Qual a resistncia de T?

    1.5 Desprezando os efeitos da variao da temperatura,indica como se alteram os valores indicados por Z eU se a resistncia total do circuito passar para odobro.

    2 A tabela ao lado apresenta os resultados obtidos numaexperincia em que se mediu a resistncia elctrica deum condutor.

    2.1 Utiliza o papel milimtrico para representar aintensidade da corrente em funo da tensoelctrica.

    2.2 Calcula a resistncia do condutor para os diversosvalores de tenso elctrica.

    2.3 Trata-se de um condutor hmico ou de um condutorno-hmico? Fundamenta a resposta.

    3 O grfico em baixo mostra a corrente em funo datenso elctrica nos extremos de um LDR (LightDependent Resistor).

    3.1 Qual a intensidade da corrente no LDR quando atenso nos seus extremos vale 0,6 V?

    3.2 Calcula a resistncia do LDR quando a tenso nosseus extremos vale 0,6 V.

    3.3 Calcula a resistncia do LDR quando a tenso nosseus extremos vale 0,7 V.

    3.4 O LDR um condutor hmico ou no-hmico?Fundamenta a resposta.

    3.5 Para que valores de tenso que o LDR praticamente isolador?

    3.6 A resistncia do LDR aumenta ou diminui medidaque aumenta a tenso elctrica? Fundamenta aresposta.

    103

    +

    V

    A

    V

    Y

    Z

    UX

    S K

    T

    tenso elctrica (V)

    tensoelctrica

    U (V)

    2,0 102

    3,1 155

    3,9 194

    5,0 249

    intensidade dacorrenteI (mA)

    Questes

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 103

  • Uma estria muito antigaOs gregos antigos, h mais de 2000 anos, ficaram intrigadoscom o estranho poder de um minrio de ferro que hojeconhecemos como magnetite. Uma das suas lendasconta que um pastor de nome Magnes encontrou umdia, nos campos das cercanias de Magnsia, umlugar onde a ponta de ferro do seu cajado eraatrada para o solo. Escavando este, encontrou uma rochaque tinha o poder mgico de atrair o ferro. Os objectoscom este poder de atrair o ferro (e outros metais)chamam-se manes (man significa que atrai) oumagnetes (palavra originada de Magnes e deMagnsia).

    Gilbert (1540-1603), que tambm foi pioneiro noestudo da electricidade, investigou os manes. Descobriu que estestinham dois plos diferentes (Norte e Sul) e que o ferro pode adquiriras propriedades magnticas ao ser friccionado com a magnetite. Oferro macio (ferro quase puro) muito fcil de magnetizar ao serfriccionado. Mas a sua magnetizao temporria: com a mesmafacilidade perde o poder magntico ao deixar de ser friccionado. J oao (mistura de ferro, carbono e outros metais) mais difcil demagnetizar mas a sua magnetizao permanente.

    Uma propriedade importante dos manes , como sabes, utilizadanas agulhas magnticas para navegao em terra e no mar: quandosuspensos livremente, os manes orientam-se numa direcoprxima da linha Norte-Sul geogrfica, a chamada linha Norte-Sulmagntica.

    Os plos de um man no podem ser separados um do outro. Defacto, se partirmos um man ao meio obtemos dois manes, cada umcom o seu plo Norte e plo Sul. Se voltarmos a partir um dos novosmanes ao meio, obtemos outros dois manes. E assim sucessivamente.Recorda que plos do mesmo tipo repelem-se e plos de tipo diferenteatraem-se.

    Hoje sabe-se que as propriedades dos manes so devidas a micro-correntes elctricas associadas a certo tipo de materiais. Por isso, os

    104

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    5 manes, electromanes einduo electromagntica

    Uma corrente elctrica produz um campo magntico, o que est

    na base dos electromanes e motores elctricos. Mas com um

    campo magntico tambm podemos obter uma corrente elctrica.

    o que sucede na chamada induo electromagntica, usada na

    produo industrial de corrente.

    O pastor Magnes descobrea atraco do ferro pelamagnetite

    Partindo um man, obtmsedois novos manes, cada umcom o seu plo Norte e oseu plo Sul. Que tipo deinteraco se estabeleceentre os dois manes dafigura?

    plo N

    plo S

    plo Nplo S

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 104

  • Experimenta

    105

    manes e electromanes

    Interaco entre manes

    1 Suspende (ou apoia) um man num suporte. Comose orienta o man? Compara essa orientao coma direco Norte-Sul geogrfica.

    2 Aproxima do plo Norte(vermelho) do man suspenso oplo Norte de outro man. Quesucede?

    3 Aproxima do plo Norte do mansuspenso o plo Sul de outroman. Que sucede?

    4 Aproxima um man do maior nmero possvel deobjectos (clips, esferogrficas metlicas e deplstico, borrachas, lpis, pregos, pionaises, etc.).Faz uma lista dos que so atrados pelo man.

    Construir um electroman

    5 Enrola o fio condutor tal como mostra a figura.

    6 Liga as extremidades do fio condutor a uma pilha everifica o que sucede agulha magntica.IMPORTANTE: estabelece a ligao pilha apenasdurante o mais pequeno intervalo de tempopossvel, para poupar a pilha.

    7 Enrola o fio condutor em torno de um prego deferro grande. Aproxima o prego de uma agulhamagntica (ou de limalha de ferro) e liga edesliga a corrente. Que observas?

    Investigar o comportamento de umabobina

    8 Coloca uma agulha magnticaperto de uma bobina (fio condutorenrolado em espiral).

    9 Liga e desliga a corrente na bobina.Que sucede?

    10Inverte o sentido da corrente nabobina. Que sucede?

    11Que podes concluir sobre os plos da bobina(Norte ou Sul), com base no comportamento daagulha?

    ligao auma pilha

    ligao auma pilha

    ligao auma pilha

    Material manes em barra e

    suportes

    Pilha elctrica

    Fio condutor de cobreisolado

    Prego grande de ferro

    Bobina e agulha magntica

    Limalha de ferro

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 105

  • 106

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Campo magntico, correnteelctrica e manesJ conheces a ideia de campo elctrico ou campode foras elctricas: uma carga elctrica cria suavolta um campo elctrico. esse campo elctrico queexerce foras (de atraco ou repulso) sobre outrascargas elctricas prximas dela.

    De modo semelhante, dizemos que um man criaum campo de foras magnticas. Este campo deforas facilmente detectado por outro man ou porlimalha de ferro, como mostra a figura ao lado. Alimalha de ferro espalhou-se de acordo com aschamadas linhas de fora do campo magntico doman, constituindo um espectro magntico.

    Desde o sculo XIX que se sabe tambm que umacorrente elctrica cria um campo magntico quepode ser detectado por manes, limalha de ferro oupor outras correntes. Por exemplo, espalhando limalhaem torno de um condutor percorrido por umacorrente, observa-se que esta se distribui segundo aslinhas de fora do campo criado pela corrente.

    Quando o condutor tem a forma de uma espiral oubobina, o campo magntico criado pela corrente quepercorre esse condutor semelhante ao campo criadopor um man: uma das extremidades da bobinacorresponde ao plo Norte e a outra extremidade aoplo Sul.

    O que , afinal, um man? Os manes, como todosos materiais, so feitos de tomos com electres emmovimento. Quando um electro se move constituiuma corrente elctrica microscpica! Cria, pois,um campo magntico microscpico, tal como ascorrentes elctricas nos circuitos que estudaste criamum campo magntico sua volta. Em certos materiais(como a magnetite, o ferro, o ao, etc.), as correnteselctricas microscpicas podem ficar todasalinhadas, criando um man suficientementeintenso para interactuar com outros manes ecorrentes.

    Os pedacinhos da limalha de ferroespalhada por cima do vidro que cobre oman ficam magnetizados, alinhando-sesegundo as linhas do campo de forasmagnticas criado pelo man.

    Os pedacinhos dalimalha de ferroespalhada numafolha em volta dofio condutor ficammagnetizados,alinhando-sesegundo as linhasdo campomagntico criadopela corrente.

    Os pedacinhos da limalha de ferro, espalhadanuma placa que contm um enrolamento deum fio condutor em bobina, ficammagnetizados e alinham-se segundo as linhasdo campo magntico criado pela corrente quepassa na bobina.

    Foi Michael Faraday (1791-1867), que comeou a sua vida como encadernador delivros, quem pela primeira vez produziu espectros magnticos que revelaram aexistncia de algo: um campo de foras, que ficou conhecido como campomagntico. Porque se chama campo magntico se ele criado por correnteselctricas? que esse campo comeou por ser associado apenas s propriedadesdos magnetes e s mais tarde foram descobertas as propriedades magnticas dascorrentes elctricas.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 106

  • 107

    Utilizao dos manes eelectromanesA bssola a mais antiga utilizao dos manes. Com a descoberta doefeito magntico da corrente elctrica construiram-se electromanesque tm um nmero enorme de aplicaes, desde as simplescampainhas at sofisticados motores elctricos.

    1 A haste que contm o martelo est inicialmente ligeiramenteafastada do ncleo do electroman, de modo a que o martelo estejaa uma pequena distncia da campnula da campainha.

    Como funciona uma campainha

    Uma campainha antigapode ser facilmentedesmanchada para seestudar o seufuncionamento

    Uma bssolarudimentar

    feita comuma agulha

    de coser,magnetizada

    por fricocom um man. Era com bssolas

    deste tipo que se navegava notempo dos descobrimentos

    2 Quando a corrente elctrica passa nas bobinas de fio (parecemcarrinhos de linha na figura), o ncleo de ferro das bobinas ficamagnetizado e atrai a haste de ferro do martelo, fazendo com queeste bata na campainha.

    3 Quando a haste de ferro atrada, abre-se um contacto quefunciona de interruptor na base da haste.

    4 Como este interruptor pertence ao circuito elctrico que alimenta asbobinas, o facto de ele se abrir interrompe a corrente nas bobinas.Deste modo, o ncleo de ferro desmagnetiza-se, deixa de atrair ahaste, e esta volta sua posio normal.

    5 Quando isto sucede, fecha-se o interruptor atrs referido, volta apassar corrente no circuito, o electroman volta a ter corrente, o seuncleo volta a magnetizar-se, volta a atrair a haste e assimsucessivamente trim trim

    Projectos

    As duas fotos ao lado mostram dois equipamentos antigosque ajudaram a revolucionar as comunicaes: um telgrafoprimitivo e um dos telefones que o americano AlexanderBell inventou, ambos baseados em electromanes.Consultando enciclopdias, outros livros e a Internet, faz umposter sobre o funcionamento de um aparelho que utilizeelectromanes.

    Podes tambm desmontar equipamentos elctricosantigos (rdios, campainhas, pequenos electrodomsticos,etc.) e investigar componentes que usem electromanes.No os coloques em funcionamento, sem a ajuda de umtcnico ou professor, por razes de segurana.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 107

  • 108

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    A induo electromagnticaFaraday sabia que com uma corrente elctrica conseguiaproduzir um campo magntico Como era um cientistagenial e tinha uma enorme intuio criadora, interrogou-sesobre se seria possvel produzir uma corrente elctrica apartir de um campo magntico (criado por manes,naturais ou electromagnticos). A resposta afirmativa a estapergunta demorou-lhe vrios anos mas contribuiu paramudar o mundo: comeava a era daelectricidade com aplicao prtica, uma vezque as pilhas, j conhecidas no tempo deFaraday, duravam pouco tempo!

    Faraday descobriu que quando umman se aproxima ou afasta deuma bobina, surge uma correnteelctrica no fio condutor.Interrompendo o movimento do man, deixade haver corrente elctrica no fio. Este fenmeno, designadopor induo electromagntica, est na base da produoindustrial de corrente elctrica e, em certa medida, na basedos motores elctricos. Induzir quer dizer provocar,instigar: na induo electromagntica, omovimento do magnete provoca oaparecimento de uma correnteelctrica.

    A corrente elctrica produzidapor induo electromagntica no uma corrente contnua: estpermanentemente a variar deintensidade e de sentido. Diz-se que uma corrente alternada. Quando o man se aproxima, acorrente na bobina tem o sentido oposto corrente induzidaque surge quando o man se afasta (como se pode observarno ponteiro do galvanmetro da figura).

    Produo industrial de correnteelctricaA produo de corrente nas centrais hidroelctricas etermoelctricas baseada na induo electromagntica emsistemas designados por alternadores. O princpio simples:uma bobina, no interior de potentes electromagnetes, colocada a girar (por uma queda de gua, por exemplo). Omovimento dessa bobina produz uma tenso elctrica muitoelevada (centenas de milhares de volts!) que depoisutilizada para alimentar circuitos exteriores.

    Na foto ao lado mostra-se um modelo escolar de umalternador. O movimento rotativo da bobina, no interior doman, origina a tenso elctrica que detectada pelogalvanmetro. Essa tenso pode depois ser utilizada numcircuito exterior. Os alternadores que geram a correnteelctrica nos automveis funcionam de modo semelhante.

    galvanmetro(ampermetromuito simples,no calibrado)

    O movimento do man induz umacorrente no contnua, que variapermanentemente de intensidade e desentido. No havendo movimento doman, no h corrente induzida no fioda bobina.

    Modelo escolar de um alternador: omovimento da bobina, num potentecampo magntico (man branco evermelho que envolve a bobina),origina uma tenso elctricaalternada, detectada pelogalvanmetro.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 108

  • 109

    Corrente alternadaA corrente que alimenta as nossas casas e as fbricas corrente alternada (AC, de Alternate Current). transportada em alta tenso (centenas de milhares devolts) mas utilizada em baixa tenso (220 volts).

    Apesar de dizermos que a corrente alternada dashabitaes de 220 V, a tenso elctrica dessa correnteno constante, variando desde um valor negativo de 311 V at um valor positivo de 311 V. Mas que significadotem dizer que uma fonte de correntealternada de 220 V se a tenso dacorrente est permanentemente avariar? Convencionou-se que umacorrente alternada de 220 V acorrente alternada que produzexactamente o mesmo efeito trmicoque uma corrente contnua de 220 V.Assim, se ligarmos uma lmpada aosterminais de corrente alternada de220 V notar-se- na lmpada o mesmoefeito trmico (consequentemente omesmo efeito luminoso) que seligarmos essa lmpada aos bornes decorrente contnua de 220 V.

    O grfico ao lado mostra a variao datenso elctrica das habitaes, durante 5centsimos de segundo (0,05 s). Ao fim de0,02 s, a corrente retoma o valor inicial e nasmesmas condies de variao. Num segundo,isso sucede, pois, 50 vezes. Diz-se que afrequncia da corrente de 50 Hz (ler50 hertz; o hertz uma unidade que significa1 vez por segundo).

    Motores elctricosUm motor elctrico um dispositivo que utilizaas propriedades magnticas da corrente paraobter um movimento de rotao.

    Observa o motor elctrico dedemonstrao da figura junto. O motor possuium enrolamento ou bobina de fio (B) que estcolocado no interior de um man (I) em forma de U. Estabobina alimentada pela corrente vinda da fonte detenso (F).

    Quando passa corrente no enrolamento, ocorrem forasde repulso magntica entre o man I e o enrolamento B,fazendo com que este rode. Para se manter em rotao, necessrio um pequeno truque: as ligaes do enrolamento fonte de tenso tm que ser de tal modo que a repulso semantenha cada vez que a bobina d meia volta. Essasligaes so estabelecidas nas chamadas escovas (E).

    0,01 0,030,02 0,04 0,05

    300

    200

    100

    100

    200

    300

    01 ,0 03 ,0tempo/s

    tenso /V

    Grfico que mostra a variao da tenso elctrica nacorrente alternada de 220 V das habitaes.

    Observando uma corrente alternada numosciloscpio possvel verificar avariao da tenso ao longo do tempo.

    Um dosmotores

    elctricosinventados por

    Faraday nosx. XIX.

    Motor elctrico dedemonstrao.

    I

    F

    E

    B

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:02 PM Pgina 109

  • 110

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Transporte dacorrente alternadae transformadoresUma das grandes vantagens dacorrente alternada a facilidadecom que se transforma a tenso,aumentando-a ou diminuido-a. Otransporte a grandes distncias feito atenses muito elevadas (centenas demilhares de volts), mas o consumo,por razes de segurana, feito atenses muito mais baixas (220 Vem Portugal).

    O transporte feito a tensesmuito elevadas para diminuir tantoquanto possvel as chamadasperdas em linha devidas aoefeito Joule (as perdas somenores quando a tenso alta equando a intensidade da corrente baixa).

    Para obter correntes alternadas de tenses elevadas a partir decorrentes de tenses menores ou vice-versa usam-setransformadores, que so aparelhos que funcionam por induoelectromagntica e possuem dois enrolamentos (bobinas). A fotoabaixo mostra um transformador de desmonstrao. A tenso obtidanum transformador depende da relao entre o nmero de espiras nosdois enrolamentos.

    central

    transformadores

    transformadores transformadores transformadores

    transformadores

    25 000 V

    transporte a grandes distncias275 000 V

    ou 400 000 V 132 000 V

    indstria ligeira

    indstria pesada

    habitaes

    220 V 11 000 V 33 000 V

    Um transformador constitudo por um ncleo de ferromacio (formado por chapas metlicas sobrepostas) edois enrolamentos (secundrio e primrio). Os dois enrolamentos de um transfor-

    mador tm nmero diferente de espiras.

    Fonte de tensoalternada.

    A corrente alternada que chega ao enrolamento primrio cria umcampo magntico varivel no enrolamento secundrio, provocandoneste uma corrente alternada por induo.

    A tenso obtida no secundriodepende da relao entre onmero de espiras nos doisenrolamentos.

    11 Sistemas electricos 4/14/04 8:05 PM Pgina 110

  • 1 A figura junta representa uma campainhaelctrica de demonstrao.

    1.1 Faz a legenda da figura.

    1.2 Explica resumidamente como funciona.

    2 Observa o esquema do motor ao lado (motorelctrico de corrente contnua). O motor alimentado ligando uma pilha aos terminais A e B.

    2.1 Que tipo de interaco (repulso ou atraco) se estabeleceentre a bobine e o man?

    2.2 Enquanto a bobine d meia volta, o comutador acompanhaesse movimento. Ao fim da meia volta, a ligao comutador-escova invertida (repara que o comutador um anelcircular partido ao meio, estando cada metade ligada a umaextremidade da bobine). Que sucede ao sentido da correntena bobina? Que resulta desse facto?

    3 Observa o transformador da foto de baixo da pgina anterior.

    3.1 Aumentou ou diminuiu a tenso do primrio? Porqu?

    3.2 Qual das bobines tem maior nmero de espiras: a doprimrio ou a do secundrio?

    3.3 Faz uma estimativa do quociente entre o nmero de espirasdo primrio e do secundrio.

    4 A foto ao lado mostra um guindaste electromagntico. Explicaem uma ou duas frases como funciona.

    Por exemplo, se o nmero de espiras doenrolamento secundrio (ou de sada) for10 vezes superior ao nmero de espiras doenrolamento primrio (ou de entrada),uma corrente de 1000 V no circuitoprimrio sair do circuito secundrio com atenso de 10 000 V (10 1000 V).

    Esta relao de proporcionalidadeentre as tenses do primrio e dosecundrio e os respectivos nmeros deespiras pode ser escrita do seguinte modo:

    111

    geradorde correntealternada

    transformador

    ligaes onde sepode obtercorrente alternadacom outra tensoelctrica

    primrio secundrio

    bobinecomutador

    escovas

    A

    B

    tenso no primrio

    tenso no secundrio

    n. de espiras no primrio

    n. de espiras no secundrio=

    Questes

    Esquema de um circuito de transformao. Otransformador esquematizado um abaixador

    de tenso. Se o nmero de espiras dosecundrio fosse superior ao do primrio,

    tratar-se-ia de um elevador de tenso.

    A

    B

    E D

    C

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  • Discute...

    112

    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    A instalao elctrica dashabitaes inclui diversosdisjuntores, como os da figura.Os disjuntores tm como funoproteger os respectivos circuitosde sobrecargas, isto , decorrentes demasiado intensas,que podero danificar oselectrodomsticos ou mesmoproduzir incndios. Em cadacircuito independente, astomadas de corrente esto emparalelo. Por isso, quando umaparelho no est ligado, osoutros aparelhos continuam afuncionar sem qualquerproblema, o que no sucederiase estivessem ligados em srie.

    Potncia elctrica e energiaelctricaA potncia elctrica a grandeza fsica que mede a rapidez comque a energia elctrica transformada noutras formas de energia.

    A unidade de potncia do Sistema Internacional de Unidades o watt (smbolo: W). O quilowatt (smbolo: kW) so 1000 watts.Em geral, a potncia das lmpadas expressa em watts e apotncia dos aparelhos electrodomsticos em quilowatts.

    Como sabes de anos anteriores, a energia mede-se emjoules, J, no SI. A potncia de 1 W corresponde transferncia de1 J de energia por segundo. O consumo de energia elctrica expresso vulgarmente numa outra unidade de energia, oquilowatt-hora, que se representa por kWh. nesta unidade que indicado o consumo de energia nos contadores de electricidade.A energia de 1 kWh a energia consumida por um aparelho com apotncia de 1 kW durante 1 hora.

    Assim, um aparelho elctrico com a potncia de 1 kW consome:

    1 kWh (ler quilowatt hora) de energia elctrica numa hora;

    2 kWh de energia elctrica em duas horas; etc.

    Se o aparelho tiver a potncia de 2 kW consome:

    2 kWh de energia elctrica numa hora;

    4 kWh de energia elctrica em duas horas; etc.

    A equao que relaciona a energia elctrica consumida porum aparelho com a potncia do aparelho e o tempo de utilizao, pois:

    Por exemplo, um aquecedor com a potncia de 1,5 kWconsome, em 3 horas, a energia de 4,5 kWh:

    energia = 1,5 kW 3 h = 4,5 kWh .

    J uma lmpada com a potncia de60 W (60 W = 0,060 kW) consome, emtrs horas, apenas a energia de 0,180kWh:

    energia = 0,060 kW 3 h = 0,180 kWh .

    E que energia consome uma lmpadade 100 W em cinco horas? E umaquecedor de 1 500 W em duas horas?

    energia utilizada = potncia tempo de utilizao

    Uma lmpada com a potncia de60 watts = 60 W = 0,060 kW.Esta lmpada consome 60 joulesde energia por segundo.

    O consumo de energia elctricanas habitaes expresso emquilowatt-hora (kWh) e medidonos contadores de electricidade.A energia de 1 kWh a energiaconsumida por um aparelho coma potncia de 1 kW durante1 hora de funcionamento.

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    Quando se faz um contrato defornecimento de energia elctrica devefazerse previamente uma estimativada potncia total doselectrodomsticos e outros aparelhosque se vo usar. Os aparelhos tmindicada a potncia no prprio aparelho.Somando-se as potncias de todos osaparelhos que se prev usarsimultaneamente, incluindo aslmpadas, calcula-se a potncianecessria. A tabela ao lado apresentauma estimativa para uma certahabitao.

    As empresas fornecedoras de electricidade fornecem ligaescom potncias entre 3,45 kW e 20,7 kW. Quanto maior apotncia, mais caro , como podes ver na tabela referente aDezembro de 2003.

    1 Qual a potncia mnima que se deve contratar para ahabitao acima indicada?

    2 Que pode suceder se se contratar um valor inferior depotncia e se se utilizar todos os aparelhos indicados aomesmo tempo?

    3 Ser possvel ter potncia inferior necessria para utilizartodos os aparelhos indicados e no haver problemaalgum? Em que situao que tal pode acontecer?

    4 Porque razo h em certas cozinhas um interruptor(comutador) que apenas permite o funcionamento de umacerta mquina (de lavar loia ou de lavar roupa)?

    5 Quanto custa, em euros, manter uma televiso de 120 Wligada durante 8 h? (Ver preos do kWh na caixa ao lado.)

    A chamada tarifa bi-horria permite o consumo de energiaa custos mais baixos mas, em contrapartida, implica umacrscimo na factura mensal de 2,22 euros (contando j com oIVA). Portanto, s poupa dinheiro quem de facto usar energianas horas de vaziover horrio e preos ao lado.

    6 Ser que compensa em termos de custos mensaiscontratar a tarifa bi-horria e utilizar a mquina de lavarroupa com a potncia de 1700 W durante 1 h quatro vezespor ms durante as horas de vazio? Fundamenta aresposta.

    7 E ser que compensa contratar a tarifa bi-horria usandoapenas o frigorfico nas horas de vazio durante um msinteiro? Fundamenta a resposta.

    Equipamentos Potncia Consumo por horaem simultneo W kWh

    Mquina de lavar loia 1700 1,70Forno elctrico 2300 2,30Termoventilador 2000 2,00Exaustor 130 0,13Frigorfico combinado 100 0,10Televisor 120 0,12Computador c/ monitor 70 0,07Calorfico a leo 1000 1,00Iluminao 600 0,60Videogravador 23 0,02Mini Hi-Fi 150 0,15

    Consumo total simultneo 8193 8,19

    Potncia contratada Preo com IVA(em kW) (em euros)

    3,45 5,654,60 7,946,90 12,5110,35 18,9220,70 37,67

    Tarifa bi-horria (horrios doperodo do vazio)

    Segunda-feira a sexta, dameia-noite s 7 h da manh

    Sbados a qualquer hora,excepto entre as 9 h e as14 h e entre as 18,30 h eas 22 h

    Domingos, a qualquer hora

    Custo do kWh durante o perodode vazio (em euros, com IVA)

    0,0554

    Custo do kWh fora do perodode vazio (em euros, com IVA)

    0,1013

    Valores referentes aDezembro de 2003, para usodomstico.

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    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    6 O mundo da comunicao, docontrolo e da regulao

    Desde sempre que os seres humanos ambicionaram comunicar

    com o mundo que os rodeia cada vez a maiores distncias e cada

    vez mais facilmente. Hoje em dia relativamente fcil, graas

    Electrnica, comunicar a distncias csmicas. tambm a

    Electrnica que permite controlar e regular os mais diversos

    aparelhos, desde os avies at s mquinas de lavar.

    Input, processamento,outputA Electrnica utiliza o movimento das cargas elctricas emdispositivos ou sistemas electrnicos que tornam a vida maisconfortvel.

    Um sistema electrnico um circuito ou conjunto de circuitosque realiza uma certa funo. Num sistema, costuma-se distinguir:

    a entrada de sinais (em ingls, input);

    o processamento dos sinais;

    a sada de sinais (em ingls, output).

    Por exemplo, num leitor de CDs, os sinais de entrada so os queresultam da leitura (por luz laser) do CD, o processamento toda atransformao por que passam (descodificao, pr-amplificao,amplificao, etc.) e a sada corresponde emisso do som por umaltifalante. Num computador, os sinais de entrada podem ser os queo teclado ou um rato proporcionam, o processamento tudo o quesucede nos circuitos internos do computador e a sada pode ocorrernum ecr ou numa impressora.

    TransdutoresOs componentes de sada ou de entrada de um sistema elec-trnico so chamados, em geral, transdutores:

    os transdutores de entrada convertem sinais mecnicos,pticos ou acsticos em sinais elctricos (ou seja, convertem emenergia elctrica outra forma de energia);

    os transdutores de sada convertem sinais elctricos em sinaisde outro tipo (portanto, convertem energia elctrica noutra formade energia).

    processamentode sinais

    sadade sinais(output)

    entradade sinais(input)

    As colunas de som sotransdutores de sada (recebemenergia elctrica e pem avibrar membranas). Umasimples lmpada, poder ser otransdutor de sada num circuitosimples. Um ponteiro nummedidor ou um alarme sooutros exemplos detransdutores de sada.

    Um microfone umexemplo detransdutor deentrada:convertesinaissonoros emsinaiselctricos.

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    Este osciloscpio tem dois canais: podereceber dois sinais distintos, ao mesmotempo.

    Entrada de sinal no canal 1 (CH1). Ondeest a entrada de sinal no canal 2 (CH2)?

    Com sensores e software adequados, umcomputador tambm pode funcionar comoosciloscpio. Um dos sistemas mais acessveis paraescolas est descrito em http://www.drdaq.com.

    Ecr revestido deuma camadafluorescente paraque o impacto dofeixe electrnicoseja visvel.

    A curva observada corresponde diferena de potencialaplicada nas placas horizontais do osciloscpio: quantomaior for essatenso aplicada nasplacas, mais paracima ou para baixose desvia o feixeelectrnico (nestecaso a tenso variaalternada eperiodicamente).

    Controlo defrequncia dovarrimentohorizontal do feixeelectrnico. Estevarrimento produzido por umatenso varivelaplicada a duasplacas verticais.

    Neste tubo de umosciloscpio podeobservar-se as placashorizontais e verticaisque desviam o feixe deelectres, emitido porum filamento aquecidojunto base do tubo.

    Controlo datenso nas placashorizontais parafazer o feixesubir oudescer.

    A visualizao de sinais elctricos era praticamenteimpossivel at o alemo Ferdinand Braun (1850-1918) inventar o osciloscpio.

    Um osciloscpio tem algumas semelhanas com ateleviso na medida em que possui tambm umcanho de electres onde, por aquecimento deum filamento metlico, se origina um feixe electrnico. Possuitambm placas que desviam este feixe dentro de um tubo de onde foiretirado o ar e um alvoo ecr.

    O transdutor de entrada poder ser, por exemplo, um microfone. Omicrofone converte o sinal sonoro num sinal elctrico, ou seja numatenso elctrica varivel que vai ser aplicada a duas placashorizontais no meio das quais o feixe de electres passa.

    Com a ajuda de um osciloscpio, pode verificar-se facilmente se, entredois pontos de um certo circuito existe uma diferena de potencialcontnua ou alternada e, portanto, corrente contnua ou alternada.No primeiro caso, observa-se no ecr uma linha horizontal provocadapelo varrimento horizontal do feixe electrnico produzido por umatenso varivel aplicada nas duas placas verticais do osciloscpio. Nosegundo caso, observa-se uma tenso varivel ao longo do tempo (porexemplo, uma onda sinusoidal).

    Osciloscpios

    sinal de

    corrente

    alternada

    sinal de

    corrente

    contnua

    ;

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  • Bits registadosnum discocompacto (emcima).

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    11 S I S T E M A S E L C T R I C O S EE L E C T R N I C O S

    Sinais analgicos e digitaisUm sinal pode ser de dois tipos:

    analgico, isto , um sinal que varia continuamente,sem interrupes;

    digital, ou seja, um sinal que varia aos saltos.

    Por exemplo, num termmetro de mercrio,que um exemplo de um sinal analgico, atemperatura indicada pelo comprimentoda coluna de mercrio, que variacontinuamente medida que varia atemperatura. Pelo contrrio, num termmetro digital, onde atemperatura indicada por algarismos, o mostrador saltade grau em grau ou de dcimo de grau em dcimo de grau(consoante a resoluo do termmetro). A resoluo de uminstrumento , simplesmente, a menorvariao de valor que esse instrumento podedetectar.

    Num circuito elctrico, um sinal elctrico(isto , a variao de uma corrente elctricanum certo intervalo de tempo) pode ser umsinal analgico, no caso em que a correntevaria continuamente, ou digital, quando acorrente s pode tomar alguns valores (porexemplo, existe corrente com uma certaintensidadeligadoou no existe correntedesligado). Com a ajuda de um osciloscpio,pode verificar-se se, num dado troo de umcircuito, o sinal analgico ou digital.

    Bit e byte, cdigo binrioUm sinal digital comum s pode ter um de dois valores. Porexemplo, 1 ou 0, ligado ou desligado, sim ou no.Cada um destes dois valores designado por bit.

    Qualquer nmero ou letra pode ser representadadigitalmente, num cdigo adequado (cdigo binrio), isto ,num cdigo que s utiliza dois sinais.

    Um conjunto sequencial de oito bits um byte. Todos osalgarismos de 0