Eletrnica 1

Matria

O estudo da matria e sua composio fundamental para a compreenso da teoria eletrnica. Por isso, neste captulo estudaremos o arranjo fsico das partculas que compem o tomo e a maneira como essas partculas se comportam. Isso facilitar muito o estudo dos fenmenos que produzem a eletricidade. Composio da Matria Matria tudo aquilo que nos cerca e que ocupa um lugar no espao. Ela se apresenta em pores limitadas que recebem o nome de corpos. Estes podem ser simples ou compostos. Observao Existem coisas com as quais temos contato na vida diria que no ocupam lugar no espao, no sendo, portanto, matria. Exemplos desses fenmenos so o som, o calor e a eletricidade. Corpos simples so aqueles formados por um nico tomo. So tambm chamados de elementos. O ouro, o cobre, o hidrognio so exemplos de elementos. Corpos compostos so aqueles formados por uma combinao de dois ou mais elementos. So exemplos de corpos compostos o cloreto de sdio (ou sal de cozinha) que formado pela combinao de cloro e sdio, e a gua, formada pela combinao de oxignio e hidrognio. A matria e, consequentemente, os corpos compem-se de molculas e tomos.

SENAI

1

Eletrnica 1

Molcula Molcula a menor partcula em que se pode dividir uma substncia de modo que ela mantenha as mesmas caractersticas da substncia que a originou. Tomemos como exemplo uma gota de gua: se ela for dividida continuamente, tornar-se- cada vez menor, at chegarmos menor partcula que conserva as caractersticas da gua, ou seja, a molcula de gua. Veja, na ilustrao a seguir, a representao de uma molcula de gua.tomos de

tomo de hid i

As molculas se formam porque, na natureza, todos os elementos que compem a matria tendem a procurar um equilbrio eltrico.

= molcula

tomo

tomo

tomo Os animais, as plantas, as rochas, as guas dos rios, lagos e oceanos e tudo o que nos cerca composto de tomos. O tomo a menor partcula em que se pode dividir um elemento e que, ainda assim, conserva as propriedades fsicas e qumicas desse elemento. Observao Os tomos so to pequenos que, se forem colocados 100 milhes deles um ao lado do outro, formaro uma reta de apenas 10 mm de comprimento. O tomo formado de numerosas partculas. Todavia, estudaremos somente aquelas

2

SENAI

Eletrnica 1

que mais interessam teoria eletrnica. Existem tomos de materiais como o cobre, o alumnio, o nenio, o xennio, por exemplo, que j apresentam o equilbrio eltrico, no precisando juntar-se a outros tomos. Esses tomos, sozinhos, so considerados molculas tambm.Constituio do tomo

O tomo formado por uma parte central chamada ncleo e uma parte perifrica formada pelos eltrons e denominada eletrosfera. O ncleo constitudo por dois tipos de partculas: os prtons, com carga positiva, e os nutrons, que so eletricamente neutros. Veja a representao esquemtica de um tomo na ilustrao a seguir.rbita rbita ncleo eltron nutron prton

Os prtons, juntamente com os nutrons, so os responsveis pela parte mais pesada do tomo. Os eltrons possuem carga negativa. Como os planetas do sistema solar, eles giram na eletrosfera ao redor do ncleo, descrevendo trajetrias que se chamam rbitas. Na eletrosfera os eltrons esto distribudos em camadas ou nveis energticos. De acordo com o nmero de eltrons, ela pode apresentar de 1 a 7 nveis energticos, denominados K, L, M, N, O, P e Q.letras de identificao das rbitas n mnimo de eltrons por rbitao

Os tomos podem ter uma ou vrias rbitas, dependendo do seu nmero de eltrons. Cada rbita contm um nmero especfico de eltrons.SENAI

3

Eletrnica 1

A distribuio dos eltrons nas diversas camadas obedece a regras definidas. A regra mais importante para a rea eletroeletrnica refere-se ao nvel energtico mais distante do ncleo, ou seja, a camada externa: o nmero mximo de eltrons nessa camada de oito eltrons. Os eltrons da rbita externa so chamados eltrons livres, pois tm uma certa facilidade de se desprenderem de seus tomos. Todas as reaes qumicas e eltricas acontecem nessa camada externa, chamada de nvel ou camada de valncia. A teoria eletrnica estuda o tomo s no aspecto da sua eletrosfera, ou seja, sua regio perifrica ou orbital.ons

No seu estado natural, o tomo possui o nmero de prtons igual ao nmero de eltrons. Nessa condio, dizemos que o tomo est em equilbrio ou eletricamenteneutro.

O tomo est em desequilbrio quando tem o nmero de eltrons maior ou menor que o nmero de prtons. Esse desequilbrio causado sempre por foras externas que podem ser magnticas, trmicas ou qumicas. O tomo em desequilbrio chamado de on. O on pode ser negativo ou positivo. Os ons negativos so os nions e os ons positivos so os ctions. ons negativos, ou seja, nions, so tomos que receberam eltrons.

Prtons Eltrons

= +8 = -9_

Resultado = -1 ons positivos, ou seja, ctions, so tomos que perderam eltrons.

4

SENAI

Eletrnica 1

Prtons Eltrons

= +8 = -7_

Resultado = +1

A transformao de um tomo em on ocorre devido a foras externas ao prprio tomo. Uma vez cessada a causa externa que originou o on, a tendncia natural do tomo atingir o equilbrio eltrico. Para atingir esse equilbrio, ele cede eltrons que esto em excesso ou recupera os eltrons em falta.

SENAI

5

Eletrnica 1

Gerao de Energia Eltrica

Como j vimos, a eletrosttica a parte da eletricidade que estuda a eletricidade esttica. Esta, por sua vez, refere-se s cargas armazenadas em um corpo, ou seja, sua energia potencial. Por outro lado, a eletrodinmica estuda a eletricidade dinmica que se refere aomovimento dos eltrons livres de um tomo para outro.

Para haver movimento dos eltrons livres em um corpo, necessrio aplicar nesse corpo uma tenso eltrica. Essa tenso resulta na formao de um polo com excessode eltrons denominado plo negativo e de outro com falta de eltrons denominado

de plo positivo. Essa tenso fornecida por uma fonte geradora de eletricidade.

Fontes Geradoras de Energia Eltrica

A existncia da tenso condio fundamental para o funcionamento de todos os aparelhos eltricos. As fontes geradoras so os meios pelos quais se pode fornecer a tenso necessria ao funcionamento desses consumidores. Essas fontes geram energia eltrica de vrios modos: por ao trmica; por ao da luz; por ao mecnica; por ao qumica; por ao magntica.

6

SENAI

Eletrnica 1

Gerao de Energia Eltrica por Ao Trmica

Pode-se obter energia eltrica por meio do aquecimento direto da juno de dois metais diferentes. Por exemplo, se um fio de cobre e outro de constantan (liga de cobre e nquel) forem unidos por uma de suas extremidades e se esses fios forem aquecidos nessa juno, aparecer uma tenso eltrica nas outras extremidades. Isso acontece porque o aumento da temperatura acelera a movimentao dos eltrons livres e faz com que eles passem de um material para outro, causando uma diferena de potencial. medida que aumentamos a temperatura na juno, aumenta tambm o valor da tenso eltrica na outra extremidade. Esse tipo de gerao de energia eltrica por ao trmica utilizado num dispositivo chamado par termoeltrico, usado como elemento sensor nos pirmetros que so aparelhos usados para medir temperatura de fornos industriais.

Gerao de Energia Eltrica por Ao de Luz

Para gerar energia eltrica por ao da luz, utiliza-se o efeito fotoeltrico. Esse efeito ocorre quando irradiaes luminosas atingem um fotoelemento. Isso faz com que os eltrons livres da camada semicondutora se desloquem at seu anel metlico.fo to c lu la

lu z

m a te ria l tra n sl cid o lig a d e se l n io

fe rro

Dessa forma, o anel se torna negativo e a placa-base, positiva. Enquanto dura a incidncia da luz, uma tenso aparece entre as placas. O uso mais comum desse tipo de clula fotoeltrica no armazenamento de energia eltrica em acumuladores e baterias solares.SENAI

7

Eletrnica 1

Gerao de Energia Eltrica por Ao Mecnica

Alguns cristais, como o quartzo, a turmalina e os sais de Rochelle, quando submetidos a aes mecnicas como compresso e toro, desenvolvem uma diferena de potencial. Se um cristal de um desses materiais for colocado entre duas placas metlicas e sobre elas for aplicada uma variao de presso, obteremos uma ddp produzida por essa variao. O valor da diferena de potencial depender da presso exercida sobre o conjunto.presso

placas metlicas

cristal

Os cristais como fonte de energia eltrica so largamente usados em equipamentos de pequena potncia como toca-discos, por exemplo. Outros exemplos so os isqueiros chamados de "eletrnicos" e os acendedores do tipo Magiclick.Gerao de Energia Eltrica por Ao Qumica

Outro modo de se obter eletricidade por meio da ao qumica. Isso acontece da seguinte forma: dois metais diferentes como cobre e zinco so colocados dentro de uma soluo qumica (ou eletrlito) composta de sal (H2O + NaCL) ou cido sulfrico (H2O + H2SO4), constituindo-se de uma clula primria. A reao qumica entre o eletrlito e os metais vai retirando os eltrons do zinco. Estes passam pelo eletrlito e vo se depositando no cobre. Dessa forma, obtm-se uma diferena de potencial, ou tenso, entre os bornes ligados no zinco (negativo) e no cobre (positivo).

eletrlito ou soluo

cuba de vidro placa positiva de cobre placa negativa de zinco

A pilha de lanterna funciona segundo o princpio da clula primria que acabamos de descrever. Ela constituda basicamente por dois tipos de materiais em contato com

8

SENAI

Eletrnica 1

um preparado qumico.terminais de lato resina areia serragem recipiente de zinco (placa negativa) eletrlito basto de carvo (placa positiva) papel alcatroado

Gerao de Energia Eltrica por Ao Magntica

O mtodo mais comum de produo de energia eltrica em larga escala por ao magntica. A eletricidade gerada por ao magntica produzida quando um condutor movimentado dentro do raio de ao de um campo magntico. Isso cria uma ddp que aumenta ou diminui com o aumento ou a diminuio da velocidade do condutor ou da intensidade do campo magntico.eixo de rotao da espiram permanente m permanente

espira condutora

ddp

A tenso gerada por este mtodo chamada de tenso alternada, pois suas polaridades so variveis, ou seja, se alternam. Os alternadores e dnamos so exemplos de fontes geradoras que produzem energia eltrica segundo o princpio que acaba de ser descrito.

SENAI

9

Eletrnica 1

Corrente Eltrica

A eletricidade est presente diariamente em nossa vida, seja na forma de um relmpago seja no simples ato de ligar uma lmpada. nossa volta fluem cargas eltricas que produzem luz, som, calor... Para entender como so obtidos tais efeitos preciso, em primeiro lugar, compreender o movimento das cargas eltricas e suas particularidades. Este captulo vai tratar do conceito de fluxo das cargas eltricas. Vai tratar tambm das grandezas que medem a corrente. Para desenvolver os contedos e atividades aqui apresentadas voc j dever ter conhecimentos anteriores sobre estrutura da matria, e diferena de potencial entre dois pontos.Corrente Eltrica

A corrente eltrica consiste em um movimento orientado de cargas, provocado pelo desequilbrio eltrico (ddp) entre dois pontos. A corrente eltrica a forma pela qual os corpos eletrizados procuram restabelecer o equilbrio eltrico. Para que haja corrente eltrica, necessrio que haja ddp e que o circuito esteja fechado. Logo, pode-se afirmar que existe tenso sem corrente, mas nunca existircorrente sem tenso. Isso acontece porque a tenso orienta as cargas eltricas.

O smbolo para representar a intensidade da corrente eltrica a letra I.Descargas Eltricas

Como j foi estudado, as descargas eltricas so fenmenos comuns na natureza. O relmpago, por exemplo, um exemplo tpico de descarga eltrica. O atrito contra o ar faz com que as nuvens fiquem altamente eletrizadas e adquiram um potencial elevado. Quando duas nuvens com potencial eltrico diferente se aproximam, ocorre uma descarga eltrica, ou seja, um relmpago.

10

SENAI

Eletrnica 1

O que ocorre no passa de uma transferncia orientada de cargas eltricas de uma nuvem para outra. Durante a descarga, numerosas cargas eltricas so transferidas, numa nica direo, para diminuir o desequilbrio eltrico entre dois pontos. Os eltrons em excesso em uma nuvem deslocam-se para a nuvem que tem poucos eltrons. Como j foi visto, tambm, o deslocamento de cargas eltricas entre dois pontos onde existe ddp chamado de corrente eltrica. Desse modo, explica-se o relmpago como uma corrente eltrica provocada pela tenso eltrica existente entre duas nuvens. Durante o curto tempo de durao de um relmpago, grande quantidade de cargas eltricas flui de uma nuvem para outra. Dependendo da grandeza do desequilbrio eltrico entre as duas nuvens, a corrente eltrica, ou seja, a descarga eltrica entre elas pode ter maior ou menor intensidade.Unidade de Medida de Corrente

Corrente uma grandeza eltrica e, como toda a grandeza, pode ter sua intensidade medida por meio de instrumentos. A unidade de medida da intensidade da corrente eltrica o ampre, que representado pelo smbolo A.

SENAI

11

Eletrnica 1

Como qualquer outra unidade de medida, a unidade da corrente eltrica tem mltiplos e submltiplos adequados a cada situao. Veja tabela a seguir.DenominaoMltiplo Unidade Submltiplos Quiloampre Ampre Miliampre Microampre Nanoampre

SmbolokA A mA A nA

Valor com relao ao ampre103 A ou 1000 A -3 10 A ou 0,001 A 10-6 A ou 0,000001 A 10-9 A ou 0,000000001 A

Observao No campo da eletrnica empregam-se mais os termos ampre (A), miliampre (mA) e o microampre (A).

Faz-se a converso de valores de forma semelhante a outras unidades de medida. kA A mAA

nA

Observe a seguir alguns exemplos de converso. a) 1,2 A = _________mA A 1 2(posio da vrgula)

mA

A 1 2 0

mA 0

(nova posio da vrgula)

1,2A = 1200 mA

b) 15 A = ______________mA mA 1A

mA 0 15 A = 0,0l5 mA

A

5

0

1

5

c) 350 mA = __________A A 3 5 mA 0 350 mA = 0,35A

A 0

mA 3 5 0

12

SENAI

Eletrnica 1

Ampermetro

Para medir a intensidade de corrente, usa-se o ampermetro. Alm do ampermetro, usam-se tambm os instrumentos a seguir: miliampermetro: para correntes da ordem de miliampres; microampermetro: para correntes da ordem de microampres;

Corrente Contnua

A corrente eltrica o movimento de cargas eltricas. Nos materiais slidos, as cargas que se movimentam so os eltrons; nos lquidos e gases o movimento pode ser de eltrons ou ons positivos. Quando o movimento de cargas eltricas formadas por ons ou eltrons ocorre sempre em um sentido, a corrente eltrica chamada de corrente contnua e representada pela sigla CC.

SENAI

13

Eletrnica 1

Circuitos EltricosEmpregamos a eletricidade das mais diversas formas. A partir da energia eltrica movimentam-se motores, acendem-se luzes, produz-se calor... Embora os efeitos sejam os mais diversos, todas as aplicaes da eletricidade tm um ponto em comum: implicam na existncia de um circuito eltrico. Portanto, o circuito eltrico indispensvel para que a energia eltrica possa ser utilizada. Conhecer e compreender suas caractersticas fundamental para assimilar os prximos contedos a serem estudados. Este captulo vai tratar das particularidades e das funes dos componentes do circuito eltrico. Ao estud-lo, voc ser capaz de reconhecer um circuito eltrico, identificar seus componentes e represent-los com smbolos. Para acompanhar bem os contedos e atividades deste captulo, preciso que voc j conhea a estrutura da matria; corrente e resistncia eltrica.Materiais Condutores

Os materiais condutores caracterizam-se por permitirem a existncia de corrente eltrica toda a vez que se aplica uma ddp entre suas extremidades. Eles so empregados em todos os dispositivos e equipamentos eltricos e eletrnicos.

14

SENAI

Eletrnica 1

Existem materiais slidos, lquidos e gasosos que so condutores eltricos. Entretanto, na rea da eletricidade e eletrnica, os materiais slidos so os mais importantes. As cargas eltricas que se movimentam no interior dos materiais slidos so oseltrons livres.

sem ddp

com ddp

Como j vimos, os eltrons livres que se movimentam ordenadamente formam acorrente eltrica.

O que faz um material slido ser condutor de eletricidade a intensidade de atrao entre o ncleo e os eltrons livres. Assim, quanto menor for a atrao, maior ser sua capacidade de deixar fluir a corrente eltrica. Os metais so excelentes condutores de corrente eltrica, porque os eltrons da ltima camada da eletrosfera (eltrons de valncia) esto fracamente ligados ao ncleo do tomo. Por causa disso, desprendem-se com facilidade o que permite seu movimento ordenado. Vamos tomar como exemplo a estrutura atmica do cobre. Cada tomo de cobre tem 29 eltrons; desses apenas um encontra-se na ltima camada. Esse eltron desprende-se do ncleo do tomo e vaga livremente no interior do material. A estrutura qumica do cobre compe-se, pois, de numerosos ncleos fixos, rodeados por eltrons livres que se movimentam intensamente de um ncleo para o outro.

estrutura do cobre

SENAI

15

Eletrnica 1

A intensa mobilidade ou liberdade de movimentao dos eltrons no interior da estrutura qumica do cobre faz dele um material de grande condutividade eltrica. Assim, os bons condutores so tambm materiais com baixa resistncia eltrica. O quadro a seguir mostra, em ordem crescente, a resistncia eltrica de alguns materiais condutores.resistncia

prata

cobre

ouro

alumnio

constantan

nquel-cromo

Depois da prata, o cobre considerado o melhor condutor eltrico. Ele o metal mais usado na fabricao de condutores para instalaes eltricas.Materiais Isolantes

Materiais isolantes so os que apresentam forte oposio circulao de corrente eltrica no interior de sua estrutura. Isso acontece porque os eltrons livres dos tomos que compem a estrutura qumica dos materiais isolantes so fortemente ligados a seus ncleos e dificilmente so liberados para a circulao. A estrutura atmica dos materiais isolantes compe-se de tomos com cinco ou mais eltrons na ltima camada energtica.

nitrognio (N)

enxofre (S)

Em condies anormais, um material isolante pode tornar-se condutor. Esse fenmeno chama-se ruptura dieltrica. Ocorre quando grande quantidade de energia transforma um material normalmente isolante em condutor. Essa carga de energia aplicada ao material to elevada que os eltrons, normalmente presos aos ncleos dos tomos, so arrancados das rbitas, provocando a circulao de corrente. A formao de fascas no desligamento de um interruptor eltrico um exemplo tpico de ruptura dieltrica. A tenso elevada entre os contatos no momento da abertura fornece uma grande quantidade de energia que provoca a ruptura dieltrica do ar, gerando a fasca.

16

SENAI

Eletrnica 1

Circuito Eltrico

O circuito eltrico o caminho fechado por onde circula a corrente eltrica. Dependendo do efeito desejado, o circuito eltrico pode fazer a eletricidade assumir as mais diversas formas: luz, som, calor, movimento. O circuito eltrico mais simples que se pode montar constitui-se de trs componentes: fonte geradora; carga; condutores.carga condutor

fonte geradora circuito eltrico corrente eltrica

Todo o circuito eltrico necessita de uma fonte geradora. A fonte geradora fornece a tenso necessria existncia de corrente eltrica. A bateria, a pilha e o alternador so exemplos de fontes geradoras. A carga tambm chamada de consumidor ou receptor de energia eltrica. o componente do circuito eltrico que transforma a energia eltrica fornecida pela fonte geradora em outro tipo de energia. Essa energia pode ser mecnica, luminosa, trmica, sonora. Exemplos de cargas so as lmpadas que transformam energia eltrica em energia luminosa; o motor que transforma energia eltrica em energia mecnica; o rdio que transforma energia eltrica em sonora.Observao

Um circuito eltrico pode ter uma ou mais cargas associadas. Os condutores so o elo de ligao entre a fonte geradora e a carga. Servem de meio de transporte da corrente eltrica. Uma lmpada, ligada por condutores a uma pilha, um exemplo tpico de circuito eltrico simples, formado por trs componentes.

SENAI

17

Eletrnica 1

carga

condutor

fonte geradora circuito eltrico corrente eltrica

A lmpada traz no seu interior uma resistncia, chamada filamento. Ao ser percorrida pela corrente eltrica, essa resistncia fica incandescente e gera luz. O filamento recebe a tenso atravs dos terminais de ligao. E quando se liga a lmpada pilha, por meio de condutores, forma-se um circuito eltrico. Os eltrons, em excesso no plo negativo da pilha, movimentam-se pelo condutor e pelo filamento da lmpada, em direo ao plo positivo da pilha. A figura a seguir ilustra o movimento dos eltrons livres. Esses eltrons saem do plo negativo, passam pela lmpada e dirigem-se ao plo positivo da pilha.

falta de eltrons +

excesso de eltrons

Enquanto a pilha for capaz de manter o excesso de eltrons no plo negativo e a falta de eltrons no plo positivo, haver corrente eltrica no circuito; e a lmpada continuar acesa. Alm da fonte geradora, do consumidor e condutor, o circuito eltrico possui um componente adicional chamado de interruptor ou chave. A funo desse componente comandar o funcionamento dos circuitos eltricos.

18

SENAI

Eletrnica 1

Quando aberto ou desligado, o interruptor provoca uma abertura em um dos condutores. Nesta condio, o circuito eltrico no corresponde a um caminho fechado, porque um dos plos da pilha (positivo) est desconectado do circuito, e no h circulao da corrente eltrica.consumidor esquema

chave

interruptor desligado

Quando o interruptor est ligado, seus contatos esto fechados, tornando-se um condutor de corrente contnua. Nessa condio, o circuito novamente um caminho fechado por onde circula a corrente eltrica.

consumidor

esquema

chave interruptor ligado

Sentido da Corrente Eltrica

Antes que se compreendesse de forma mais cientfica a natureza do fluxo de eltrons, j se utilizava a eletricidade para iluminao, motores e outras aplicaes. Nessa poca, foi estabelecido por conveno, que a corrente eltrica se constitua de um movimento de cargas eltricas que flua do plo positivo para o plo negativo da fonte geradora. Este sentido de circulao (do + para o -) foi denominado de sentidoconvencional da corrente.

Com o progresso dos recursos cientficos usados explicar os fenmenos eltricos, foi possvel verificar mais tarde, que nos condutores slidos a corrente eltrica se constitui de eltrons em movimento do plo negativo para o plo positivo. Este sentido de circulao foi denominado de sentido eletrnico da corrente. O sentido de corrente que se adota como referncia para o estudo dos fenmenos eltricos (eletrnico ou convencional) no interfere nos resultados obtidos. Por isso, ainda hoje, encontram-se defensores de cada um dos sentidos.ObservaoSENAI

19

Eletrnica 1

Uma vez que toda a simbologia de componentes eletroeletrnicos foi desenvolvida a partir do sentido convencional da corrente eltrica, ou seja do + para o -, as informaes deste material didtico seguiro o modelo convencional: do positivo para o negativo.Simbologia dos Componentes de um Circuito

Por facilitar a elaborao de esquemas ou diagramas eltricos, criou-se uma simbologia para representar graficamente cada componente num circuito eltrico. A tabela a seguir mostra alguns smbolos utilizados e os respectivos componentes.DesignaoCondutor

Figura

Smbolo

Cruzamento sem conexo

Cruzamento com conexo

Fonte, gerador ou bateria

Lmpada

Interruptor

O esquema a seguir representa um circuito eltrico formado por lmpada,condutores interruptor e pilha. Deve-se observar que nele a corrente eltrica

representada por uma seta acompanhada pela letra I.

Tipos de Circuitos Eltricos

20

SENAI

Eletrnica 1

Os tipos de circuitos eltricos so determinados pela maneira como seus componentes so ligados. Assim, existem trs tipos de circuitos: srie; paralelo; misto. Circuito Srie

Circuito srie aquele cujos componentes (cargas) so ligados um aps o outro. Desse modo, existe um nico caminho para a corrente eltrica que sai do plo positivo da fonte, passa atravs do primeiro componente (R1), passa pelo seguinte (R2) e assim por diante at chegar ao plo negativo da fonte. Veja representao esquemtica do circuito srie no diagrama a seguir.R2

U

I R1

Num circuito srie, o valor da corrente sempre o mesmo em qualquer ponto do circuito. Isso acontece porque a corrente eltrica tem apenas um nico caminho para percorrer. Esse circuito tambm chamado de dependente porque, se houver falha ou se qualquer um dos componentes for retirado do circuito, cessa a circulao da corrente eltrica.Circuito Paralelo

O circuito paralelo aquele cujos componentes esto ligados em paralelo entre si. Veja circuito abaixo.

U !I1

R1 I2

R2

SENAI

21

Eletrnica 1

No circuito paralelo, a corrente diferente em cada ponto do circuito porque ela depende da resistncia de cada componente passagem da corrente eltrica e da tenso aplicada sobre ele. Todos os componentes ligados em paralelo recebem amesma tenso. Circuito Misto

No circuito misto, os componentes so ligados em srie e em paralelo. Veja esquema a seguir.

R1 I I !

U

R2 I2

R3

No circuito misto, o componente R1 ligado em srie, ao ser atravessado por uma corrente, causa uma queda de tenso porque uma resistncia. Assim sendo, os resistores R2 e R3 que esto ligados em paralelo, recebero a tenso da redemenos a queda de tenso provocada por R1.

22

SENAI

Eletrnica 1

Magnetismo

Corrente Eltrica

O magnetismo impressionou o homem desde a antigidade, quando foi percebido pela primeira vez. A magnetita instigava a curiosidade porque atraa certos materiais. Muitos cientistas dedicaram anos ao estudo do magnetismo at que o fenmeno fosse completamente conhecido e pudesse ser aplicado proveitosamente. Este captulo, que tratar do magnetismo natural, visa o conhecimento da origem e das caractersticas do magnetismo e dos ms.

Magnetismo

O magnetismo uma propriedade que certos materiais tm de exercer uma atrao sobre materiais ferrosos.

As propriedades dos corpos magnticos so grandemente utilizadas em eletricidade, em motores e geradores, por exemplo, e em eletrnica, nos instrumentos de medio e na transmisso de sinais.

SENAI

23

Eletrnica 1

Ims

Alguns materiais encontrados na natureza apresentam propriedades magnticas naturais. Esses materiais so denominados de ms naturais. Como exemplo de m natural, pode-se citar a magnetita. possvel tambm obter um im de forma artificial. Os ms obtidos dessa maneira so denominados ms artificiais. Eles so compostos por barras de materiais ferrosos que o homem magnetiza por processos artificiais. Os ms artificiais so muito empregados porque podem ser fabricados com os mais diversos formatos, de forma a atender s mais variadas necessidades prticas, como por exemplo, nos pequenos motores de corrente contnua que movimentam os carrinhos eltricos dos brinquedos do tipo Autorama. Os ms artificiais em geral tm propriedades magnticas mais intensas que os naturais.Plos magnticos de um m

Externamente, as foras de atrao magntica de um m se manifestam com maior intensidade nas suas extremidades. Por isso, as extremidades do m so denominadas de plos magnticos. Cada um dos plos apresenta propriedades magnticas especficas. eles so denominados de plo sul e plo norte. Uma vez que as foras magnticas dos ms so mais concentradas nos plos, possvel concluir que a intensidade dessas propriedades decresce para o centro do m. Na regio central do m, estabelece-se uma linha onde as foras de atraomagntica do plo sul e do plo norte so iguais e se anulam. Essa linha

denominada de linha neutra. A linha neutra , portanto, a linha divisria entre os plos do m.

24

SENAI

Eletrnica 1

Origem do Magnetismo

O magnetismo origina-se na organizao atmica dos materiais. Cada molcula de um material um pequeno m natural, denominado de m molecular ou domnio.

m molecular aumentado milhes de vezes

Quando, durante a formao de um material, as molculas se orientam em sentidosdiversos, os efeitos magnticos dos ms moleculares se anulam, resultando em um

material sem magnetismo natural.

Se, durante a formao do material, as molculas assumem uma orientao nica ou predominante, os efeitos magnticos de cada m molecular se somam, dandoorigem a um m com propriedades magnticas naturais.

Observao

Na fabricao de ms artificiais, as molculas desordenadas de um material sofrem um processo de orientao a partir de foras externas.

SENAI

25

Eletrnica 1

Inseparabilidade dos Plos

Os ms tm uma propriedade caracterstica: por mais que se divida um m em partes menores, as partes sempre tero um plo norte e um plo sul.

Esta propriedade denominada de inseparabilidade dos plos.Interao entre ms

Quando os plos magnticos de dois ms esto prximos, as foras magnticas dos dois ms reagem entre si de forma singular. Se dois plos magnticos diferentes forem aproximados (norte de um, com sul de outro), haver uma atrao entre os dois ms.

Se dois plos magnticos iguais forem aproximados (por exemplo, norte de um prximo ao norte do outro), haver uma repulso entre os dois.

Campo Magntico - Linhas de Fora

O espao ao redor do m em que existe atuao das foras magnticas chamado de campo magntico. Os efeitos de atrao ou repulso entre dois ms, ou de atrao de um m sobre os materiais ferrosos se devem existncia desse campo magntico. Como artifcio para estudar esse campo magntico, admite-se a existncia de linhas

26

SENAI

Eletrnica 1

de fora magntica ao redor do m. Essas linhas so invisveis, mas podem ser

visualizadas com o auxlio de um recurso. Colocando-se um m sob uma lmina de vidro, e espalhando limalha de ferro sobre essa lmina, as limalhas se orientam conforme as linhas de fora magntica.

O formato caracterstico das limalhas sobre o vidro, denominado de espectro magntico, representado na ilustrao a seguir.

Essa experincia mostra tambm a maior concentrao de limalhas na regio dos plos do m. Isso devido maior intensidade de magnetismo nas regies polares, pois a se concentram as linhas de fora.

Com o objetivo de padronizar os estudos relativos ao magnetismo e s linhas defora, por conveno estabeleceu-se que as linhas de fora de um campo magntico

se dirigem do plo norte para o plo sul.

Campo Magntico UniformeSENAI

27

Eletrnica 1

Campo magntico uniforme aquele em que o vetor de induo magntica B tem o mesmo mdulo, a mesma direo e o mesmo sentido em todos os pontos do meio, homogneo por hiptese. No campo magntico uniforme, as linhas de induo so retas paralelas igualmente espaadas e orientadas. O campo magntico na regio destacada na ilustrao a seguir, por exemplo, aproximadamente uniforme.

Essa conveno se aplica s linhas de fora externas ao m.Fluxo da Induo Magntica

Fluxo da induo magntica a quantidade total de linhas de um m que constituem o campo magntico. representado graficamente pela letra grega (l-se "fi"). O fluxo da induo magntica uma grandeza e, como tal, pode ser medido. No SI (Sistema Internacional de Medidas), sua unidade de medida o weber (Wb). No Sistema CGS de medidas, sua unidade o maxwell (Mx). Para transformar weber em maxwell, usa-se a seguinte relao: 1 Mx = 10-8 WbDensidade de Fluxo ou Induo Magntica

Densidade de fluxo ou induo magntica o nmero de linhas por centmetro quadrado de seo do campo magntico em linhas/cm2.

fluxo total

sesso transversal

A densidade de fluxo ou induo magntica representada graficamente pela letra maiscula B e sua unidade de medida no sistema SI o tesla (T) e no CGS o Gauss (G).

28

SENAI

Eletrnica 1

Para transformar gauss em tesla, usa-se a seguinte relao: 1G = 10-4 T. Conhecendo-se o valor da superfcie (seo transversal A) em que esto concentradas as linhas de fora e a densidade do fluxo magntico B, pode-se enunciar a frmula do fluxo de induo magntica como o produto da densidade do fluxo B pela seo transversal A. Assim, matematicamente temos: = B x A Nessa frmula, o fluxo de induo magntica em Mx; B a densidade de fluxo magntico em G; e A a seo transversal em centmetros quadrados.

Imantao ou magnetizao

Imantao ou magnetizao o processo pelo qual os ms atmicos (ou dipolos magnticos) de um material so alinhados. Isso obtido pela ao de um campomagntico externo.

possvel classificar os materiais de acordo com a intensidade com que eles se imantam, isto , o modo como ordenam seus ms atmicos sob a ao de um campo magntico. Assim, esses materiais podem ser classificados em: paramagnticos; diamagnticos; ferromagnticos.

Experimentalmente, possvel verificar que certos materiais, quando colocados no interior de uma bobina (ou indutor) ligada em C.C., ou prximos de um im, tm seus tomos fracamente orientados no mesmo sentido do campo magntico. Esses materiais so denominados de paramagnticos. Material paramagntico sem a ao de um campo magntico

Material paramagntico sob a ao de um campo magntico

SENAI

29

Eletrnica 1

Materiais como o ferro, o ao, o cobalto, o nquel, a platina, o estanho, o cromo e suas respectivas ligas so exemplos de materiais paramagnticos. Eles so caracterizados por possurem tomos que tm um campo magntico permanente. Dentre os materiais paramagnticos, o ferro, o ao, o cobalto, o nquel, e suas ligas constituem uma classe especial.Com efeito, alguns materiais provocam no indutor que os tem como ncleo, um aumento de indutncia muito maior que o aumento provocado pelos demais materiais paramagnticos. Esses materiais, so denominados deferromagnticos.

Por serem tambm paramagnticos, esses materiais apresentam campo magnticopermanente, pois os campos magnticos de seus tomos esto alinhados de tal forma

que produzem um campo magntico mesmo na ausncia de um campo externo. Material ferromagntico sem a ao de um campo magntico

Material ferromagntico sob a ao de um campo magntico

Os materiais ferromagnticos, por serem um caso particular dentre os materiais paramagnticos, apresentam a densidade do fluxo magntico B, presente no interior do indutor, maior do que quando h ar ou vcuo no seu interior. Embora os materiais ferromagnticos possuam imantao mesmo na ausncia de um campo externo (o que os caracteriza como ms permanentes), a manuteno de suas propriedades magnticas depende muito de sua temperatura. Quando aumenta a temperatura, as propriedades magnticas se tornam menos intensas. O ouro, a prata, o cobre, o zinco, o antimnio, o chumbo, o bismuto, a gua, o mercrio, ao serem introduzidos no interior de um indutor, ou prximos de um im, provocam a diminuio de seu campo magntico. Esses materiais so denominados de diamagnticos.

30

SENAI

Eletrnica 1

Material diamagntico sem a ao de um campo magntico Material diamagntico sob a ao de um campo magntico

Esses materiais caracterizam-se por possurem tomos que no produzem um campo magntico permanente, ou seja, o campo resultante de cada tomo nulo. Aplicando-se um campo magntico a esses materiais, pequenas correntes so produzidas por induo no interior dos tomos. Essas correntes se opem ao crescimento do campo externo, de modo que o magnetismo induzido nos tomos estar orientado em sentido oposto ao do campo externo. A densidade do fluxo magntico B no interior do indutor menor do que se no existisse o ncleo, ou seja, menor do que quando h vcuo ou ar em seu interior.

SENAI

31

Eletrnica 1

Eletromagnetismo Corrente Eltrica

No captulo anterior estudamos o magnetismo. Esse conhecimento muito importante para quem precisa aprender eletromagnetismo, que por sua vez, de fundamental importncia para quem quer compreender o funcionamento de motores, geradores, transformadores... Neste captulo estudaremos o eletromagnetismo que explica os fenmenos magnticos originados pela circulao da corrente eltrica em um condutor.

Eletromagnetismo

Eletromagnetismo um fenmeno magntico provocado pela circulao de uma corrente eltrica. O termo eletromagnetismo aplica-se a todo fenmeno magntico que tenha origem em uma corrente eltrica.Campo magntico em um condutor

A circulao de corrente eltrica em um condutor origina um campo magntico ao seu redor. Quando um condutor percorrido por uma corrente eltrica, ocorre uma orientao no movimento das partculas no seu interior. Essa orientao do movimento das partculas tem um efeito semelhante ao da orientao dos ms moleculares. Como conseqncia dessa orientao, surge um campo magntico ao redor do condutor.

32

SENAI

Eletrnica 1

As linhas de fora do campo magntico criado pela corrente eltrica que passa por um condutor, so circunferncias concntricas num plano perpendicular ao condutor.

Para o sentido convencional da corrente eltrica, o sentido de deslocamento das linhas de fora dado pela regra da mo direita. Ou seja, envolvendo o condutor com os quatro dedos da mo direita de forma que o dedo polegar indique o sentido da corrente (convencional). O sentido das linhas de fora ser o mesmo dos dedos que envolvem o condutor.

Pode-se tambm utilizar a regra do saca-rolhas como forma de definir o sentido das linhas de fora. Por essa regra, ele dado pelo movimento do cabo de um saca-rolhas, cuja ponta avana no condutor, no mesmo sentido da corrente eltrica (convencional).

sentido da corrente convencional

sentido das linhas do campo magntico

A intensidade do campo magntico ao redor do condutor depende da intensidade da corrente que nele flui. Ou seja, a intensidade do campo magntico ao redor de um condutor diretamente proporcional corrente que circula neste condutor.SENAI

33

Eletrnica 1

corrente pequena campo magntico fraco

corrente elevada campo magntico intenso

Campo Magntico em uma Bobina (ou Solenide)

Para obter campos magnticos de maior intensidade a partir da corrente eltrica, basta enrolar o condutor em forma de espiras, constituindo uma bobina. A tabela a seguir mostra uma bobina e seus respectivos smbolos conforme determina a NBR 12521. Bobina, enrolamento ou indutor Smbolo (forma preferida) Smbolo (outra forma)

As bobinas permitem um acrscimo dos efeitos magnticos gerados em cada uma das espiras. A figura a seguir mostra uma bobina constituda por vrias espiras, ilustrando o efeito resultante da soma dos efeitos individuais.

Os plos magnticos formados pelo campo magntico de uma bobina tm caractersticas semelhantes quelas dos plos de um m natural. A intensidade docampo magntico em uma bobina depende diretamente da intensidade da corrente

e do nmero de espiras.

34

SENAI

Eletrnica 1

O ncleo a parte central das bobinas, e pode ser de ar ou de material ferroso. O ncleo de ar quando nenhum material colocado no interior da bobina. O ncleo de material ferroso quando se coloca um material ferroso (ferro, ao...) no interior da bobina. Usa-se esse recurso para obter maior intensidade de campo magntico a partir de uma mesma bobina. Nesse caso, o conjunto bobina-ncleo de ferro chamadoeletrom.

Observao

A maior intensidade do campo magntico nos eletroms devida ao fato de que os materiais ferrosos provocam uma concentrao das linhas de fora.

ncleo de ferro

Quando uma bobina tem um ncleo de material ferroso, seu smbolo expressa essa condio (NBR 12521).

Indutor com ncleo magntico Ncleo de ferrite com um enrolamento

Magnetismo Remanente

Quando se coloca um ncleo de ferro em uma bobina, em que circula uma corrente eltrica, o ncleo torna-se imantado, porque as suas molculas se orientam conformeSENAI

35

Eletrnica 1

as linhas de fora criadas pela bobina.

Cessada a passagem da corrente, alguns ms moleculares permanecem na posio de orientao anterior, fazendo com que o ncleo permanea ligeiramente imantado.

Essa pequena imantao chamada magnetismo remanente ou residual. O magnetismo residual importante, principalmente para os geradores de energia eltrica. Este tipo de m chama-se m temporrio.

Transformadores36SENAI

Eletrnica 1

Corrente Eltrica

Os aparelhos eletroeletrnicos so construdos para funcionar alimentados pela rede eltrica. Todavia, a grande maioria deles usam tenses muito baixas para alimentar seus circuitos: 6 V, 12 V, 15 V. Um dos dispositivos utilizados para fornecer baixas tenses a partir das redes de 110 V ou 220 V o transformador. Por isso, extremamente importante que os tcnicos de eletroeletrnica conheam e compreendam as caractersticas desse componente. Este captulo apresenta as especificaes tcnicas e modo de funcionamento dos transformadores, de modo a capacit-lo a conectar, testar e especificar corretamente esses dispositivos. Para ter sucesso no desenvolvimento dos contedos e atividades deste captulo, voc dever ter bons conhecimentos prvios sobre corrente alternada, indutores em CA, relao de fase entre tenses e eletromagnetismo.

Transformador

O transformador um dispositivo que permite elevar ou rebaixar os valores de tenso em um circuito de CA. A grande maioria dos equipamentos eletrnicos emprega transformadores para elevar ou rebaixar tenses. A figura a seguir mostra alguns tipos de transformadores.

SENAI

37

Eletrnica 1

Funcionamento

Quando uma bobina conectada a uma fonte de CA, um campo magntico varivel surge ao seu redor. Se outra bobina se aproximar da primeira, o campo magntico varivel gerado na primeira bobina corta as espiras da segunda bobina.

Em conseqncia da variao do campo magntico sobre as espiras, surge uma tenso induzida na segunda bobina. A bobina na qual se aplica a tenso CA denominada primrio do transformador. A bobina onde surge a tenso induzida denominada secundrio do transformador.

38

SENAI

Eletrnica 1

Observao

As bobinas primria e secundria so eletricamente isoladas entre si. Isso se chama isolao galvnica. A transferncia de energia de uma para a outra se d exclusivamente atravs das linhas de foras magnticas. A tenso induzida no secundrio proporcional ao nmero de linhas magnticas que cortam a bobina secundria e ao nmero de suas espiras. Por isso, o primrio e o secundrio so montados sobre um ncleo de material ferromagntico.

Esse ncleo tem a funo de diminuir a disperso do campo magntico fazendo com que o secundrio seja cortado pelo maior nmero possvel de linhas magnticas. Como conseqncia, obtm-se uma transferncia melhor de energia entre primrio e secundrio. Veja a seguir o efeito causado pela colocao do ncleo no transformador.

SENAI

39

Eletrnica 1

Com a incluso do ncleo, embora o aproveitamento do fluxo magntico gerado seja melhor, o ferro macio sofre perdas por aquecimento causadas por dois fatores: ahisterese magntica e as correntes parasitas.

As perdas por histerese magntica so causadas pela oposio que o ferro oferece passagem do fluxo magntico. Essas perdas so diminudas com o emprego de ferro doce na fabricao do ncleo. As perdas por corrente parasita (ou correntes de Foulcault) aquecem o ferro porque a massa metlica sob variao de fluxo gera dentro de si mesma uma fora eletromotriz (f.e.m.) que provoca a circulao de corrente parasita. Para diminuir o aquecimento, os ncleos so construdos com chapas ou lminas de ferro isoladas entre si. O uso de lminas no elimina o aquecimento, mas torna-o bastante reduzido em relao ao ncleo de ferro macio.

40

SENAI

Eletrnica 1

Observao

As chapas de ferro contm uma porcentagem de silcio em sua composio. Isso favorece a condutibilidade do fluxo magntico. A figura a seguir mostra os smbolos usados para representar o transformador, segundo a norma NBR 12522/92

Transformador com dois enrolamentos

Transformador com trs enrolamentos Autotransformador

Transformador com derivao central em um enrolamento

Transformadores com mais de um Secundrio

Para se obter vrias tenses diferentes, os transformadores podem ser construdos com mais de um secundrio, como mostram as ilustraes a seguir.

SENAI

41

Eletrnica 1

Relao de Transformao

Como j vimos, a aplicao de uma tenso CA ao primrio de um transformador causa o aparecimento de uma tenso induzida em seu secundrio. Aumentando-se a tenso aplicada ao primrio, a tenso induzida no secundrio aumenta na mesma proporo. Essa relao entre as tenses depende fundamentalmente da relao entre o nmero de espiras no primrio e secundrio. Por exemplo, num transformador com primrio de 100 espiras e secundrio de 200 espiras, a tenso do secundrio ser o dobro da tenso do primrio.

Se chamarmos o nmero de espiras do primrio de NP e do secundrio de NS podemos escrever: VS/VP = 2 NS/NP = 2.

L-se: saem 2 para cada 1 que entra. O resultado da relao VS/ VP e NS/NP chamado de relao de transformao e expressa a relao entre a tenso aplicada ao primrio e a tenso induzida no secundrio. Um transformador pode ser construdo de forma a ter qualquer relao de transformao que seja necessria. Veja exemplo na tabela a seguir.Relao de Transformao Transformao

3 5,2 0,3

VS = 3 . VP VS = 5,2 . VP VS = 0,3 . VP

42

SENAI

Eletrnica 1

Observao

A tenso no secundrio do transformador aumenta na mesma proporo da tenso do primrio at que o ferro atinja seu ponto de saturao. Quando esse ponto atingido, mesmo que haja grande variao na tenso de entrada, haver pequena variao na tenso de sada.

Tipos de Transformadores

Os transformadores podem ser classificados quanto relao de transformao. Nesse caso, eles so de trs tipos:

transformador elevador; transformador rebaixador; transformador isolador.

O transformador elevador aquele cuja relao de transformao maior que 1, ou seja, NS > NP. Por causa disso, a tenso do secundrio maior que a tenso do primrio, isto , VS> VP. O transformador rebaixador aquele cuja relao de transformao menor que 1, ou seja, NS < NP. Portanto, VS < VP. Os transformadores rebaixadores so os mais utilizados em eletrnica. Sua funo rebaixar a tenso das redes eltricas domiciliares (110 V/220 V) para tenses de 6 V,

12 V e 15 V ou outra, necessrias ao funcionamento dos equipamentos. O transformador isolador aquele cuja relao de transformao de 1 para 1, ou seja, NS = NP. Como conseqncia, VS = VP. Os transformadores isoladores so usados em laboratrios de eletrnica para isolar eletricamente da rede a tenso presente nas bancadas. Esse tipo de isolao chamado de isolao galvnica. Veja a seguir a representao esquemtica desses trs tipos de transformadores.

SENAI

43

Eletrnica 1

44

SENAI

Eletrnica I

Relao de Potncia

Como j foi visto, o transformador recebe uma quantidade de energia eltrica no primrio, transforma-a em campo magntico e converte-a novamente em energia eltrica disponvel no secundrio.

A quantidade de energia absorvida da rede eltrica pelo primrio denominada de potncia do primrio, representada pela notao PP. Admitindo-se que no existam perdas por aquecimento do ncleo, pode-se concluir que toda a energia absorvida no primrio est disponvel no secundrio. A energia disponvel no secundrio chama-se potncia do secundrio (PS). Se no existirem perdas, possvel afirmar que PS = PP. A potncia do primrio depende da tenso aplicada e da corrente absorvida da rede, ou seja: PP = VP . IP A potncia do secundrio, por sua vez, o produto da tenso e corrente no secundrio, ou seja: PP = VS . IS. A relao de potncia do transformador ideal , portanto: VS . IS = VP . IP

SENAI

46

Eletrnica I

Mquinas eltricas Corrente Eltrica

Gerador elementarMquina para transformar energia mecnica em eltrica, produzindo corrente contnua ou alternada. Qualquer variao do fluxo magntico no interior de uma espira condutora cria nesta uma tenso induzida.

ExperinciaUma bobina, representada por uma espira condutora, gira em um campo magntico de um m permanente, conforme a figura abaixo. Os extremos da espira esto unidos atravs de dois anis coletores a um ampermetro.

46

SENAI

Eletrnica I

ObservaoA agulha indicadora do ampermetro oscila ao redor de uma posio mdia, seguindo o ritmo do movimento giratrio. Podemos deduzir que a tenso e a corrente variam em intensidade e em sentido.

Princpio da induoA quantidade total de linhas do campo magntico chama-se fluxo magntico. Ao girar a espira condutora no fluxo magntico, esta corta as linhas de campo e modifica o nmero de linhas de campo (fluxo magntico) cortadas pela espira. Por isso, com iguais ngulos de giro, diferente o nmero de linhas de campo cortadas e h variao do fluxo magntico, segundo a posio da espira.

SENAI

46

Eletrnica I

Se a aspira condutora est perpendicular ao campo magntico, e a espira gira de A para B, ela corta menos linhas de campo do que no giro B para C; essa variao do fluxo magntico induz uma tenso na bobina. Durante uma meia - volta da espira, o fluxo magntico, e com ele a tenso induzida, varia de zero, passando um valor mximo e volta a zero. Na segunda meia - volta, o sentido da tenso inverte. A tenso resultante denominase, por isso, tenso alternada. O traado da linha de tenso toma a forma de uma curva senoidal (linha de onda). O intervalo de uma linha senoidal entre valores repetidos chama-se perodo. O nmero de perodos que ocorre em um segundo chama-se freqncia.

46

SENAI

Eletrnica I

Formadores de corrente alternadaOs geradores constituem-se de uma parte giratria, o rotor, e de outra fixa, o estator. As bobinas do rotor so alimentadas, atravs de anis coletores, com corrente contnua, que lhes permitem criar um campo magntico. Se o rotor movido por uma mquina motriz, como uma turbina, o campo magntico giratrio induz uma tenso nas bobinas fixas do estator. O valor mdio da tenso depende do nmero de revolues, da intensidade do campo magntico criado pelo rotor e do nmero de espiras do bobinado e do estator. O gerador trifsico tem um bobinado fixo que se compe de trs bobinas distribudas a 120 no estator, de modo que se criam trs tenses alternadas (U1, V1, W1) iguais e defasadas no tempo, correspondendo, cada uma, a um tero do perodo.

SENAI

46

Eletrnica I

O sistema de tenses ou correntes alternadas, assim criadas, chama-se tenso alternada trifsica ou corrente trifsica.

Sistema trifsicoO sistema trifsico formado pela associao de trs sistemas monofsicos de tenses V1, V2 e V3, que esto defasados 120 um em relao ao outro.

46

SENAI

Eletrnica I

A ligao desses trs sistemas pode ser feita de duas maneiras:

Ligao tringulo; Ligao estrela.

Ligao tringuloEssa ligao feita conforme a figura abaixo.

Vf - tenso entre fases If - corrente de fase VL - tenso de linha IL - corrente de linha VL = Vf IL = 3 . If3 = 1,732 A tenso entre dois qualquer dos 3 fios chama-se tenso de linha (VL), que a tenso nominal do sistema trifsico. A corrente em cada fio de linha (IL) a soma dasSENAI

46

Eletrnica I

correntes das duas fases ligadas a esse fio, ou seja, IL = If1 + If2. Como as correntes esto defasadas entre si, a soma dever ser feita graficamente, como mostra a figura abaixo.

Pode-se demonstrar que: IL = 3 . If ou

IL = 1,732 . If

ExemploUm sistema trifsico ligado em tringulo com tenso nominal de 220V e corrente medida na linha de 10 ampres.

a) Qual a tenso de fase? Vf = VL Vf = 220V

46

SENAI

Eletrnica I

b) Qual a corrente de fase? IL = 1,732 . If 10 If = 1,732

If = 5,77A

Ligao estrelaEssa ligao feita conforme a figura abaixo.

s vezes, o sistema trifsico em estrela a quatro fios ou com neutro, que ligado ao ponto comum das trs fases. Neste sistema, a corrente de linha (IL) igual corrente de fase (If). A tenso entre dois fios quaisquer a soma grfica das tenses das duas fases.

VL = Vf1 + Vf2SENAI

46

Eletrnica I

VL =

3 . Vf 3 . Vf ou

Demonstra-se que: VL = VL = 1,732 . Vf

ExemploUma carga trifsica composta de trs cargas iguais. Cada carga feita para ser ligada a uma tenso de 220volts, absorvendo 6 ampres.

a) Qual a tenso nominal do sistema trifsico que alimenta esta carga em suas condies normais? VL = 1,732 . 220V VL = 380V b) Qual a corrente da linha? IL = If IL = 6A

Potncia trifsicaA potncia eltrica de uma fase absorvida da rede, no caso de resistncia, calculada,

46

SENAI

Eletrnica I

para um sistema monofsico, pela frmula: P=U.I No sistema trifsico, a potncia em cada fase da carga ser: Pf = Vf . If A potncia total ser a soma grfica das potncias das trs fases, ou seja:

r r P = 3Pf = 3 . V f . I fLembrando que, para as ligaes:

Tringulo VL = Vf IL = 3 If

Estrela VL = 3 . Vf IL = If

Teremos, para qualquer caso: P= 3 . Vf . If

Para cargas reativas, como o caso dos motores de induo, ocorre uma defasagem entre tenso e corrente, que deve ser levada em considerao. Essa defasagem medida pelo cos, e a expresso da potncia ser: P= 3 . V . I cos

A unidade de potncia o watt [W]. Comumente, usamos o seu mltiplo, o quilowatt [KW] = 1000W. Para unidade de potncia de motores, tambm se usa o cavalo - vapor. 1 HP = 745,7W 1 cv = 735,5W Onde: Hp - horse powerSENAI

46

Eletrnica I

cv - cavalo vapor

TransformadoresAs hidreltricas normalmente esto a uma distncia muito grande das cidades. Para transportar a energia eltrica de um ponto at outro, costuma-se elevar a tenso, pois, desta forma, pode-se economizar energia nas linhas de transmisso e, depois, abaixar esta tenso prximo ao consumidor, principalmente por segurana.

O aparelho que permite aumentar ou diminuir a tenso ou a corrente alternada o transformador.

46

SENAI

Eletrnica I

O transformador composto de chapas de ferro empilhadas e de duas bobinas: a primria e a secundria. Conectando a primria a uma fonte de tenso alternada, a corrente alternada gera um campo magntico alternado nas chapas de ferro. Este campo magntico alternado gera por sua vez uma tenso alternada induzida na bobina secundria. A tenso e a corrente induzida na secundria esto relacionadas com o nmero de espiras das bobinas, conforme a relao: I U N1 = 1= 2 I1 N2 U2 Onde: N1 - nmero de espiras da primria N2 - nmero de espiras da secundria U1 - tenso na primria [V] U2 - tenso na secundria [V] I1 - corrente na primria [A] I2 - corrente na secundria [A]Exemplo

Um transformador possui uma bobina primria com N1 = 600 espiras e uma bobina secundria com N2 = 300 espiras. Esse transformador est conectado a uma tenso U1 = 220 volts, recebendo uma corrente I1 = 5 ampres.

SENAI

46

Eletrnica I

Calcular: a) A tenso na secundria.

U1 N = 1 U2 N2 U2 = N2 U1 N1 300 U2 = 220 600

U2 = 110V b) A corrente na secundria. N I2 = 1 N2 I1 N1 . I1 N2 600 .5 I2 = 300 I2 = I2 = 10A

Potncia

Como a energia nunca criada, transformada de um tipo em outro, podemos observar que a potncia na primria igual potncia na secundria, desprezando as perdas. P1 = P2 U1 . I1 = U2 . U2. I2Exemplo

Usando os dados do exemplo anterior, temos: P1 = P2 220V . 5A = 110V . 10A 1100W = 1100W

Motores eltricos

Os motores e os geradores so muitos semelhantes. Diferem-se apenas na maneira de serem usados.

46

SENAI

Eletrnica I

Um gerador transforma energia mecnica em energia eltrica e o motor transforma energia eltrica em energia mecnica.

SENAI

46

Eletrnica I

Tipos de motores

Os motores diferem-se pelo tipo de corrente que utilizam: Corrente contnua; Corrente alternada. C.C. Corrente alternada Trifsico: Motores de corrente contnua

Corrente contnua Motor srie Motor shunt Motor compound

C.A.

Motor sncrono Motor assncrono ou de induo Motor de induo Motor srie

Monofsico:

Motores que necessitam de uma fonte de corrente contnua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contnua. Podem funcionar com velocidade ajustvel entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e preciso. Por isso, seu uso restrito a casos especiais em que estas exigncias compensam o custo elevado da instalao.Motores de corrente alternada

Motores mais utilizados exatamente porque necessitam de corrente alternada, que o tipo de energia eltrica normalmente distribuda. Os principais tipos so: Motor sncrono Funciona com velocidade fixa; utilizado somente para grandes potncias (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invarivel. Motor de induo Funciona normalmente com velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecnica aplicada ao eixo; devido sua grande simplicidade, robustez e baixo custo o motor mais utilizado.

46

SENAI

Eletrnica I

Princpio de funcionamento de motores de corrente contnua - C.C.

Quando um fio, que atravessado por uma corrente eltrica, encontra-se imerso em um campo magntico, a interao do campo magntico do m e o campo magntico produzido pela corrente eltrica gera uma fora.

Isto acontece porque, de um lado do fio, o campo magntico reforado e do outro lado enfraquecido. Desta forma, o fio expulso do campo magntico, pois as linhas de campo tentam seguir o caminho mais curto de um plo ao outro do m.

Podemos determinar o sentido do movimento do condutor aplicando uma regra prtica, chamada regra da mo esquerda. Coloque a mo esquerda de maneira que as linhas do fluxo magntico entrem pelaSENAI

46

Eletrnica I

palma da mo e as pontas dos dedos fiquem voltadas para o sentido convencional da corrente no condutor (+ - ). Desse modo, o polegar indicar o sentido do deslocamento do condutor.

Substituindo o condutor reto por uma espira giratria, criam-se duas foras com um efeito de momento de giro. A espira giratria pra na posio perpendicular s linhas de campo. Mas, ao girar, o impulso leva a espira para alm desse "ponto morto", e se trocarmos o sentido da corrente na espira, atravs de um coletor, conseguiremos repetir o processo de giro.

46

SENAI

Eletrnica I

Desta forma, a bobina continua girando sem parar

SENAI

46

Eletrnica I

A figura seguinte ilustra o aspecto construtivo do motor de corrente contnua.

46

SENAI

Eletrnica I

Modelos de motores de C.C. Motor srie

O enrolamento de campo ligado em srie com o enrolamento da armadura, e a intensidade do campo varia com as mudanas na corrente da armadura. Quando sua velocidade reduzida por uma carga, o motor srie passa a desenvolver maior torque. Seu torque de partida maior do que os dos outros tipos de motores de C.C. Nunca deve funcionar sob a condio sem carga, pois a velocidade aumentar perigosamente. usado em guindastes, guinchos, nibus e trens eltricos.

Motor shunt

O enrolamento de campo ligado em paralelo com o da armadura, e a intensidade do campo independente da corrente da armadura. A velocidade do motor shunt varia apenas ligeiramente com as alteraes na carga, e o torque de partida menor do que os dos outros tipos de motores de C.C.

SENAI

46

Eletrnica I

utilizado quando se deseja uma velocidade constante para uma carga varivel, e possvel dar partida ao motor com uma carga muito leve ou sem carga.Motor compound

Um enrolamento de campo ligado em srie com a armadura e outro em paralelo. As caractersticas de velocidade e de carga podem ser alteradas ligando os dois campos de modo que se somem ou se oponham.

Observao

O sentido de rotao de um motor de C.C. pode ser alterado com a inverso das ligaes do campo ou com a inverso das ligaes da armadura, nunca de ambas ao mesmo tempo.

46

SENAI

Eletrnica I

Princpio de funcionamento dos motores de corrente alternada - C.A.

O princpio bsico dos motores de corrente alternada a criao de um campo magntico rotativo que causa o giro do rotor do motor. A figura abaixo mostra um motor trifsico alimentado por uma fonte de C.A. trifsica. Os enrolamentos esto ligados em tringulo.

As duas bobinas de cada fase esto enroladas na mesma direo. O campo magntico gerado por uma bobina depende da corrente que por ela circula no momento. Se a corrente for nula, no h campo magntico. Se a corrente for mxima, o campo ser, tambm, mximo. Como as correntes nos trs enrolamentos esto defasadas 120, os campos magnticos tero a mesma defasagem. Os trs campos individuais combinam-se em um nico, para agir sobre o rotor. Ao fim de um ciclo de C.A., o campo magntico ter girado 360, ou uma rotao completa. A figura a seguir mostra a variao da corrente ao longo do tempo nas trs fases (A -B - C). As formas de onda podem representar tanto a corrente como os campos magnticos gerados por estas correntes.

Observe que no ponto 1 a onda C positiva e a B, negativa. Isto significa que aSENAI

46

Eletrnica I

corrente flui em direes opostas nas fases B e C. , desse modo, fixada a polaridade dos respectivos campos magnticos. Observe que B1 um plo norte e B um plo sul; C um plo norte e C1 um plo sul. A fase A no tem campo magntico, por ser nula a sua corrente. As linhas do campo magntico B e C dirigem-se aos plos sul mais prximos, respectivamente, C1 e B. Os campos magnticos de B e C so da mesma amplitude e o campo resultante ter a direo da figura.

No ponto 2, as correntes aplicadas variam, sendo iguais e opostas para as fases A e B, e nula para a fase C. Pode-se verificar que o campo magntico girou 60. No ponto 3, a onde B tem valor zero, e o campo tornou a girar mais 60. Dos pontos 1 a 7 (correspondendo a um ciclo da C.A.), pode-se verificar que o campo magntico fira 360.

46

SENAI

Eletrnica I

Velocidade sncrona

A velocidade de rotao do campo girante define a velocidade sncrona do motor. No exemplo da figura da pgina anterior, consideramos um enrolamento com um par de plos, ou seja, um enrolamento de dois plos. Como o campo percorre uma volta a cada ciclo, sendo f a freqncia do sistema em ciclos por segundo (hertz), a sua freqncia em rpm ser: n = 60 . f(rpm) Os enrolamentos podem ser construdos com um nmero maior de pares de plos, que se distribuiro alternadamente (um norte e um sul) ao longo da periferia do ncleo magntico. Como o campo girante percorre um par de plos a cada ciclo e o enrolamento tem plos ou p/2 pares de plos, o campo girante dar uma volta completa a cada p/2 ciclos e sua velocidade ser: ns = 60 . f p/2

ns =

120 . f (rpm) p

Onde: ns - rotaes por minuto (rpm) f - freqncia em ciclos por segundo (Hz) p - nmero de plos Note que o nmero de plos do motor ter que ser sempre par, para formar os pares de plos. Para as freqncias e polaridades usuais, as velocidades sncronas esto indicadas na tabela.Tabela: Velocidades sncronas

Nmero de plos 2 3600 3000 4 1800 1500 6 1200 1000 8 900 750 Rotao sncrona por minuto ... 60hertz Rotao sncrona por minuto ... 50hertz

SENAI

46

Eletrnica I

Velocidade assncrona - escorregamento

Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade sncrona, ou seja, diferente da velocidade do campo girante, o enrolamento do rotor corta as linhas de fora magnticas do campo e, pelas leis do eletromagnetismo, circularo nele correntes induzidas. As correntes induzidas no rotor criaro seu prprio campo magntico, de polaridade oposta do campo girante. Como campos opostos se atraem e como o campo de estator (campo girante) rotativo, o rotor tende a acompanhar a rotao do campo girante. A diferena entre a velocidade do motor n e a velocidade sncrona ns chama-se escorregamento s, que pode ser expresso em rpm, como frao da velocidade sncrona ou como porcentagem desta: s (rpm) = ns - n ns - n ns

s=

s (%) =

ns - n . 100 ns

Para um dado escorregamento s(%), a velocidade do motor ser, portanto,s(%) ) 100

n = ns . (1 -

Conjugado

O conjugado, tambm chamado torque, momento ou binrio, a medida do esforo necessrio para girar um eixo. Como vimos no mdulo de Cincias, para levantar um peso P - por um sistema semelhante ao usado em poos de gua - a fora F aplilcada manivela depende do comprimento l da manivela. Quanto maior for a manivela, menor ser a fora F necessria. Se dobrarmos o tamanho l da manivela, a fora F necessria ser diminuda metade.

46

SENAI

Eletrnica I

Exemplo

Como l = 0,4m (o dobro do raio do tambor), a fora F aplicada para equilibrar o sistema ser a metade, ou seja, 250N. Assim, para medir o esforo necessrio para fazer girar o eixo no basta definir a fora empregada, preciso tambm dizer a que distncia do eixo a fora aplicada.

O esforo medido pelo conjugado, que o produto da fora pela distncia.

C=F. l

Onde: C - conjugado F - fora

l - distnciaNa figura 5.20, o conjugado vale: C = 500N . 0,2m = 250N . 0,4m

C = 100Nm

SENAI

46

Eletrnica I

O conjugado de um motor eltrico est relacionado com a rotao, pois, quando a rotao diminui, o conjugado aumenta.

Curva do conjugado em funo da rotao de um motor

Modelo de motores de C.A.

Os motores de corrente alternada dividem-se em trifsico e monofsico.Motores trifsicos Motor sncrono

Um motor sncrono usa um estator para gerar um campo magntico girante e um rotor eletromagntico alimentado por C.C. O rotor um m, que atrado pelo campo girante do estator. Esta atrao exerce um torque sobre o rotor e faz com que ele gire em sincronismo com o campo.

O motor sncrono no auto - suficiente na partida e deve ser trazido prximo

46

SENAI

Eletrnica I

velocidade de sncrona antes de poder continuar girando com seus prprios recursos. utilizado para servios que exigem velocidade constante ou onde se deseja corrigir o fator de potncia da rede eltrica.Motor assncrono ou de induo

Quando se aplica C.A. aos enrolamentos do estator, produz-se um campo magntico rotativo. Este campo rotativo corta os condutores do rotor, neles induzindo corrente. Esta corrente induzida gera um campo magntico de sentido contrrio, que atrado pelo campo magntico girante. O rotor do motor de induo no pode girar com a mesma velocidade do campo magntico, pois, se a velocidade for a mesma, no haver deslocamento relativo e, em conseqncia, no haver corrente induzida no rotor. Sem corrente induzida no se cria um campo magntico contrrio para ser atrado. O rotor do motor a plena carga apresenta um escorregamento de 3 a 6% em relao velocidade de sincronismo do campo giratrio e, por isso, denominado tambm de motor assncrono. O motor de induo o motor de uso mais comum por causa de sua simplicidade, construo robusta e baixo custo de fabricao. Estas vantagens provm do fato de ser o rotor isolado, que no necessita de conexes externas.Motores monofsicos

Os motores monofsicos possuem apenas uma fase e so alimentados por uma C.A. monofsica. So muito usados sempre que se quer um motor pequeno e pouca potncia. A principal vantagem baixo custo para pequenas potncias. Eliminam tambm a necessidade de alimentao trifsica. Os motores monofsicas so usados em equipamentos de comunicaes, ventiladores, refrigeradores, mquinas portteis de furar, esmeris, etc. Os motores monofsicos so divididos em dois grupos: motores srie e motores de induo. Os motores srie lembram os motores de C.C. porque possuem comutador e escovas.SENAI

46

Eletrnica I

Os motores de induo usam rotor do tipo gaiola, com um dispositivo especial para a partida. Esse dispositivo especial um enrolamento de partida adicionado ao estator.

Quando esse enrolamento de partida usado de modo que a corrente no estator fique defasada em relao corrente no enrolamento principal, ser produzido um campo magntico girante e o rotor ir girar. Com o rotor na velocidade normal, o circuito do enrolamento de partida pode ser desligado e o motor continua funcionando como um motor monofsico.

46

SENAI