Eletricidade

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

“O uso de motores elétricos e circuitos de corrente alternada revolucionou a sociedade moderna. Hoje, seu uso é tão disseminado que é difícil imaginar a vida sem eletricidade. Neste tópico, vamos revisar a base de funcionamento de transformadores e motores de corrente alternada: a indução eletromagnética.”

fem induzida

Os elétrões livres da barra ficam então sujeitos a uma força magnética de direção paralela à

barra e sentido de A para B.

A extremidade A fica carregada positivamente, e a B, negativamente.

As cargas continuam a se concentrar nas extremidades até que se estabeleça um equilíbrio.

Há um campo elétrico vertical para baixo, e igualdade de módulo entre a força magnética

para baixo e a força elétrica para cima.

Entre os terminais da barra, há uma fem induzida.

Barra condutora AB deslocando-se para a direita

com velocidade

constante v, numa região sujeita a um

campo magnético B perpendicular ao vetor

velocidade e entrando no

plano do papel.

fem induzida

Se a barra tem comprimento L, a fem induzida vale:

Fluxo magnético

A indução, descrita por Faraday, depende de três fatores:

intensidade B do campo magnético;

área A a ser atravessada pelas linhas;

ângulo θ entre as linhas de campo e a normal

à superfície considerada:

Variação na área A atravessada pelas linhas de campo

Variação no ângulo θ entre as linhas de campo e a superfície

A área da espira retangular CDEF,

efetivamente atravessada pelas linhas de campo,

é reduzida de acordo com o movimento para a

direita.

A espira retangular gira na região de influência do campo magnético,

variando continuamente o ângulo determinado pelas linhas de campo e a

normal à superfície da espira.

Fluxo magnético

Lei de Faraday

Lei de Lenz

O sinal negativo na expressão da lei de Faraday descreve um resultado conhecido como lei de

Lenz: “A corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o

campo magnético criado tende a contrariar a variação do fluxo magnético através da

espira”.

O íman em [A] ao afastar-se da espira, origina uma corrente, de acordo com a regra da mão direita, com sentido horário, para compensar a diminuição do fluxo magnético. Em [B], o sentido da corrente induzida é anti-horário, para reverter o aumento do fluxo para baixo.

Correntes de Foucault: são induzidas em condutores maciços.

Podem atingir grande intensidade com grande dissipação de energia na forma de calor.

Quando o paralelepípedo entra por completo na região do campo magnético, exibe dois conjuntos de correntes de Foucault, que giram emsentidos opostos.

Em velocímetros analógicos de automóveis,quando o eixo do carro gira, ele aciona ímãs que

produzem pequenas correntes elétricas e campos magnéticos, que movimentam o ponteiro

indicador de velocidade.

Lei de Faraday

PO

WER

ED

BY

LIG

HT/A

LA

N S

PEN

CER

/A

LA

MY

/O

TH

ER

IM

AG

ES

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Correntes alternas

São correntes induzidas com sentidos alternantes, produzidas, por indução

eletromagnética, pelo funcionamento de motores elétricos mediante a rotação

de espiras em regiões atravessadas por campos magnéticos, em movimentos

de vaivém. Podemos dizer que a expressão geral da corrente i depende do

seu valor máximo e de uma função trigonométrica. A variação pode ser

senosoidal:

em que = 2f é a pulsação, f é a frequência com que a corrente varia

no tempo, e t, o instante considerado.

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Gráfico corrente X fase, exibindo variação senoidal da função.

Correntes alternadas

Valor eficaz da corrente

Transformadores

São dispositivos usados para modificar uma ddp alternada.

Correntes alternadas

A relação entre a

ddp no primário UP e

a ddp do secundário

US depende

exclusivamente da

razão entre o

número de espiras

entre as bobinas:

Transformador Ideal

Relação entre tensões e número de espiras nos enrolamentos primário e secundário:

Conservação da potência:

Símbolo:

1

2

1

2

022

011

),sen()(

),sen()(

N

N

A

A

tAtv

tAtv

)()()()( 2211 titvtitv

Resistências Dispositivos que têm como finalidade oferecer uma oposição à passagem de

corrente eléctrica.

Unidade: Ohm = Ω

Múltiplos: kohm = kΩ = 1kΩ = 103 Ω

Mohm = MΩ = 1MΩ = 106 Ω

VALOR

FIXO: Os valores de resistência não podem ser alterados.

VARIÁVEIS: A resistência varia dentro de uma faixa de valor, através de

cursor móvel.

Parâmetros de especificação:

- Valor nominal

- Tolerância – Máxima variação do valor nominal (%) do valor nominal

- Potência – Máxima dissipação de potência

Conceitos básicos de electrónica

TABELA DE CORES

OBS.: Ausência de tolerância = + 20%

Resistências de precisão = 5 faixas: Primeiras 3 faixas = 3 algarismos

significativos

4 faixa = factor de multiplicação

5 faixa = tolerância

Potências: 0,33W, 0,5W, 0,67W, 1,15W e 2,5W

Resistências de acordo com a potência de utilização

Condensadores Tem como finalidade armazenar energia eléctrica. Formado por duas

placas condutoras (armaduras), separadas por material isolante (dieléctrico) .Os dieléctricos mais comuns: Papel, mica, cerâmica, materiais plásticos ou o ar.

Capacitância (C) = é a característica que o condensador tem de armazenar mais ou menos cargas eléctricas por unidade de tensão:

C=8,84 x 10-12 x K x A/dK= Constante dieléctrica, ar = 1, papel = 2-4,8 ou C = Q/V C = Farad Q = carga eléctrica (Coulomb) V = tensão (Volt)

Os valores usuais de capacitância dos condensadores são submúltiplos do Farad, ou seja: 1 μF = 10-6 F ; 1 nF = 10-9 F e 1 pF = 10-12 F

Tensão de isolamento = Limite de tensões entre os terminais

Conceitos básicos de electrónica

CÓDIGO DE CORES

Condensadores de poliéster

Condensadores variáveis

Indutores

Um fio condutor ao ser percorrido por uma corrente

eléctrica produz um campo magnético. Este efeito é

maximizado se enrolarmos o fio condutor, em forma

de espira, em redor de um núcleo, constituindo o

Indutor

INDUTÂNCIA

Efeito do campo magnético com a corrente eléctrica

Unidade – Henry – H

Submúltiplos – mH ; μH Podem ser fixos ou variáveis

Conceitos básicos de electrónica

COMPORTAMENTO EM REGIME DC (corrente

contínua)

Ao aplicarmos uma tensão DC o indutor armazenará uma energia

magnética.

Ao ligarmos a chave S a corrente é nula, pois o indutor se opõe as

variações bruscas de corrente. A partir daí aumenta gradativamente

segundo uma função exponencial até o valor máximo.

E

R

S

L

Semicondutores

Dos materiais utilizados no campo da electrónica, temos:

CONDUTOR - Material que mantém um fluxo de carga quando uma tensão, de amplitude limitada, é aplicada em seus terminais.

ISOLANTE - Material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando se aplica uma fonte de tensão.

SEMICONDUTOR - Material que mantém um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.

BONS CONDUTORES - Cobre é um bom condutor – 29 protões e vinte nove electrões, bem como ouro e prata.

Estrutura atômica do Ge e Si

Materiais semicondutores

•Os semicondutores possuem 4 electrões na camada de valência

• tornam-se mais estáveis com a participação dos átomos vizinhos

• formam-se ligações covalentes partilhando electrões dos átomos vizinhos

Fluxo de electrões e lacunas

Semicondutor Intrínseco

É um semicondutor puro, ou seja, todos os átomos docristal são de silício (Si), ou germânio (Ge) ou arseneto degálio (GaAs) ou fosfeto de índio .

A –273oC o semicondutor intrínseco comporta-se como um isolante perfeito.

Semicondutor Extrínseco

De forma a aumentar a condutibilidade de um semicondutor, é o recurso à adição

de impurezas aos átomos. Um condutor dopado é chamado de semicondutor

extrínseco.

Para aumentar o número de electrões livres, adicionam-se átomos pentavalentes

ao silício em fusão, ex.: arsênio (As), antimónio (Sb) e fósforo (P). Este processo

é chamado de dopagem.

Semicondutor dopado com antimónio

Por possuírem electrões livres em excesso são chamados de material tipo N.

Num material tipo N os electrões livres são chamados de portadores

maioritários e as lacunas de portadores minoritários.

Para se aumentar o número de lacunas, recorre-se a impurezas trivalentes, cujos

átomos possuem apenas três elétrons de valência, ex.: alumínio (Al), boro (Bo) e

gálio (Ga).

Por possuírem lacunas em excesso são chamados de material tipo P.

Num material tipo P as lacunas são os portadores maioritários e os electrões os

portadores minoritários.

Tipo P Tipo N

O DIODO SEMICONDUTOR – JUNÇÃO PN

•O díodo semicondutor é formado juntando um bloco de material tipo P com um

bloco de material tipo N – Junção PN

•Díodo não polarizado – No momento da junção haverá uma corrente de difusão,

criando uma região de iões negativos e positivos não combinados chamado de

Região de Depleção e a distribuição da carga nessa área é chamado de Carga

Espacial.

•A largura da região de depleção dependente dos níveis de dopagem dos

materiais P e N.

•O Campo eléctrico que aparece na região de depleção devido aos íiões positivos

e negativos é chamada de Barreira de potencial.

À temperatura de 25o C, a barreira de potencial é aproximadamente 0,3 V para o Ge e 0,7 V para o Si.

Diodo não polarizado

Simbologia

O lado P da junção PN é conhecido como anodo (A) do diodo e o lado N

como catodo (K).

POLARIZAÇÃO INVERSA DA JUNÇÃO

POLARIZAÇÃO DIRECTA DA JUNÇÃO

Curva característica do diodo

Ruptura ou efeito Zener

Simbologias

TransístoresUm transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas

junções PN (junção base-emissor e junção base-colector) de material

semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor

(E), Base (B) e Colector (C).

N – Material semicondutor com excesso de electrões livres

P – Material semicondutor com excesso de lacunas

Altamente

dopado

Menos

dopado que

o Emissor e

mais dopado

que a Base

Altamente

dopado

Camada

mais fina

e menos

dopada

Menos

dopado que

o Emissor e

mais dopado

que a Base

Camada

mais fina

e menos

dopada

Principio de funcionamentoPara que o transístor bipolar conduza é necessário que seja aplicada na

base uma corrente mínima (VBE ≥ 0,7 Volt), caso contrário não haverá

passagem de corrente entre o Emissor e o Colector.

IB = 0

O transístor não conduz

(corte)

Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e

pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector.

Uma pequena corrente

entre a base e o emissor…

…origina uma corrente entre o

emissor e o colector

Utilização

O transístor bipolar pode ser utilizado:

como interruptor electrónico.

na amplificação de sinais.

como oscilador.

PolarizaçãoPara o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como

oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC.

Para o transístor estar corretamente polarizado a junção PN base – emissor deve

ser polarizada diretamente e a junção base – coletor deve ser polarizada

inversamente.

Regra prática:

O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.

A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.

O Coletor é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.

Emissor Base Colector Emissor Base Colector

P N P N P N

+ - - - + +

Polarização

+

Rc

Rb

_

Rc

Rb

+

_

Rb – Resistência de polarização de base

Rc – Resistência de colector ou resistência de carga

Emissor Base Colector Emissor Base Colector

P N P N P N

+ - - - + +

Representação de tensões e correntes

VCE – Tensão colector - emissor

VBE – Tensão base – emissor

VCB – Tensão colector - base

IC – Corrente de colector

IB – Corrente de base

IE – Corrente de emissor

VRE – Tensão na resistência de emissor

VRC – Tensão na resistência de colector

Relação das correntes

Rc

Rb

+

IC

IE

IB

Considerando o sentido convencional da corrente e

aplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relação

das correntes num transístor bipolar

IE = IC + IB