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Fundamentos da Informática e Comunicação de Dados GRANDEZAS ELÉTRICAS – Visão Física Resistividade Qualquer condutor metálico (fio em cobre, alumínio, ouro ou prata), apresenta uma resistência (resistência é a dificuldade que o condutor apresenta à passagem de corrente elétrica), que é função do comprimento do mesmo, do coeficiente de resistividade do metal utilizado e da seção reta do condutor, conforme podemos observar na equação abaixo:

Resistividade de alguns materiais à temperatura de 20ºC Sendo a unidade de medida o Ohm (), mas a resistência também varia em função da temperatura, e é uma característica dos metais sendo que praticamente todos eles apresentam aumento da resistência elétrica com o aumento da temperatura .ºC, como podemos observar pela equação abaixo: Rt = Ro + Ro(.t) Resistência

A resistência elétrica é a oposição ao fluxo da corrente elétrica ou em outras palavras é a dificuldade que o condutor metálico apresenta à passagem do sinal elétrico ou corrente elétrica ou fluxo de elétrons. As equações matemáticas mais conhecidas que tratam de resistência e dos outros parâmetros elétricos são:

R= U/I U= RI I= U/R

Onde: I representa a corrente elétrica ou o fluxo de elétrons que atravessa um condutor. U representa a tensão elétrica ou diferença de potencial (ddp).

Condutores Resistividade (.m) Prata 1,6. 10-8

Alumínio 2,6. 10-8 Cobre 1,7. 10-8 Platina 11. 10-8 Ferro 12. 10-8

Constantan (Cu e Ni) 15. 10-8 Chumbo 21. 10-8 Mercúrio 28. 10-8

Nicromo(Ni e Cr) 30,2. 10-8 Carvão 1537. 10-8

Germânio 946 Silício 640 Vidro 1010 10-14

Quartzo 1016

No SI, a unidade de resistência elétrica e o Ohm () . A unidade de resistividade é dada por : Ohm / metro.

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R representa a resistência elétrica do condutor. Corrente Elétrica e Tensão Elétrica.

A matéria pode ser considerada como constituída de 3 partículas “elementares”: próton (carga positiva) nêutron e elétron (carga negativa).

Os átomos são constituídos por um núcleo denso, positivamente carregado, isto é, todos os prótons encontram-se nesta região, envolvidos por uma nuvem de elétrons. O raio do núcleo varia desde 1.10-15 até 7.10-15 m. O raio aproximado de uma nuvem eletrônica é de 1.10-10 m. Lembrar, que atualmente foram descobertas outras partículas constituintes da matéria.

Para se ter uma idéia da quantidade de átomos presentes na matéria, 1 cm3 de cobre tem aproximadamente 85.1022 átomos de cobre. Aproximadamente um elétron por átomo estabelece a corrente elétrica.

A história da Eletricidade começa na Antigüidade. Os gregos notaram que o âmbar, quando atritado, adquiria a propriedade de atrair pequenos pedaços de palha.

Benjamin Franklin (1706-1790), político e escritor americano, que por volta de 1750, introduziu os termos eletricidade positiva que aparece em um bastão de vidro, e negativa a que aparece num bastão de ebonite, ambos atritados num pêlo de animal.

Origem do termo eletricidade: 600 a.C. filósofo grego Tales de Mileto observou que o âmbar atritado é capaz de atrair pequenos fragmentos de palha. Elétrico = âmbar, que em grego se escreve elektrón.

Diferença de Potencial - DDP (U)

A força que ocasiona o movimento de elétrons livres em um condutor, formando uma corrente elétrica, é chamada força eletromotriz, tensão ou diferença de potencial.

Quando existe uma ddp entre dois corpos carregados que são ligados por um condutor, os

elétrons fluirão ao longo do condutor. Esse fluxo de elétrons se fará do corpo carregado negativamente para o corpo carregado positivamente, até que as duas cargas sejam igualadas e que não mais exista diferença de potencial.

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CCoorrrreennttee EEllééttrriiccaa (( ii ))

O deslocamento ou fluxo de elétrons no condutor é denominado Corrente Elétrica. Metais: portadores de cargas elétricas elétrons. Soluções Eletrolíticas: portadores de cargas elétricas íons positivos e negativos.

Gases: portadores de cargas elétricas íons e elétrons.

Os elétrons livres movimentam-se caoticamente no interior dos metais (por exemplo, um fio de cobre).

Ao ligar um fio a uma bateria, uma diferença de potencial elétrico é estabelecida e aparece um campo elétrico. Devido a esse campo, os elétrons adquirem um movimento extra, sobreposto ao caótico, cujo sentido aponta para a região de maior potencial. Os elétrons livres são acelerados pela ação de uma força elétrica, resultante da ação do campo E produzido pela fonte sobre os elétrons.

Em 1820, Hans C. Oersted (1777-1851), físico dinamarquês, realizando experimentos com eletricidade descobriu que a passagem de uma corrente elétrica através de um fio condutor provoca um desvio na agulha de uma bússola, quando esta é colocada próxima ao fio condutor.

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Hoje, sabemos que sempre podemos associar um campo de forças à passagem de corrente elétrica. Esse campo de forças, gerado pela corrente elétrica, em torno do fio condutor, recebe o nome de campo magnético. Este assunto constitui-se num importante ramo da Física denominado Eletromagnetismo. Este efeito magnético é à base de funcionamento dos motores e transformadores

OBS: Os elétrons adquirem uma velocidade extra da ordem de 10-3 m/s.

O sentido da corrente elétrica é o mesmo do campo elétrico, portanto contrário ao sentido do deslocamento dos elétrons.

A quantidade de carga elétrica positiva do próton e a quantidade de carga elétrica negativa do elétron são iguais em valor absoluto, e correspondem à menor quantidade de carga elétrica encontrada na natureza, até os dias atuais. Essa quantidade é representada pela letra e, é chamada de quantidade de carga elétrica elementar.

Em 1909, a quantidade de carga elétrica elementar foi determinada experimentalmente por Millikan. O valor obtido foi:

Num condutor, i é igual à quantidade de carga que atravessa uma secção transversal do fio num intervalo de tempo.

Unidade de corrente elétrica

Um ampère pode ser definido como sendo o fluxo de 6,28. 1018 elétrons passando por um

determinado ponto do condutor. A corrente elétrica é classificada em dois tipos: contínua (CC) e alternada (CA). A corrente

contínua flui sempre no mesmo sentido ao passo que a corrente alternada periodicamente inverte o sentido.

Resistência Elétrica

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Primeira Lei de Ohm

O físico e professor alemão Georges Simon Ohm verificou experimentalmente que para alguns condutores, chamados ôhmicos, o quociente entre a ddp e a correspondente intensidade i da corrente elétrica é constante, e que essa constante é a resistência R do resistor.

Resistor é todo dispositivo elétrico que transforma exclusivamente energia elétrica em energia térmica.

Simbolicamente é representado por:

Alguns dispositivos elétricos classificados como resistores são: ferro de passar roupa, ferro de soldar, chuveiro elétrico, lâmpada incandescente, etc.

Assim, podemos classificar:

1. Condutor ideal – Os portadores de carga existentes no condutor não encontram nenhuma oposição ao seu movimento. Dizemos que a resistência elétrica do condutor é nula, o que significa dizer que existe uma alta mobilidade de portadores de carga.

2. Isolante ideal - Os portadores de carga existentes estão praticamente fixos, sem nenhuma mobilidade. Dizemos, neste caso, que a resistência elétrica é infinita.

Consideremos um condutor submetido a uma diferença de potencial (ddp), no qual se

estabelece uma corrente elétrica.

Seja U a diferença de potencial aplicada e i a intensidade de corrente elétrica por meio do

condutor Definimos resistência elétrica (R) é a relação entre a ddp aplicada (U) e a correspondente

intensidade de corrente elétrica (i).

Assim, a unidade de resistência elétrica no Sistema Internacional é:

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A resistência elétrica é uma característica do condutor, portanto, depende do material de que é feito o mesmo, de sua forma e dimensões e também da temperatura a que está submetido o condutor.

Dizemos que um condutor obedece à primeira lei de Ohm quando ele apresenta uma resistência elétrica constante, quaisquer que sejam U e i.

Nessas condições, o condutor recebe o nome de condutor ôhmico. Nos condutores ôhmicos, a intensidade de corrente elétrica é diretamente proporcional à ddp

aplicada. Assim, a curva característica de um condutor ôhmico é uma reta inclinada em relação aos eixos U e i; passando pela origem (0; 0). Segunda Lei de Ohm

Todos os materiais oferecem certa resistência ou oposição à passagem da corrente elétrica. Bons condutores, como o cobre, prata, alumínios oferecem pouquíssima resistência. Maus condutores como o vidro, madeira, papel e borrachas oferecem alta resistência ao fluxo de corrente.

A resistência elétrica R depende da natureza do material, do comprimento do resistor e da área de secção reta do condutor.

Potência Elétrica

O que é mais caro? Um banho, um microcomputador ligado 8 horas seguidas, ou uma lâmpada?

Potência elétrica de um aparelho indica a quantidade de energia elétrica que ele transforma em outras formas de energia, em certo intervalo de tempo.

P = t

Potência é a rapidez com que se realiza um trabalho.

Exemplo: Lâmpada de 100 W Transforma 100 J de energia elétrica em luz e em energia térmica em cada segundo. A energia transformada também pode ser obtida através da potência:

E = P . t Unidade de medida no S.I. de potência: watt (W) = J/s. O que é 1 kWh? É a unidade de medida da energia elétrica consumida.

R = resistência L= comprimento fio S = área de secção fio = constante de resistividade do material

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1 kWh = 1000W x 1h = 1000W x 3600s = 3.600.000 J Exemplos: 1- Qual a energia consumida por um chuveiro elétrico cuja potência é 2800W(verão) durante

meia hora? E = 2800 W x 0,5 h = 1400 Wh = 1,4kWh. 2- Qual a energia consumida por uma lâmpada de 60 W ligada durante 12 horas? E = 60x12 =720 Wh = 0,7 kWh 3- Qual a energia consumida por um micro + periféricos, supondo uma potência total de

300W, ligado por 8 horas? E = 300 x 8 = 2400W = 2,4 kWh

Capacitância

Podemos armazenar energia potencial num campo eletrostático. E para isso utilizamos um dispositivo chamado capacitor, que é capaz de “confinar” um campo elétrico. Exemplo de capacitor é uma bateria portátil de uma máquina fotográfica, visto que armazena energia lentamente e libera rapidamente, durante o flash.

condensador plano

Capacitores estão presentes em muitos aparelhos do nosso dia a dia: no banco de memória dos computadores, nos transmissores e receptores de rádio e TV, etc.

Os campos elétricos nestes dispositivos são significativos não somente pela energia armazenada, mas também pela informação LIGA-DESLIGA, que a presença ou ausência deles proporciona.

Um capacitor é basicamente constituído de duas placas condutoras isoladas entre si, podendo ter qualquer geometria.

Eletricamente a capacitância é a capacidade de armazenamento de carga elétrica. A capacitância é igual à quantidade de carga que pode ser armazenada em um componente eletrônico chamado de capacitor. A equação que rege este comportamento é:

Dizemos que um capacitor está carregado se as suas placas tiverem cargas iguais, mas com sinais opostos, de valor absoluto q. Existirá entre as placas um campo elétrico E, e, portanto uma diferença de potencial U.

Verificou-se que as cargas e a diferença de potencial são

proporcionais, onde a constante de proporcionalidade é a capacitância do capacitor(C).

Onde: C é a capacitância medida em Farads (F), q é a quantidade de carga em Coulombs (C) e

q = C.U

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U é a tensão eletrica aplicada (V). A unidade de capacitância no SI é coulomb/volt (C/V), que é igual a 1F =1 farad A capacitância de um capacitor é função da área das placas condutoras que o compõem, da distância que as separa e da constante dielétrica do material isolante que esta entre elas. O efeito da capacitância surge ou se manifesta, sempre que existir uma chamada separação entre cargas, ou seja, potenciais positivos e negativos separados por algum material dielétrico ou isolante, por exemplo, um par de fios apresenta um efeito capacitivo justamente pelo fato de possuírem potenciais (cargas elétricas) distintos e estarem separados por um material isolante ou dielétrico.

Reatância capacitiva: Xc é a oposição ou dificuldade aparente à passagem da corrente elétrica alternada, é o resultado do efeito capacitivo sobre um sinal que está aplicado ao componente capacitor ou a um par de condutores elétricos, sua unidade de medida é o Ohm ( ) e sua equaç ão é:

Xc = 1 / 2fC

Onde: f é a freqüência do sinal aplicado e C é a capacitância do capacitor.

Indutância A capacidade que um condutor possui de induzir tensão em si mesmo, quando a co rrente que circula por ele varia é a sua auto indutância ou indutância. O símbolo da indutância é L e a sua unidade de medida é o Henry (H), sendo representada pela seguinte equação:

L= vL / (i/t)

Onde: VL é a tensão aplicada, i é a variação de corrente e t é a variação de tempo.

A reatância indutiva XL é a oposição ou dificuldade aparente à passagem da corrente alternada (CA), é o resultado do efeito indutivo sobre um sinal que está aplicado ao componente indutor ou a um par de condutores elétricos entrelaçados, devida a indutância do meio. Sua unidade de medida é o OHM ( ) e sua equaç ão:

XL = 2f L

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Onde: f é a freqüência do sinal aplicado e L é a indutância do componente. Impedância A impedância é a reação total ao fluxo da corrente alternada expressa em Ohms (), ou em outras palavras é a conjunção dos efeitos das reatâncias indutiva e capacitiva agora associados. A impedância num cabo (par de fios) pode ser simbolizada pelo seguinte circuito elétrico e pode receber uma simbolização através de fasores como segue:

A impedância para este caso será:

Z2 = R2 + X2 = arc tg X/R