O que acontece ao fluxo num bastão de ferrite colocado no núcleo de uma bobina quando a corrente elétrica e desligada?

Eletrônica 1

Matéria

O estudo da matéria e sua composição é fundamental para a compreensão da teoria eletrônica. Por isso, neste capítulo estudaremos o arranjo físico das partículas que compõem o átomo e a maneira como essas partículas se comportam. Isso facilitará muito o estudo dos fenômenos que produzem a eletricidade. Composição da Matéria Matéria é tudo aquilo que nos cerca e que ocupa um lugar no espaço. Ela se apresenta em porções limitadas que recebem o nome de corpos. Estes podem ser simples ou compostos. Observação Existem coisas com as quais temos contato na vida diária que não ocupam lugar no espaço, não sendo, portanto, matéria. Exemplos desses fenômenos são o som, o calor e a eletricidade. Corpos simples são aqueles formados por um único átomo. São também chamados de elementos. O ouro, o cobre, o hidrogênio são exemplos de elementos. Corpos compostos são aqueles formados por uma combinação de dois ou mais elementos. São exemplos de corpos compostos o cloreto de sódio (ou sal de cozinha) que é formado pela combinação de cloro e sódio, e a água, formada pela combinação de oxigênio e hidrogênio. A matéria e, consequentemente, os corpos compõem-se de moléculas e átomos.

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Molécula Molécula é a menor partícula em que se pode dividir uma substância de modo que ela mantenha as mesmas características da substância que a originou. Tomemos como exemplo uma gota de água: se ela for dividida continuamente, tornar-se-á cada vez menor, até chegarmos à menor partícula que conserva as características da água, ou seja, a molécula de água. Veja, na ilustração a seguir, a representação de uma molécula de água. átomos de

átomo de hid ê i

As moléculas se formam porque, na natureza, todos os elementos que compõem a matéria tendem a procurar um equilíbrio elétrico.

= molécula

átomo

Átomo Os animais, as plantas, as rochas, as águas dos rios, lagos e oceanos e tudo o que nos cerca é composto de átomos. O átomo é a menor partícula em que se pode dividir um elemento e que, ainda assim, conserva as propriedades físicas e químicas desse elemento. Observação Os átomos são tão pequenos que, se forem colocados 100 milhões deles um ao lado do outro, formarão uma reta de apenas 10 mm de comprimento. O átomo é formado de numerosas partículas. Todavia, estudaremos somente aquelas

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que mais interessam à teoria eletrônica. Existem átomos de materiais como o cobre, o alumínio, o neônio, o xenônio, por exemplo, que já apresentam o equilíbrio elétrico, não precisando juntar-se a outros átomos. Esses átomos, sozinhos, são considerados moléculas também. Constituição do Átomo

O átomo é formado por uma parte central chamada núcleo e uma parte periférica formada pelos elétrons e denominada eletrosfera. O núcleo é constituído por dois tipos de partículas: os prótons, com carga positiva, e os nêutrons, que são eletricamente neutros. Veja a representação esquemática de um átomo na ilustração a seguir. órbita órbita núcleo elétron nêutron próton

Os prótons, juntamente com os nêutrons, são os responsáveis pela parte mais pesada do átomo. Os elétrons possuem carga negativa. Como os planetas do sistema solar, eles giram na eletrosfera ao redor do núcleo, descrevendo trajetórias que se chamam órbitas. Na eletrosfera os elétrons estão distribuídos em camadas ou níveis energéticos. De acordo com o número de elétrons, ela pode apresentar de 1 a 7 níveis energéticos, denominados K, L, M, N, O, P e Q. letras de identificação das órbitas

n mínimo de elétrons por órbita

Os átomos podem ter uma ou várias órbitas, dependendo do seu número de elétrons. Cada órbita contém um número específico de elétrons. SENAI

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A distribuição dos elétrons nas diversas camadas obedece a regras definidas. A regra mais importante para a área eletroeletrônica refere-se ao nível energético mais distante do núcleo, ou seja, a camada externa: o número máximo de elétrons nessa camada é de oito elétrons. Os elétrons da órbita externa são chamados elétrons livres, pois têm uma certa facilidade de se desprenderem de seus átomos. Todas as reações químicas e elétricas acontecem nessa camada externa, chamada de nível ou camada de valência. A teoria eletrônica estuda o átomo só no aspecto da sua eletrosfera, ou seja, sua região periférica ou orbital. Íons

No seu estado natural, o átomo possui o número de prótons igual ao número de elétrons. Nessa condição, dizemos que o átomo está em equilíbrio ou eletricamente neutro.

O átomo está em desequilíbrio quando tem o número de elétrons maior ou menor que o número de prótons. Esse desequilíbrio é causado sempre por forças externas que podem ser magnéticas, térmicas ou químicas. O átomo em desequilíbrio é chamado de íon. O íon pode ser negativo ou positivo. Os íons negativos são os ânions e os íons positivos são os cátions. Íons negativos, ou seja, ânions, são átomos que receberam elétrons.

Prótons

= +8

Elétrons

= -9_

Resultado = -1 Íons positivos, ou seja, cátions, são átomos que perderam elétrons.

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Prótons

= +8

Elétrons

= -7_

Resultado = +1

A transformação de um átomo em íon ocorre devido a forças externas ao próprio átomo. Uma vez cessada a causa externa que originou o íon, a tendência natural do átomo é atingir o equilíbrio elétrico. Para atingir esse equilíbrio, ele cede elétrons que estão em excesso ou recupera os elétrons em falta.

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Geração de Energia Elétrica

Como já vimos, a eletrostática é a parte da eletricidade que estuda a eletricidade estática. Esta, por sua vez, refere-se às cargas armazenadas em um corpo, ou seja, sua energia potencial. Por outro lado, a eletrodinâmica estuda a eletricidade dinâmica que se refere ao movimento dos elétrons livres de um átomo para outro.

Para haver movimento dos elétrons livres em um corpo, é necessário aplicar nesse corpo uma tensão elétrica. Essa tensão resulta na formação de um polo com excesso de elétrons denominado pólo negativo e de outro com falta de elétrons denominado

de pólo positivo. Essa tensão é fornecida por uma fonte geradora de eletricidade.

Fontes Geradoras de Energia Elétrica

A existência da tensão é condição fundamental para o funcionamento de todos os aparelhos elétricos. As fontes geradoras são os meios pelos quais se pode fornecer a tensão necessária ao funcionamento desses consumidores. Essas fontes geram energia elétrica de vários modos: • por ação térmica; • por ação da luz; • por ação mecânica; • por ação química; • por ação magnética.

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Geração de Energia Elétrica por Ação Térmica

Pode-se obter energia elétrica por meio do aquecimento direto da junção de dois metais diferentes. Por exemplo, se um fio de cobre e outro de constantan (liga de cobre e níquel) forem unidos por uma de suas extremidades e se esses fios forem aquecidos nessa junção, aparecerá uma tensão elétrica nas outras extremidades. Isso acontece porque o aumento da temperatura acelera a movimentação dos elétrons livres e faz com que eles passem de um material para outro, causando uma diferença de potencial. À medida que aumentamos a temperatura na junção, aumenta também o valor da tensão elétrica na outra extremidade. Esse tipo de geração de energia elétrica por ação térmica é utilizado num dispositivo chamado par termoelétrico, usado como elemento sensor nos pirômetros que são aparelhos usados para medir temperatura de fornos industriais.

Geração de Energia Elétrica por Ação de Luz

Para gerar energia elétrica por ação da luz, utiliza-se o efeito fotoelétrico. Esse efeito ocorre quando irradiações luminosas atingem um fotoelemento. Isso faz com que os elétrons livres da camada semicondutora se desloquem até seu anel metálico. fo to cé lu la

lu z

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

fe rro

Dessa forma, o anel se torna negativo e a placa-base, positiva. Enquanto dura a incidência da luz, uma tensão aparece entre as placas. O uso mais comum desse tipo de célula fotoelétrica é no armazenamento de energia elétrica em acumuladores e baterias solares. SENAI

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Geração de Energia Elétrica por Ação Mecânica

Alguns cristais, como o quartzo, a turmalina e os sais de Rochelle, quando submetidos a ações mecânicas como compressão e torção, desenvolvem uma diferença de potencial. Se um cristal de um desses materiais for colocado entre duas placas metálicas e sobre elas for aplicada uma variação de pressão, obteremos uma ddp produzida por essa variação. O valor da diferença de potencial dependerá da pressão exercida sobre o conjunto. pressão

placas metálicas

cristal

Os cristais como fonte de energia elétrica são largamente usados em equipamentos de pequena potência como toca-discos, por exemplo. Outros exemplos são os isqueiros chamados de "eletrônicos" e os acendedores do tipo Magiclick. Geração de Energia Elétrica por Ação Química

Outro modo de se obter eletricidade é por meio da ação química. Isso acontece da seguinte forma: dois metais diferentes como cobre e zinco são colocados dentro de uma solução química (ou eletrólito) composta de sal (H2O + NaCL) ou ácido sulfúrico (H2O + H2SO4), constituindo-se de uma célula primária. A reação química entre o eletrólito e os metais vai retirando os elétrons do zinco. Estes passam pelo eletrólito e vão se depositando no cobre. Dessa forma, obtém-se uma diferença de potencial, ou tensão, entre os bornes ligados no zinco (negativo) e no cobre (positivo).

eletrólito ou solução

cuba de vidro placa positiva de cobre placa negativa de zinco

A pilha de lanterna funciona segundo o princípio da célula primária que acabamos de descrever. Ela é constituída basicamente por dois tipos de materiais em contato com

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um preparado químico. terminais de latão resina areia serragem recipiente de zinco (placa negativa) eletrólito bastão de carvão (placa positiva) papel alcatroado

Geração de Energia Elétrica por Ação Magnética

O método mais comum de produção de energia elétrica em larga escala é por ação magnética. A eletricidade gerada por ação magnética é produzida quando um condutor é movimentado dentro do raio de ação de um campo magnético. Isso cria uma ddp que aumenta ou diminui com o aumento ou a diminuição da velocidade do condutor ou da intensidade do campo magnético. eixo de rotação da espira ímã

ímã permanente

permanente

espira condutora

ddp

A tensão gerada por este método é chamada de tensão alternada, pois suas polaridades são variáveis, ou seja, se alternam. Os alternadores e dínamos são exemplos de fontes geradoras que produzem energia elétrica segundo o princípio que acaba de ser descrito.

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Corrente Elétrica

A eletricidade está presente diariamente em nossa vida, seja na forma de um relâmpago seja no simples ato de ligar uma lâmpada. À nossa volta fluem cargas elétricas que produzem luz, som, calor... Para entender como são obtidos tais efeitos é preciso, em primeiro lugar, compreender o movimento das cargas elétricas e suas particularidades. Este capítulo vai tratar do conceito de fluxo das cargas elétricas. Vai tratar também das grandezas que medem a corrente. Para desenvolver os conteúdos e atividades aqui apresentadas você já deverá ter conhecimentos anteriores sobre estrutura da matéria, e diferença de potencial entre dois pontos. Corrente Elétrica

A corrente elétrica consiste em um movimento orientado de cargas, provocado pelo desequilíbrio elétrico (ddp) entre dois pontos. A corrente elétrica é a forma pela qual os corpos eletrizados procuram restabelecer o equilíbrio elétrico. Para que haja corrente elétrica, é necessário que haja ddp e que o circuito esteja fechado. Logo, pode-se afirmar que existe tensão sem corrente, mas nunca existirá corrente sem tensão. Isso acontece porque a tensão orienta as cargas elétricas.

O símbolo para representar a intensidade da corrente elétrica é a letra I. Descargas Elétricas

Como já foi estudado, as descargas elétricas são fenômenos comuns na natureza. O relâmpago, por exemplo, é um exemplo típico de descarga elétrica. O atrito contra o ar faz com que as nuvens fiquem altamente eletrizadas e adquiram um potencial elevado. Quando duas nuvens com potencial elétrico diferente se aproximam, ocorre uma descarga elétrica, ou seja, um relâmpago.

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O que ocorre não passa de uma transferência orientada de cargas elétricas de uma nuvem para outra. Durante a descarga, numerosas cargas elétricas são transferidas, numa única direção, para diminuir o desequilíbrio elétrico entre dois pontos. Os elétrons em excesso em uma nuvem deslocam-se para a nuvem que tem poucos elétrons. Como já foi visto, também, o deslocamento de cargas elétricas entre dois pontos onde existe ddp é chamado de corrente elétrica. Desse modo, explica-se o relâmpago como uma corrente elétrica provocada pela tensão elétrica existente entre duas nuvens. Durante o curto tempo de duração de um relâmpago, grande quantidade de cargas elétricas flui de uma nuvem para outra. Dependendo da grandeza do desequilíbrio elétrico entre as duas nuvens, a corrente elétrica, ou seja, a descarga elétrica entre elas pode ter maior ou menor intensidade. Unidade de Medida de Corrente

Corrente é uma grandeza elétrica e, como toda a grandeza, pode ter sua intensidade medida por meio de instrumentos. A unidade de medida da intensidade da corrente elétrica é o ampère, que é representado pelo símbolo A.

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Como qualquer outra unidade de medida, a unidade da corrente elétrica tem múltiplos e submúltiplos adequados a cada situação. Veja tabela a seguir. Denominação Múltiplo Unidade

Quiloampère Ampère Miliampère Microampère

Submúltiplos

Nanoampère

Símbolo

Valor com relação ao ampère

kA A mA

103 A ou 1000 A -3 10 A ou 0,001 A 10-6 A ou 0,000001 A

µA nA

10-9 A ou 0,000000001 A

Observação No campo da eletrônica empregam-se mais os termos ampère (A), miliampère (mA) e o microampère (µA).

Faz-se a conversão de valores de forma semelhante a outras unidades de medida. kA

µA

Observe a seguir alguns exemplos de conversão. a) 1,2 A = _________mA A 1

↑(posição da vírgula)

(nova posição da vírgula)

1,2A = 1200 mA

b) 15 µA = ______________mA mA 1

µA

0 ↑

µA

↑

15 µA = 0,0l5 mA

c) 350 mA = __________A A 3

0 ↑

3 ↑

350 mA = 0,35A

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↑

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Amperímetro

Para medir a intensidade de corrente, usa-se o amperímetro. Além do amperímetro, usam-se também os instrumentos a seguir: • miliamperímetro: para correntes da ordem de miliampères; • microamperímetro: para correntes da ordem de microampères;

Corrente Contínua

A corrente elétrica é o movimento de cargas elétricas. Nos materiais sólidos, as cargas que se movimentam são os elétrons; nos líquidos e gases o movimento pode ser de elétrons ou íons positivos. Quando o movimento de cargas elétricas formadas por íons ou elétrons ocorre sempre em um sentido, a corrente elétrica é chamada de corrente contínua e é representada pela sigla CC.

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Circuitos Elétricos Empregamos a eletricidade das mais diversas formas. A partir da energia elétrica movimentam-se motores, acendem-se luzes, produz-se calor... Embora os efeitos sejam os mais diversos, todas as aplicações da eletricidade têm um ponto em comum: implicam na existência de um circuito elétrico. Portanto, o circuito elétrico é indispensável para que a energia elétrica possa ser utilizada. Conhecer e compreender suas características é fundamental para assimilar os próximos conteúdos a serem estudados. Este capítulo vai tratar das particularidades e das funções dos componentes do circuito elétrico. Ao estudá-lo, você será capaz de reconhecer um circuito elétrico, identificar seus componentes e representá-los com símbolos. Para acompanhar bem os conteúdos e atividades deste capítulo, é preciso que você já conheça a estrutura da matéria; corrente e resistência elétrica. Materiais Condutores

Os materiais condutores caracterizam-se por permitirem a existência de corrente elétrica toda a vez que se aplica uma ddp entre suas extremidades. Eles são empregados em todos os dispositivos e equipamentos elétricos e eletrônicos.

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Existem materiais sólidos, líquidos e gasosos que são condutores elétricos. Entretanto, na área da eletricidade e eletrônica, os materiais sólidos são os mais importantes. As cargas elétricas que se movimentam no interior dos materiais sólidos são os elétrons livres.

com ddp

sem ddp

Como já vimos, os elétrons livres que se movimentam ordenadamente formam a corrente elétrica.

O que faz um material sólido ser condutor de eletricidade é a intensidade de atração entre o núcleo e os elétrons livres. Assim, quanto menor for a atração, maior será sua capacidade de deixar fluir a corrente elétrica. Os metais são excelentes condutores de corrente elétrica, porque os elétrons da última camada da eletrosfera (elétrons de valência) estão fracamente ligados ao núcleo do átomo. Por causa disso, desprendem-se com facilidade o que permite seu movimento ordenado. Vamos tomar como exemplo a estrutura atômica do cobre. Cada átomo de cobre tem 29 elétrons; desses apenas um encontra-se na última camada. Esse elétron desprende-se do núcleo do átomo e vaga livremente no interior do material. A estrutura química do cobre compõe-se, pois, de numerosos núcleos fixos, rodeados por elétrons livres que se movimentam intensamente de um núcleo para o outro.

estrutura do cobre

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A intensa mobilidade ou liberdade de movimentação dos elétrons no interior da estrutura química do cobre faz dele um material de grande condutividade elétrica. Assim, os bons condutores são também materiais com baixa resistência elétrica. O quadro a seguir mostra, em ordem crescente, a resistência elétrica de alguns materiais condutores. resistência

prata

cobre

ouro

alumínio

constantan

níquel-cromo

Depois da prata, o cobre é considerado o melhor condutor elétrico. Ele é o metal mais usado na fabricação de condutores para instalações elétricas. Materiais Isolantes

Materiais isolantes são os que apresentam forte oposição à circulação de corrente elétrica no interior de sua estrutura. Isso acontece porque os elétrons livres dos átomos que compõem a estrutura química dos materiais isolantes são fortemente ligados a seus núcleos e dificilmente são liberados para a circulação. A estrutura atômica dos materiais isolantes compõe-se de átomos com cinco ou mais elétrons na última camada energética.

nitrogênio (N)

enxofre (S)

Em condições anormais, um material isolante pode tornar-se condutor. Esse fenômeno chama-se ruptura dielétrica. Ocorre quando grande quantidade de energia transforma um material normalmente isolante em condutor. Essa carga de energia aplicada ao material é tão elevada que os elétrons, normalmente presos aos núcleos dos átomos, são arrancados das órbitas, provocando a circulação de corrente. A formação de faíscas no desligamento de um interruptor elétrico é um exemplo típico de ruptura dielétrica. A tensão elevada entre os contatos no momento da abertura fornece uma grande quantidade de energia que provoca a ruptura dielétrica do ar, gerando a faísca.

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Circuito Elétrico

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

condutor

fonte geradora circuito elétrico

corrente elétrica

Todo o circuito elétrico necessita de uma fonte geradora. A fonte geradora fornece a tensão necessária à existência de corrente elétrica. A bateria, a pilha e o alternador são exemplos de fontes geradoras. A carga é também chamada de consumidor ou receptor de energia elétrica. É o componente do circuito elétrico que transforma a energia elétrica fornecida pela fonte geradora em outro tipo de energia. Essa energia pode ser mecânica, luminosa, térmica, sonora. Exemplos de cargas são as lâmpadas que transformam energia elétrica em energia luminosa; o motor que transforma energia elétrica em energia mecânica; o rádio que transforma energia elétrica em sonora. Observação

Um circuito elétrico pode ter uma ou mais cargas associadas. Os condutores são o elo de ligação entre a fonte geradora e a carga. Servem de meio de transporte da corrente elétrica. Uma lâmpada, ligada por condutores a uma pilha, é um exemplo típico de circuito elétrico simples, formado por três componentes.

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carga

condutor

fonte geradora circuito elétrico

corrente elétrica

A lâmpada traz no seu interior uma resistência, chamada filamento. Ao ser percorrida pela corrente elétrica, essa resistência fica incandescente e gera luz. O filamento recebe a tensão através dos terminais de ligação. E quando se liga a lâmpada à pilha, por meio de condutores, forma-se um circuito elétrico. Os elétrons, em excesso no pólo negativo da pilha, movimentam-se pelo condutor e pelo filamento da lâmpada, em direção ao pólo positivo da pilha. A figura a seguir ilustra o movimento dos elétrons livres. Esses elétrons saem do pólo negativo, passam pela lâmpada e dirigem-se ao pólo positivo da pilha.

falta de elétrons +

excesso de elétrons

Enquanto a pilha for capaz de manter o excesso de elétrons no pólo negativo e a falta de elétrons no pólo positivo, haverá corrente elétrica no circuito; e a lâmpada continuará acesa. Além da fonte geradora, do consumidor e condutor, o circuito elétrico possui um componente adicional chamado de interruptor ou chave. A função desse componente é comandar o funcionamento dos circuitos elétricos.

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Quando aberto ou desligado, o interruptor provoca uma abertura em um dos condutores. Nesta condição, o circuito elétrico não corresponde a um caminho fechado, porque um dos pólos da pilha (positivo) está desconectado do circuito, e não há circulação da corrente elétrica. consumidor

esquema

chave

interruptor desligado

Quando o interruptor está ligado, seus contatos estão fechados, tornando-se um condutor de corrente contínua. Nessa condição, o circuito é novamente um caminho fechado por onde circula a corrente elétrica.

consumidor

esquema

chave interruptor ligado

Sentido da Corrente Elétrica

Antes que se compreendesse de forma mais científica a natureza do fluxo de elétrons, já se utilizava a eletricidade para iluminação, motores e outras aplicações. Nessa época, foi estabelecido por convenção, que a corrente elétrica se constituía de um movimento de cargas elétricas que fluía do pólo positivo para o pólo negativo da fonte geradora. Este sentido de circulação (do + para o -) foi denominado de sentido convencional da corrente.

Com o progresso dos recursos científicos usados explicar os fenômenos elétricos, foi possível verificar mais tarde, que nos condutores sólidos a corrente elétrica se constitui de elétrons em movimento do pólo negativo para o pólo positivo. Este sentido de circulação foi denominado de sentido eletrônico da corrente. O sentido de corrente que se adota como referência para o estudo dos fenômenos elétricos (eletrônico ou convencional) não interfere nos resultados obtidos. Por isso, ainda hoje, encontram-se defensores de cada um dos sentidos. Observação SENAI

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Uma vez que toda a simbologia de componentes eletroeletrônicos foi desenvolvida a partir do sentido convencional da corrente elétrica, ou seja do + para o -, as informações deste material didático seguirão o modelo convencional: do positivo para o negativo. Simbologia dos Componentes de um Circuito

Por facilitar a elaboração de esquemas ou diagramas elétricos, criou-se uma simbologia para representar graficamente cada componente num circuito elétrico. A tabela a seguir mostra alguns símbolos utilizados e os respectivos componentes. Designação

Figura

Símbolo

Condutor

Cruzamento sem conexão

Cruzamento com conexão

Fonte, gerador ou bateria

Lâmpada

Interruptor

O esquema a seguir representa um circuito elétrico formado por lâmpada, condutores interruptor e pilha. Deve-se observar que nele a corrente elétrica é

representada por uma seta acompanhada pela letra I.

Tipos de Circuitos Elétricos

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Os tipos de circuitos elétricos são determinados pela maneira como seus componentes são ligados. Assim, existem três tipos de circuitos: • série; • paralelo; • misto. Circuito Série

Circuito série é aquele cujos componentes (cargas) são ligados um após o outro. Desse modo, existe um único caminho para a corrente elétrica que sai do pólo positivo da fonte, passa através do primeiro componente (R1), passa pelo seguinte (R2) e assim por diante até chegar ao pólo negativo da fonte. Veja representação esquemática do circuito série no diagrama a seguir. R2

I R1

Num circuito série, o valor da corrente é sempre o mesmo em qualquer ponto do circuito. Isso acontece porque a corrente elétrica tem apenas um único caminho para percorrer. Esse circuito também é chamado de dependente porque, se houver falha ou se qualquer um dos componentes for retirado do circuito, cessa a circulação da corrente elétrica. Circuito Paralelo

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

U !

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No circuito paralelo, a corrente é diferente em cada ponto do circuito porque ela depende da resistência de cada componente à passagem da corrente elétrica e da tensão aplicada sobre ele. Todos os componentes ligados em paralelo recebem a mesma tensão. Circuito Misto

No circuito misto, os componentes são ligados em série e em paralelo. Veja esquema a seguir.

R1 I

U I

R2 !

No circuito misto, o componente R1 ligado em série, ao ser atravessado por uma corrente, causa uma queda de tensão porque é uma resistência. Assim sendo, os resistores R2 e R3 que estão ligados em paralelo, receberão a tensão da rede menos a queda de tensão provocada por R1.

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Magnetismo

Corrente Elétrica

O magnetismo impressionou o homem desde a antigüidade, quando foi percebido pela primeira vez. A magnetita instigava a curiosidade porque atraía certos materiais. Muitos cientistas dedicaram anos ao estudo do magnetismo até que o fenômeno fosse completamente conhecido e pudesse ser aplicado proveitosamente. Este capítulo, que tratará do magnetismo natural, visa o conhecimento da origem e das características do magnetismo e dos ímãs.

Magnetismo

O magnetismo é uma propriedade que certos materiais têm de exercer uma atração sobre materiais ferrosos.

As propriedades dos corpos magnéticos são grandemente utilizadas em eletricidade, em motores e geradores, por exemplo, e em eletrônica, nos instrumentos de medição e na transmissão de sinais.

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Imãs

Alguns materiais encontrados na natureza apresentam propriedades magnéticas naturais. Esses materiais são denominados de ímãs naturais. Como exemplo de ímã natural, pode-se citar a magnetita. É possível também obter um imã de forma artificial. Os ímãs obtidos dessa maneira são denominados ímãs artificiais. Eles são compostos por barras de materiais ferrosos que o homem magnetiza por processos artificiais. Os ímãs artificiais são muito empregados porque podem ser fabricados com os mais diversos formatos, de forma a atender às mais variadas necessidades práticas, como por exemplo, nos pequenos motores de corrente contínua que movimentam os carrinhos elétricos dos brinquedos do tipo “Autorama”. Os ímãs artificiais em geral têm propriedades magnéticas mais intensas que os naturais. Pólos magnéticos de um ímã

Externamente, as forças de atração magnética de um ímã se manifestam com maior intensidade nas suas extremidades. Por isso, as extremidades do ímã são denominadas de pólos magnéticos. Cada um dos pólos apresenta propriedades magnéticas específicas. eles são denominados de pólo sul e pólo norte. Uma vez que as forças magnéticas dos ímãs são mais concentradas nos pólos, é possível concluir que a intensidade dessas propriedades decresce para o centro do ímã. Na região central do ímã, estabelece-se uma linha onde as forças de atração magnética do pólo sul e do pólo norte são iguais e se anulam. Essa linha é

denominada de linha neutra. A linha neutra é, portanto, a linha divisória entre os pólos do ímã.

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Origem do Magnetismo

O magnetismo origina-se na organização atômica dos materiais. Cada molécula de um material é um pequeno ímã natural, denominado de ímã molecular ou domínio.

ímã molecular aumentado milhões de vezes

Quando, durante a formação de um material, as moléculas se orientam em sentidos diversos, os efeitos magnéticos dos ímãs moleculares se anulam, resultando em um

material sem magnetismo natural.

Se, durante a formação do material, as moléculas assumem uma orientação única ou predominante, os efeitos magnéticos de cada ímã molecular se somam, dando origem a um ímã com propriedades magnéticas naturais.

Observação

Na fabricação de ímãs artificiais, as moléculas desordenadas de um material sofrem um processo de orientação a partir de forças externas.

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Inseparabilidade dos Pólos

Os ímãs têm uma propriedade característica: por mais que se divida um ímã em partes menores, as partes sempre terão um pólo norte e um pólo sul.

Esta propriedade é denominada de inseparabilidade dos pólos. Interação entre Ímãs

Quando os pólos magnéticos de dois ímãs estão próximos, as forças magnéticas dos dois ímãs reagem entre si de forma singular. Se dois pólos magnéticos diferentes forem aproximados (norte de um, com sul de outro), haverá uma atração entre os dois ímãs.

Se dois pólos magnéticos iguais forem aproximados (por exemplo, norte de um próximo ao norte do outro), haverá uma repulsão entre os dois.

Campo Magnético - Linhas de Força

O espaço ao redor do ímã em que existe atuação das forças magnéticas é chamado de campo magnético. Os efeitos de atração ou repulsão entre dois ímãs, ou de atração de um ímã sobre os materiais ferrosos se devem à existência desse campo magnético. Como artifício para estudar esse campo magnético, admite-se a existência de linhas

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de força magnética ao redor do ímã. Essas linhas são invisíveis, mas podem ser

visualizadas com o auxílio de um recurso. Colocando-se um ímã sob uma lâmina de vidro, e espalhando limalha de ferro sobre essa lâmina, as limalhas se orientam conforme as linhas de força magnética.

O formato característico das limalhas sobre o vidro, denominado de espectro magnético, é representado na ilustração a seguir.

Essa experiência mostra também a maior concentração de limalhas na região dos pólos do ímã. Isso é devido à maior intensidade de magnetismo nas regiões polares, pois aí se concentram as linhas de força.

Com o objetivo de padronizar os estudos relativos ao magnetismo e às linhas de força, por convenção estabeleceu-se que as linhas de força de um campo magnético

se dirigem do pólo norte para o pólo sul.

Campo Magnético Uniforme SENAI

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Campo magnético uniforme é aquele em que o vetor de indução magnética B tem o mesmo módulo, a mesma direção e o mesmo sentido em todos os pontos do meio, homogêneo por hipótese. No campo magnético uniforme, as linhas de indução são retas paralelas igualmente espaçadas e orientadas. O campo magnético na região destacada na ilustração a seguir, por exemplo, é aproximadamente uniforme.

Essa convenção se aplica às linhas de força externas ao ímã. Fluxo da Indução Magnética

Fluxo da indução magnética é a quantidade total de linhas de um ímã que constituem o campo magnético. É representado graficamente pela letra grega φ (lê-se "fi"). O fluxo da indução magnética é uma grandeza e, como tal, pode ser medido. No SI (Sistema Internacional de Medidas), sua unidade de medida é o weber (Wb). No Sistema CGS de medidas, sua unidade é o maxwell (Mx). Para transformar weber em maxwell, usa-se a seguinte relação: 1 Mx = 10-8 Wb Densidade de Fluxo ou Indução Magnética

Densidade de fluxo ou indução magnética é o número de linhas por centímetro quadrado de seção do campo magnético em linhas/cm2.

fluxo total

sessão transversal

A densidade de fluxo ou indução magnética é representada graficamente pela letra maiúscula B e sua unidade de medida no sistema SI é o tesla (T) e no CGS é o Gauss (G).

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Para transformar gauss em tesla, usa-se a seguinte relação: 1G = 10-4 T. Conhecendo-se o valor da superfície (seção transversal A) em que estão concentradas as linhas de força e a densidade do fluxo magnético B, pode-se enunciar a fórmula do fluxo de indução magnética como o produto da densidade do fluxo B pela seção transversal A. Assim, matematicamente temos: φ = B x A Nessa fórmula, φ é o fluxo de indução magnética em Mx; B é a densidade de fluxo magnético em G; e A é a seção transversal em centímetros quadrados.

Imantação ou magnetização

Imantação ou magnetização é o processo pelo qual os ímãs atômicos (ou dipolos magnéticos) de um material são alinhados. Isso é obtido pela ação de um campo magnético externo.

É possível classificar os materiais de acordo com a intensidade com que eles se imantam, isto é, o modo como ordenam seus ímãs atômicos sob a ação de um campo magnético. Assim, esses materiais podem ser classificados em: • paramagnéticos; • diamagnéticos; • ferromagnéticos.

Experimentalmente, é possível verificar que certos materiais, quando colocados no interior de uma bobina (ou indutor) ligada em C.C., ou próximos de um imã, têm seus átomos fracamente orientados no mesmo sentido do campo magnético. Esses materiais são denominados de paramagnéticos. Material paramagnético sem a ação de um campo magnético

Material paramagnético sob a ação de um campo magnético

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Eletrônica 1

Materiais como o ferro, o aço, o cobalto, o níquel, a platina, o estanho, o cromo e suas respectivas ligas são exemplos de materiais paramagnéticos. Eles são caracterizados por possuírem átomos que têm um campo magnético permanente. Dentre os materiais paramagnéticos, o ferro, o aço, o cobalto, o níquel, e suas ligas constituem uma classe especial.Com efeito, alguns materiais provocam no indutor que os tem como núcleo, um aumento de indutância muito maior que o aumento provocado pelos demais materiais paramagnéticos. Esses materiais, são denominados de ferromagnéticos.

Por serem também paramagnéticos, esses materiais apresentam campo magnético permanente, pois os campos magnéticos de seus átomos estão alinhados de tal forma

que produzem um campo magnético mesmo na ausência de um campo externo. Material ferromagnético sem a ação de um campo magnético

Material ferromagnético sob a ação de um campo magnético

Os materiais ferromagnéticos, por serem um caso particular dentre os materiais paramagnéticos, apresentam a densidade do fluxo magnético B, presente no interior do indutor, maior do que quando há ar ou vácuo no seu interior. Embora os materiais ferromagnéticos possuam imantação mesmo na ausência de um campo externo (o que os caracteriza como ímãs permanentes), a manutenção de suas propriedades magnéticas depende muito de sua temperatura. Quando aumenta a temperatura, as propriedades magnéticas se tornam menos intensas. O ouro, a prata, o cobre, o zinco, o antimônio, o chumbo, o bismuto, a água, o mercúrio, ao serem introduzidos no interior de um indutor, ou próximos de um imã, provocam a diminuição de seu campo magnético. Esses materiais são denominados de diamagnéticos.

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Material diamagnético sem a ação de um campo magnético Material diamagnético sob a ação de um campo magnético

Esses materiais caracterizam-se por possuírem átomos que não produzem um campo magnético permanente, ou seja, o campo resultante de cada átomo é nulo. Aplicando-se um campo magnético a esses materiais, pequenas correntes são produzidas por indução no interior dos átomos. Essas correntes se opõem ao crescimento do campo externo, de modo que o magnetismo induzido nos átomos estará orientado em sentido oposto ao do campo externo. A densidade do fluxo magnético B no interior do indutor é menor do que se não existisse o núcleo, ou seja, é menor do que quando há vácuo ou ar em seu interior.

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Eletromagnetismo Corrente Elétrica

No capítulo anterior estudamos o magnetismo. Esse conhecimento é muito importante para quem precisa aprender eletromagnetismo, que por sua vez, é de fundamental importância para quem quer compreender o funcionamento de motores, geradores, transformadores... Neste capítulo estudaremos o eletromagnetismo que explica os fenômenos magnéticos originados pela circulação da corrente elétrica em um condutor.

Eletromagnetismo

Eletromagnetismo é um fenômeno magnético provocado pela circulação de uma corrente elétrica. O termo eletromagnetismo aplica-se a todo fenômeno magnético que tenha origem em uma corrente elétrica. Campo magnético em um condutor

A circulação de corrente elétrica em um condutor origina um campo magnético ao seu redor. Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica, ocorre uma orientação no movimento das partículas no seu interior. Essa orientação do movimento das partículas tem um efeito semelhante ao da orientação dos ímãs moleculares. Como conseqüência dessa orientação, surge um campo magnético ao redor do condutor.

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Eletrônica 1

As linhas de força do campo magnético criado pela corrente elétrica que passa por um condutor, são circunferências concêntricas num plano perpendicular ao condutor.

Para o sentido convencional da corrente elétrica, o sentido de deslocamento das linhas de força é dado pela regra da mão direita. Ou seja, envolvendo o condutor com os quatro dedos da mão direita de forma que o dedo polegar indique o sentido da corrente (convencional). O sentido das linhas de força será o mesmo dos dedos que envolvem o condutor.

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

sentido da corrente convencional

sentido das linhas do campo magnético

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

Eletrônica 1

corrente pequena campo magnético fraco

corrente elevada campo magnético intenso

Campo Magnético em uma Bobina (ou Solenóide)

Para obter campos magnéticos de maior intensidade a partir da corrente elétrica, basta enrolar o condutor em forma de espiras, constituindo uma bobina. A tabela a seguir mostra uma bobina e seus respectivos símbolos conforme determina a NBR 12521. Bobina, enrolamento ou indutor

Símbolo

(forma preferida)

(outra forma)

As bobinas permitem um acréscimo dos efeitos magnéticos gerados em cada uma das espiras. A figura a seguir mostra uma bobina constituída por várias espiras, ilustrando o efeito resultante da soma dos efeitos individuais.

Os pólos magnéticos formados pelo campo magnético de uma bobina têm características semelhantes àquelas dos pólos de um ímã natural. A intensidade do campo magnético em uma bobina depende diretamente da intensidade da corrente

e do número de espiras.

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

Observação

A maior intensidade do campo magnético nos eletroímãs é devida ao fato de que os materiais ferrosos provocam uma concentração das linhas de força.

núcleo de ferro

Quando uma bobina tem um núcleo de material ferroso, seu símbolo expressa essa condição (NBR 12521).

Indutor com núcleo magnético Núcleo de ferrite com um enrolamento

Magnetismo Remanente

Quando se coloca um núcleo de ferro em uma bobina, em que circula uma corrente elétrica, o núcleo torna-se imantado, porque as suas moléculas se orientam conforme SENAI

Eletrônica 1

as linhas de força criadas pela bobina.

Cessada a passagem da corrente, alguns ímãs moleculares permanecem na posição de orientação anterior, fazendo com que o núcleo permaneça ligeiramente imantado.

Essa pequena imantação é chamada magnetismo remanente ou residual. O magnetismo residual é importante, principalmente para os geradores de energia elétrica. Este tipo de ímã chama-se ímã temporário.

Transformadores 36

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Corrente Elétrica

Os aparelhos eletroeletrônicos são construídos para funcionar alimentados pela rede elétrica. Todavia, a grande maioria deles usam tensões muito baixas para alimentar seus circuitos: 6 V, 12 V, 15 V. Um dos dispositivos utilizados para fornecer baixas tensões a partir das redes de 110 V ou 220 V é o transformador. Por isso, é extremamente importante que os técnicos de eletroeletrônica conheçam e compreendam as características desse componente. Este capítulo apresenta as especificações técnicas e modo de funcionamento dos transformadores, de modo a capacitá-lo a conectar, testar e especificar corretamente esses dispositivos. Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades deste capítulo, você deverá ter bons conhecimentos prévios sobre corrente alternada, indutores em CA, relação de fase entre tensões e eletromagnetismo.

Transformador

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

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Funcionamento

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

Em conseqüência da variação do campo magnético sobre as espiras, surge uma tensão induzida na segunda bobina. A bobina na qual se aplica a tensão CA é denominada primário do transformador. A bobina onde surge a tensão induzida é denominada secundário do transformador.

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Observação

As bobinas primária e secundária são eletricamente isoladas entre si. Isso se chama isolação galvânica. A transferência de energia de uma para a outra se dá exclusivamente através das linhas de forças magnéticas. A tensão induzida no secundário é proporcional ao número de linhas magnéticas que cortam a bobina secundária e ao número de suas espiras. Por isso, o primário e o secundário são montados sobre um núcleo de material ferromagnético.

Esse núcleo tem a função de diminuir a dispersão do campo magnético fazendo com que o secundário seja cortado pelo maior número possível de linhas magnéticas. Como conseqüência, obtém-se uma transferência melhor de energia entre primário e secundário. Veja a seguir o efeito causado pela colocação do núcleo no transformador.

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Com a inclusão do núcleo, embora o aproveitamento do fluxo magnético gerado seja melhor, o ferro maciço sofre perdas por aquecimento causadas por dois fatores: a histerese magnética e as correntes parasitas.

As perdas por histerese magnética são causadas pela oposição que o ferro oferece à passagem do fluxo magnético. Essas perdas são diminuídas com o emprego de ferro doce na fabricação do núcleo. As perdas por corrente parasita (ou correntes de Foulcault) aquecem o ferro porque a massa metálica sob variação de fluxo gera dentro de si mesma uma força eletromotriz (f.e.m.) que provoca a circulação de corrente parasita. Para diminuir o aquecimento, os núcleos são construídos com chapas ou lâminas de ferro isoladas entre si. O uso de lâminas não elimina o aquecimento, mas torna-o bastante reduzido em relação ao núcleo de ferro maciço.

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Observação

As chapas de ferro contêm uma porcentagem de silício em sua composição. Isso favorece a condutibilidade do fluxo magnético. A figura a seguir mostra os símbolos usados para representar o transformador, segundo a norma NBR 12522/92

Transformador com

dois enrolamentos

três enrolamentos

Transformador com Autotransformador

derivação central em um enrolamento

Transformadores com mais de um Secundário

Para se obter várias tensões diferentes, os transformadores podem ser construídos com mais de um secundário, como mostram as ilustrações a seguir.

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Relação de Transformação

Como já vimos, a aplicação de uma tensão CA ao primário de um transformador causa o aparecimento de uma tensão induzida em seu secundário. Aumentando-se a tensão aplicada ao primário, a tensão induzida no secundário aumenta na mesma proporção. Essa relação entre as tensões depende fundamentalmente da relação entre o número de espiras no primário e secundário. Por exemplo, num transformador com primário de 100 espiras e secundário de 200 espiras, a tensão do secundário será o dobro da tensão do primário.

Se chamarmos o número de espiras do primário de NP e do secundário de NS podemos escrever: VS/VP = 2

NS/NP = 2.

Lê-se: saem 2 para cada 1 que entra. O resultado da relação VS/ VP e NS/NP é chamado de relação de transformação e expressa a relação entre a tensão aplicada ao primário e a tensão induzida no secundário. Um transformador pode ser construído de forma a ter qualquer relação de transformação que seja necessária. Veja exemplo na tabela a seguir.

Relação de Transformação

Transformação

VS = 3 . VP

5,2

VS = 5,2 . VP

0,3

VS = 0,3 . VP

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Observação

A tensão no secundário do transformador aumenta na mesma proporção da tensão do primário até que o ferro atinja seu ponto de saturação. Quando esse ponto é atingido, mesmo que haja grande variação na tensão de entrada, haverá pequena variação na tensão de saída.

Tipos de Transformadores

Os transformadores podem ser classificados quanto à relação de transformação. Nesse caso, eles são de três tipos: •

transformador elevador;

•

transformador rebaixador;

•

transformador isolador.

O transformador elevador é aquele cuja relação de transformação é maior que 1, ou seja, NS > NP. Por causa disso, a tensão do secundário é maior que a tensão do primário, isto é, VS> VP. O transformador rebaixador é aquele cuja relação de transformação é menor que 1, ou seja, NS < NP. Portanto, VS < VP. Os transformadores rebaixadores são os mais utilizados em eletrônica. Sua função é rebaixar a tensão das redes elétricas domiciliares (110 V/220 V) para tensões de 6 V,

12 V e 15 V ou outra, necessárias ao funcionamento dos equipamentos. O transformador isolador é aquele cuja relação de transformação é de 1 para 1, ou seja, NS = NP. Como conseqüência, VS = VP. Os transformadores isoladores são usados em laboratórios de eletrônica para isolar eletricamente da rede a tensão presente nas bancadas. Esse tipo de isolação é chamado de isolação galvânica. Veja a seguir a representação esquemática desses três tipos de transformadores.

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Relação de Potência

Como já foi visto, o transformador recebe uma quantidade de energia elétrica no primário, transforma-a em campo magnético e converte-a novamente em energia elétrica disponível no secundário.

A quantidade de energia absorvida da rede elétrica pelo primário é denominada de potência do primário, representada pela notação PP. Admitindo-se que não existam perdas por aquecimento do núcleo, pode-se concluir que toda a energia absorvida no primário está disponível no secundário. A energia disponível no secundário chama-se potência do secundário (PS). Se não existirem perdas, é possível afirmar que PS = PP. A potência do primário depende da tensão aplicada e da corrente absorvida da rede, ou seja: PP = VP . IP A potência do secundário, por sua vez, é o produto da tensão e corrente no secundário, ou seja: PP = VS . IS. A relação de potência do transformador ideal é, portanto: VS . IS = VP . IP

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Máquinas elétricas Corrente Elétrica

Gerador elementar Máquina para transformar energia mecânica em elétrica, produzindo corrente contínua ou alternada. Qualquer variação do fluxo magnético no interior de uma espira condutora cria nesta uma tensão induzida.

Experiência Uma bobina, representada por uma espira condutora, gira em um campo magnético de um ímã permanente, conforme a figura abaixo. Os extremos da espira estão unidos através de dois anéis coletores a um amperímetro.

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Observação A agulha indicadora do amperímetro oscila ao redor de uma posição média, seguindo o ritmo do movimento giratório. Podemos deduzir que a tensão e a corrente variam em intensidade e em sentido.

Princípio da indução A quantidade total de linhas do campo magnético chama-se fluxo magnético. Ao girar a espira condutora no fluxo magnético, esta corta as linhas de campo e modifica o número de linhas de campo (fluxo magnético) cortadas pela espira. Por isso, com iguais ângulos de giro, é diferente o número de linhas de campo cortadas e há variação do fluxo magnético, segundo a posição da espira.

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Se a aspira condutora está perpendicular ao campo magnético, e a espira gira de A para B, ela corta menos linhas de campo do que no giro B para C; essa variação do fluxo magnético induz uma tensão na bobina. Durante uma meia - volta da espira, o fluxo magnético, e com ele a tensão induzida, varia de zero, passando um valor máximo e volta a zero. Na segunda meia - volta, o sentido da tensão inverte. A tensão resultante denominase, por isso, tensão alternada. O traçado da linha de tensão toma a forma de uma curva senoidal (linha de onda). O intervalo de uma linha senoidal entre valores repetidos chama-se período. O número de períodos que ocorre em um segundo chama-se freqüência.

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Formadores de corrente alternada Os geradores constituem-se de uma parte giratória, o rotor, e de outra fixa, o estator. As bobinas do rotor são alimentadas, através de anéis coletores, com corrente contínua, que lhes permitem criar um campo magnético. Se o rotor é movido por uma máquina motriz, como uma turbina, o campo magnético giratório induz uma tensão nas bobinas fixas do estator. O valor médio da tensão depende do número de revoluções, da intensidade do campo magnético criado pelo rotor e do número de espiras do bobinado e do estator. O gerador trifásico tem um bobinado fixo que se compõe de três bobinas distribuídas a 120° no estator, de modo que se criam três tensões alternadas (U1, V1, W1) iguais e defasadas no tempo, correspondendo, cada uma, a um terço do período.

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O sistema de tensões ou correntes alternadas, assim criadas, chama-se tensão alternada trifásica ou corrente trifásica.

Sistema trifásico O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões V1, V2 e V3, que estão defasados 120° um em relação ao outro.

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A ligação desses três sistemas pode ser feita de duas maneiras: •

Ligação triângulo;

•

Ligação estrela.

Ligação triângulo Essa ligação é feita conforme a figura abaixo.

Vf - tensão entre fases If - corrente de fase VL - tensão de linha IL - corrente de linha VL = Vf IL = 3 . If 3 = 1,732 A tensão entre dois qualquer dos 3 fios chama-se tensão de linha (VL), que é a tensão nominal do sistema trifásico. A corrente em cada fio de linha (IL) é a soma das SENAI

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

Pode-se demonstrar que: IL =

3 . If ou

IL = 1,732 . If

Exemplo Um sistema trifásico é ligado em triângulo com tensão nominal de 220V e corrente medida na linha de 10 ampères.

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

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

If = 5,77A

Ligação estrela Essa ligação é feita conforme a figura abaixo.

Às vezes, o sistema trifásico em estrela é a quatro fios ou com neutro, que é ligado ao ponto comum das três fases. Neste sistema, a corrente de linha (IL) é igual à corrente de fase (If). A tensão entre dois fios quaisquer é a soma gráfica das tensões das duas fases.

VL = Vf1 + Vf2 SENAI

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VL =

3 . Vf

Demonstra-se que: VL =

3 . Vf ou

VL = 1,732 . Vf

Exemplo Uma carga trifásica é composta de três cargas iguais. Cada carga é feita para ser ligada a uma tensão de 220volts, absorvendo 6 ampères.

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

Potência trifásica A potência elétrica de uma fase absorvida da rede, no caso de resistência, é calculada,

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para um sistema monofásico, pela fórmula: P=U.I No sistema trifásico, a potência em cada fase da carga será: Pf = Vf . If A potência total será a soma gráfica das potências das três fases, ou seja:

r r P = 3Pf = 3 . V f . I f Lembrando que, para as ligações: •

Triângulo VL = Vf IL = 3 If

•

Estrela VL = 3 . Vf IL = If

Teremos, para qualquer caso: P=

3 . Vf . If

Para cargas reativas, como é o caso dos motores de indução, ocorre uma defasagem entre tensão e corrente, que deve ser levada em consideração. Essa defasagem é medida pelo cosϕ, e a expressão da potência será: P=

3 . V . I cosϕ

A unidade de potência é o watt [W]. Comumente, usamos o seu múltiplo, o quilowatt [KW] = 1000W. Para unidade de potência de motores, também se usa o cavalo - vapor. 1 HP = 745,7W 1 cv = 735,5W Onde: Hp - horse power SENAI

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cv - cavalo vapor

Transformadores As hidrelétricas normalmente estão a uma distância muito grande das cidades. Para transportar a energia elétrica de um ponto até outro, costuma-se elevar a tensão, pois, desta forma, pode-se economizar energia nas linhas de transmissão e, depois, abaixar esta tensão próximo ao consumidor, principalmente por segurança.

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

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O transformador é composto de chapas de ferro empilhadas e de duas bobinas: a primária e a secundária. Conectando a primária a uma fonte de tensão alternada, a corrente alternada gera um campo magnético alternado nas chapas de ferro. Este campo magnético alternado gera por sua vez uma tensão alternada induzida na bobina secundária. A tensão e a corrente induzida na secundária estão relacionadas com o número de espiras das bobinas, conforme a relação: I U N1 = 1= 2 I1 N2 U2 Onde: N1 - número de espiras da primária N2 - número de espiras da secundária U1 - tensão na primária [V] U2 - tensão na secundária [V] I1 - corrente na primária [A] I2 - corrente na secundária [A] Exemplo

Um transformador possui uma bobina primária com N1 = 600 espiras e uma bobina secundária com N2 = 300 espiras. Esse transformador está conectado a uma tensão U1 = 220 volts, recebendo uma corrente I1 = 5 ampères.

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Calcular: a) A tensão na secundária.

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

U2 =

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

I2 = 10A

Potência

Como a energia nunca é criada, é transformada de um tipo em outro, podemos observar que a potência na primária é igual à potência na secundária, desprezando as perdas. P1 = P2 U1 . I1 = U2 . U2. I2 Exemplo

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

Motores elétricos

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

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Um gerador transforma energia mecânica em energia elétrica e o motor transforma energia elétrica em energia mecânica.

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Tipos de motores

Os motores diferem-se pelo tipo de corrente que utilizam: •

Corrente contínua;

•

Corrente alternada.

Corrente contínua

C.C.

Corrente alternada

•

Motor série

Trifásico:

•

Motor shunt

•

Motor síncrono

•

Motor compound

•

Motor assíncrono ou de indução

C.A.

Monofásico: •

Motor de indução

•

Motor série

Motores de corrente contínua

Motores que necessitam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo elevado da instalação. Motores de corrente alternada

Motores mais utilizados exatamente porque necessitam de corrente alternada, que é o tipo de energia elétrica normalmente distribuída. Os principais tipos são: •

Motor síncrono Funciona com velocidade fixa; utilizado somente para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariável.

•

Motor de indução Funciona normalmente com velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo; devido à sua grande simplicidade, robustez e baixo custo é o motor mais utilizado.

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Princípio de funcionamento de motores de corrente contínua - C.C.

Quando um fio, que é atravessado por uma corrente elétrica, encontra-se imerso em um campo magnético, a interação do campo magnético do ímã e o campo magnético produzido pela corrente elétrica gera uma força.

Isto acontece porque, de um lado do fio, o campo magnético é reforçado e do outro lado é enfraquecido. Desta forma, o fio é expulso do campo magnético, pois as linhas de campo tentam seguir o caminho mais curto de um pólo ao outro do ímã.

Podemos determinar o sentido do movimento do condutor aplicando uma regra prática, chamada regra da mão esquerda. Coloque a mão esquerda de maneira que as linhas do fluxo magnético entrem pela SENAI

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

Substituindo o condutor reto por uma espira giratória, criam-se duas forças com um efeito de momento de giro. A espira giratória pára na posição perpendicular às linhas de campo. Mas, ao girar, o impulso leva a espira para além desse "ponto morto", e se trocarmos o sentido da corrente na espira, através de um coletor, conseguiremos repetir o processo de giro.

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Desta forma, a bobina continua girando sem parar

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

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Modelos de motores de C.C. Motor série

O enrolamento de campo é ligado em série com o enrolamento da armadura, e a intensidade do campo varia com as mudanças na corrente da armadura. Quando sua velocidade é reduzida por uma carga, o motor série passa a desenvolver maior torque. Seu torque de partida é maior do que os dos outros tipos de motores de C.C. Nunca deve funcionar sob a condição sem carga, pois a velocidade aumentará perigosamente. É usado em guindastes, guinchos, ônibus e trens elétricos.

Motor shunt

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

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É utilizado quando se deseja uma velocidade constante para uma carga variável, e é possível dar partida ao motor com uma carga muito leve ou sem carga. Motor compound

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

Observação

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

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

O princípio básico dos motores de corrente alternada é a criação de um campo magnético rotativo que causa o giro do rotor do motor. A figura abaixo mostra um motor trifásico alimentado por uma fonte de C.A. trifásica. Os enrolamentos estão ligados em triângulo.

As duas bobinas de cada fase estão enroladas na mesma direção. O campo magnético gerado por uma bobina depende da corrente que por ela circula no momento. Se a corrente for nula, não há campo magnético. Se a corrente for máxima, o campo será, também, máximo. Como as correntes nos três enrolamentos estão defasadas 120°, os campos magnéticos terão a mesma defasagem. Os três campos individuais combinam-se em um único, para agir sobre o rotor. Ao fim de um ciclo de C.A., o campo magnético terá girado 360°, ou uma rotação completa. A figura a seguir mostra a variação da corrente ao longo do tempo nas três fases (A -B - C). As formas de onda podem representar tanto a corrente como os campos magnéticos gerados por estas correntes.

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

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corrente flui em direções opostas nas fases B e C. É, desse modo, fixada a polaridade dos respectivos campos magnéticos. Observe que B1 é um pólo norte e B um pólo sul; C é um pólo norte e C1 um pólo sul. A fase A não tem campo magnético, por ser nula a sua corrente. As linhas do campo magnético B e C dirigem-se aos pólos sul mais próximos, respectivamente, C1 e B. Os campos magnéticos de B e C são da mesma amplitude e o campo resultante terá a direção 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 magnético 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 magnético fira 360°.

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Velocidade síncrona

A velocidade de rotação do campo girante define a velocidade síncrona do motor. No exemplo da figura da página anterior, consideramos um enrolamento com um par de pólos, ou seja, um enrolamento de dois pólos. Como o campo percorre uma volta a cada ciclo, sendo f a freqüência do sistema em ciclos por segundo (hertz), a sua freqüência em rpm será: n = 60 . f(rpm) Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de pólos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul) ao longo da periferia do núcleo magnético. Como o campo girante percorre um par de pólos a cada ciclo e o enrolamento tem pólos ou p/2 pares de pólos, o campo girante dará uma volta completa a cada p/2 ciclos e sua velocidade será: ns =

60 . f p/2

ns =

120 . f (rpm) p

Onde: ns - rotações por minuto (rpm) f - freqüência em ciclos por segundo (Hz) p - número de pólos Note que o número de pólos do motor terá que ser sempre par, para formar os pares de pólos. Para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas estão indicadas na tabela. Tabela: Velocidades síncronas

Número de pólos 2

Rotação síncrona por minuto ... 60hertz 3600

1800

1200

900

Rotação síncrona por minuto ... 50hertz 3000

1500

1000

750

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Velocidade assíncrona - escorregamento

Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona, ou seja, diferente da velocidade do campo girante, o enrolamento do rotor corta as linhas de força magnéticas do campo e, pelas leis do eletromagnetismo, circularão nele correntes induzidas. As correntes induzidas no rotor criarão seu próprio campo magnético, de polaridade oposta à do campo girante. Como campos opostos se atraem e como o campo de estator (campo girante) é rotativo, o rotor tende a acompanhar a rotação do campo girante. A diferença entre a velocidade do motor n e a velocidade síncrona ns chama-se escorregamento s, que pode ser expresso em rpm, como fração da velocidade síncrona ou como porcentagem desta: s (rpm) = ns - n →

ns - n ns

→

s (%) =

ns - n . 100 ns

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

n = ns . (1 -

s(%) ) 100

Conjugado

O conjugado, também chamado torque, momento ou binário, é a medida do esforço necessário para girar um eixo. Como vimos no módulo de Ciências, para levantar um peso P - por um sistema semelhante ao usado em poços de água - a força F aplilcada à manivela depende do comprimento l da manivela. Quanto maior for a manivela, menor será a força F necessária. Se dobrarmos o tamanho l da manivela, a força F necessária será diminuída à metade.

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Exemplo

Como l = 0,4m (o dobro do raio do tambor), a força F aplicada para equilibrar o sistema será a metade, ou seja, 250N. Assim, para medir o esforço necessário para fazer girar o eixo não basta definir a força empregada, é preciso também dizer a que distância do eixo a força é aplicada.

O esforço é medido pelo conjugado, que é o produto da força pela distância.

C=F. l

Onde: C - conjugado F - força

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

C = 100Nm

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O conjugado de um motor elétrico está relacionado com a rotação, pois, quando a rotação diminui, o conjugado aumenta.

Curva do conjugado em função da rotação de um motor

Modelo de motores de C.A.

Os motores de corrente alternada dividem-se em trifásico e monofásico. Motores trifásicos Motor síncrono

Um motor síncrono usa um estator para gerar um campo magnético girante e um rotor eletromagnético alimentado por C.C. O rotor é um ímã, que é atraído pelo campo girante do estator. Esta atração exerce um torque sobre o rotor e faz com que ele gire em sincronismo com o campo.

O motor síncrono não é auto - suficiente na partida e deve ser trazido próximo à

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velocidade de síncrona antes de poder continuar girando com seus próprios recursos. É utilizado para serviços que exigem velocidade constante ou onde se deseja corrigir o fator de potência da rede elétrica. Motor assíncrono ou de indução

Quando se aplica C.A. aos enrolamentos do estator, produz-se um campo magnético rotativo. Este campo rotativo corta os condutores do rotor, neles induzindo corrente. Esta corrente induzida gera um campo magnético de sentido contrário, que é atraído pelo campo magnético girante. O rotor do motor de indução não pode girar com a mesma velocidade do campo magnético, pois, se a velocidade for a mesma, não haverá deslocamento relativo e, em conseqüência, não haverá corrente induzida no rotor. Sem corrente induzida não se cria um campo magnético contrário para ser atraído. O rotor do motor a plena carga apresenta um escorregamento de 3 a 6% em relação à velocidade de sincronismo do campo giratório e, por isso, é denominado também de motor assíncrono. O motor de indução é o motor de uso mais comum por causa de sua simplicidade, construção robusta e baixo custo de fabricação. Estas vantagens provêm do fato de ser o rotor isolado, que não necessita de conexões externas. Motores monofásicos

Os motores monofásicos possuem apenas uma fase e são alimentados por uma C.A. monofásica. São muito usados sempre que se quer um motor pequeno e pouca potência. A principal vantagem é baixo custo para pequenas potências. Eliminam também a necessidade de alimentação trifásica. Os motores monofásicas são usados em equipamentos de comunicações, ventiladores, refrigeradores, máquinas portáteis de furar, esmeris, etc. Os motores monofásicos são divididos em dois grupos: motores série e motores de indução. Os motores série lembram os motores de C.C. porque possuem comutador e escovas. SENAI

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

Quando esse enrolamento de partida é usado de modo que a corrente no estator fique defasada em relação à corrente no enrolamento principal, será produzido um campo magnético girante e o rotor irá girar. Com o rotor na velocidade normal, o circuito do enrolamento de partida pode ser desligado e o motor continua funcionando como um motor monofásico.

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