Aula 3 - Eletricidade e Eletrônica - Quantização de cargas
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Eletricidade e Eletrônica
Prof. Guilherme Nonino Rosa- Técnico em Informática pela ETESP – Escola Técnica de
São Paulo
- Graduado em Ciências da Computação pela Unifran –
Universidade de Franca no ano de 2000.
- Licenciado em Informática pela Fatec – Faculdade de
Tecnologia de Franca no ano de 2011.
- Pós-Graduado em Tecnologia da Informação aplicada
aos Negócios pela Unip-Universidade Paulista no ano de
2012.
- Pós-Graduando em Docência no Ensino Superior pelo
Centro Universitário Senac.
Atuação:
- Docente da Faculdade Anhanguera desde
Fevereiro / 2013
- Docente do Senac – Ribeirão Preto desde
fevereiro/2012.
- Docente do Centro de Educação Tecnológica
Paula Souza, na Etec Prof. José Ignácio de
Azevedo Filho e Etec Prof. Alcídio de Souza
Prado desde fevereiro/2010.
Contatos:
Prof. Guilherme Nonino Rosa
http://guilhermenonino.blogspot.com
PLANO DE ENSINO E APRENDIZAGEM
EMENTA
• Eletrização e cargas elétricas.
• Quantização de cargas.
• Campo, potencial e diferença de potencial.
• Corrente elétrica.
• Componentes elétricos básicos: capacitor, resistor e
indutor.
• Carga e descarga de um capacitor - circuito RC.
• Dispositivos semicondutores: diodos e transistores.
Objetivos
Conhecer os conceitos básicos de
eletricidade e eletrônica, seus
componentes básicos: capacitor,
resistor, indutor, diodos e
transistores.
Procedimentos Metodológicos
• Aula expositiva
• Exercício em classe
• Aula prática.
Sistema de Avaliação
1° Avaliação - PESO 4,0
Atividades Avaliativas a Critério do Professor
Práticas: 03
Teóricas: 07
Total: 10
2° Avaliação - PESO 6,0
Prova Escrita Oficial
Práticas: 03
Teóricas: 07
Total: 10
Bibliografia Padrão
1) BOYLESTAD, Robert L.. Introdução à Análise de Circuitos.. 10ª
ed. São Paulo: Pearson, 2006.
Bibliografia Básica Unidade
Faculdade Anhanguera de Ribeirão Preto (FRP)
1) RAMALHO JR, F. Os Fundamentos da
Física. 9ª ed. São Paulo: Moderna, 2007.
2) HALLIDAY, David. Física 3. 5ª ed. Rio de
Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos,
2004.
Semana n°. Tema
1 Apresentação da Disciplina e Metodologia de Trabalho.
Conceitos básicos de Eletricidade
e Eletrônica.
2 Eletrização e Cargas Elétricas.
3 Quantização de Cargas.
4 Campo, Potencial e Diferença de Potencial.
5 Campo, Potencial e Diferença de Potencial.
6 Corrente Elétrica.
7 Componentes Elétricos Básicos: Capacitor, Resistor e
Indutor.
8 Componentes Elétricos Básicos: Capacitor, Resistor e
Indutor.
Cronograma de Aulas
Semana n°. Tema
9 Atividades de Avaliação.
10 Laboratório - Instrumentação.
11 Laboratório - Instrumentação.
12 Carga e Descarga de um Capacitor - Circuito RC.
13 Circuito RC.
14 Circuito RC.
15 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.
16 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.
Cronograma de Aulas
Semana n°. Tema
17 Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores.
18 Prova Escrita Oficial
19 Exercícios de Revisão.
20 Prova Substitutiva.
Cronograma de Aulas
Correções dos exercícios
COMO MEDIR A ENERGIA ELÉTRICA CONSUMIDA POR
UM APARELHO ELETRÔNICO?
1) O que queremos saber?
Saber a quantidade de energia elétrica que o aparelho transforma em
outras energias.
Energia térmica Energia mecânica Energia sonora
COMO MEDIR A ENERGIA ELÉTRICA CONSUMIDA POR
UM APARELHO ELETRÔNICO?
Tempo em que o aparelho permanece ligado e a sua potência, que
mede a quantidade de energia elétrica transformada pelo aparelho em
unidade de tempo.
Ex: Chuveiro de 4400 Watts(W), temos a transformação de 4400 Joules(J)
por segundo(s)
Portanto temos:
COMO MEDIR A ENERGIA ELÉTRICA CONSUMIDA POR
UM APARELHO ELETRÔNICO?
Como a quantidade de energia elétrica consumida em nossas
residências é muito grande, é comum medi-la em quilowatt-hora(kWh), e
não em Joule(J). Assim temos a relação a seguinte relação:
1)(Fuvest)No medidor de energia elétrica usado na medição do consumo de
residências, há um disco, visível externamente, que pode girar. Cada rotação
completa do disco corresponde a um consumo de energia elétrica de 3.6 watt-
hora. Mantendo-se, em uma resistência, apenas um equipamento ligado,
observa-se que o disco executa uma volta a cada 40 segundos. Nesse caso a
potência “consumida” por esse equipamento é de, aproximadamente: (A
quantidade de energia elétrica de 3,6 watt-hora é definida como aquela que um
equipamento de 3,6 W consumiria se permanecesse ligado durante 1 hora)
a) 36W
b) 90W
c) 144W
d) 324W
e) 1000W
P= E / t
Onde
E = 3,6 W x 3.600s
t = 40 s
P = 12960/40 P= 324W
Como calcular o consumo de energia elétrica?
1)Todo equipamento elétrico possui uma potência apresentada em WattsEx: lâmpada incandescente = 100 W, chuveiro = 3.600 W, geladeira = 200 W, etc
2)Para calcular o consumo de um equipamento multiplique sua potência pelo tempo de funcionamento em horasEx.: Chuveiro funciona 2 horas por dia logo seu consumo é 3.600 W x 2 horas =
7.200 Wh/dia
3)Desta forma, para calcular o consumo de energia elétrica por mês é só utilizar a expressão:Consumo = Potência do aparelho em Watts x horas de funcionamento por mês
1.000
4)2 lâmpadas de 100 W funcionando 8 horas por dia pelo período de 1 mês (30 dias)
Consumo = 2 x 100 W x 8 horas/dia x 30 dias1.000
Consumo = 48 kWh/mês
RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Resistência elétrica é a medida da oposição
à passagem da corrente elétrica.
Representa a dificuldade das cargas se
movimentarem no interior de um condutor.
RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Unidade de medidas = Ohm
Símbolo = Ω
Representação no circuito =
Abreviatura para essa grandeza = R
Lei de Joule
1ª Lei DE OHM
Esta lei relaciona a corrente elétrica que passa por um resistor
com a tensão aplicada nos seus terminais. A corrente é medida
em Ampère (A), a tensão em Volt (V) e a resistência em Ohm
(Ω).
10Ω
V=R*i1A
V = 10*1
V= 10V
1ª LEI DE OHM
V → é a diferença de potencial (ddp)
I → é a intensidade da corrente elétrica
R → é a resistência elétrica
1ª Lei DE OHM
Portanto se tenho a tensão e a resistência, basta dividir a
mesma pelo valor do resistor e saberemos a corrente que passa
por ele. Veja abaixo:
1ª Lei DE OHM
Experiência de Ohm
1)(Fatec-SP) Por um resistor faz-se passar uma corrente elétrica i e
mede-se a diferença de potencial U. Sua representação gráfica está
esquematizada ao lado. A resistência elétrica, em ohms, do resistor
é:
EXERCÍCIO.
a) 0,8
b) 1,25
c) 800
d) 1 250
e) 80
R = 20 /25 R= 0,8
RESISTÊNCIA ELÉTRICA
A resistência de qualquer material de seção reta uniforme é
determinada pelos quatro fatores a seguir:
Material
Comprimento
Área da seção reta
Temperatura.
FIGURA 3.2 FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA DE UM CONDUTOR.
slide 31
MATERIAL
Condutores que permitem um grande
fluxo de carga com uma pequena
tensão externa têm valores de
resistência baixo.
Isolantes tem valores elevados de
resistência.
FIGURA 3.2 FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA DE UM CONDUTOR.
slide 32
COMPRIMENTO E ÁREA DA SEÇÃO Maior o caminho que a carga percorre, maior o valor
da resistência.
Quanto maior a área( e consequentemente o espaço
disponível, menor a resistência.
Resistência é diretamente proporcional ao
comprimento e inversamente proporcional
à área da seção reta do condutor.
TEMPERATURA À medida que aumenta a temperatura da maioria dos condutores,
aumenta o movimento das partículas de sua estrutura molecular,
fazendo com que aumente a dificuldade de deslocamento dos
portadores livres, o que aumenta o valor da resistência.
FIGURA 3.13 (A) CONDUTORES – COEFICIENTE DE TEMPERATURA POSITIVO; (B) SEMICONDUTORES – COEFICIENTE DE
TEMPERATURA NEGATIVO.
TEMPERATURA
PTC (coeficiente de temperatura positivo)
•Aumenta a temperatura – aumenta a
resistividade
•Ex: Platina, Ouro e Alumínio (condutores).
NTC (coeficiente de temperatura negativo)
•Aumenta a temperatura – diminui a
resistividade
Ex: Silício e Germânio (semicondutores); Óxido
de Silício (isolante).
2ª LEI DE OHM
ρ = característica do material(resistividade).
= comprimento da amostra(em metros).
A = área da seção da reta da amostra(em metros2)R = Resistência em ohms(Ωm)
RESISTIVIDADE X RESISTÊNCIASe por exemplo, quisermos calcular a resistência de um fio de cobre, com 30metros e 2mm² de secção, sabendo que a resistividade do cobre é igual a0,0172Ωmm²/m, fazemos o seguinte:
•R = ?
•ρ = 0,0172Ωmm²/m
• = 30m
•A = 2
O fio de cobre de 30 metros e 2mm² de secção, tem uma resistência de 0,258Ωm.
Resistividade de alguns materiais (a 20°C) Condutores, semicondutores e isoladores
38
Exemplo: Um condutor de alumínio tem 300 m de comprimento e 2 mm de diâmetro.
Calcule a sua resistência elétrica.
Dados: Comprimento do fio, L=300 m, diâmetro do fio, D=2 mm, resistividade do
alumínio 2.810-8 -m.
R=1mm
A=R2 =3.14(1mm)2 =3.14 mm2 =3.1410-6 m2
Solução
Considerando a resistividade expressa em ( m). Nesse caso o comprimento deve
estar expresso em m, e a área da seção em m2, portanto substituindo na expressão da
resistência resulta:
63.21014.3
3001075.26
8
AR
39
VARIAÇÃO DA RESISTIVIDADE COM A TEMPERATURA
É de se esperar, uma vez que com o aumento da temperatura os átomos movem-se mais
rapidamente
no aumento de colisões entre os eletróns livres e os
átomos Fio frio Fio quente
referência de atemperaturK 293
1
0
00
T
TT
como
00
1 TTRR
R A
R
o coeficiente de resistividade de
temperatura
resistividade para 0 0TT
A resistividade do cobre em função de T
Um metal quando aquecido aumenta sua amplitude de vibração dos
átomos que o constituem. Esta agitação interfere no deslocamento dos
elétrons periféricos ao longo do corpo condutor. Portanto, em função direta
da temperatura, há o aumento da resistência elétrica R do condutor metálico.
tRRt 00 1
onde:
Ro: resistência do condutor medido a 0o C
Rt: resistência do condutor na temperatura t
o: coeficiente de temperatura do condutor a 0o C
COEFICIENTE DE TEMPERATURA
O coeficiente de temperatura dos condutores não é
constante com a variação de temperatura, mas varia com ela;
o seu valor, à temperatura t, é dado por
tt
0
1
1
Coeficiente de temperatura
COEFICIENTE DE TEMPERATURA
(OBSERVAÇÕES)Observação 1: Para os metais puros, o coeficiente de temperatura é
próximo a 0,004 1 / 273 . Deduz-se disso que a resistência
elétrica de um condutor aumenta aproximadamente 10%
para cada 25o C de variação de sua temperatura.
Observação 2: Para os metais não puros , ligas metálicas por exemplo, o
coeficiente de temperatura tem valor menor que para os
metais puros. Para a manganina (liga de 84% de Cu, 12% de
Mn, 4% de Ni) o coeficiente de temperatura é praticamente
desprezível (o = 0,00001), isto é, manganina serve, por isso
para a construção de padrões de resistência.
Observação 3: Condutores não-metálicos (p. ex., carbono) apresentam
coeficientes de temperatura negativos, ou seja, neles a
resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura.
DETERMINAÇÃO DO VALOR DA TEMPERATURA ATINGIDA POR UMA
RESISTÊNCIA DE COBRE)
1001 1 tRR Resistência de um condutor levado a
temperatura t1, conhecido seu valor Ro
Resistência de um condutor levado a
temperatura t2, conhecido seu valor Ro
2002 1 tRR
2
0
1
0
200
100
2
1
1
1
1
1
t
t
tR
tR
R
R
Dividindo ambos os membros
das equações, temos que:
2
1
2
1
2
1
5,234
5,234
5,234
1
1
5,234
1
1
t
t
t
t
R
R
Substituindo na fórmula o valor do coeficiente de temperatura do cobre a
0o C, o = 0,00426 = 1 / 234,5
donde:
1
212
5,234
5,234
t
tRR
Fórmula p/ obter o valor R2 da resistência
de cobre levada a temperatura de regime
t2, Conhecido o valor inicial R1 à
temperatura ambiente t1 .
DETERMINAÇÃO DO VALOR DA TEMPERATURA ATINGIDA POR UMA RESISTÊNCIA DE COBRE)
Além disso:
5,2345,234 1
1
22 t
R
Rt
Com essa fórmula se determina o valor t2 da temperatura
atingida por uma resistência de cobre, conhecidos os valores
das suas resistências R1 e R2 medidas respectivamente, á
temperatura t1 e na temperatura incógnita t2.
DETERMINAÇÃO DO VALOR DA TEMPERATURA ATINGIDA POR UMA RESISTÊNCIA DE COBRE)
CONDUTÂNCIA ELÉTRICA
• DEFINIÇÃO: O inverso da resistência é denominada
CONDUTÂNCIA ELÉTRICA. Esta grandeza representa a maior ou
menor facilidade com que a corrente pode circular em um condutor.
RG
1
siemensG
ohm 1
1 1 siemens
• UNIDADE:
• RELAÇÃO OHM /SIEMENS:
• DEFINIÇÃO: O Valor inverso da RESISTIVIDADE é
denominada CONDUTÂNCIA ESPECÍFICA, ou
CONDUTIVIDADE, indicada pela letra :
s
l
R
l
sR
.111
CONDUTÂNCIA ELÉTRICA
RESISTIVIDADE, CONDUTÂNCIA, COEFICIENTES DE TEMPERATURA
COEFICIENTE DE TEMPERATURA
SUPERCONDUTIVIDADE
Assim como na maior parte dos metais puros o
coeficiente 0 1 / 273, deduz-se e a experiência o
confirma que a temperaturas próximas ao zero
absoluto ( - 273,16 o C) a resistência elétrica nos
metais se anula, ou seja:
011273273
111 001001
RRtRR