PROGRAMA DE APERFEIÇOAMENTO EM SISTEMAS ELETRÔNICOS RESIDENCIAIS HOME EXPERT INSTRUTOR VINICIUS BARBOSA LIMA FÍSICA BÁSICA ELETROMAGNETISMO E ELETRICIDADE 2012 1 SUMÁRIO FÍSICA BÁSICA ELETROMAGNETISMO E ELETRICIDADE pag. 1. INTRODUÇÃO.............................................................................................3 2. COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA......................................................................4 3. BONS E MAUS CONDUTORES ..................................................................5 4. CORRENTE ELÉTRICA................................................................................6 5. INTENSIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA..................................................7 6. TENSÃO – DIFERENÇA DE POTENCIAL.....................................................8 7. POTÊNCIA....................................................................................................9 8. RESISTÊNCIA...............................................................................................10 9. FREQUÊNCIA E COMPRIMENTO DE ONDA...............................................11 10. LEITURA ESPECIAL.......................................................................................14 2 1. INTRODUÇÃO A Física é a ciência mãe do universo. Praticamente tudo que vemos, ouvimos tocamos ou constatamos é fruto de alguma manifestação física. Segunda a clássica e acadêmica definição do físico Richard Philips Feynman, “Física é a ciência que estuda a natureza e seus fenômenos em seus aspectos mais gerais. Analisa suas relações e propriedades, além de descrever e explicar a maior parte de suas consequências. Busca a compreensão científica dos comportamentos naturais e gerais do mundo ao nosso redor, desde as partículas elementares até o universo como um todo.” A Física é de fato uma ciência de extrema importância para todos os avanços tecnológicos que aconteceram e acontecem no nosso meio. Ela está presente em quase todos os mecanismos, simples e complexos, que utilizamos em nosso cotidiano. Ao longo do nosso curso, essa ciência tão fundamental à compreensão do universo tecnológico se fez presente em todas as áreas de estudo, da Acústica (Mecânica) ao Áudio (ondulatória), do Vídeo (óptica) à Elétrica e Cabeamento (eletricidade). Neste material trataremos brevemente apenas aquilo que se fez essencial à boa compreensão de nossa disciplina, CABEAMENTO. Alguns dos assuntos abordados eventualmente se mostrarão de boa valia também às outras disciplinas. O acompanhamento do aqui exposto será essencial à capacitação como Home Expert, mas é importante que o aluno tenha a consciência de que conhecimento mais amplo pode ser alcançado com dedicação e leituras específicas. Afinal, um assunto de tamanha magnitude jamais poderá ser plenamente explorado em tão poucas páginas. Faltam poucos dias para a avaliação final. Aproveitem para relembrar alguns conceitos básicos e que podem fazer diferença. Boa leitura a todos! 3 2. COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA O modelo atômico de Rutherford lembra um sistema planetário onde o núcleo central é “orbitado” por elétrons Todos os corpos são compostos de moléculas, e estas são um aglomerado de um ou mais átomos, a menor porção de matéria. Cada átomo compõe-se de um núcleo no qual existem prótons, com carga positiva, e nêutrons, sem carga; em torno do núcleo gravitam os elétrons, elementos de carga negativa. Num átomo em equilíbrio, o número de elétrons em órbita é igual ao número de prótons no núcleo. O hidrogênio é o elemento mais simples porque só possui um elétron em órbita e um próton no núcleo. O urânio é dos mais complexos - tem 92 elétrons em órbita e 92 prótons no núcleo. Quando um elétron é retirado de um átomo, dizemos que esse átomo ficou positivo (íon), porque há mais elementos positivos no núcleo do que elétrons em órbita. A disposição dos átomos de um corpo possibilita a retirada dos elétrons por meios diversos, tais como calor, atrito, campo eletromagnético, etc. Resumindo, temos: Núcleo atômico: Prótons (+) e Nêutrons Órbita: Elétrons (-) 4 Cargas opostas se atraem Cargas iguais se repelem Átomo em equilíbrio: nº de Prótons = nº de Elétrons Átomo em desequilíbrio eletrônico: íon Átomo que perde elétrons fica positivo (cátion); Átomo que ganha elétrons fica negativo (ânion). Simbolização da relação entre as cargas. Cargas iguais se repelem, cargas diferentes se atraem. 3. BONS E MAUS CONDUTORES A estrutura atômica é mantida por uma poderosa força de atração entre o núcleo atômico e os elétrons que ficam à sua órbita, em trajetória circular ou elíptica. Em seu estado natural um átomo está sempre em equilíbrio, ou seja, contém o mesmo número de prótons e elétrons. Como cargas contrárias se anulam, e o elétron e próton possuem o mesmo valor absoluto de carga elétrica, isto torna o átomo natural num átomo neutro. Um átomo é estável quando a quantidade de energia dos elétrons (-) e dos prótons (+) é igual. Como os elétrons estão dispostos em camadas distanciadas proporcionalmente do núcleo, os mesmo possuem energias diferentes, chamados níveis de energia. O nível de energia de um elétron é diretamente proporcional à distância do núcleo atômico, de forma que quanto maior a distância entre a órbita e o núcleo, menor o nível de energia e por consequência a força de atração que mantém a estrutura atômica. Alguns átomos são capazes de ceder elétrons e outros são capazes de receber elétrons. Quando os elétrons dispostos na última camada (átomos de valência) são submetidos a incremento de energia por meio externo (calor, atrito, 5 etc.), assumem situação de excitação e instabilidade, permitindo-lhes abandonar o átomo ao qual estavam presos. Com isso a igualdade na distribuição de cargas positivas e negativas deixa de existir, e para retomar sua condição natural de equilíbrio e estabilidade o átomo necessitará captar elétrons de outros átomos à sua volta, favorecendo a intensa movimentação de cargas elétricas no meio (um fio de cobre, por exemplo). Assim chegamos à nossa definição para bons e maus condutores: Bom condutor: mediante estímulo (atrito, contato, campo magnético), perde elétrons com facilidade. Exemplo: metais em geral. Mau condutor: força de atração grande, dificuldade para perder elétrons. Exemplo: madeira, plásticos, vidro, materiais cerâmicos. 4. CORRENTE ELÉTRICA Definição: deslocamento de cargas dentro de um condutor, buscando restabelecer o estado de equilíbrio atômico. Relação entre a quantidade de carga que passa pela seção transversal do condutor em determinado intervalo de tempo 6 5. INTENSIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA Definição: Podemos definir a intensidade da corrente elétrica como sendo a relação entre a quantidade de carga que passa pela seção transversal do condutor em determinado espaço de tempo. Fórmula: , onde I = Coulomb/seg = Ampère (A) Q = Quantidade de carga T = tempo de passagem da corrente OBS: Algumas notações técnicas importantes e amplamente usadas para expressar grandes valores numéricos, evitando o uso de muitas casas após a vírgula: Exemplo: Calcule a intensidade da corrente elétrica que percorre a seção transversal de um condutor metálico, levando em conta os dados abaixo: Quantidade de elétrons que percorrem o condutor: 4x1020 Carga elementar do elétron: 1,6x10-19 7 Tempo: 4 segundos Calculando: , então; I= (4x10 20 x 1,6x10-19)/4 I= 2,4x101/4 I= 24/4 I= 6A (6 Ampères) Dica: acostumem-se a fazer cálculos exponenciais. Eles simplificam muito o cálculo, diminuindo quantidade de dígitos e a possibilidade de erros, principalmente quando não se tem à mão uma boa calculadora. Imaginem fazer a seguinte conta: I= (400000000000000000000 X 0,000000000000000016)/4 !!!!!!!!!!!! Não é muito mais fácil escrever I= (4x1020 x 1,6x10-19)/4 ? O inventor do cálculo exponencial certamente está no céu. 6. TENSÃO – DIFERENÇA DE POTENCIAL Definição: Diferença de potencial elétrico (DDP) entre 2 pontos. Força responsável pela movimentação dos elétrons. Fórmula: U =R x I (Lei de Ohm), onde: U = tensão, em Volts (V); R = resistência, em Ohms (Ω); I = corrente, em Ampères (A). 8 Exemplo: Considerando um circuito hipotético e de resistência constante de valor igual a 10Ω, por onde passa uma corrente nominal de 12A, calcule a tensão resultante: Calculando: U=RxI, então; U= 10x12 U= 120 Volts 7. POTÊNCIA Definição: o produto da Diferença de Potencial (DDP, Volts) e a corrente (I, em Ampères) que passa pelo condutor. Fórmula: P = U x I; onde: P = potência, em Watts (W); U = tensão, em Volts (V); I = corrente, em Ampère (A). Exemplo: Calcule a potência elétrica gerada pelo circuito hipotético, considerando tensão nominal de 120 V e corrente de 30 A. Calculando: P=U x I, então: P= 120 x 30; P= 3600 Watts 9 OBS IMPORTANTE SOBRE POTÊNCIA E BITOLA DO CABEAMENTO: Notem no exercício acima que dobrando a tensão nominal da rede (de 120V para 240V), dobramos também a potência gerada pelo circuito, sem no entanto alterar a corrente. Considerando que 30A exigem fios e/ou cabos com seção transversal mínima de 4mm², concluímos que é possível atingir a potência elétrica de 3600W caso a tensão nominal seja de 120V, ou ainda 7200W para a tensão nominal de 240V, sem trocar a fiação. Resumindo, quando o circuito elétrico demandar alta potência, é muito melhor trabalhar em 220/240V. A instalação elétrica sai bem mais barata. 8. RESISTÊNCIA Definição: Força de oposição à passagem da corrente elétrica Leis aplicáveis: Lei de Ohm e Lei de Joule* Importância: Elaboração de circuitos em série e paralelo (som ambiente, por exemplo). Fórmula: R = U/I (Lei de Ohm), onde: R = resistência, em Ohms (Ω); U = tensão, em Volts (V); I = corrente, em Ampères (A). Exemplo: Considerando um circuito hipotético e de tensão nominal igual a 127V, por onde passa uma corrente nominal de 20A, calcule a resistência: Calculando: R = U/I, então; 10 R = 127/20 R = 6,35 Ohms (Ω) *OBS: O Efeito Joule Definição: calor gerado pela passagem da corrente. Quanto maior a temperatura atingida por um condutor metálico, menor será sua capacidade de conduzir adequadamente o pulso elétrico. O aumento da temperatura está diretamente relacionado à quantidade de carga que passa pelo condutor no intervalo de tempo. Quanto maior essa quantidade de carga (Ampères), maior deverá ser a seção transversal (bitola) do condutor, caso contrário o crescente atrito entre os elétrons causará o superaquecimento do condutor, resultando em perda de energia na forma de calor. Conclusão: um cabo não sofre superaquecimento porque possui alta resistência, e sim possui alta resistência porque sofreu superaquecimento. 9. FREQUÊNCIA E COMPRIMENTO DE ONDA 9.1 - Definição de Frequência: Nº de eventos registrados em determinado período de tempo. Pode também ser definida como sendo o inverso do Período da onda (Ondulatória). Específico: eventos no intervalo de 1 seg. Ex. Nossa rede elétrica possui frequência de 60 ciclos/seg, ou seja, 60Hz. Formula: F = 1/T, onde: F = frequência em Hertz (Hz); T = período de tempo em segundos 9.2 – Definição de Comprimento de Onda: Distância entre dois pontos consecutivos em que o vetor tem mesmo módulo e mesmo sentido. Fórmula: λ = V x T, onde: 11 λ = Comprimento de Onda em metros; V = Velocidade de propagação da onda (aproximadamente 340m/s para ondas sonoras e 300.000km/s para ondas eletromagnéticas – luz); T = Período de tempo em segundos Em resumo, Comprimento de Onda é a distância “λ” na figura a seguir: 9.3 – Definição de Período: tempo necessário para a onda caminhar um comprimento de onda inteiro. Fórmula: T = 1/F, onde: T = período de tempo em segundos; F = frequência em Hertz (Hz). Exemplo: Considerando um sinal de áudio de 20 Hz, ou seja, 20 ciclos por segundo (limiar da audição humana, frequência de subwoofer), calculem o Período e Comprimento de Onda. Calculando: Representando por V a velocidade de propagação da onda, e por T o período, temos: λ=VxT 12 Adotando a velocidade da onda sonora como sendo aproximadamente 340m/s e lembrando que frequência é o inverso do período: F = 1/T Calculando o Período da Onda: F = 20Hz Então temos: T = 1/F; T = 1/20; T = 0,05segundos (5 centésimos de segundo) Calculando o Comprimento da Onda: λ = V x T, então: λ = 340 x 0,05 = 17metros Conclusão: a frequência de 20Hz exige uma onda com 17m de comprimento. Por tal motivo é muito difícil reproduzir frequências tão baixas em salas de home theater. 13 10. LEITURA ESPECIAL A ciência do Som e da Imagem Por: Vinicius Barbosa Lima Geralmente creditam o adjetivo de difícil à Física. Seria ela uma ciência de fácil compreensão caso fosse possível eliminar os cálculos. Já que muitas de suas leis e teorias podem ser verificadas e comprovadas em nosso dia a dia, bastaria apenas um pouco de atenção. Assim, convido-os a uma breve viagem pelo mundo da Física, onde não serão efetuados cálculos, sendo necessários como únicos requisitos a observação de fatos cotidianos e muita imaginação. Não é intenção discutir aqui todos os conceitos que regem o áudio e vídeo (A/V). Abordaremos de maneira simples apenas alguns que causam certa confusão junto aos amantes do assunto. Para a correta interpretação do A/V é indispensável o conhecimento de alguns conceitos. Como, por exemplo, a grandeza Frequência. Maneira simples de definir frequência é como sendo o número de acontecimentos registrados em um espaço de tempo. Se alguém visita um amigo 05 vezes por mês, a frequência é de 5 visitas mensais. Em questões técnicas, a unidade de medida de frequência utiliza um período de tempo menor: 1 segundo. Interessa-nos o número de acontecimentos registrados no espaço de 1 segundo. A essa maneira de medir frequências damos o nome de Hertz (Hz). Quando dizemos que um sinal sonoro possui frequência de 100 Hz, significa que no espaço de 1 segundo foram formadas 100 ondas sonoras. Isso pode ser facilmente entendido com a observação do cotidiano. Provavelmente muitos já notaram que o som de um avião a jato soa grave quando a fonte de sinal (no caso o avião) encontra-se distante. Também perceberam que quanto mais o avião se aproxima, mais agudo o som fica. Isso ocorre porque, estando o avião (fonte de sinal) distante de nossos ouvidos, o som emitido percorrerá uma grande distância até nos alcançar. Se a distância é muito grande, 14 um número muito baixo de ondas sonoras chegará até nós no espaço de 1 segundo. Poucas ondas chegando, significa que a taxa de chegada dessas ondas é baixa. Dizemos então que as ondas sonoras chegam com frequência baixa. Sabemos que baixa frequência corresponde ao som grave. Na medida em que a fonte de sinal se aproxima, a distância a ser percorrida pelo som emitido pelo avião diminui, fazendo um maior número de ondas sonoras nos alcançar no espaço de 1 segundo. Com o aumento da frequência de chegada, é correto afirmar que as ondas chegam com alta frequência, o que corresponde ao som agudo. Quando a fonte emissora se afasta, o som torna a ficar grave devido ao aumento da distância percorrida pela onda sonora. O fenômeno descrito foi batizado de “Efeito Doppler” (em homenagem ao físico Christian Doppler). Figura 1: o Efeito Doppler 15 Embora possibilite boa compreensão sobre frequências, é importante destacar que o Efeito Doppler é valido apenas quando fonte emissora de sinal ou ouvinte se encontra em movimento. Fisicamente, qualquer onda sonora ou eletromagnética (a luz, por exemplo) possui nível de energia proporcional à sua frequência. Quanto mais alta a frequência, mais alta a energia contida na onda. Cores são frequências de luz. Cada cor corresponde a uma frequência definida. Se imaginarmos o espectro de luz visível como sendo uma régua para uso escolar, teremos no centro a luz branca, à direita as baixas frequências (luz vermelha, infravermelho, ondas de rádio) e à esquerda, as altas frequências (luz azul, ultravioleta e raios gama). Ao contrário do que sugere a ciência Psicologia, o vermelho é uma cor “fria”, pois possui baixa frequência. Do mesmo modo, por ser de alta frequência, o azul é uma cor “quente”. Isso deveria ser útil quando da utilização de modernos TV´s e Projetores que ofereçam regulagem de temperatura de cor. Escolhendo uma regulagem “cool”, estaríamos acentuando os tons de vermelho. Escolhendo “hot”, acentuaríamos os tons de azul. Tecnicamente diríamos que ocorre um “desvio para o vermelho” ou “desvio para o azul”. Mas infelizmente a maioria dos fabricantes de eletroeletrônicos prefere ignorar a Física e adotar a visão da Psicologia para definir cores quentes e frias, de modo que na prática verificamos nos equipamentos que as regulagens ocorrem de forma oposta ao que deveria ser. 16 Figura 2: Acima, a representação do espectro eletromagnético. Quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência e maior a energia da radiação. Creio que ficou fácil entender porque o “test tone” de receiveres e processadores recebe o nome de “Gerador de Ruído Rosa”. Uma onda sonora perde energia ao percorrer o ar ou chocar-se contra objetos em seu caminho. É por isso que muitos costumam aproximar caixas acústicas das paredes objetivando ganho nos graves. Com a aproximação, as ondas sonoras refletem contra as paredes e, assim como um carro que perde velocidade após chocar-se contra um obstáculo, perdem energia e em consequência, diminuem de frequência. Após sucessivas as reflexões, as ondas acabam por percorrer uma distância maior até chegarem a nós, favorecendo a perda de energia sonora e a obtenção de graves. Em salas destinadas ao A/V, reflexões sonoras podem trazer resultados desastrosos. Ao contrário de salas dedicadas ao áudio, em um HT temos um componente a mais: a imagem. Esta se propaga à velocidade da luz, cerca de 800 mil vezes superior à do som. Com isso, a imagem de televisores ou projetores chega até nós mais rápido do que o som emitido pelas caixas acústicas. Retomando o cotidiano, todos já devem ter notado que sempre avistamos primeiro o relâmpago, para depois ouvirmos o trovão. Na natureza tal diferença de velocidade é percebida com facilidade, devido às grandes distâncias implicadas. Já em uma típica sala de A/V, a pequena distância impede que nosso cérebro consiga detectar a diferença, ainda porque, mesmo mais lento que a luz, o som se move com espantosa rapidez. Se em nossas salas esse evento pode não ser notado, em grandes espaços como salas de espetáculos e estádios de futebol, a percepção é facilitada. Mas mesmo em uma pequena sala de A/V mal ajustada, as diferenças de velocidade podem ser perceptíveis. Após refletir contra anteparos (paredes, mobília, etc.), o som emitido pelas caixas não chegará a nós de uma só vez. Uma parcela nos atingirá diretamente, outra, porém, chegará com atraso variável devido às reflexões. Forçando um pouco a barra, imaginem a seguinte cena: o galã do filme rouba um 17 beijo da heroína. Se o atraso devido às sucessivas reflexões for muito grande, a imagem estará mostrando a pobre donzela desferindo um sonoro tapa no rosto do atrevido, porém pequenas frações do som da cena anterior (o beijo) ainda estarão ecoando pela sala, prejudicando a interação de som e imagem. Para salas pequenas como um ambiente de home theater, esse processo recebe o nome de “decaimento sonoro” ou “tempo de decaimento”, que é o intervalo de tempo (em segundos) que o nível de pressão sonora leva para decair 60 dB a partir da interrupção da fonte. Já para salas grandes, o correto é empregar a expressão “tempo de reverberação”. O mistério é, portanto, controlar as reflexões, o que pode ser conseguido com a mudança da posição de caixas e mobílias, retirada de objetos dispensáveis ou condicionamento acústico. Por outro lado, um pouco de reverberação pode ser bom, pois ajuda a conferir ambiência à reprodução. Ajustes de salas são trabalhosos. É difícil conseguir som ideal em todo o local. Como apenas uma parte das frequências que ouvimos são as emitidas originalmente pelas fontes de sinal, pessoas sentadas em posições diferentes na mesma sala podem ouvir o som de maneira igualmente distinta. Depende da distancia que o som percorrerá até alcançar cada ouvinte. O som parecerá mais grave para as distâncias maiores. Portanto, procurem definir uma ou duas posições de audição e fazer as regulagens para essas posições. Infelizmente, os demais ouvintes presentes quase sempre sairão prejudicados. A velocidade do som no ar depende da temperatura e da densidade do meio. O som move-se mais rapidamente com o aumento da temperatura. Portanto, tenham em mente que um equipamento instalado em uma sala refrigerada poderá soar diferente do mesmo equipamento se instalado em local não climatizado, em típico e quente dia de verão. Na temperatura de 0°C a velocidade do som é da ordem de 331,4m/s. Para cada 1ºC acrescido, a velocidade aumenta em 0,6m/s. Mas esses cálculos já são coisas para especialistas... 18 Outro assunto controverso é a potência liberada pelos equipamentos. A velha questão entre Watts RMS e Watts PMPO. Ao contrário do que muitos pensam, RMS e PMPO não são unidades de medida. São condições em que as medições foram efetuadas. A unidade de medida para potência é o Watt (W). É impossível a transformação entre W RMS em W PMPO, pois se trata da mesma grandeza física. Diariamente efetuamos conversões de medidas. Podemos transformar horas em minutos, quilômetros em metros, anos em meses. Mas não podemos transformar horas em horas, metros em metros. Assim, também não há transformação de Watts em Watts. Tentar equivalência entre W RMS e W PMPO, seria como dizer que 100 Km/h em asfalto molhado equivalem a 300 Km/h em asfalto seco. A velocidade é absoluta, e sempre determina a distância percorrida em função do intervalo de tempo. No exemplo dado, o que mudou foram as condições da pista no momento da medição e não a velocidade. O mesmo ocorre com a potência dos equipamentos. RMS é a máxima potência obtida com baixo nível de distorção. A aferição é feita com introdução de “ruído branco” na entrada do amplificador. PMPO é a potência máxima obtida, independente do nível de distorção ou se o equipamento está atingindo seu limite de confiabilidade e resistência. Para melhor compreensão, sugiro um exercício: utilizando som de sua preferência, aumente o volume do receiver até surgir o primeiro sinal de distorção. Este é o limite do aparelho em medição RMS. Agora, utilizando música pesada (rock, por exemplo), aumente mais o volume. Provavelmente surgirão perigosas distorções no som. Pronto, você chegou à potência PMPO. Nessa condição, o nível de distorção pode ser elevado, o que poderá prejudicar as caixas e o próprio amplificador. Portanto, muito cuidado ao fazer o exercício. Utilize níveis elevados de potência apenas por poucos segundos. Especificações de cabos também costumam causar confusão. Imaginem um cabo como sendo o ralo de uma pia cheia de água. Se o ralo for grande, a pia se esvaziará rapidamente, pois a área disponível para passagem da água será maior. Agora troquem ralo por cabo e água por corrente elétrica. Quanto maior a corrente elétrica a ser conduzida pelo cabo, maior deverá ser o diâmetro deste. O melhor 19 dizendo, maior deverá ser a seção transversal, mensurada em mm², que é uma unidade de área. A corrente elétrica é conduzida pelos elétrons que compõem o material do cabo (cobre geralmente). Se a área do cabo não for condizente à quantidade de carga elétrica que se deseja transportar, os elétrons encontrarão grande dificuldade de movimentação, fazendo com que se choquem uns contra os outros, o que gera calor (imaginem um ônibus lotado). Esse calor, fruto do “Efeito Joule”, é na verdade a transformação da energia elétrica em energia térmica. Assim, a energia que deveria virar som, imagem ou luz, acaba transformada em calor, podendo em casos extremos até mesmo derreter o revestimento externo de fios e cabos. O resultado é conhecido: perda de rendimento e curto-circuito. Então, o diâmetro de cabos, sejam eles de energia elétrica ou mesmo de caixas acústicas, deve ser adequado à energia que será conduzida por eles. Também se deve lembrar que quanto maior o comprimento do fio ou cabo, mais tempo o sinal levará para percorrê-lo, favorecendo a perda de energia por atrito e prejudicando o resultado final. 20