Eletroeletrônica
Carlos Eduardo Caraski
Introdução
Energia é a propriedade de um sistema que
lhe permite realizar trabalho. Pode ter
várias formas: potencial, mecânica,
química, eletromagnética, elétrica,
calorífica, etc. Essas várias formas de
energia podem ser transformadas umas
nas outras. A energia elétrica - ou
eletricidade - é como se designam os
fenômenos em que estão envolvidas
cargas elétricas.
Introdução
A energia elétrica pode ser gerada por meio
de fontes renováveis de energia (a força
das águas e dos ventos, o sol e a
biomassa), ou não-renováveis
(combustíveis fósseis e nucleares). No
Brasil, onde é grande o número de rios, a
opção hidráulica é mais utilizada e apenas
uma pequena parte é gerada a partir de
combustíveis fósseis, em usinas
termelétricas.
Introdução
As partes principais de uma usina hidrelétrica são:
a barragem, que tem por função barrar o fluxo
da água do rio, represando-a; as comportas e o
vertedouro, que controlam o nível de água da
represa, evitando transbordamentos; e a casa
de máquinas, onde estão instalados os
geradores acoplados às turbinas. Para
transformar a força das águas em energia
elétrica, a água represada passa por dutos
forçados, gira a turbina que, por estar interligada
ao eixo do gerador, faz com que este entre em
movimento, gerando a eletricidade.
Introdução
No caso de uma usina termelétrica, temos
uma combinação diferente: a fornalha,
onde é queimado o combustível; a
caldeira, onde é produzido o vapor. O jato
de vapor extraído da caldeira gira a
turbina que, por estar interligada ao eixo
do gerador faz com que este entre em
movimento, gerando a eletricidade.
Introdução
Após ser gerada, a energia elétrica é
conduzida por cabos até a subestação
elevadora, onde transformadores elevam
o valor da tensão elétrica (voltagem).
Assim, nesse nível de tensão, a
eletricidade pode percorrer longas
distâncias pelas linhas de transmissão,
sustentadas por torres, até chegar nas
proximidades de onde será consumida.
Introdução
Antes disso, porém, a energia elétrica precisa ser reduzida
na subestação abaixadora por meio de transformadores.
Em seguida, ela percorre as linhas de distribuição, que
podem ser subterrâneas ou, como é mais corriqueiro,
por rede aéreas. Finalmente, a energia elétrica é
transformada novamente para os padrões de consumo
local e chega às residências e outros estabelecimentos.
A AES Eletropaulo é responsável pela entrega da
eletricidade até a conexão dos fios de sua rede com as
instalações do consumidor, geralmente no poste
particular.
Introdução
O consumo de energia elétrica depende da potência
do aparelho utilizado e do tempo de utilização. Os
aparelhos elétricos possuem diferentes potências,
consumindo mais ou menos energia. Essa
potência é expressa em watts (W) e deverá estar
mencionada na placa de identificação afixada no
próprio aparelho. É o medidor de energia elétrica
(relógio de luz) que registra o consumo de
eletricidade. Mensalmente a AES Eletropaulo
realiza a leitura do consumo, para que seja
emitida a fatura (conta) de energia elétrica. O
consumo do mês é calculado com base na
diferença entre a leitura obtida no mês em curso e
a do mês anterior.
Vídeo
Observe as duas figuras a seguir.Nelas podemos
identificar alguns elementos conhecidos, mesmo para
pessoas que não tenham conhecimentos de
eletricidade. A Fig01a mostra uma bateria , uma
lâmpada e um interruptor .A lâmpada está apagada. A
Fig01b mostra a mesma bateria e a mesma lâmpada ,
agora acesa.Por que a lâmpada está apagada ? Por
que a lâmpada está acesa ? As respostas você
obterá quando alguns
conceitos de eletricidade forem colocados a seguir.
Conceitos Básicos
Todas as substâncias são constituídas de
átomos e moléculas .Por exemplo a
substância chamada de água, cuja
fórmula química é H2O, é constituída de
dois átomos de hidrogênio (H) e um
átomo de oxigênio(O) os quais tem
características totalmente diferentes da
água.
Os átomos por sua vez são
constituídos de minúsculas partículas :
os prótons, os elétrons e os
nêutrons.Os prótons estão localizados na
parte central do átomo chamada de
núcleo, enquanto os elétrons giram ao seu
redor em órbitas bem definidas, de forma
parecida com os planetas girando ao
redor do sol.
Nas duas figuras temos os desenhos do modelo
mais simples que representa um átomo: O
núcleo central no qual estão os prótons e os
nêutrons, e ao redor deste, girando, os elétrons.
Existem varias órbitas , com diferentes números
de elétrons girando em cada uma. A última
camada, chamada de camada valência é a
que tem maior interesse, pois a diferença entre
os principais materiais usados na eletrônica
tem o seu comportamento determinado pela
característica desta camada.
*Átomo é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico.
• Prótons e elétrons tem uma propriedade
física chamada de carga elétrica. É por
causa da existência das cargas
elétricas que existe o raio , podemos
assistir TV, tomar banho quente no
inverno e outras comodidades que antes
não existiam pois as cargas elétricas não
tinham sido "domadas ".
Cargas elétricas ( elétrons ) em movimento produzem
uma corrente elétrica e é essa corrente elétrica que
permite que nós tenhamos todas aquelas
comodidades.Para gerar uma corrente elétrica
precisamos de um caminho ( condutor ) para as
cargas elétricas percorrerem e de um dispositivo que
forneça a energia necessária para que essas
cargas se desloquem por esse caminho. Este
dispositivo é chamado de Gerador de Tensão. Pilhas
e baterias são exemplos de geradores de tensão.
Outro elemento importante são os isolantes , sem os
quais não seria possível tudo isso.
Um isolante não deixa as cargas elétricas se
movimentarem pelo seu interior. Plásticos ,
madeira, borracha, vidro e o ar são exemplos
de isolantes .
Movimento de um elétron através de um condutor
Respondendo a pergunta do
inicio
Observe as figuras a seguir , são semelhantes às
do inicio, a diferença é que não tem o
interruptor. A lâmpada está apagada pois não
existe caminho para as cargas se deslocarem
(na Fig1a interruptor aberto ). Quando um
caminho é criado ( no caso da Fig01b fechando
o interruptor ) ligando a lâmpada à bateria, a
lâmpada acende (a energia dos elétrons é
convertida em luz).
É importante notar que o caminho não existe porque o ar é
isolante. Observe que a corrente elétrica tem um sentido
bem definido: a corrente sai do pólo positivo , percorre o
circuito e retorna para a bateria entrando pelo pólo
negativo pois neste caso a corrente é chamada de
CONTÍNUA (CC) e o gerador que a produziu, GERADOR
DE TENSÃO CONTÍNUA. A corrente cujo sentido está
indicado na Fig 02b é chamada de corrente convencional (
sai do pólo positivo , percorre o circuito retornando pelo
pólo negativo ). A corrente real , de elétrons, se
movimenta no sentido contrário ao da
corrente convencional . O sentido que é usado é o
convencional.
Observe que isso não modifica o
funcionamento de qualquer dispositivo
eletrônico, é como o lado que os carros se
movimentam. Qual o correto ? O lado direito (
aqui no Brasil e maioria dos paises) ou o lado
esquerdo da rua ( Inglaterra e alguns paises )
? Não importa , qualquer que seja o lado, o
carro funciona da mesma forma, só devemos
ter o cuidado de lembrar em que pais
estamos dirigindo. Pois é a mesma coisa com
o sentido da corrente.O SENTIDO QUE
ADOTAREMOS É O CONVENCIONAL.
Exemplo de Circuito Elétrico
Circuito elétrico é todo caminho fechado percorrido pelos
elétrons, é constituído de no mínimo um gerador, fios
condutores, e de no mínimo um receptor ( lâmpada por
exemplo ).
Medida das grandezas
Agora que você já sabe alguns conceitos
básicos qualitativos de eletricidade ,
precisamos dar alguns conceitos
quantitativos ( valores ) e para isso
precisamos conhecer as unidades de
medida das grandezas que conhecemos.
Grandeza Elétrica
Para algumas das grandezas acima
podemos dar um significado físico.
Assim é que o Coulomb pode ser definido
como sendo a quantidade de
carga correspondente a 6,25x1018
elétrons.
*A unidade SI de carga elétrica é o coulomb, definido em
termos da unidade de corrente elétrica, o ampère. O coulomb
(C) é a quantidade de carga que passa por um condutor, em
um segundo, quando a corrente é de um ampère (1 A).
Assim é que o Coulomb pode ser definido como
sendo a quantidade de carga correspondente
18
a 6,25x10 elétrons.
18
1C = 6,25x10 elétrons.
18
1 Ampere corresponde a um fluxo de 6,25x10
elétrons por segundo ou 1Coulomb por segundo
1A=1C/s genericamente I =Q/t ou Q = I.t
Onde I é a intensidade da corrente em Amperes
(A), Q a quantidade de carga ( em C) que
atravessa uma secção do condutor no intervalo de
tempo t (em s).
Exercícios
1 - A intensidade da corrente em um
condutor é de 2A. Qual a quantidade de
carga que passa por uma secção do fio em :
a) 1s b) 10s c) 20s
Reposta
De acordo com a expressão dada acima Q
= I.t , onde Q é a carga em C, I a
intensidade em A e t o tempo em s.
Portanto só precisamos substituir na
expressão acima em cada caso:
Q = 2A.1s = 2C
b) Q = 2A.10s = 20C
c)Q=I.T Q=2A.20s = 40C
2 - Sabendo que a quantidade de carga que
passa por um secção de fios em 10s é de
30C. Qual a intensidade da corrente?
I=Q/T
I=30C/10s
I=3A
Resolução
I=Q/T
I=30C/10s
I=3A
Eletrostática
Eletrostática (português brasileiro) ou
electrostática (português europeu) (do
grego elektron + statikos, estacionário) é o
ramo da eletricidade que estuda as
propriedades e o comportamento de
cargas elétricas em repouso, ou que
estuda os fenômenos do equilíbrio da
eletricidade nos corpos que de alguma
forma se tornam carregados de carga
elétrica, ou eletrizados.
A eletricidade estática é a carga elétrica
num corpo cujos átomos apresentam um
desequilíbrio em sua neutralidade.
O fenômeno da eletricidade estática ocorre
quando a quantidade de elétrons gera
cargas positivas ou negativas em relação
à carga elétrica dos núcleos dos átomos.
Quando existe um excesso de elétrons em
relação aos prótons, diz-se que o corpo
está carregado negativamente. Quando
existem menos elétrons que prótons, o
corpo está carregado positivamente. Se o
número total de prótons e elétrons é
equivalente, o corpo está num estado
eletricamente neutro.
A eletricidade nos diversos
materiais
A eletricidade estática é o fenômeno de acumulação de
cargas elétricas em um material qualquer, condutor,
semicondutor ou isolante. No material isolante, este
efeito é facilmente detectado devido à dificuldade de
deslocamento de cargas; quando o material isolante
é eletrizado, ou seja, de alguma forma sofre um
desequilíbrio entre cargas positivas e negativas, a
natureza tende a restabelecer o equilíbrio, mas isso
leva algum tempo, e durante esse intervalo o
material é capaz de atrair ou repelir outros isolantes.
Nos condutores, o desequilíbrio de cargas altera o
potencial elétrico do material, isso faz com que
surja uma diferença de potencial entre o material
condutor eletricamente carregado e a Terra, cujo
potencial é considerado absoluto (V = 0). Em
conseqüência dessa diferença de potencial,
podem ocorrer descargas elétricas a fim de
restabelecer o equilíbrio, só que nesse caso o
deslocamento de cargas ocorre num tempo muito
curto, podendo causar choques, faíscas, ruídos e
outros fenômenos físicos capazes de provocar
acidentes.
Em semicondutores, as cargas acumuladas
em um corpo podem alterar abruptamente
a condutividade do material; em
dispositivos semicondutores, esse efeito
pode causar a queima do componente.
Esse fato era muito comum antigamente
nos componentes CMOS, mas esse
problema já foi contornado.
Existem muitas formas de
"produzir" eletricidade estática
Eletrização
Quando os objetos estão carregados, não
importa a polaridade, estão eletrizados. A
eletrização pode ocorrer por indução,
contato e posterior separação entre dois
materiais, ou atrito.
Eletrização por Atrito
Pode-se eletrizar um corpo atritando-o á outro,
fazendo com que um deles perca elétrons, e
consequentemente deixando-o com carga
elétrica (positiva ou negativa). A carga dos
corpos eletrizados desse modo possuem carga
de sinais opostos. Um exemplo é quando
passamos um pente várias vezes no cabelo , o
pente fica carregado,podemos perceber isso
aproximando-o a pequenas particulas de papel.
funciona com qualquer coisa de plástico que se
esfrega no cabelo.
Eletrização por Contato
Ao se pegar um corpo eletrizado e encostá-lo em
um neutro, este cede uma parte de sua carga
ao corpo neutro, deixando-o com carga de
mesmo sinal que o primeiro. Suponhamos que
uma das esferas seja a esfera "A" e a outra,
esfera "B", digamos que a esfera "A" está
eletrizada negativamente e a esfera "B" está
neutro, ao entrarem em contato, os elétrons em
excesso na esfera "A", espalham-se pelo
conjunto.
Eletrização por Aquecimento ou
Piroeletrização
Ao aquecermos determinados corpos, estes
adquirem algum dos tipos possíveis de
carga. A este tipo possível de eletrização
chamamos Piroeletrização.
Influência em máquinas e
equipamentos
Na aviação, a eletricidade estática é factor relevante à
segurança das aeronaves. Um avião, por exemplo, após
aterrisar necessita ser descarregado estaticamente, pois
a tensão desenvolvida pode facilmente ultrapassar
250.000 volts.
Os helicópteros também precisam ser descarregados
eletricamente, pois a carga eletrostática acumulada na
fuselagem pode provocar faíscas e, conseqüentemente,
explosões ao se aproximarem do local de aterragem.
Nos automóveis também ocorre a eletrização, quando
estes são submetidos a grandes velocidades ao ar seco,
podendo seus ocupantes ao sair ou entrar no veículo
tomarem uma descarga elétrica. Há relatos de acidentes
com incêndios em postos de abastecimento causados
por faisca devidas a descargas eletrostaticas durante o
manuseio da bomba de combustível.
• Em eletrônica, a eletricidade estática é objeto de estudo
e pesquisa, pois muitos são os danos causados pela
carga dos corpos e sua consequente descarga em
equipamentos e componentes sensíveis, como por
exemplo, placas-mãe de computadores, módulos de
memória, etc.
• Recentemente (2003), ocorreu um acidente que,
presume-se, foi causado por uma faisca devida a uma
descarga eletrostática num foguetão brasileiro na base
aeroespacial de Alcântara, cuja explosão causou a
morte de diversos técnicos e engenheiros.