Aula 3 - Eletricidade e Eletrônica - Quantização de cargas

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
guinonino@gmail.com
guilhermerosa@aedu.com
http://guilhermenonino.blogspot.com

PEA –Plano de Ensino e Aprendizagem

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)RAMALHOJR,F.OsFundamentosdaFísica.9ªed.SãoPaulo:Moderna,2007.
2)HALLIDAY,David.Física3.5ªed.RiodeJaneiro:LTC-LivrosTécnicoseCientíficos, 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
Cronograma de Aulas

Semana n°.
Tema
17
18
Prova Escrita Oficial
19
Exercícios de Revisão.
20
Prova Substitutiva.
Cronograma de Aulas

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

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 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)Nomedidordeenergiaelétricausadonamediçãodoconsumoderesidências,háumdisco,visívelexternamente,quepodegirar.Cadarotaçãocompletadodiscocorrespondeaumconsumodeenergiaelétricade3.6watt- hora.Mantendo-se,emumaresistência,apenasumequipamentoligado, observa-sequeodiscoexecutaumavoltaacada40segundos.Nessecasoapotência“consumida”poresseequipamentoéde,aproximadamente:(Aquantidadedeenergiaelétricade3,6watt-horaédefinidacomoaquelaqueumequipamentode3,6Wconsumiriasepermanecesseligadodurante1hora)
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 Watts
Ex: 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 horas
Ex.: 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 dias
1.000
Consumo = 48 kWh/mês

RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Resistênciaelétricaéamedidadaoposiçãoàpassagemdacorrenteelétrica.
Representaadificuldadedascargassemovimentaremnointeriordeumcondutor.

Unidadedemedidas=Ohm
Símbolo=Ω
Representaçãonocircuito=
Abreviaturaparaessagrandeza=R

1ª LeiDE OHM
Estaleirelacionaacorrenteelétricaquepassaporumresistorcomatensãoaplicadanosseusterminais.AcorrenteémedidaemAmpère(A),atensãoemVolt(V)earesistênciaemOhm(Ω).
10Ω
V=R*i
1A
V = 10*1
V= 10V

1ª LEI DE OHM
V→ é a diferença de potencial (ddp) I→ é a intensidade da corrente elétricaR→ é a resistência elétrica

1ª LeiDE OHM
Portantosetenhoatensãoearesistência,bastadividiramesmapelovalordoresistoresaberemosacorrentequepassaporele.Vejaabaixo:

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

Aresistênciadequalquermaterialdeseçãoretauniformeédeterminadapelosquatrofatoresaseguir:
Material
Comprimento
Áreadaseçãoreta
Temperatura.

FIGURA 3.2FATORESQUEAFETAMA RESISTÊNCIADE UM CONDUTOR.
slide 31
MATERIAL
Condutoresquepermitemumgrandefluxodecargacomumapequenatensãoexternatêmvaloresderesistênciabaixo.
Isolantestemvaloreselevadosderesistência.

FIGURA 3.2FATORESQUEAFETAMA RESISTÊNCIADE UM CONDUTOR.
slide 32
COMPRIMENTO E ÁREA DA SEÇÃO
Maiorocaminhoqueacargapercorre,maiorovalordaresistência.
Quantomaioraárea(econsequentementeoespaçodisponível,menoraresistência.
Resistênciaédiretamenteproporcionalaocomprimentoeinversamenteproporcionalàáreadaseçãoretadocondutor.

TEMPERATURA
Àmedidaqueaumentaatemperaturadamaioriadoscondutores, aumentaomovimentodaspartículasdesuaestruturamolecular, fazendocomqueaumenteadificuldadededeslocamentodosportadoreslivres,oqueaumentaovalordaresistência. FIGURA 3.13(A) CONDUTORES–COEFICIENTEDE TEMPERATURAPOSITIVO; (B) SEMICONDUTORES–COEFICIENTEDE TEMPERATURANEGATIVO.

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=característicadomaterial(resistividade).
=comprimentodaamostra(emmetros).
A=áreadaseçãodaretadaamostra(emmetros2)
R=Resistênciaemohms(Ωm)

RESISTIVIDADE X RESISTÊNCIA
Seporexemplo,quisermoscalculararesistênciadeumfiodecobre,com30metrose2mm²desecção,sabendoquearesistividadedocobreéiguala0,0172Ωmm²/m,fazemososeguinte:
•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:Umcondutordealumíniotem300mdecomprimentoe2mmdediâmetro. Calculeasuaresistênciaelétrica.
Dados:Comprimentodofio,L=300m,diâmetrodofio,D=2mm,resistividadedoalumínio2.810-8-m.
R=1mm
A=R2=3.14(1mm)2=3.14 mm2=3.1410-6 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:
     63.21014.33001075.268AR  

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   
293 K temperatura de referência
1
0
0 0
 
  
T
   T T
como
   0 0 R  R 1 T T
  R 
A
R


  o coeficiente de resistividade de
temperatura
0  resistividade para 
0 T T 
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.
R R  t t 0 0  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
t
t


0
1
1


Coeficiente de temperatura

COEFICIENTE DE TEMPERATURA(OBSERVAÇÕES)
Observação1:Paraosmetaispuros,ocoeficientedetemperaturaépróximoa0,0041/273.Deduz-sedissoquearesistênciaelétricadeumcondutoraumentaaproximadamente10% paracada25oCdevariaçãodesuatemperatura.
Observação2:Paraosmetaisnãopuros,ligasmetálicasporexemplo,ocoeficientedetemperaturatemvalormenorqueparaosmetaispuros.Paraamanganina(ligade84%deCu,12%deMn,4%deNi)ocoeficientedetemperaturaépraticamentedesprezível(o=0,00001),istoé,manganinaserve,porissoparaaconstruçãodepadrõesderesistência.
Observação3:Condutoresnão-metálicos(p.ex.,carbono)apresentamcoeficientesdetemperaturanegativos,ouseja,nelesaresistênciaelétricadiminuicomoaumentodatemperatura.

DETERMINAÇÃO DO VALOR DA TEMPERATURA ATINGIDA POR UMA
RESISTÊNCIA DE COBRE)
  1 0 0 1 R  R 1 t Resistência de um condutor levado a
temperatura t1, conhecido seu valor Ro
Resistência de um condutor levado a
temperatura t2, conhecido seu valor Ro
  2 0 0 2 R  R 1 t
 
 
2
0
1
0
0 0 2
0 0 1
2
1
1
1
1
1
t
t
R t
R t
R
R









Dividindo ambos os membros 
das equações, temos que:

2
1
2
1
2
1
234,5
234,5
234,5
1
1
234,5
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
2
2 1 234,5
234,5
t
t
R R



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:
234,5  234,5 1
1
2
2   t 
R
R
t
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.
R
G
1

G siemens
1 ohm
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
s
R
.
1 1 1
  


CONDUTÂNCIA ELÉTRICA

RESISTIVIDADE, CONDUTÂNCIA, COEFICIENTES DE TEMPERATURA

COEFICIENTE DE TEMPERATURASUPERCONDUTIVIDADE
Assimcomonamaiorpartedosmetaispurosocoeficiente01/273,deduz-seeaexperiênciaoconfirmaqueatemperaturaspróximasaozeroabsoluto(-273,16oC)aresistênciaelétricanosmetaisseanula,ouseja:
011273273111001001            RRtRR

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