Energia e potência elétrica

       A capacidade da corrente elétrica de realizar trabalho é chamada energia elétrica. Seu símbolo é “Eel” e sua unidade de medida é o joule (j).

       No sistema mecânico, o homem levanta o bloco a um potencial maior fornecendo-lhe energia potencial. Em eletricidade a fonte fornece energia elétrica para ser transformada pelo equipamento em outro tipo de energia.



       Todos os aparelhos elétricos necessitam de energia elétrica para funcionar.

       Quando recebem essa energia, eles a transformam em outra forma de energia.

       Assim, um ventilador transforma energia elétrica em energia mecânica e energia térmica; uma lâmpada de filamento transforma energia elétrica em luminosa e térmica; um chuveiro elétrico transforma energia elétrica em térmica, o movimento de um braço robótico transforma energia elétrica em energia mecânica, etc.

       A energia elétrica é definida pela seguinte equação:

Eel = P . Δt 

Onde:
Eel é a energia elétrica;
P é a potência;
Δt é a variação do tempo.

Potência elétrica

       É a rapidez com que a energia elétrica é transformada. 

       A Potência de um dispositivo elétrico indica-nos a quantidade de energia gasta por unidade de tempo por ele. Seu símbolo é a letra “P” e sua unidade é o Watt (W).

       Para determinar a potência elétrica de um equipamento, é necessário conhecer a diferença de potencial (E) em seus terminais e a intensidade de corrente (I) que o atravessa:

P = V / I

       Onde:

       P é a potência em W;
       E é a tensão elétrica em V ;
       I é a intensidade de corrente elétrica em A.

       Um resistor transforma exclusivamente em térmica a energia elétrica recebida de um circuito. Daí ser usual dizer que um resistor dissipa a energia elétrica que recebe do circuito.

       Assim, a potência elétrica consumida por um resistor é dissipada.

       Pele Lei de Joule temos:

P = R . I²

       ^Onde:

P é a potência em W; 
R é a resistência elétrica em Ω;

I é a intensidade de corrente elétrica em A.

       A energia elétrica dissipada em um resistor em um dado intervalo de tempo é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade de corrente que o percorre.

       Quando a tensão é constante, a potência elétrica em um resistor é inversamente proporcional a sia resistência elétrica.

       Quando pagamos nossa conta de energia elétrica, pagamos pela energia consumida geralmente no período de 30 dias em KWh.

       Um KWh corresponde a um equipamento de 1000 W ligado durante uma hora ou 3600 J/s.

       Como última analogia pode-se comparar um sistema elétrico com um sistema hidráulico:

       Para finalizar temos então a relação entre todas as 
grandezas:

       Do lado de fora do circulo está a grandeza que queremos calcular, ao seu lado e dentro do círculo estão as relações entre as outras grandezas para o seu cálculo e a sua unidade de medida. Conhecendo-se então duas grandezas podemos calcular as outras.

      Continuaremos no próximo post analisando as leis mais importantes da eletricidade e da eletrônica: Leis de Ohm e Leis de Kirchhoff.

Resistência Elétrica

              Quando interligamos dois corpos carregados, fechando assim um circuito elétrico, haverá então um fluxo de cargas. 

              Essas cargas ao se movimentarem por um meio condutor chocam-se com a estrutura do material, diminuindo sua velocidade e gerando calor, fenômeno chamado de efeito   joule. 

              A dificuldade que os materiais oferecem a passagem da corrente elétrica é conhecida como resistência elétrica.  

             A resistência de cada material é dada pela 2ª Lei de Ohm através da seguinte equação:

Onde:

R é a resistência elétrica do material (em ohms, Ω);
ρ é a resistividade específica do material dada em tabela (em Ωm);
l é o comprimento do condutor (em metros, m);
A é a área da seção transversal do condutor (em metros quadrados, m²).

       A resistência de um condutor elétrico, por exemplo, é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional a sua área.

       Analogia com sistema hidráulico:
       

       A resistência pode ser comparada a seção transversal e comprimento do cano, a corrente elétrica é o fluxo de água e a altura da caixa a tensão. 

                As grandezas apresentadas estão relacionadas entre si pela 1ª Lei de Ohm através  da seguinte equação:

I =  E   

      R 

                A corrente elétrica é diretamente proporcional a tensão aplicada e inversamente proporcional a resistência do meio condutor.                                                                      

Tensão Elétrica

        Para que haja corrente elétrica é necessária uma força que impulsione os elétrons,
essa força é chamada de tensão elétrica, diferença de potencial (ddp) ou ainda
força-eletromotriz.

        É a força criada pelo desequilíbrio de cargas entre dois corpos carregados.

     Podemos usar como analogia uma caixa de água:

Figura 1 - Analogia com sistema hidráulico.

        A tensão elétrica é medida sempre em relação a um referencial.

        Quanto mais alta a caixa em relação ao chão, que é seu referencial, maior a energia potencial armazenada.

        Em um sistema elétrico, quanto maior diferença entre cargas positivas e negativas, maior a tensão elétrica - maior a força que impulsionará os elétrons, realizando trabalho(W) sobre eles.

  W = f . d

Onde:

W = trabalho;

f = força;

d = deslocamento.

          Sua unidade é o N.m ou J (joule).

          Seu símbolo é a letra “E” ou então a letra “U” e sua unidade de medida é o volt(V). 

               1 V = 1 J/C

1 V = diferença de 6.250.000.000.000.000.000 elétrons entre 2 corpos.

É a energia necessária para movimentar 1 coulomb de carga.

         No próximo post veremos que os elétrons não circulam livremente pelos condutores devido a uma propriedade da matéria chamada resistência elétrica....Até lá então.

Corrente elétrica

     

       Dois corpos carregados possuem cargas armazenadas e diferença de potencial entre

eles. Existe ali apenas eletricidade estática, suas cargas estão paradas. Para podermos transformar essa energia em trabalho útil, precisamos de um meio condutor para que essas cargas circulem. Temos então a corrente elétrica,  que é o fluxo de elétrons por unidade de  tempo. Seu símbolo é a letra “I” e sua unidade de  medida é o ampere (A). 

   Um ampere corresponde ao fluxo de 1 coulomb por segundo:

                   1 A = 1 C/s

1 A = 6.250.000.000.000.000.000 elétrons passando em 1 segundo através de um condutor, de forma ordenada.

Sentido real e sentido convencional da corrente elétrica

        Como a corrente elétrica é formada pelo fluxo de elétrons que possuem carga negativa, as cargas saem do polo negativo e vão para o polo positivo e esse é o sentido real da corrente, mas durante o estudo da eletricidade convencionou-se que a corrente elétrica fluía do polo positivo para o negativo, isto é, do potencial mais alto para o mais baixo. Este é o sentido convencional da corrente. 

       Figura 1 - Sentido real da corrente elétrica 

       Para fins de estudo e análise usa-se o sentido convencional da corrente, pois o resultado final é o mesmo.

Corrente elétrica é então o movimento ordenado de elétrons, possui, portanto um

  sentido.

Surgem aí duas formas de corrente elétrica:
} Corrente contínua -  onde as cargas elétricas fluem sempre em um mesmo sentido.

       Ex.: pilhas e baterias

} Corrente alternada onde as cargas fluem ora em um sentido, ora em outro, alternando seu sentido de acordo com a frequência da rede.

        No Brasil a frequência da rede elétrica é 60 Hz, portando as cargas mudam
de sentido 60 vezes por segundo. 

Ex.: A energia que chega a nossas residências.

No próximo post falaremos então sobre Tensão Elétrica.

Até lá.

Grandezas Elétricas

        Se olharmos em volta, veremos que estamos cercados por equipamentos e dispositivos elétricos, como computadores, tablets, notebooks, eletrodomésticos, motores, iluminação e muitos outros. Somos muito dependentes da eletricidade e sem ela não poderíamos realizar muitas de nossas tarefas diárias, como por exemplo, ler nossos e-mails ou acessar as redes sociais, a indústria não poderia ser automatizada e muito menos o homem ter ido à Lua.

            Mas para entender e dominar a construção e funcionamento desses dispositivos, precisamos compreender algumas grandezas elétricas envolvidas na geração, transmissão e transformação da eletricidade, que são:

         ·  Carga elétrica (q);

         ·  Corrente elétrica (I);

         ·  Tensão, ddp ou força-eletromotriz (V ou E) ;

         ·  Resistência e condutividade Ω;

         ·  Potência (W);

         ·  Energia(U);

        Vamos começar então pela carga elétrica que é a célula do eletromagnetismo.

Carga elétrica

Todo fenômeno eletromagnético é uma manifestação de interações entre cargas, devido à constituição da matéria.

Mas o que é carga elétrica e de onde ela vem?

Toda a matéria é constituída por átomos e moléculas que no seu estado natural encontram-se eletricamente neutros, isto é, possuem o mesmo número de prótons e elétrons.

Para o estudo da eletricidade utilizamos um modelo simplificado de átomo.

Figura 1 – Átomo de Cobre

        O átomo é composto por um núcleo onde ficam os prótons e os nêutrons e em torno do núcleo temos a eletrosfera, onde ficam os elétrons que estão divididos em camadas.    A camada mais externa é chamada de camada de valência e é responsável pelas características elétricas do material. Para nosso estudo a camada de valência é a que importa.

Para o átomo ser estável, precisa ter oito elétrons na última camada. Caso tenha menos procura combinar-se com outros átomos para atingir a estabilidade.

Se possuir até três elétrons, tem facilidade para doar esses elétrons e fica no grupo dos condutores. Se possuir de cinco a sete elétrons, tem facilidade maior para receber elétrons e fica no grupo dos isolantes. Existe um grupo especial de átomos que possui quatro elétrons na última camada e compartilham seus elétrons com outros átomos em ligações covalentes. São conhecidos como semicondutores.

Os prótons e elétrons possuem valor de carga igual a Coulombs, sendo o elétron com carga negativa e o próton com carga positiva.

A unidade de carga elétrica é o Coulomb e equivale a uma diferença deelétrons entre dois corpos carregados.

            Para que o átomo possa apresentar alguma ação elétrica, precisa perder ou ganhar elétrons. Isso acontece através de ligações químicas. Passa então a chamar-se íon – positivo se perdeu elétrons ou negativo se ganhou.

            Quando um corpo possui número diferente de elétrons e prótons dizemos que está carregado e quanto maior essa diferença, maior a carga elétrica presente.

            Uma das formas de carregarmos eletricamente um material é atritando-o com outro, como por exemplo, um bastão de plástico com um pedaço de lã. O plástico “arranca” elétrons da lã ficando carregado com carga –q e a lã, por sua vez fica com a falta do mesmo número de elétrons passados para o plástico e dizemos que possui carga +q.

Figura 2 – Corpos carregados eletricamente. 

            Cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem.

Figura 3 – Atração e repulsão entre cargas.

            Todo corpo carregado produz a sua volta linhas de campo elétrico que saem das cargas positivas e entram nas cargas negativas e quanto maior a diferença de cargas entre os corpos, mais intensas são essas linhas e maior a diferença de potencial entre eles.

Figura 4 – Linhas de campo elétrico.

          Entre placas paralelas as linhas de campo elétrico se comportam da seguinte forma:

Figura 5 – Linhas de campo elétrico entre placas paralelas.

            Esse efeito é utilizado na construção de capacitores.

            No próximo post estarei então iniciando as explicações sobre cada grandeza.

Abraço e até lá.

MATÉRIA, ÁTOMOS E MOLÉCULAS:

          Todo o efeito elétrico conhecido tem origem no íntimo da matéria, ou seja, nos átomos e moléculas. Vamos começar nossa sequência de postagens com a descrição dos princípios da eletricidade e como ela funciona e seguiremos em uma viagem rumo a Automação e Controle, passando pela Eletrotécnica, Eletricidade Predial, Eletricidade Industrial e Eletrônica. 

Então vamos lá.

Matéria, Átomos, Moléculas, Corpos simples e Compostos.

Iniciaremos nosso estudo de eletrotécnica com os elementos que são a base de tudo que conhecemos:

    ·  A matéria,

    ·  Os átomos,

    ·  As moléculas,

    ·  Os corpos simples e compostos 

MATÉRIA, ÁTOMOS E MOLÉCULAS:

Tudo aquilo que nos rodeia e ocupa lugar no espaço recebe o nome de matéria. A menor porção da matéria, que mantém suas propriedades recebe o nome de molécula. Mas a molécula pode ainda ser dividida  em constituintes, os quais possuem características bem diferentes da própria matéria. Estes constituintes recebem o nome de átomos, palavra grega que significa “não divisível”. Esta palavra deixou de ser apropriada já que hoje em dia consegue-se dividir os átomos em partículas ainda menores.

Exemplo: a água é a matéria que é formada por moléculas. As moléculas de água são por sua vez formadas por três átomos. Dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio.

Figura 1 - Molécula de água constituída por dois átomos de oxigênio e um átomo de hidrogênio.

ESTADO SÓLIDO, ESTADO LÍQUIDO E ESTADO GASOSO DA MATÉRIA:

A matéria pode ser encontrada nos seus três estados:

·         Estado sólido; 

·         Estado líquido;

·         Estado gasoso.

No estado sólido os corpos têm sempre um volume determinado e uma forma determinada, como é o caso de uma pedra ou de uma cadeira.

No estado líquido o volume também é determinável, mas a forma é indeterminada, já que pode ter diferentes formas conforme o espaço que ocupar. Exemplo disto é a água ou o leite.

No estado gasoso o seu volume e forma são indeterminados, como por exemplo, o ar que nos rodeia ou a fumaça de uma fogueira.

CORPOS SIMPLES E CORPOS COMPOSTOS:

Diz-se que um corpo é simples, se for formado por um único tipo de átomos. É o caso do ouro no estado puro, que só contém átomos de ouro.

Corpo composto é o nome dado a todos os outros corpos, formados por mais do que um tipo de átomos, como é o caso da água que citada anteriormente. É constituída por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio.

CONSTITUIÇÃO DO ÁTOMO:

Um átomo é formado por um centro, que é fixo e chamado núcleo. É também formado por uma parte exterior com elétrons que possuem carga negativa e giram à sua volta a uma grande velocidade. Estes elétrons formam camadas que ficam dispostas ao redor do núcleo chamadas de eletrosfera, camadas essas que formam uma nuvem eletrônica ao redor do núcleo.

O núcleo do átomo é constituído por partículas positivas chamadas prótons e por partículas sem carga elétrica chamadas de nêutrons.

Na figura abaixo temos o exemplo de um átomo de sódio. No centro podemos ver o núcleo com o limite a tracejado, contendo no seu interior os prótons de cor azul (cargas positivas), e os nêutrons de cor verde (sem carga). Ao redor do núcleo vemos as várias camadas ou nuvens eletrônicas (K, L, M) contendo cada uma um determinado número de elétrons de cor vermelha (de carga negativa).

Figura 2 - Átomo de sódio.

Estas camadas, ou órbitas, são denominadas com letras, começando do interior com a letra K, passando à camada seguinte com a letra L, depois a letra M e assim sucessivamente.

Nas camadas ou órbitas à volta do núcleo, cada uma delas tem um limite máximo de elétrons que pode suportar.

Sendo assim, o número máximo de elétrons que cada órbita pode suportar é de:

Primeira órbita (K) = até 2 elétrons
Segunda órbita (L)= até 8 elétrons
Terceira órbita (M) = até 18 elétrons (caso não seja a última órbita ou órbita de valência)
Quarta órbita (N) = até 32 elétrons (caso não seja a última órbita ou órbita de valência)

Como já foi dito, os elétrons são as partículas que giram à volta do núcleo. Na camada, ou órbita, mais afastada do núcleo, ou seja, na última camada exterior, giram também elétrons, que recebem o nome de elétrons de valência. Nesta última camada, o limite máximo de elétrons de valência é sempre de oito elétrons.

Figura 3 - Átomo de sódio.

Na figura podemos ver dois átomos. À esquerda o átomo de germânio e à direita o átomo de silício. Temos as várias camadas da nuvem eletrônica dispostas à volta do núcleo.
            Dentro do núcleo temos, no caso do germânio, 32 cargas positivas – os prótons e no silício 14 prótons. Os nêutrons não são apresentados por terem carga neutra e serem praticamente irrelevantes. Cada um deles tem o mesmo número de prótons e elétrons e ambos têm também 4 elétrons de valência – elétrons da camada exterior.

Para o estudo da eletricidade os elétrons com mais importância são os de elétrons de valência (os da camada exterior), já que estes são os que têm mais facilidade em se separar de um átomo para se unir a outro.

Referências Bibliográficas

[1] http://www.tecnologiadoglobo.com/2009/03/materia-atomos-protoes-electroes-tabela-periodica/

Postagem Inicial do Blog

Olá a todos!

     Estarei postando neste espaço os conteúdos das disciplinas de eletricidade, eletrônica e automação ministradas por mim, assim como esquemas elétricos e eletrônicos para montagens práticas que realmente funcionam.

     Passarei também todo o conhecimento teórico necessário para aqueles que gostam de estudar e para os que não gostam também....hehe.

     Esse é meu primeiro post, foi mais para dar um alô. Em breve estarei agitando esse blog.

Até breve.