Eletricidade - Novatec Editora

Guia mangá
Eletricidade
Kazuhiro Fujitaki
Matsuda
Trend-pro Co., Ltd.
novatec
Original Japanese-language edition Manga de Wakaru Denki ISBN 4-274-06672-X © 2006 by Kazuhiro Fujitaki and
TREND-PRO Co., Ltd., published by Ohmsha, Ltd.
English-language edition The Manga Guide to Electricity ISBN 978-1-59327-197-8 © 2009 by Kazuhiro Fujitaki and
TREND-PRO Co., Ltd., co-published by No Starch Press, Inc. and Ohmsha, Ltd.
Portuguese-language rights arranged with Ohmsha, Ltd. and No Starch Press, Inc. for Guia Mangá Eletricidade ISBN
978-85-7522-190-7 © 2009 by Kazuhiro Fujitaki and TREND-PRO Co., Ltd., published by Novatec Editora Ltda.
Edição original em Japonês Manga de Wakaru Denki ISBN 4-274-06672-X © 2006 por Kazuhiro Fujitaki e TREND-PRO
Co., Ltd., publicado pela Ohmsha, Ltd.
Edição em Inglês The Manga Guide to Electricity ISBN 978-1-59327-197-8 © 2009 por Kazuhiro Fujitaki e TRENDPRO Co., Ltd., co-publicação da No Starch Press, Inc. e Ohmsha, Ltd.
Direitos para a edição em Português acordados com a Ohmsha, Ltd. e No Starch Press, Inc. para Guia Mangá Eletricidade
ISBN 978-85-7522-190-7 © 2009 por Kazuhiro Fujitaki e TREND-PRO Co., Ltd., publicado pela Novatec Editora Ltda.
Copyright  2010 da Novatec Editora Ltda.
Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/1998.
É proibida a reprodução desta obra, mesmo parcial, por qualquer processo, sem prévia autorização, por escrito, do autor
e da Editora.
Editor: Rubens Prates
Ilustração: Matsuda
Tradução: Silvio Antunha
Revisão gramatical: Lia Gabriele Regius
Revisão técnica: Peter Jandl Jr.
Editoração eletrônica: Camila Kuwabata e Carolina Kuwabata
ISBN: 978-85-7522-190-7
Histórico de impressões:
Novembro/2011
Janeiro/2010
Primeira reimpressão
Primeira edição
Dados
Internacionais de Catalogação na Publicação
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
NOVATEC EDITORA LTDA.
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02460-000 – São Paulo, SP – Brasil
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Matsuda, Kazuhiro Fujitaki
Guia mangá eletricidade / Kazuhiro Fujitaki
Matsuda ; [ilustrações] Matsuda ; [tradução
Silvio Antunha ;. -- São Paulo : Novatec
Editora ; Tokio : Ohmsha ; São Francisco : No
Starch Press, 2009. -- (The manga guide)
Título original: The manga guide to
electricity.
ISBN 978-85-7522-190-7
1. Eletricidade - História em quadrinhos
2. Eletricidade - Obras de divulgação I. Matsuda.
II. Título. III. Série.
09-13233
CDD-537
Índices para catálogo sistemático:
1. Eletricidade : História em quadrinhos
2. Eletricidade : Mangá
537
PRL20111109
537
(CIP)
Sumário
PREFÁCIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Prólogo:
De Electopia, a Terra da Eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1
O QUE É ELETRICIDADE? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
A eletricidade e a vida cotidiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Unidades elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Eletricidade em casa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Como a eletricidade funciona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
A verdadeira natureza da eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Corrente e descarga elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Estrutura atômica e condutividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Eletricidade estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
A série triboelétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Usos da eletricidade estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Etiquetas nos produtos elétricos do consumidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Tensão e potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Átomos e elétrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Eletricidade estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Força eletrostática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
A série triboelétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Movimentação de cargas e direção da corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2
O QUE SÃO CIRCUITOS ELÉTRICOS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Circuitos elétricos em aparelhos do dia-a-dia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
O circuito de uma lanterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Partes de um circuito elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A lei de Ohm e os métodos de conexão de componentes elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Circuitos elétricos e lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Conexões em série e em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Circuitos elétricos e corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Símbolos gráficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Circuito de corrente contínua e circuito de corrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Resistividade e condutividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Resistência equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3
Como a eletricidade funciona? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Por que a eletricidade produz calor? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Eletricidade e calor de Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Como o calor é gerado pela corrente? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Emissão térmica e luminescência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Corrente e campos magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Regra da mão esquerda de Fleming (para motores cc) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Regra da mão direita de Fleming (para geradores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Calor de Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Vibração térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Ondas eletromagnéticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Eletricidade e magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Regra da mão esquerda de Fleming e motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Regra da mão direita de Fleming e os geradores elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Eletricidade e bobinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Bobinas e indução eletromagnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Bobinas e indutância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Bobinas e corrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Bobinas e transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Capacitores e corrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4
Como você gera eletricidade? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Geradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Como o gerador de energia produz eletricidade? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pilhas (ou baterias) e outras fontes de eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Células químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O que acontece em uma pilha de célula seca? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Água e células de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ânodos e cátodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Criando a sua própria pilha de moeda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pilhas termelétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eletricidade gerada por usina de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geração de energia térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geração de energia nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geração de energia hidrelétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geração de energia eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
viii Sumário
118
121
124
126
132
135
138
140
141
147
149
151
152
154
5
Como usar a eletricidade adequadamente? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
O que são semicondutores? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diodos e transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diodos emissores de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistor de efeito de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conversores e inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sensores de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sensores ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
161
169
174
176
186
188
188
189
190
190
192
epílogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Sumário ix
Prólogo:
De Electopia,
a Terra da Eletricidade
ELECToPIA
este é um mundo onde os
dispositivos eletrônicos são
um pouco mais avançados que
os da terra.
*
Rereko...
MAS, OS ESTUDANTES
DE ELECTOPIA TÊM
O MESMO TIPO DE
PROBLEMA QUE OS
ESTUDANTES DA TERRA.
* SALA DOS
PROFESSORES DA
ESCOLA TÉCNICA
SABE POR QUE
CHAMEI VOCÊ
AQUI?
Uh...um...
BOM, EU NUNCA FUI
MUITO ESPERTA...
MAS SINCERAMENTE,
NÃO SEI.
*
* ESCOLA CENTRAL
DE TREINAMENTO
ELÉTRICO
2 Prólogo
TUDO BEM. VOCÊ QUASE
ACERTOU A RESPOSTA.
VAMOS VER A
PROVA FINAL DE
ELETRICIDADE DO
SEMESTRE.
COM ESTA SÃO TRÊS
NOTAS NEGATIVAS
CONSECUTIVAS!
MAS EU VOU TÃO
BEM NAS OUTRAS
MATÉRIAS!
MAS VOCÊ VAI
PRECISAR ESQUECER
AS SUAS FÉRIAS DE
VERÃO PARA TER
ALGUMAS AULAS DE
RECUPERAÇÃO.
COMO?...
ESTOU
IMPRESSIONADA
COM A SUA ATITUDE
POSITIVA.
VOCÊ DISSE ESQUECER
AS FÉRIAS DE VERÃO?!
ISSO MESMO!
VOCÊ VAI ESTUDAR
NA TERRA E
COMEÇAR DO
BÁSICO!
hunf!
NÃO se preocupe.
LÁ NÃO É MUITO
DIFERENTE DAQUI. E
COMO O ESTUDO DE
ELETRICIDADE É MAIS
LENTO, SERÁ PERFEITO
PARA VOCÊ!
De Electopia, a Terra da Eletricidade 3
M... MA... MAS... SE EU
CHEGAR DE REPENTE, TALVEZ
INCOMODE O PROFESSOR DE
LÁ.
M... MA.. MAS... OS MEUS PAIS
AINDA NÃO DERAM PERMISSÃO
PARA A MINHA IDA, CERTO?
EU JÁ ENVIEI UMA
CARTA, ENTÃO VAI
FICAR TUDO BEM.
PUXA! UMA MULHER
INTELIGENTE COMO VOCÊ
JAMAIS COMETE ERROS,
NÃO É MESMO?
ELES
DISSERAM,
“VAI FUNDO!”
O QUE É ISSO?
UM ROBÔ?
É YONOSUKE, UM
TRANSMISSORRECEPTOR
TRANSDIMENSIONAL E
ROBÔ DE OBSERVAÇÃO!
CUIDE MUITO BEM DELE! VOCÊ
TAMBÉM VAI USÁ-LO COMO
PASSAPORTE NA IDA E NA VOLTA
PARA A TERRA.
PRAZER EM
CONHECER VOCÊ!
leve isso
com você!
4 Prólogo
TÓQUIO, JAPÃO
NO DIA
SEGUINTE...
MAS QUE
TEMPESTADE DE
REPENTE...
ESTOU QUASE EM
CASA... ACHO QUE
VOU DAR UM PIQUE...
C!
CRE
{ Gulp }
oh...
VOU FICAR
ENSOPADO!
EU DEVIA TER
TRAZIDO UM
GUARDA-CHUVA.
uau!
!!
De Electopia, a Terra da Eletricidade 5
OI. AQUI É O
JAPÃO?
VOCÊ É O
PROFESSOR
HIKARU?
OI!
professor?
EU? BEM, O MEU
NOME É HIKARU,
MAS...
NÃO! CALMA!
ESPERE UM
MINUTO!
SOU A REREKO! VIM PARA
O CURSO DE VERÃO!! SOU
MEIO BURRA... SOBRE
ELETRICIDADE... POR FAVOR,
ME AJUDE...
O QUE? HEIN...?
6 Prólogo
BEM, EU FAÇO PESQUISAS
DE ENGENHARIA ELÉTRICA
NA UNIVERSIDADE, PORTANTO,
COM CERTEZA POSSO LHE
ENSINAR ELETRICIDADE,
MAS...
AFINAL DE CONTAS,
QUEM É VOCÊ?
OH CÉUS! VOCÊ
NÃO RECEBEU A
CARTA?
CARTA?...
POR ACASO, SERIA
ISTO?
AH!
AGORA EU ME
LEMBRO... REALMENTE
RECEBI UMA CARTA
SUSPEITA, SEM
CARIMBO POSTAL...
SIM! SIM, É
ISSO.
Caro professor Hikaru Yano,
Estou lhe enviando a minha aluna rereko para
algumas aulas. Espero que concorde em
ensinar algumas lições a ela. Acho que posso
contar com a sua boa vontade.
Atenciosamente,
professora Tetekai
Escola central de
treinamento elétrico
BEM, VOCÊ
É A REREKO
CITADA NESTA
CARTA?...
SIM, SOU EU!
De Electopia, a Terra da Eletricidade 7
CERTO!... MAS. POR QUE ESTAMOS
CONVERSANDO NA CHUVA?
VOCÊ NÃO PODERIA DAR MAIS
DETALHES NA MINHA CASA?
SIM, COM CERTEZA!
NO APARTAMENTO DE HIKARU...
NÃO REPARE, ESTÁ
MEIO BAGUNÇADO
C
CRI
TOALHA... UMA
TOALHA... VOCÊ
ESTÁ AÍ?
SEM
PROBLEMAS!
DESCULPE
INCOMODAR...
VOCÊ?!...
VAMOS
VER...
8 Prólogo
........
........
Isto é
revoltante!...
OPA!!
OH! MEU
DEUS!!!
POSSO JURAR QUE
ESTAVA EM ALGUM
LUGAR POR AQUI.
ES... ESS... ESSA...
BONECA FALA?!
NÃO É UMA
BONECA!
O QUÊ FOI QUE VOCÊ
DISSE? POR QUE NÃO
ME EXPLICA TUDO
DIREITINHO DESDE O
COMEÇO...
SOLTE-ME!
YONOSUKE É UM
TRANSMISSOR-RECEPTOR
TRANSDIMENSIONAL e
robô de observação.
BEM, É...
De Electopia, a Terra da Eletricidade 9
ENTÃO FOI ISSO O
QUE ACONTECEU...
MEIA
HORA
DEPOIS...
VOCÊ VEIO DE
OUTRO MUNDO
PARA ESTUDAR
AQUI.
ELECToPIA É UMA
TERRA ONDE A
ELETRICIDADE ESTÁ
UM POUCO MAIS
AVANÇADA DO QUE
NESTE MUNDO.
COMO O ESTUDO DE
ELETRICIDADE É TÃO
IMPORTANTE, ATÉ CRIANÇAS
DO MEU NÍVEL PRECISAM
SABER O BÁSICO. MAS É
QUE EU, NA VERDADE... COMO
POSSO DIZER? EU SOU...
Umfracasso!!!
A PROFESSORA TETEKA
ESTÁ MUITO BEM
INFORMADA SOBRE ESTE
MUNDO.
TAP!
10 Prólogo
ASSIM, TENDO
UMAS AULAS DE
RECUPERAÇÃO, VOCÊ
TENTARÁ compensar
O TANTO QUE FICOU
PARA TRÁS?
POR ISSO, TENHO CERTEZA
QUE VOCÊ ESTÁ BEM
QUALIFICADO PARA ME
ENSINAR, professor.
POR FAVOR,
professor
HIKARU...
POR FAVOR
VOCÊ NÃO VAI
ME ENSINAR
ELETRICIDADE
BÁSICA?
ACHO QUE NÃO
TENHO TANTA
CERTEZA ASSIM...
COMO DEIXEI DE LADO AS
MINHAS FÉRIAS DE VERÃO
PARA VIR ATÉ AQUI, NÃO
POSSO VOLTAR ANTES DE
TERMINAR ESTAS AULAS
EXTRAS...
EU SEI, MAS...
TENHO PESQUISAS
PARA FAZER, E...
........
BEM, QUE TAL
ASSIM -
COMO VOCÊ PODE VER,
A MINHA SALA ESTÁ UM
POUCO BAGUNÇADA,
CERTO?
UM POUCO?!
ESTÁ BEM... BASTANTE
BAGUNÇADA, OK?
De Electopia, a Terra da Eletricidade 11
ENQUANTO EU ESTIVER
NA UNIVERSIDADE,
VOCÊ PODEria
VARRER, LIMPAR,
E PREPARAR O
JANTAR...?
ANDO MUITO OCUPADO,
QUASE NÃO TENHO
TEMPO LIVRE.
SE VOCÊ FIZER
ESSAS COISAS
PARA MIM, VAI ME
SALVAR, E...
Huh?
É uma bagunça meio
molhada!!!
EU SEI DISSO! MAS
VAI SER NA BASE
DO TOMA LÁ, DÁ CÁ,
CERTO?
BEM, BOM, ACHO QUE
VOU TENTAR... A... A...
A...
k!
Sm a c
OK! FAREI O POSSÍVEL!...
A... A...
...TCHIM!!!
Esquecemos
completamente das
toalhas!
12 Prólogo
Regra da mão esquerda de
fleming (para motores cc)
professor
HIKARU! É CLARO!
VOCÊ ESTÁ ATIRANDO
PAPEL, TESOURAS,
E PEDRAS! ISSO É
IMBATÍVEL!
Papel
tesouras
ra
ped
NÃO...
EU NÃO quis dizer
O jogo DE PEDRAS,
PAPEL E TESOURAS.
REREKO, VOCÊ SABE O
QUE ISTO SIGNIFICA?
SE UM CONDUTOR FOR COLOCADO
EM UM CAMPO MAGNÉTICO E PASSAR
CORRENTE, UMA FORÇA É EXERCIDA
SOBRE O CONDUTOR que SE
MOVIMENTA CONFORME A REGRA DA
MÃO ESQUERDA DE FLEMING.
QUANDO A SUA
MÃO ESQUERDA É
COLOCADA DESTA
FORMA...
O CONDUTOR SE MOVIMENTA
NESTA DIREÇÃO
O CAMPO MAGNÉTICO
APONTA DE NORTE PARA SUL
NESTA DIREÇÃO
A CORRENTE
PASSA
NESTA
DIREÇÃO
A MÃO
ESQUERDA... É
ESTA?
98 Capítulo 3 Como a eletricidade funciona?
ESSA REGRA DIZ QUE O DEDO
INDICADOR APONTA NA DIREÇÃO DO
CAMPO MAGNÉTICO (N PARA S), O
DEDO MÉDIO APONTA NA DIREÇÃO EM
QUE A CORRENTE SE MOVIMENTA, E O
CONDUTOR SE MOVIMENTA NA DIREÇÃO
INDICADA PELO POLEGAR, COMO
RESULTADO DA FORÇA QUE AGE NA
MESMA DIREÇÃO.
CAMPO
MAGNÉTICO
FORÇA
(MOVIMENTO)
FORÇA
CONDUTOR
CAMPO
MAGNÉTICO
CORRENTE
CORRENTE
QUANDO PASSA CORRENTE EM UM CONDUTOR COLOCADO ENTRE OS PoLOS NORTE
(N) E SUL (S) DE UM CAMPO MAGNÉTICO, O CONDUTOR RECEBE IMPULSO PARA CIMA.
UM MOTOR CC
GIRA USANDO
ESSA FORÇA.
ESSE É REALMENTE
UM JEITO FÁCIL DE
LEMBRAR A REGRA!
SERÁ QUE VOCÊ PODE USAR A REGRA DA MÃO
ESQUERDA DE FLEMING PARA VER POR QUE
UM MOTOR CC GIRA? PRIMEIRO, CONSIDERE
O LADO ESQUERDO DO ANEL - A CORRENTE
ESTÁ ENTRANDO NA PILHA, LEVANDO A FORÇA
DO anel PARA CIMA. NO LADO DIREITO DO
ANEL, A CORRENTE ESTÁ SAINDO DA PILHA,
CRIANDO UMA FORÇA PARA BAIXO.
CORRENTE
CAMPO
MAGNÉTICO
ANEL
CORRENTE
MOVIMENTO
CORRENTE
O ANEL VAI CONTINUAR VIRANDO NESSA
DIREÇÃO POIS O CONTATO TROCA
QUANDO O ANEL FICA NA VERTICAL (O
QUE SIGNIFICA QUE A DIREÇÃO DAS
FORÇAS NÃO VAI MUDAR).
Regra da mão esquerda de fleming (para motores cc) 99
Regra da mão direita de
fleming (para geradores)
FLEMING TAMBÉM TEM
UMA REGRA DA MÃO
DIREITA!
O QUE ESSA REGRA
DIZ?
Condutor
SE UM CONDUTOR SE
MOVIMENTA ENTRE OS
Polos DE UM IMÃ, O
CONDUTOR CRUZA um
CAMPO MAGNÉTICO.
CAMPO
MAGNÉTICO
MOVIMENTO
DO
CONDUTOR
UMA AÇÃO QUE FAZ A ELETRICIDADE
FLUIR, QUE É CHAMADA DE FORÇA
ELETROMOTRIZ, É GERADA NO
CONDUTOR NESSe momento, E A
CORRENTE PASSA.
Ok...
O CAMPO
MAGNÉTICO
N-S APONTA
NESTA DIREÇÃO
O CONDUTOR
SE MOVIMENTA
NESTA DIREÇÃO
CAMPO
MAGNÉTICO
A CORRENTE
SE MOVIMENTA
NESTA DIREÇÃO
Movimento
corrente
100 Capítulo 3 Como a eletricidade funciona?
O FLUXO DESSA CORRENTE É NA
DIREÇÃO DO DEDO MÉDIO DA MÃO
DIREITA, A DIREÇÃO DO CAMPO
MAGNÉTICO É A DIREÇÃO DO DEDO
INDICADOR, E A DIREÇÃO DO
MOVIMENTO DO condutor ELÉTRICO É
A DIREÇÃO DO POLEGAR.
Movimento
ESSA É A REGRA DA
MÃO DIREITA DE
FLEMING.
NÓS APLICAMOS
A FORÇA
PARA FAZER A
BOBINA GIRAR.
c
orr
CAMPO
MAGNÉTICO
te
en
corrente
corrente
QUANDO UM GERADOR produz
ELETRICIDADE, NÓS APENAS
CONSIDERAMOS O LADO DO GIRO (O
LADO ESQUERDO, PARA CIMA), E PODEMOS
DETERMINAR A DIREÇÃO DA CORRENTE
USANDO A REGRA DA MÃO DIREITA DE
FLEMING.
SAQUEI.
NÓS PODEMOS USAR A
REGRA DA MÃO DIREITA
PARA DETERMINAR A
DIREÇÃO DA CORRENTE
produzida POR UM
GERADOR ELÉTRICO...
É MELHOR A GENTE
NÃO MISTURAR AS
MÃOS ESQUERDA E
DIREITA!
MÃO ESQUERDA
MÃO DIREITA
...E usar A REGRA DA
MÃO ESQUERDA PARA
ENTENDER A DIREÇÃO
QUE O MOTOR GIRA.
Regra da mão direita de fleming (para geradores) 101
urra!
QUE TAL NÓS
PARARMOS
POR AQUI
POR HOJE?
EI,
O QUE ESTÁ
ACONTECENDO?
HIKARU... VOCÊ
ESTÁ BRINCANDO
NO LABORATÓRIO?
OI! ALÔÔÔ!
NÃO.
NÃO ESTAMOS
BRINCANDO...
NAMO...NAMORADA?
EU NÃO SOU...
UAU! VOCÊ TROUXE A
SUA NAMORADINHA AO
LABORATÓRIO!
VOCÊ ESTÁ TO…
TOTALMENTE
ENGANADO!!! ELA É
A MINHA PRIMA!
OOOOOK...
COMO VOCÊ
QUISER...
........
HEIN?
102 Capítulo 3 Como a eletricidade funciona?
É VERDADE! VOCÊ
ENTENDEU TUDO
ERRADO!
BEM... É... AGORA
JÁ ESTAMOS DE
SAÍDA...
pam
OK...
ATÉ MAIS TARDE,
BACANA...
O QUE É ISTO? O
TONTO DO HIKARU
ESQUECEU O
LANCHE.
!
Hein?
ACHO QUE A
GAROTA FEZ
ISSO!
Pop!
DEIXARAM ALGUMA COISA
AQUI DENTRO. ACHO QUE
VOU COMER ISSO, JÁ QUE
EU NÃO QUERO JOGAR
ISSO NO LIXO...
*
O QUE FOI
ISSO???!!!
*IIIIIIIICA!!!
Regra da mão direita de fleming (para geradores) 103
Calor de joule
O calor que é produzido quando passa corrente
por uma resistência elétrica é chamado de
calor de joule. Por exemplo, a quantidade de
calor produzido quando a corrente I passa pela
resistência R por t segundos pode ser obtida
pela cálculo de I2 × R × t. A quantidade de calor
é representada pelo símbolo Q e é medida
de Joule (J), em homenagem ao físico inglês
James Prescott Joule. Um joule corresponde ao
consumo de energia elétrica de 1Ws (watt por
segundo) - e um joule é equivalente a um kg ×
m2 / s2. A quantidade de calor necessária para
elevar 1 grama de água pura de 14,5°C para
15,5°C a 1 atmosfera de pressão é de cerca de
4,2J, e isso é equivalente a 1 caloria (cal).
Resistência e calor de Joule
Vibração térmica
O que é o calor? Os átomos que compõem
uma substância estão sempre vibrando, e isso
é chamado de vibração térmica. A magnitude
da vibração térmica de uma substância está
diretamente relacionada à magnitude da
temperatura dessa substância - essa vibração
térmica de átomos é a verdadeira natureza do
calor.
Se os átomos de uma substância não
estão vibrando, essa substância não terá temperatura - essa temperatura é chamada de
zero absoluto, isto é igual a -273,15°C.
Mesmo quando um fio de cobre, que é
usado como condutor elétrico por causa de
sua baixa resistência, está em temperaturas
normais, a vibração dos átomos de cobre
resiste ao movimento dos elétrons, criando
calor e resistência adicionais.
Porém, se a temperatura de um material
cai para perto do zero absoluto, as vibrações
dos átomos se tornam muito pequenas. Nesse
estado, os elétrons podem circular muito mais
facilmente - em outras palavras, a resistência
do material diminui. Em alguns materiais,
como o alumínio, se a temperatura se tornar
suficientemente baixa, os elétrons podem
se movimentar sem serem obstruídos pelos
104 Capítulo 3 Como a eletricidade funciona?
Vibração térmica e temperatura
átomos de modo algum! Quando a resistência de um material se torna zero, nós chamamos
o fenômeno de supercondutividade.
Muitos metais são considerados naturalmente supercondutores quando estão bem
frios, mas a maioria precisa estar perto do zero absoluto. No entanto, como é extremamente difícil baixar de fato a temperatura de uma substância próxima ao zero absoluto,
pesquisas estão sendo realizadas sobre fenômenos de supercondutividade que ocorrem em
temperaturas muito maiores que o zero absoluto, um campo chamado de supercondutores
de altas-temperaturas. Algum dia, materiais como esses poderão ser usados para levar eletricidade para casas em toda parte sem perda de corrente devido ao aquecimento de joule.
Supercondutividade e corrente
Em fios a temperaturas normais, os elétrons vão colidir violentamente com outros átomos, o que gera ainda mais vibrações térmicas - isto é, mais calor. Conforme o fio aquece,
sua resistência aumenta. Ao contrário, conforme sua temperatura diminui, a resistência
elétrica diminui.
Colisões com elétrons e geração de calor
Vibração térmica 105
Ondas eletromagnéticas
Quando passa corrente por uma resistência e a temperatura aumenta, calor é gerado. Primeiro, raios infravermelhos invisíveis a olho nu são emitidos. Os raios infravermelhos, que
também são chamados de raios de calor, são um tipo de onda eletromagnética - uma onda
que tem energia térmica. As ondas eletromagnéticas (em ordem decrescente de comprimento de onda) incluem as ondas de rádio, os raios infravermelhos, a luz visível, os raios
ultravioleta, e os raios X, entre outros. As ondas de rádio são usadas para a transmissão e a
comunicação de rádio ou TV em navios. A cor da luz visível varia conforme o comprimento
de onda - a luz vermelha tem o comprimento de onda mais longo, e a luz violeta tem o
mais curto.
O COMPRIMENTO DA ONDA É LONGO.
A FREQUÊNCIA É BAIXA.
RADIAÇÃO:
RAIOs
ONDAs
DE RÁDIO INFRAVERMELHO
COMPRIMENTO DE ONDA:
1mM
O COMPRIMENTO DA ONDA É CURTO.
A FREQUÊNCIA É ALTA.
LUZ VISÍVEL
v
e
r
m
e
l
h
o
l
a
r
a
n
j
a
a
m
a
r
e
l
o
v
e
r
d
e
720nm
a V
z i
u o
l l
e
t
a
RAIOs
ULTRAVIOLETA
400nm
raios x
raios γ
(GAMA)
10nm
Comprimentos de onda e classificação das ondas eletromagnéticas
Depois que os raios infravermelhos são emitidos de uma substância, a luz visível será
emitida se a temperatura continuar aumentando. Esse fenômeno no qual a energia térmica
é emitida como ondas eletromagnéticas conforme o aumento da temperatura de uma substância é chamado de emissão térmica. Esse é o princípio da emissão de luz nas lâmpadas.
A emissão térmica produz luz vermelha em baixa temperatura, que muda para luz branca
azulada conforme a temperatura aumenta.
A emissão de luz devida à emissão térmica quase sempre termina se tornando calor,
então ela é ineficaz para ser utilizada como luz. A emissão de luz na qual o emissor não
precisa ser aquecido é chamada de luminescência; esse é o princípio usado nas lâmpadas
fluorescentes. Na luz fluorescente, os elétrons que escapam do filamento colidem com o
vapor de mercúrio dentro do tubo fluorescente; os raios ultravioleta que são gerados nesse
momento excitam a substância fluorescente na superfície interna do tubo e se tornam luz
visível. A emissão de luz da luz fluorescente é muito eficaz - para o mesmo consumo de
energia elétrica, ela emite mais de quatro vezes a luz que uma lâmpada normal produz.
Os fenômenos de emissão de luz incluem a emissão térmica e a luminescência, como
foi mostrado aqui.
106 Capítulo 3 Como a eletricidade funciona?
A LÂMPADA EMITE CALOR.
A LUZ FLUORESCENTE
TEM LUMINESCÊNCIa.
LUZ
CALOR E LUZ
ELÉTRONS
RAIOS ULTRAVIOLETA
-
-
-
-
-
-
VAPOR DE MERCÚRIO
FILAMENTO
SUBSTÂNCIA
FLUORESCENTE
LUZ
A LÂMPADA COMUM É INEFICIENTE POIS SUA EMIsSÃO DE CALOR É MAIOR.
Emissão de luz em uma lâmpada comum e em uma lâmpada fluorescente
Eletricidade e magnetismo
Se limalha de ferro for espalhada em uma folha de papel colocada sobre um imã, um
padrão de linhas é produzido. Essas linhas se originam no polo norte (N) e seguem em direção ao polo sul (S); elas são chamadas de campo magnético.
Os campos magnéticos também
são gerados quando passa corrente.
Esse fenômeno é extremamente
importante quando se utiliza a
eletricidade, e muitos aparelhos eléIMÃ
tricos comuns fazem uso do mesmo.
S
N
Quando passa corrente em
um fio elétrico, um campo magnético com um padrão circular é
gerado em torno do mesmo. Isso é
chamado de Lei de Ampère. A magnitude desse campo magnético varia
LINHAS DE FORÇA MAGNÉTICA SAEM DO
conforme a intensidade da corrente;
PoLO NORTE E VÃO EM DIREÇÃO AO PoLO SUL.
se a direção da corrente muda, a
direção do campo magnético tamUm imã e os campos magnéticos
bém muda.
Eletricidade e magnetismo 107
Se uma corrente da mesma intensidade passa na mesma direção em dois fios elétricos
colocados lado a lado, os campos magnéticos gerados em cada fio são combinados para
gerar um campo magnético com o dobro da corrente em volta de ambos os condutores.
Nessa hora, uma força de atração é gerada entre os dois fios elétricos. Quando passa corrente em direções opostas nos dois fios, uma força de repulsão é gerada entre eles. Neste
caso, os campos magnéticos ao redor dos fios se anulam mutuamente e se tornam menores.
A Lei de Ampère
Forças geradas quando a corrente passa em dois condutores
A propriedade aditiva dos campos magnéticos também permanece verdadeira para
mais de dois fios (por exemplo, uma bobina ou indutor). Dessa maneira, um grande campo
magnético pode ser gerado.
108 Capítulo 3 Como a eletricidade funciona?
4
Como você gera eletricidade?
Geradores
C
CRE
cheguei...
BEM-VINDO!
OU... BEM...
ESTOU COM FOME, VAMOS
COMER! MIAMM...JANTAR!
ESTÁ PRONTO
PARA JANTAR? OU
ANTES VAI QUERER
TOMAR UM BANHO?
FIQUEI REALMENTE
FELIZ COM O QUE
PREPAREI PARA HOJE
À NOITE!
SUA COMIDA É DEMAIS!
MAS COMO VOCÊ
preparou TUDO ISSO?
118 Capítulo 4 Como você gera eletricidade?
BEM,
NEM É TÃO
HORRÍVEL
ASSIM...
...NÓS ATÉ PARECEMOS UM
CASAL, NÃO É?
...SABE,
ÀS VEZES...
QUAL ÉÉÉÉÉÉ!!!
RÉ, RÉ! EU SÓ
ESTAVA BRINCANDO!
NÃO, É FÁCIL DE VER!
VOCÊ É SÓ UM BICÃO!
FIQUEI
APAVORADO COM
ESSA SUGESTÃO...
QUANDO
TERMINARMOS DE
COMER, VAMOS
COMEÇAR NOSSAS
LIÇÕES, OK?
G A RF
G A RF
...De
CASAL...
com
e
co
com me
e
Ok, ótimo.
Geradores 119
bem...
EXEMPLOS DE
COISAS QUE GERAM
ELETRICIDADE SÃO A
USINA DE ENERGIA E A
PILHA, CERTO?
COMO A GERAÇÃO DE
ENERGIA termoelétrica
OU A GERAÇÃO DE
ENERGIA HIDRELÉTRICA?...
ENERGIA (ENERGIA TÉRMICA,
ENERGIA HIDRÁULICA,
ENERGIA NUCLEAR, ETC)
GERADOR
ELÉTRICO
ELETRICIDADE
POR OUTRO LADO,
A PILHA UTILIZA A
ENERGIA DE UMA
REAÇÃO QUÍMICA.
UM GERADOR ELÉTRICO É
ACIONADO PELA GERAÇÃO DE
ENERGIA NUCLEAR OU OUTROS
TIPOS DE ENERGIA PARA
produzir ELETRICIDADE.
UMA REAÇÃO
QUÍMICA?
DEPOIS VAMOS FALAR
SOBRE ISSO COM
MAIS DETALHES.
120 Capítulo 4 Como você gera eletricidade?
SEM REREKO POR PERTO, VOLTEI
À VIDA NORMAL - PASSANDO
TODO O MEU TEMPO NO
LABORATÓRIO.
E EU DEIXEI A MINHA
SALA FICAR TOTALMENTE
BAGUNÇADA DE NOVO...
ACHO QUE
VOU TER QUE
ENFRENTAR A
CHUVA!
ufA.
Clic
PUXA...ESTÁ
FICANDO
NUBLADO.
JÁ PASSOU UM ANO
INTEIRO...LEMBRO
DE UM DIA COM O
TEMPO IGUAL AO
DE HOJE.
epílogo 197
NO PONTO DE ÔNIBUS
DA UNIVERSIDADE.
VOU FICAR
ENSOPADO!
EU DEVIA TER
TRAZIDO UM
GUARDA-CHUVA...
XIII!! MAS QUE
TEMPESTADE DE
REPENTE...
?
UM RAIO ATINGIU
O PRÉDIO DO MEU
LABORATÓRIO?!
INACREDITÁVEL!
LEMBRO DE TER
DITO ISSO NESSE
MESMO DIA UM ANO
ATRÁS, TAMBÉM...
198 epílogo
O
QUE...????
LaboratÓrIO
professor
Hikaru!?
vu u u u p
!
Ahhhh!
SERÁ QUE OS MEUS
DADOS ESTÃO OK?!...
SSSIIIMM?
Re...Rereko!?
SIM, SOU EU!!!
QUE BOM VER
VOCÊ DE NOVO!
POR QUE VOCÊ VOLTOU?
MAIS AULAS DE
RECUPERAÇÃO?!
NeCA!
GRAÇAS A VOCÊ, NÃO
TIVE PROBLEMAS PARA
ME FORMAR.
epílogo 199
agora ESTOU
TRABALHANDO NA
UNIVERSIDADE
COMO ASSISTENTE
DE PESQUISAS!
ão
Recomendaç
sas
ui
Assist. Pesq
Teteka
SIM!
AGORA PODEMOS
SER PARCEIROS DE
LABORATÓRIO!!
200 Epilogue
VERDADE?!