Aula Teórica

Eletricidade
INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA
“O uso de motores elétricos e circuitos de corrente alternada
revolucionou a sociedade moderna. Hoje, seu uso é tão disseminado
que é difícil imaginar a vida sem eletricidade. Neste tópico, vamos
revisar a base de funcionamento de transformadores e motores de
corrente alternada: a indução eletromagnética.”
fem induzida
Barra condutora AB deslocando-se para a direita
com velocidade
numa região sujeita a um
constante v,

campo magnético B perpendicular ao vetor
velocidade e entrando no
plano do papel.
 Os elétrões livres da barra ficam então sujeitos a uma força magnética de direção paralela à
barra e sentido de A para B.
 A extremidade A fica carregada positivamente, e a B, negativamente.
 As cargas continuam a se concentrar nas extremidades até que se estabeleça um equilíbrio.
 Há um campo elétrico vertical para baixo, e igualdade de módulo entre a força magnética
para baixo e a força elétrica para cima.
 Entre os terminais da barra, há uma fem induzida.
fem induzida
Se a barra tem comprimento L, a fem induzida vale:
Fluxo magnético
A indução, descrita por Faraday, depende de três fatores:
 intensidade B do campo magnético;
 área A a ser atravessada pelas linhas;
 ângulo θ entre as linhas de campo e a normal
à superfície considerada:
Fluxo magnético
Variação na área A atravessada pelas linhas de campo
A área da espira retangular CDEF,
efetivamente atravessada pelas linhas de campo,
é reduzida de acordo com o movimento para a
direita.
Variação no ângulo θ entre as linhas de campo e a superfície
A espira retangular gira na região de influência do campo magnético,
variando continuamente o ângulo determinado pelas linhas de campo e a
normal à superfície da espira.
Lei de Faraday
Lei de Lenz
O sinal negativo na expressão da lei de Faraday descreve um resultado conhecido como lei de
Lenz: “A corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o
campo magnético criado tende a contrariar a variação do fluxo magnético através da
espira”.
O íman em [A] ao afastar-se da espira,
origina uma corrente, de acordo com a regra
da mão direita, com sentido horário, para
compensar a diminuição do fluxo magnético.
Em [B], o sentido da corrente induzida é antihorário, para reverter o aumento do fluxo para
baixo.
Lei de Faraday
Correntes de Foucault: são induzidas em condutores maciços.
Quando o paralelepípedo entra por
completo na região do campo magnético,
exibe dois conjuntos de correntes de
Foucault, que giram em
sentidos opostos.
Em velocímetros analógicos de automóveis,
quando o eixo do carro gira, ele aciona ímãs que
produzem pequenas correntes elétricas e campos
magnéticos, que movimentam o ponteiro
indicador de velocidade.
INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA
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Podem atingir grande intensidade com grande dissipação de energia na forma de calor.
Correntes alternas
São correntes induzidas com sentidos alternantes, produzidas, por indução
eletromagnética, pelo funcionamento de motores elétricos mediante a rotação
de espiras em regiões atravessadas por campos magnéticos, em movimentos
de vaivém. Podemos dizer que a expressão geral da corrente i depende do
seu valor máximo e de uma função trigonométrica. A variação pode ser
senosoidal:
em que  = 2f é a pulsação, f é a frequência com que a corrente varia
no tempo, e t, o instante considerado.
INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Correntes alternadas
Gráfico corrente X fase, exibindo
variação senoidal da função.
Valor eficaz da corrente
Correntes alternadas
Transformadores
São dispositivos usados para modificar uma ddp alternada.
A relação entre a
ddp no primário UP e
a ddp do secundário
US depende
exclusivamente da
razão entre o
número de espiras
entre as bobinas:
Transformador Ideal
Relação entre tensões e número de espiras nos
enrolamentos primário e secundário:
v1 (t )  A1  sen(0t ),
v2 (t )  A2  sen(0t ),
A2 N 2

A1 N1
Conservação da potência:
v1 (t )  i1 (t )  v2 (t )  i2 (t )
Símbolo:
Conceitos básicos de electrónica
Resistências
 Dispositivos que têm como finalidade oferecer uma oposição à passagem de
corrente eléctrica.
Unidade: Ohm = Ω
Múltiplos: kohm = kΩ = 1kΩ = 103 Ω
Mohm = MΩ = 1MΩ = 106 Ω
 VALOR
 FIXO: Os valores de resistência não podem ser alterados.
 VARIÁVEIS: A resistência varia dentro de uma faixa de valor, através de
cursor móvel.
 Parâmetros de especificação:
- Valor nominal
- Tolerância – Máxima variação do valor nominal (%) do valor nominal
- Potência – Máxima dissipação de potência
TABELA DE CORES
OBS.: Ausência de tolerância = + 20%
Resistências de precisão = 5 faixas: Primeiras 3 faixas = 3 algarismos
significativos
4 faixa = factor de multiplicação
5 faixa = tolerância
Potências: 0,33W, 0,5W, 0,67W, 1,15W e 2,5W
Resistências de acordo com a potência de utilização
Conceitos básicos de electrónica
Condensadores
 Tem como finalidade armazenar energia eléctrica. Formado por duas
placas condutoras (armaduras), separadas por material isolante
(dieléctrico) .
Os dieléctricos mais comuns: Papel, mica, cerâmica, materiais
plásticos ou o ar.
 Capacitância (C) = é a característica que o condensador tem de
armazenar mais ou menos cargas eléctricas por unidade de tensão:
C=8,84 x 10-12 x K x A/d
K= Constante dieléctrica, ar = 1, papel = 2-4,8 ou
C = Q/V
C = Farad Q = carga eléctrica (Coulomb) V = tensão (Volt)
 Os valores usuais de capacitância dos condensadores são submúltiplos
do Farad, ou seja: 1 μF = 10-6 F ; 1 nF = 10-9 F e 1 pF = 10-12 F
Tensão de isolamento = Limite de tensões entre os terminais
CÓDIGO DE CORES
Condensadores de poliéster
Condensadores variáveis
Conceitos básicos de electrónica
 Indutores
Um fio condutor ao ser percorrido por uma corrente
eléctrica produz um campo magnético. Este efeito é
maximizado se enrolarmos o fio condutor, em forma
de espira, em redor de um núcleo, constituindo o
Indutor
INDUTÂNCIA
Efeito do campo magnético com a corrente eléctrica
Unidade – Henry – H
Submúltiplos – mH ; μH
 Podem ser fixos ou variáveis
COMPORTAMENTO EM REGIME DC (corrente
contínua)
Ao aplicarmos uma tensão DC o indutor armazenará uma energia
magnética.
Ao ligarmos a chave S a corrente é nula, pois o indutor se opõe as
variações bruscas de corrente. A partir daí aumenta gradativamente
segundo uma função exponencial até o valor máximo.
S
R
E
L
Semicondutores
 Dos materiais utilizados no campo da electrónica, temos:

 CONDUTOR - Material que mantém um fluxo de carga quando uma
tensão, de amplitude limitada, é aplicada em seus terminais.

 ISOLANTE - Material que oferece um nível muito baixo de
condutividade quando se aplica uma fonte de tensão.

 SEMICONDUTOR - Material que mantém um nível de
condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.

 BONS CONDUTORES - Cobre é um bom condutor – 29 protões e
vinte nove electrões, bem como ouro e prata.
Estrutura atômica do Ge e Si
Materiais semicondutores
•Os semicondutores possuem 4 electrões na camada de valência
• tornam-se mais estáveis com a participação dos átomos vizinhos
• formam-se ligações covalentes partilhando electrões dos átomos vizinhos
Fluxo de electrões e lacunas
Semicondutor Intrínseco
É um semicondutor puro, ou seja, todos os átomos do
cristal são de silício (Si), ou germânio (Ge) ou arseneto de
gálio (GaAs) ou fosfeto de índio .
A –273oC o semicondutor intrínseco comporta-se como um
isolante perfeito.
Semicondutor Extrínseco
De forma a aumentar a condutibilidade de um semicondutor, é o recurso à adição
de impurezas aos átomos. Um condutor dopado é chamado de semicondutor
extrínseco.
Para aumentar o número de electrões livres, adicionam-se átomos pentavalentes
ao silício em fusão, ex.: arsênio (As), antimónio (Sb) e fósforo (P). Este processo
é chamado de dopagem.
Semicondutor dopado com antimónio
Por possuírem electrões livres em excesso são chamados de material tipo N.
Num material tipo N os electrões livres são chamados de portadores
maioritários e as lacunas de portadores minoritários.
Para se aumentar o número de lacunas, recorre-se a impurezas trivalentes, cujos
átomos possuem apenas três elétrons de valência, ex.: alumínio (Al), boro (Bo) e
gálio (Ga).
Por possuírem lacunas em excesso são chamados de material tipo P.
Num material tipo P as lacunas são os portadores maioritários e os electrões os
portadores minoritários.
Tipo P
Tipo N
O DIODO SEMICONDUTOR – JUNÇÃO PN
•O díodo semicondutor é formado juntando um bloco de material tipo P com um
bloco de material tipo N – Junção PN
•Díodo não polarizado – No momento da junção haverá uma corrente de difusão,
criando uma região de iões negativos e positivos não combinados chamado de
Região de Depleção e a distribuição da carga nessa área é chamado de Carga
Espacial.
•A largura da região de depleção dependente dos níveis de dopagem dos
materiais P e N.
•O Campo eléctrico que aparece na região de depleção devido aos íiões positivos
e negativos é chamada de Barreira de potencial.
À temperatura de 25o C, a barreira de potencial é aproximadamente 0,3 V para o Ge e 0,7 V para o Si.
Diodo não polarizado
Simbologia
O lado P da junção PN é conhecido como anodo (A) do diodo e o lado N
como catodo (K).
POLARIZAÇÃO INVERSA DA JUNÇÃO
POLARIZAÇÃO DIRECTA DA JUNÇÃO
Curva característica do diodo
Ruptura ou efeito Zener
Simbologias
Transístores
Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas
junções PN (junção base-emissor e junção base-colector) de material
semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor
(E), Base (B) e Colector (C).
Altamente
dopado
Camada
mais fina
e menos
dopada
Menos
dopado que
o Emissor e
mais dopado
que a Base
Altamente
dopado
Camada
mais fina
e menos
dopada
N – Material semicondutor com excesso de electrões livres
P – Material semicondutor com excesso de lacunas
Menos
dopado que
o Emissor e
mais dopado
que a Base
Principio de funcionamento
Para que o transístor bipolar conduza é necessário que seja aplicada na
base uma corrente mínima (VBE ≥ 0,7 Volt), caso contrário não haverá
passagem de corrente entre o Emissor e o Colector.
IB = 0
O transístor não conduz
(corte)
Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e
pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector.
Uma pequena corrente
entre a base e o emissor…
…origina uma corrente entre o
emissor e o colector
Utilização
O transístor bipolar pode ser utilizado:
como interruptor electrónico.
na amplificação de sinais.
como oscilador.
Polarização
Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como
oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC.
Para o transístor estar corretamente polarizado a junção PN base – emissor deve
ser polarizada diretamente e a junção base – coletor deve ser polarizada
inversamente.
Regra prática:
O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.
A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.
O Coletor é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.
Emissor
Base
Colector
Emissor
Base
Colector
P
N
P
N
P
N
+
-
-
-
+
+
Polarização
Emissor
Base
Colector
Emissor
Base
Colector
P
N
P
N
P
N
+
-
-
-
+
+
+
_
Rc
Rc
Rb – Resistência de polarização de base
Rb
Rc – Resistência de colector ou resistência de carga
+
Rb
_
Representação de tensões e correntes
VCE – Tensão colector - emissor
VBE – Tensão base – emissor
VCB – Tensão colector - base
IC – Corrente de colector
IB – Corrente de base
IE – Corrente de emissor
VRE – Tensão na resistência de emissor
VRC – Tensão na resistência de colector
Relação das correntes
+
Rc
Rb
IB
IC
Considerando o sentido convencional da corrente e
aplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relação
das correntes num transístor bipolar
IE = IC + IB
IE