Estrutura atómica da matéria

O ser humano é um ser curioso por natureza, daí que ao longo da história a sua curiosidade levou-nos às maiores descobertas.

Uma das grandes questões da humanidade é que “Tudo que existe é feito de matéria, mas de que é feita a matéria?”

Para dar resposta a esta questão, há cerca de 2500 anos, os filósofos gregos Leucipo e Demócrito afirmaram que a água, então tido como um elemento fundamental de tudo o que existe, era composta por partículas indivisíveis que receberam o nome de átomos (A = não; TOMO = divisível).

Para efeitos de eletrónica o átomo pode ser dividido em duas partes distintas: núcleo, constituído pelos protões (carga positiva) e pelos neutrões (com carga neutra), e orbita de eletrões (com carga negativa), por exemplo, a eletricidade que chega a nossas casas movimenta-se a partir de partículas negativas na qual fazem parte os eletrões.

É a orbita de eletrões, ou simplesmente eletrosfera, que vai determinar se o material que estamos a utilizar é condutor ou isolante.

Um material isolante é aquele que possui poucos eletrões livres à temperatura ambiente. Quanto mais junto estiverem os eletrões do núcleo melhor se torna o isolante (embora haja algumas ressalvas). Podemos dizer, neste caso, que os eletrões têm um nível de energia muito baixo. Como exemplos deste tipo de material temos: Plástico (resinas), Silicone, Borracha, Vidro (cerâmicas), Óleo...

O material condutor é aquele que permite facilmente a passagem de cargas elétricas. Este material é caracterizado pela camada de valência dos átomos, última camada de distribuição, que constituem o material. Ao contrário do material isolante, esta camada como está longe do núcleo, os eletrões ficam fracamente ligados com o núcleo podendo abandonar o átomo em virtude das forças que ocorrem no interior dos átomos, a estes dá-mos o nome de eletrões livres. Em suma, quanto mais afastado estiver o eletrão do núcleo melhor se torna o material condutor. De uma forma geral, os metais são ótimos condutores elétricos.

Grandezas físicas e elétricas

A física é responsável por estudar tudo o que acontece na natureza, chamamos a estes acontecimentos fenômenos físicos.

Para facilitar este estudo, os físicos optaram por criar regras gerais para serem identificadas em todo o mundo, uma forma universal de se estudar os fenômenos físicos, tornando-os padrão.

Qualquer coisa que represente um valor ou uma quantidade definida em uma certa unidade de medição é uma grandeza.

Como exemplos de grandezas podemos ter a velocidade, aceleração, pressão, intensidade de luz, calor… E todas estas podem ser medidas e associadas a uma unidade, por exemplo: metro, quilograma e segundo.

Em toda medida, os algarismos corretos e o primeiro duvidoso são chamados de algarismos significativos.

Entre as grandezas físicas também estão a notação científica, o tempo, a unidade métrica e as medidas de distância.

Tensão, corrente e resistência elétrica

Tensão elétrica (U) também conhecida como diferença de potencial (DDP) entre dois pontos distintos. Qualquer circuito elétrico necessita uma fonte de tensão para fornecer energia ao circuito. A sua unidade de medida é o volt (V) ou joules por coulomb.

Vejamos o seguinte exemplo de notação da tensão elétrica:

U = 520 V

U – grandeza da tensão;

520 – valor;

V – unidade em que foi medido.

Uma diferença de potencial pode representar tanto uma fonte de energia (força eletromotriz), como pode representar energia “perdida” ou armazenada (queda de tensão).

Podemos identificar alguns tipos de tensão, vamos ver cada um deles:

Tensão Alternada: como o próprio nome indica, esta varia ao longo do tempo, ou seja, descreve uma função que varia de valor com o passar do tempo. A mais comum e a tensão senoidal.

Tensão Contínua: descreve uma tensão constante, isto é, não varia ao longo do tempo. Com este comportamento, esta não “tem” frequência.

Tensão de Pico: vejamos a seguinte imagem:

Se repararmos, a onda senoidal é um gráfico do tipo: v = Vp sen ⊖.

Onde: v = tensão instantânea; Vp = tensão de pico; ⊖ = ângulo em graus.

Podemos ver que o pico positivo se verifica aos 90º, diminui para zero aos 180º, atingindo o pico negativo aos 270º e volta novamente a zero aos 360º. Em suma, o valor do pico é o máximo valor atingido em cada semiciclo.

O valor de pico a pico do sinal é a diferença entre o seu valor máximo e o mínimo: Vpp = Vmax – Vmin.

Tendo em conta a senoide acima, o valor de pico a pico será: Vpp = 10 – (-10) = 20v ou seja, o valor de pico a pico de uma onda senoidal é o dobro do valor do pico.

Valor de Tensão Eficaz (RMS): quando a tensão senoidal aparece através de um resistor. O produto da tensão instantânea pela corrente dá a potência instantânea, cuja média durante um ciclo resulta numa dissipação média de potência. Isto acontece porque o resistor dissipa uma quantidade de calor constante como se houvesse uma tensão contínua através dele.

A expressão matemática que traduz a relação entre a tensão rms e a tensão de pico é: Vrms = 0,707 Vp.

Valor médio de tensão: Se analisarmos uma onda senoidal, imagem anterior, podemos verificar que o valor médio é ZERO, pois o valor positivo da primeira metade é compensado com igual valor negativo da segunda metade.

Mais adiante, depois do estudo dos circuitos retificados, iremos voltar novamente a este tema.

Fonte de tensão ideal: produz uma tensão de saída que não depende do valor da resistência de carga, tem uma resistência interna igual a zero, embora, que em fontes de tensão reais, não é possível de obter.

Vejamos a figura abaixo para melhor compreender este conceito:

Corrente elétrica

Definimos corrente elétrica como o fluxo de elétrons, por um meio condutor, de um ponto onde a concentração de elétrons é maior para outro ponto onde esta concentração é menor com sentido ordenado das partículas portadoras de carga elétrica.

Este fluxo pode ser chamado de fluxo convencional ou eletrônico.

No fluxo eletrónico a corrente flui do pólo negativo da bateira negativo da bateria para o positivo, dado que no pólo negativo da bateria existe uma grande concentração de elétrons, esta situação é a que realmente acontece, é o sentido real. Este fluxo acontece para que haja equilíbrio entre os pólos.

No fluxo convencional a corrente flui do pólo positivo para o negativo da bateria, sentido que não condiz com a realidade. Mas, em termos didáticos, este fluxo é o que sempre é utilizado sem que disso decorram erros de cálculos ou quaisquer problemas práticos.

No SI a corrente elétrica (I) é medida em ampères (A).

Vejamos o seguinte exemplo: I = 10 A onde: I – é a grandeza da corrente; 10 – é o seu valor numérico; A – é a unidade em que foi medida (ampères).

Corrente alternada, contínua, média, eficaz e de pico

Fonte de corrente ideal: produz uma corrente de saída que não depende do valor da resistência de carga. Assim, dizemos que uma fonte de corrente ideal é aquela que tem uma resistência interna infinita. No entanto, nas fontes reais, não é possível isto acontecer pois possui uma condutância intrínseca.

Vejamos o seguinte esquema:

Resistência elétrica: é um obstáculo à passagem de corrente colocado num circuito. Todos os circuitos elétricos possuem resistências, até mesmo o simples fio de cobre gera uma resistência.

A resistência elétrica é medida em Ohm (Ω) e é representada por R.

R = 100 Ω onde: R - grandeza da resistência; 100 é o valor numérico; Ω a unidade de medida.

Associação de resistências em série:

Olhando para a figura a resistência total do circuito é a soma das resistências parciais.

Req = R1 + R2 + R3 + … + Rn

Associação de resistências em paralelo:

Neste caso, a resistência equivalente do circuito é igual à soma das suas condutâncias, isto é:

Req = 1/((1/R1)+(1/R2)+(1/R2)..+(1/Rn))

É importante ressalvar que muitos circuitos podem fazer a combinação de resistências em série e paralelo, chamamos a estes circuitos mistos. Estes são uma forma de conseguirmos encontrar uma resistência ideal para o nosso circuito.

Lei de Ohm

A lei de Ohm consiste no seguinte: “Num circuito elétrico fechado, a intensidade de corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão aplicada ao circuito e inversamente proporcional à resistência do mesmo”.

A fórmula matemática é a seguinte: I = U / R onde: I = intensidade de corrente em ampères; U = tensão aplicada ao circuito em volts; R = resistência equivalente do circuito em ohms.

Vejamos o seguinte exercício: Um circuito com uma resistência equivalente a 180Ω, aplica-se uma tensão de 24 V. Qual a corrente que flui pelo circuito?

I = U / R = 24 / 180 = 0,13333A ou 133mA

Podemos jogar com esta fórmula e obter outras duas: U = I x R e R = U / I

Leis de Kirchhoff

Normalmente as Leis de Kirchhoff são aplicadas em circuitos elétricos mais complexos, isto é, com mais de uma fonte de resistores, estando estes em série ou paralelo. Neste contexto há a necessidade de ver dois conceitos:

Nós: ponto onde três ou mais condutores são ligados.

Malha: é qualquer caminho condutor fechado.

Na figura acima, podemos ver que os pontos a e d são nós, mas b, c, e e f não são. Identificamos neste circuito 3 malhas definidas pelos pontos: afed, adcb e badc.

Primeira lei de Kirchhoff

Num circuito paralelo, a corrente elétrica total é igual à soma das correntes parciais.

Isto é Itotal = I1 + I2 + I3 + … + In

Para o exemplo acima a corrente total é de 2,5A. Achamos os parciais em cada ramo (I = U/R) e aplicamos a primeira Lei de Kirchhoff.

Devemos ter em atenção que, neste caso, a tensão aplicada é a mesma em qualquer resistência do circuito.

Segunda lei de Kirchhoff

Num circuito em série, a soma das quedas de tensão parciais é igual à tensão aplicada nesse circuito.

Vejamos o seguinte exemplo:

Vamos apresentá-lo matematicamente da seguinte forma:

Utotal = U1 + U2 + U3 + … + Un

Para o circuito da imagem temos: U1 = 1.2V; U2 = 3.6V; U3 = 2.4V; U4 = 4.8V.

Assim Utotal = 1.2 + 3.6 + 2.4 + 4.8 = 12V

Não esquecer que neste tipo de circuito existem três características a ter em conta:

• A corrente é a mesma em qualquer ponto do circuito;
• Existe apenas um caminho para a circulação da corrente elétrica;
• O funcionamento de qualquer um dos consumidores depende do funcionamento dos consumidores restantes.

Potência Elétrica

Podemos definir potência elétrica como sendo a energia consumida/libertada num determinado num determinado intervalo de tempo.

Diz-se, em eletricidade, que um Joule (1J) de energia consumida/libertada em um segundo (1s) equivale a um Watt (1W).

A notação aplicada à potência elétrica é a seguinte: P=300W onde P é a grandeza de potência; 300 o valor numérico; W a unidade de medida (Watt).

Num circuito fechado a potência despendida é diretamente proporcional ao produto da tensão pela corrente no circuito.

Podemos definir a potência elétrica matematicamente pela seguinte fórmula: P=UxI onde P é a potência em Watts; U é a tensão em Volts e I é a corrente em Ampères.

Webgrafia

Curso Básico de Eletrônica Analógica em Scribd [em linha]. Acedido em 16 de outubro de 2015. Disponível na Internet: http://www.scribd.com/doc/131980285/63882656-eletronica-pdf#scribd.

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