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Curso de Eletronica

Curso de Eletronica

ESTRUTURA ATÔMICA DA MATÉRIA Antes de iniciarmos nossas discussões a respeito dos componentes e dispositivos eletrônicos, vamos recordar e firmar alguns conceitos que definem as diferenças entre os materiais do ponto de vista atômico O ÁTOMO E OS MATERIAIS: Quando o átomo foi descoberto, os cientistas acreditavam que essa seria a menor partícula em que a matéria poderia se dividir, e por isso o seu nome ( A = não ; TOMO = divisível). De um modo geral, para efeito dos estudos em eletricidade, o átomo pode ser dividido em duas partes distintas : o núcleo e o orbital de elétrons. O núcleo é formado basicamente por partículas carregadas positivamente ( os prótons ) e por partículas sem carga relevante, também chamadas neutras ( os neutrons ). O orbital de elétrons ou simplesmente eletrosfera é composta pelos elétrons que são partículas carregadas negativamente. É basicamente na eletrosfera que está a diferença entre , por exemplo, um material condutor e um material isolante. Um esquema básico de um átomo é o ilustrado a seguir :

No material isolante os átomos estão fortemente ligados ao núcleo por uma força de atração, de modo que não existem elétrons circulando pela estrutura do material. Para romper-se com essa ligação entre elétron e núcleo é necessário fornecer à estrutura muita energia, por exemplo na forma de calor ou potencial elétrico. Quanto mais perto do núcleo está o elétron, mais forte é a força que os une. Do mesmo modo, quanto mais forte a atração entre elétron e núcleo, melhor o isolante (com algumas ressalvas). Dizemos nesse caso que os elétrons têm um nível de energia muito baixo. No material condutor, os átomos das camadas superiores possuem níveis de energia relativamente altos, desprendendo-se facilmente do "laço" com o núcleo. Normalmente os metais possuem em sua última camada (chamada camada de valência) elétrons livres que dão ao material propriedades condutoras. Da mesma forma que no material isolante, mas de maneira inversa, quanto mais afastado no núcleo está o elétron, melhor condutor será o material. Em qualquer material sólido, podemos descriminar esta "distancia" assumida pelos elétrons (que são os níveis de energia) como o que chamaremos de bandas de energia.

Podemos observar que na estrutura de bandas acima, os elétrons podem assumir dois níveis : - O nível inferior onde o elétron está preso por ação de uma força ao núcleo e o nível superior onde o elétron pode circular livremente de modo a tornar o material condutor. Existe entre estes níveis uma região onde o elétron não pode permanecer, é a chamada região proibida ou simplesmente GAP. Quanto maior o gap do material, menor a possibilidade do material de tornar-se condutor. Vamos observar as diferenças entre um isolante e um conduto

Como podemos notar , nos materiais condutores praticamente não existe um gap definido, porque as bandas de condução e valência se confundem umas nas outras. Já nos materiais isolantes o gap é muito grande e os elétrons que estão na banda de valência têm que superar um obstáculo muito grande para atingir a banda de condução. Este aspecto basicamente define as diferenças entre as propriedades condutoras ou isolantes de um sólido qualquer. Mais adiante veremos que um material semicondutor tem características bem definidas com relação às bandas de valência e condução e que o dimensionamento do gap é muito importante nesses materiais. 3.2 - GRANDEZAS FÍSICAS E ELÉTRICAS Pode ser definido como grandeza, de um modo geral tudo aquilo que pode ser atribuído a uma certa quantidade e dessa forma tornar-se mensurável, ou seja, qualquer coisa que represente um valor ou uma quantidade definida em uma certa unidade de medição é uma grandeza. São exemplos de grandezas : - Velocidade -Aceleração - Pressão - Intensidade de luz - Calor E todas essas grandezas podem ser medidas e associadas a uma unidade, por exemplo : - A velocidade é medida em metros por segundo (m/s). - A aceleração é medida em metros por segundo ao quadrado (m/s²). - A pressão pode ser medida, por exemplo, em milímetros de mercúrio (mmHg).

São esses apenas alguns exemplos de uma infinidade de grandezas que existem. Passaremos agora a discutir com ênfase uma série de grandezas que fazem parte do rol das grandezas elétricas fundamentais. MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DE GRANDEZAS : Muitas vezes uma grandeza assume valores muito grandes ou muito pequenos, tornando inviável a sua representação na unidade corrente. Dessa maneira, existem alguns "multiplicadores " que ajudam a representar os valores das grandezas de forma mais "agradável". Vejamos alguns múltiplos e submúltiplos fundamentais em eletrônica : MÚLTIPLOS : Unidade Símbolo Multiplicar por : Kilo K 1.000 Mega M 1.000.000 Giga G 1.000.000.000 SUBMÚLTIPLOS : Unidade Símbolo Multiplicar por :

mili m 0,001 micro µ 0,000001 nano n 0,000000001 pico p 0,000000000001 Exemplos : 0,002 V = 2 mV 1000 g = 1Kg 3.3 - TENSÃO, CORRENTE E RESISTÊNCIA ELÉTRICA TENSÃO ELÉTRICA : Podemos definir a tensão elétrica em um circuito como sendo a diferença de potencial entre dois pólos distintos. Em todo circuito elétrico é necessário a existência de uma fonte de tensão (ou fonte de corrente em alguns casos, como veremos mais adiante) para fornecer energia ao circuito. No S.I (Sistema Internacional) a tensão elétrica, cujo símbolo é a letra U, é medido em volts (V). A notação dessa grandeza deve ser feita da seguinte maneira : U = 380 V onde : U - é a grandeza tensão 380 - é o seu valor numérico V - é a unidade em que o valor foi medido (volts) Muitas vezes, para efeito didático, considera-se a letra V como sendo o símbolo da tensão. No nosso caso utilizaremos a notação V, (pelo motivo citado anteriormente) muito embora a notação U seja a recomendado ao utilizarmos as unidades no SI.

TENSÃO ALTERNADA, CONTÍNUA , MÉDIA , EFICAZ E DE PICO : Tensão alternada : É aquela que varia no tempo, ou seja, é o tipo de tensão que descreve uma função que varia de valor com o passar do tempo. A mais comum das tensões alternadas é a tensão senoidal, que assume uma infinidade de valores no decorrer do tempo. É importante notar que uma tensão alternada oscila em uma determinada frequência. Tensão contínua : Pode ser definida como a tensão que descreve uma constante, ou seja, seu valor não varia ao longo do tempo. Notar, portanto, que uma tensão contínua não "tem" frequência. TENSÃO DE PICO : Vamos considerar a figura abaixo : Esta onda senoidal é um gráfico do tipo : v = Vp sen θ onde : v = tensão instantânea Vp = Tensão de pico θ = ângulo em graus Observe que a tensão aumenta de zero até o máximo positivo em 90°, diminui para zero novamente 180° , atinge um máximo negativo em 270° e volta a zero em 360°. O valor de pico é o máximo valor atingido em cada semiciclo. O valor de pico a pico desse sinal ( ou de qualquer outro ) é a diferença entre o seu máximo e mínimo algébrico : Vpp = Vmax - Vmin Para a senóide acima, o valor de pico a pico será portanto de : Vpp = Vp - (-Vp) = 2Vp , ou seja, o valor de pico a pico de uma onda senoidal é o dobro do valor de pico. VALOR DE TENSÃO EFICAZ (RMS) : Se uma tensão senoidal aparecer através de um resistor , ela produzirá uma corrente senoidal em fase através do resistor ( como firmaremos mais adiante ) . O produto da tensão instantânea pela corrente dá a potência instantânea, cuja média durante um ciclo resulta numa dissipação média de potência (também este tópico será melhor discutido adiante). Em outras palavras, o resistor dissipa uma quantidade constante de calor como se houvesse uma tensão contínua através dele. Podemos definir o valor rms de uma onda senoidal , também chamado de valor eficaz ou valor de aquecimento como a tensão contínua que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal . Matematicamente, a relação entre a tensão rms e de pico é a seguinte : Vrms = 0,707 Vp VALOR MÉDIO DE TENSÃO : O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero, porque a onda senoidal é simétrica, ou seja, cada valor positivo da primeira metade é compensado por um valor igual negativo. Veremos mais adiante, após o estudo de circuitos retificadores, como obter um valor médio de tensão a partir de uma onda senoidal retificada. MEDIÇÃO DE TENSÃO CONTÍNUA E ALTERNADA COM O MULTÍMETRO : Quando utilizamos um multímetro para medições de tensão em cc , o valor obtido será sempre o valor médio da tensão, ou seja, um multímetro em escala de tensão cc mede valores médios. Quando utilizarmos um multímetro para medições de tensão ac, o valor obtido será sempre o valor eficaz de tensão, ou seja, um multímetro em escala de tensão ac mede valores em rms. Na prática isso significa que se medirmos com um multímetro um valor de tensão cc e um valor de tensão ac iguais, ambas as tensões produzirão sobre um mesmo resistor a mesma dissipação de potência. TENSÃO EM CIRCUITOS TRIFÁSICOS SENOIDAIS : Uma particularidade dos circuitos trifásicos é que a fase de cada senóide fica defasada uma das outras em 120°, de modo que cada fase assume valores instantâneos diferentes no mesmo instante, o que resulta em um valor de tensão eficaz entre fases distinto do circuitos monofásicos.

A tensão de cada fonte geradora é de 127 V, de modo que nessa configuração, chamada configuração em estrela, a tensão de cada fonte independente, medida entre sue terminal e o terra será também de 127V. Vamos chamar essa tensão entre fonte e terra de tensão de fase . Agora se medirmos a tensão através de duas fontes geradoras, por exemplo entre os pontos A e B, notaremos que a tensão não será o dobro de 127V ( ou seja 254V) porque existe uma diferença de fase entre cada fonte geradora de 120°, resultando em um valor de tensão que leva em conta não só a amplitude de cada fonte mas também a sua fase. No caso do nosso exemplo, a tensão medida, por exemplo entre os pontos A e B, será de 220V. Chamaremos a essa tensão entre fontes de tensão de linha . A relação entre tensão e fase ( Vf ) e tensão de linha ( Vl ) é aproximadamente a seguinte : Vl = Vf x 1,732 Sendo que a constante 1,732 é a aproximação da raiz quadrada de três. Essa noção de tensão de linha e tensão de fase será imprescindível nos tópicos posteriores quando discutiremos corrente e potência em circuitos trifásicos. Por fim, será importante ter em mente que em circuitos trifásicos em configuração triângulo a tensão de saída será sempre a tensão de linha, pois Vl = Vf

FONTE DE TENSÃO IDEAL :

Uma fonte de tensão ideal ou perfeita produz uma tensão de saída que não depende do valor da resistência de carga. Desse modo, uma fonte de tensão ideal é aquela que tem uma resistência interna igual a zero. Nas fontes de tensão reais, no entanto, não é possível obter-se uma resistência interna nula. À resistência interna de uma fonte chamamos de resistência intrínseca. Dependendo da aplicação que faremos de uma determinada fonte, sua resistência intrínseca deve ser levada em conta. Esquematicamente a resistência intrínseca deve ser colocada em série com a bateria. A figura abaixo ilustra uma bateria real e uma bateria ideal :

Notar a resistência em série com a bateria no circuito real . A CORRENTE ELÉTRICA : DEFINIÇÃO DE CORRENTE ELÉTRICA : Podemos definir uma corrente elétrica como sendo o fluxo ordenado de elétrons por um meio condutor. De fato, ao submetermos um material condutor a uma diferença de potencial, os elétrons fluirão do ponto de maior concentração de elétrons para o ponto de menor concentração com sentido ordenado. O deslocamento dos elétrons pelo circuito recebe o nome de fluxo ( que é de fato a corrente ). Esse fluxo pode ser chamado de fluxo convencional ou fluxo eletrônico. A diferença entre fluxo convencional e eletrônico pode ser ilustrado com a figura abaixo : No fluxo eletrônico a corrente flui do pólo negativo da bateria para o positivo, pois é o que ocorre realmente, afinal o pólo negativo possui grande concentração de elétrons, enquanto que o pólo positivo é carente de elétrons. O fluxo ocorre justamente para que haja um equilíbrio entre os pólos. No fluxo convencional a corrente flui do pólo positivo para o negativo, de modo que esse sentido não condiz com a realidade. No entanto, para efeito prático e didático o fluxo convencional é largamente utilizado. No nosso caso, a partir de agora utilizaremos o fluxo convencional, salvo menção em contrário. No S.I a corrente elétrica , cujo símbolo é I, é medida em ampéres ( A ).

A notação dessa grandeza deve ser feita da seguinte maneira :

I = 10 A onde :

I - é a grandeza corrente 10 - é seu valor numérico A - é a unidade em que o valor foi medido ( ampéres