O Porquê Acende!
Temos na figura abaixo o desenho elétrico de uma célula voltaica ("pilha") com dois fios saindo dela e indo até uma pequena lâmpada incandescente, no interior do desenho temos um outro o qual chamamos de esquema elétrico onde se utilizam símbolos.
Imaginando que tudo está funcionando teremos o efeito da luz e calor produzidos na lâmpada. Mas por que a lâmpada acende? Porque tem eletricidade passando por ela! Sim o efeito traz ao conceito de que o movimento dos elétrons é que gera isto, luz e calor.
Por agora nos deteremos em organização, todas as questões já fervilhando no cérebro devem ser colocadas no caderninho de anotações e depois dar asas a elas.
Aparecem símbolos nos desenhos e estão coloridos, isto não é em vão é para ser didático, fácil de vendo compreender.
A pilha fornece "força" elétrica a qual chamamos de Tensão cujo símbolo é V de Volts, este tem um vetor ("seta") indicando direção e sentido da força dos elétrons (Observe que a cor é azul).
A pilha fornece "quantidade" de eletricidade a qual chamamos de Corrente Elétrica cujo símbolo é I de Amperes, também temos o vetor indicando direção e sentido do movimento dos elétrons (Observe que a cor é vermelha).
O esquema elétrico com os respectivos símbolos do circuito também levam os vetores V e I que foram suprimidos para facilitar a clareza do desenho.
Aos que estão tendo um primeiro contato com toda esta informação aconselho um descanso antes de continuar.
Continuando!
Vamos fazer uma pergunta! Em fim por que a lâmpada acende? Ahhh diriamos de saída: é porque ela possui uma resistência! Certamente que sim, mas como?
Chegamos a primeira lei da eletricidade: A lei de Ohm. Ela diz que a Resistência elétrica em um condutor (filamento da lâmpada) é a razão entre a Tensão nos seus extremos e a Corrente que passa por ela; assim: R = V / I
Definindo numericamente esta equação teremos: 1 Ohm = 1 Volt / 1 Ampere
O Ohm tem o símbolo da letra grega ômega (W).
!! PAUSA !!
Aos que já possuem conhecimento apenas colocarei alguns itens abaixo para que saibam o que breve abordaremos.
O que provoca este fenômeno da resistência?
Por que a resistência na lâmpada brilha e emite calor?
Existem dois tipos de sentido para os vetores da eletricidade, o convencional e o real. Quem é quem? E por que disso?
Por que o fio conduz eletricidade?
O que é eletricidade?
Por que a "pilha" tem a capacidade de gerar eletricidade?
Vamos para uma pequena prática de campo!
Estamos com uma vela em um motor 2T (glow) e com o voltímetro medimos a tensão sobre a vela de 1,10V vinda de uma célula de NiCd. Medimos a corrente e registramos 2,3A. Se quisermos saber a resistência do filamento em funcionamento (fulgurando, acesa...) utilizamos estes valores na equação de ohm:
R = 1,10 / 2,30 => R = 0,48 W Isto é um exemplo.
No caso acima a vela do motor ficou no lugar da lâmpada do circuito estudado. Porquê Acende II
No capítulo anterior tivemos o primeiro contato com um circuito elétrico, normas e a Lei de Ohm.
Para continuarmos sem muitas dúvidas básicas, passaremos pela etapa mais elementar do nosso estudo: O Átomo.
Átomo: Parte mais elementar de uma matéria (ex.: átomo do cobre) que possui um núcleo que pode conter dentro dele além do Próton o Neutron, girando ao redor do núcleo teremos o Elétron.
Em uma comparação clássica utilizamos o sistema solar para iniciar o estudo do átomo.
Imaginemos o sistema solar simplificado no desenho abaixo:
Temos em amarelo o Sol como sendo o Núcleo e os Planetas sendo os Elétrons orbitando em torno do núcleo.
Por que os planetas não saem pela tangente ao movimento (abandonam a órbita em torno do Sol)?
Sabemos que os planetas se mantém orbitando, "circulando", em torno do núcleo (Sol) devido a forte força de atração gravitacional que o sol exerce sobre eles. Mas se pensarmos nos planetas que estão mais distantes, como Netuno, Plutão, teremos uma conclusão muito interessante: Eles estão orbitando em torno do sol mas com uma força de atração gravitacional pequena em comparação com Mercúrio ou Venus que estão bem pertos do sol. Assim se pudéssemos dar "um chute" em Plutão, ele sairia de órbita e iria pelo espaço a fora! (Ele, Plutão ganhou energia de movimento pelo chute.). Porém se déssemos este mesmo "chute" em Vênus nada aconteceria, teríamos o pé quebrado porque Vênus está muito próximo do núcleo assim está fortemente atraído.
Voltando para o átomo:
Vamos pensar em alguns materiais como malacacheta e ferro: Sabemos que todos dois são encontrados na natureza e que possuem características elétricas muito diferentes. Obs.: Malacacheta é o mesmo que Mica. A Mica é utilizada como isolante elétrico e o ferro conduz eletricidade. Com a comparação do sistema solar compreendemos que a mica tem seus elétrons que estão nas últimas órbitas (longe do núcleo) fortemente atraídos pelo seu núcleo e ao contrário o ferro não tem tanta força de atração pelo seu núcleo aos elétrons da última órbita.
Vejamos um pedaço de fio de cobre com um zoom à nível atômico:
Observem: 
Imaginemos este pedaço do fio de cobre a nível atômico onde iremos analisar apenas cinco átomos do cobre e em cada átomo veremos apenas a última órbita onde tem um elétron circulando.
Vamos à um conceito fundamental: O elétron é quem está se movendo, não só em torno do seu núcleo mas também indo para os átomos vizinhos para completarem o que chamamos de quantidade equilibrada de elétrons para o elemento químico. Em fim, com este movimento teremos o que chamamos de uma rede cristalina equilibrada, mas observe que os elétrons estão se deslocando em todo o tempo. Este deslocamento possui um vetor final de movimento igual a zero, por isto dizemos que está em equilíbrio. Já pensou se não fosse zero? Teríamos elétrons saído de dentro do fio e acabaria não sendo mais o Cobre pois ele existe porque é o resultado do número certo de elétrons, prótons e neutrons.
Assimilar o que está acima não é tão rápido nem tão óbvio pois muitas interrogações
temos quando deste primeiro contato participamos.
Aplicando a teoria acima em um circuito elétrico!
Observem o circuito abaixo: É uma fonte de energia ("pilha") ligada de um polo a outro por um fio de cobre e neste intervalo observaremos um pedaço dele com o zoom. (Obs.: Este é um exemplo didático pois à esta ligação chamamos de curto-circuito e ela nem sempre é desejada).
O que vemos estar acontecendo aqui é: O movimento dos elétrons dentro do condutor! Como isto ocorre? Ocorre porque a fonte de energia ("pilha", Fonte DC) possui do lado positivo grande quantidade de elétrons precisando ir para o lado negativo onde existe a mesma grande quantidade de falta de elétrons. Por agora não questionaremos ainda sobre a fonte, somente o fio com o movimento dos elétrons.
Conforme vimos que Plutão "poderia ser tirado de órbita com uma pequena força, um chute" assim estes elétrons que estamos vendo na última camada estão fracamente ligados ao núcleo e por isto vindo um elétron da fonte, este o "empurra" para ele ir para o polo negativo. Este polo negativo da fonte tem o que chamamos de força de atração para o elétron e o polo positivo tem a força de empurrar os elétrons. A esta força damos o nome de Tensão V (Volts).
No desenho vemos que quatro elétrons estarão se deslocando, porém, um atrás do outro! Assim temos que a quantidade de elétrons se deslocando é de um de cada vez! Melhorando, estamos todos em fila para pagar no caixa uma quantia, sendo assim teremos um fluxo de pessoas andando em direção ao caixa e que este fluxo esta sendo de um em um, então temos o exemplo mais simples de corrente elétrica I (Amperes): É o movimento dos elétrons!
Temos muito que estudar ainda para responder questões que coloquei no cap. anterior. Vamos continuar com um pouco de cada vez.
Porquê Acende III
Neste capítulo iremos dar sequência a Lei de Ohm e aos instrumentos de medida das variáveis.
Podemos montar uma pirâmide com as unidades em seu interior, facilitando o desenvolvimento da fórmula que vimos no cap. I:
Tiramos desta pirâmide as três fórmulas que utilizamos constantemente em eletricidade:
1a.=> V = R . I 2a.=> R = V / I 3a.=> I = V / R
Ilustrando um pouco mais, sem ainda entrar profundamente na questão, vamos pegar o cortador de isopor* e fazer uma prática:
Temos um cortador de isopor. Imaginemos que com o cortador ligado medimos uma corrente de 1,3 Amperes e a tensão medida foi de 12 Volts. ( Esta corrente e tensão para nosso exemplo é contínua, vindo de uma bateria de 12V,...). Assim podemos comprar a quantidade de fio pela medição da resistência elétrica dele, vejamos:
R = V / I => R = 12 / 1,3 => R = 9,23W (ohms) Se chegarmos em uma loja para comprar o fio de níquel-cromo com um medidor de resistência, observaremos que o comprimento deste fio para 9,23 Ohms variará em função da sua espessura (área da seção transversal). Mais adiante veremos esta teoria!
Como meço a tensão, corrente e resistência em um circuito?
Temos três aparelhos distintos para fazer isto (existem aparelhos que chamamos de multímetro e possui estas três funções incorporadas).
Vejamos o Voltímetro: Ele é capaz de indicar numa escala ou display, pré calibrado, o valor da Tensão entre dois pontos. Ele é ligado em paralelo com o componente onde se quer medir.
Observe o símbolo de Resistência (pode ser um fio de níquel-cromo, lâmpada, motor, resistor,...), assim o voltímetro estará medindo corretamente.
Teoria: Quando os elétrons se deslocam passando por um corpo, este produzirá uma força contrária (Volts) a que está dando origem. Também é de sentido contrário a corrente I do circuito. O Voltímetro é um aparelho muito sensível e a quantidade de corrente que ele absorve do circuito para fazer a medição é desprezível!
Vejamos o Amperímetro: Ele é capaz de indicar numa escala ou display, pré calibrado, o valor da Corrente (fluxo, quantidade de elétrons) que passa pelo circuito. Ele é ligado em série com o componente que se quer saber o valor de Amperes que passa.
O Ohmímetro: Ele é um equipamento destinado a medir resistência elétrica (Ohms), assim ele possui internamente uma fonte de tensão (uma ou mais pilhas). Para se medir o valor da resistência é necessário que ela esteja fora do circuito ou pelo menos uma perna dela. O aparelho possui uma escala pré-calibrada usando ponteiro ou display.
Conforme o circuito a cima vemos que o ohmímetro não sofrerá nenhuma influência do restante do circuito pois uma das ponteiras estará ligada apenas no resistor em questão.
Porquê Acende IV
Potência Elétrica
Este item de nosso estudo é de grande importância pois está diretamente ligado a todos os tipos de potência que utilizamos. Podemos relacionar a potência de um motor dois tempos com a potência do motor de partida elétrico, a potência de um gerador elétrico com a de lâmpadas. Por tanto se trata de algo do nosso dia a dia.
James Watt (1736-1819) foi um inventor escocês do qual temos a Máquina a Vapor e como esta máquina realiza um trabalho (exemplo o trem a vapor, as usinas termo-elétricas...) passou-se então a denominar de Potência à este trabalho. À este trabalho realizado em um certo tempo foi dado nome de Watt.
Quando temos uma lâmpada acesa, esta desenvolve trabalho que em geral é o de iluminar e aquecer. Eletricamente falando sabemos que sobre a lâmpada temos duas componentes elétricas atuando: Tensão (Volts) e Corrente (Amperes). Assim ficou definido que 1 Watt é quando sobre um dispositivo tivermos 1 Volt de tensão e 1 Ampere de corrente passando. Veja a figura abaixo:
Nesta figura temos um motor que sobre ele atua uma tensão VM e passa por ele uma corrente I.
Se VM = 1 Volt e I = 1 Ampere teremos uma potência desenvolvida nele de 1 Watt! Observe que a fonte VB produz energia para este motor, assim, esta fonte gera tensão de 1 Volt entregando uma corrente de 1 Ampere, logo concluímos que esta fonte está fornecendo 1 Watt de potência!
Podemos fazer um triângulo com as unidades em seu interior:
Vejamos as três fórmulas tiradas daqui:
1a.=> P = V . I 2a.=> V = P / I 3a.=> I = P / V
Foi verificado então que 736 Watts é igual a um Cavalo-Vapor, o que não vamos entrar no mérito da questão por agora.
Temos, porém, que o Horse Power é um pouco diferente: 746 Watts é igual a um HP.
Para exercitarmos esta teoria, vamos pensar neste modelo: Um motor 4 Tempos desenvolve uma potência de 46 HP. Se a transferência de potência fosse de 100%, quantos watts poderíamos gerar se acoplássemos nele um gerador de 115 Volts?
Potência do motor = 46 HP
Potência do motor em Watts: P = 46 . 746 => P = 34.316 Watts => P = 34,316 KWatts !
Para avançarmos mais um pouco, qual seria a corrente máxima que entregaria?
I = P / V => I = 34.316 / 115 => I = 298,4 Amperes
Só para comparar estas grandezas: Um motor de automóvel pode desenvolver esta quantidade de potência, imagine se o motor nele tivesse que ser substituído por um elétrico?
Porquê Acende V
Gerando Eletricidade
Existem diversas formas da eletricidade ser gerada. Para nós aeromodelistas uma das mais utilizadas é a eletroquímica, isto devido ao fato de estarmos sempre lançando mão das "pilhas", acumuladores recarregáveis seja para a vela "glow" seja para o motor de partida, no rádio transmissor, receptor ..., em fim, vamos dar uma estudada nesta fonte de energia!
As reações químicas geram elementos químicos em desequilíbrio e assim teremos na reação elementos com excesso de elétrons e elementos com falta de elétrons, à estes elementos damos o nome de íons.
Importante é definir que há geradores eletroquimicos recarregáveis e há os que não são recarregáveis.
Os não recarregáveis sofrem uma reação interna onde os elementos não voltam ao seu estado inicial numa carga; ex.: "pilhas de zinco".
Vamos dar uma olhada nos acumuladores recarregáveis de chumbo-ácido (bateria de automóvel).
Compostos de placas de chumbo imersas em solução de água + ácido sulfúrico, tornam-se simples e eficientes.
Observando as duas placas, notamos que uma é de cor cinza pois se trata do chumbo esponjoso (Pb) e a outra cor-de-chocolate pois se trata do chumbo peroxidado (PbO2). Neste caso dizemos que a bateria está carregada. Mas como ocorreu isto? Sim, iniciamos de uma bateria pronta pois se torna mais didático: Vamos acompanhar a:
Descarga da bateria
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4
1- Bateria carregada, Chave 1 desligada (lâmpada apagada).
2- Instante em que ligamos a chave. Inicia a reação química e haverá corrente elétrica I.
3- Reação química está ocorrendo entregando elétrons para a lâmpada, formando água no recipiente e as duas placas estão tendendo a se tornarem iguais (PbO).
4- A reação química cessa, não há mais geração de eletricidade e as placas ficam iguais. Estão descarregadas.
Obs.: Veja que a corrente elétrica (I) está simbolizada deslocando-se do polo negativo para o positivo! (Esta se chama corrente de sentido eletrônico, que é oposta da que usamos convencionalmente. Trataremos disto depois.)
E na carga, como se procede e ela ocorre quimicamente?
Carga da Bateria
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1- Bateria descarregada já com uma fonte externa para fornecer a carga, basta ligar a chave 2 e neste estudo iremos desligar Ch1.
2- Ligando Ch2 a fonte externa começa a injetar elétrons pelo polo negativo da bateria e retirar elétrons do polo positivo. Esta corrente elétrica provoca a liberação de Hidrogênio na placa positiva e libera Oxigênio na placa negativa, estes reagem e formam água, porém, com o fluir de elétrons de uma placa para a outra o Oxigênio que estava combinado com o chumbo (PbO) na placa negativa é atraído para a placa positiva e recombinando com o PbO surge o PbO2.
3- Vemos que a carga já ocorreu, porém a corrente elétrica ainda existe. Por que ocorre isto? O que causa isto?
Como sabemos o ácido sulfúrico é um condutor de eletricidade, por isto mesmo ele está aí, para que haja este movimento de íons dentro do líquido (eletrólito) mas com a passagem dos elétrons teremos a liberação dos gases Hidrogênio e Oxigênio (eletrólise) levando o nível de água da bateria baixar, vejamos:
1 2 3 4
Observe que o nível da água da figura 3 para a 4 baixou, pois o H2 e o O foram liberados, o ácido não se perde pois o SO3 recombina com a água formando o ácido sulfúrico novamente.
Devido a esta perda de água é que nos leva sempre a completarmos o nível com água pura (deionizada e desmineralizada).
É importante observar que os gases que saem são inflamáveis e explosivos, assim não é recomendável recarregar a bateria em lugar fechado. Por um processo de carreamento provocado pelas bolhas de hidrogênio e oxigênio poderemos ter um pouco de partículas de ácido sulfúrico saindo junto, o que sulfata os bornes das baterias e corroe materiais ao redor dela.
Porquê Acende VI
Resistores
O que são resistores? São componentes elétricos que oferecem "resistência" à passagem de energia elétrica (corrente) e geram calor como transformação de energia => A "resistência" provocada à passagem dos elétrons causa aquecimento interno.
O que é resistência elétrica? É o efeito gerado pelo resistor.
O resistor é extremamente utilizado em eletro-eletrônica pois ele pode dividir tensões, limitar o valor de corrente para uma dada tensão, pode gerar calor, pode ser sensível ao calor, pode ser sensível à luz, sensível a pressão, ....
Como trabalhar com a Lei de Ohm para estes diversos resistores e principalmente se tratarmos de vários interligados mesmo sendo todos do mesmo tipo ou aplicação?
Vejamos: Temos duas formas básicas de conduzir a eletricidade por um circuito. Ou ela segue direto por um condutor ou pode seguir por dois ou mais condutores, que chamamos de ramos. Veja abaixo as seguintes lâmpadas no circuito:
A corrente Icc ( Icc = Icorrente contínua) podemos dizer que é a que está sendo conduzida por um único condutor. Vemos três lâmpadas ligadas à fonte Vcc e notamos que para cada uma existe uma corrente IA, IB, IC que dependem do tipo de cada lâmpada (potência, resistência). A fórmula matemática é bem objetiva:
ICC = IA +IB +IC Dizemos então que cada ramo ("galho da árvore") é composto de uma
lâmpada e tem uma corrente própria e independente do outro ramo.
E quanto a Tensão Vcc nos ramos?
Vcc = VA = VB = VC Observamos imediatamente que as tensões são iguais pois os
elétrons vindos da fonte não passam por nenhum obstáculo que
venha a diminuir a tensão (força dos elétrons).
Quando ocorre este fato de termos componentes elétricos ligados desta forma, dizemos que eles estão em Paralelo.
Observemos uma outra situação como abaixo:
Percebemos que a corrente (Icc) que sai da fonte (Vcc) é a mesma que percorre todo o circuito, passando pelas três lâmpadas. Assim:
Icc = IA = IB = IC Isto ocorre porque os elétrons só têm um caminho, então Icc da Fonte "enxerga" todo o circuito como um só. Vamos analisar o Vcc:
Vcc = VA + VB + VC As tensões se dividem pois cada lâmpada estará se opondo à passagem dos elétrons conforme a sua resistência interna.
Quando temos um circuito onde a corrente só tem um caminho para percorrer e neste há mais de um componente dizemos que estes componentes estão em série.
Deixemos os desenvolvimentos matemáticos para um momento posterior!
Porquê Acende VII
Associação de Resistores
Série
Tivemos um primeiro contato com as duas formas básicas de ligarmos os resistores, em Paralelo e em Série. Precisamos agora entender um pouco da matemática nestas associações para que possamos utilizar na prática este conhecimento já adquirido que ao final poderá trazer para muitos um prazer grandioso em solucionar problemas eletro-eletrônicos do dia-a-dia.
A matemática é simples, bastando seguir sempre uma lógica de raciocínio.
Vamos iniciar calculando o valor dos resistores quando ligados em série!
Temos dois circuitos iguais, o primeiro com os símbolos do multímetro nos diversos pontos importantes de medição e o segundo apenas com os símbolos do que deveremos medir com o multímetro, assim o circuito se torna mais simples.
Vamos aos cálculos, eu fornecerei os valores medidos:
Medimos a nossa bateria com o voltímetro e tivemos 9,6Volts => Vcc = 9,6V
Com o amperímetro medimos uma corrente de 0,86A => Icc = 0,86A
Com o voltímetro na posição V1 medimos uma tensão em cima de R1 de 3,4V => V1= 3,4V
Não há necessidade de medirmos V2 pois relembrando Vcc = V1 + V2 , então V2 será de?
9,6 = 3,4 + V2 assim => V2 = 9,6 - 3,4 certo??!! entenderam??, joga V2 pra lá, traz 9,6 prá cá e inverte os sinais... se tiverem dúvidas é só perguntar! salotto@uol.com.br
Continuando ====>
V2 = 6,2V Se quiserem medir verão que o valor no multímetro será este.
Sim, mas e daí? Bom então agora temos como saber o valor de cada resistor, pegando lá pelo triângulo ou pirâmide, R = V / I , então:
R1 = V1 / I observe que o I é um só! => R1 = 3,4 / 0,86 => R1 = 3,95W
Vamos calcular R2 => R2 = V2 / I => R2 = 6,2 / 0,86 => R2 = 7,2W
Em fim, calculamos os valores dos dois resistores sem precisarmos tirá-los do circuito e medí-los com ohmmímetero.
É preciso saber calcular, pois o Porquê Acende não se propõe tão somente simplicidade, quando começarmos a eletrônica é importante que já estejamos com um bom traquejo para caminharmos mais seguros.
Neste capítulo deixo apenas um circuito para treinamento de campo:
Calcular o valor de V1, V2, Icc.
"A simplicidade é o segredo para os grandes adventos"
Porquê Acende VIII
Associação de Resistores
No capítulo anterior deixamos a seguinte prática de campo:
e desejávamos calcular V1, V2, Icc.
Para termos o calculo segundo as normas dos sentidos dos vetores, vamos inverter o sentido das setas de V1 e V2, pois sendo tensões geradas sobre as cargas, elas fica no sentido contrário ao vetor tensão da fonte:
Vamos calcular!
Temos a fórmula básica V=R.I, e temos no circuito os valores de R1, R2 e Vcc; mas observem que para acharmos V2 e V1 precisamos de Icc, pois V2=R2.Icc. Observamos que quando a tensão da fonte "olha" o circuito, ela "vê" apenas uma resistência total. Quando nós olhamos o circuito, vemos que a corrente Icc é uma só, pois passa por um resistor e depois pelo outro, assim concluímos que estes resistores estão em série.
Concluímos que o circuito pode ser substituído pelo seu equivalente:
Então teremos RT= 150 + 47 => RT= 197W
Com a resistência total poderemos calcular o valor de Icc:
Icc= VT / RT; observamos que VT é igual em módulo a VCC. Vejamos:
Icc= 12 / 197 => Icc= 0,061Amperes (aproximado pela calculadora)
Calculando os valores de V1 e V2:
V1= R1.Icc => V1= 150 . 0,061 => V1= 9,15V
V2= R2.Icc => V2= 47 . 0,061 => V2= 2,86 (O valor 2,86 está aproximado pela calculadora, pois sabemos que V1 + V2 = VCC )
Assim conferindo: Vcc = 9,15 + 2,86 => Vcc= 12V
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