AULA 5 - Eletricidade Básica - FIC

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CARGA HORÁRIA: 5 h
CARGA HORÁRIA TEÓRICA: 2 h CARGA HORÁRIA PRÁTICA: 3 h

MATERIAIS

Por aluno:

• 1 multímetro
• fonte de tensão CC
• matriz de contatos
• resistores variados
• Condutores diversos: fios, jumpers, cabos com garras jacaré, um prego, linha de costura condutiva, fitas condutivas (cobre e tecido de prata), papel laminado, lápis grafite
• Chaves diversas (reed, táctil de pressão, duas posições)
• Potenciômetros
• LDRs
• Termistor

METODOLOGIA

• Exposição dialogada dos conteúdos disponíveis, em projetor multimídia.
• Navegação assistida em outros sites e portais, de conteúdos relacionados.
• Montagens práticas e desenvolvimento em computador de aplicativos.
• Testes de verificação e validação.

RESISTÊNCIA ELÉTRICA

Todos os materiais possuem resistência elétrica, uns mais, outros menos. )s chamados bons condutores de eletricidade também apresentam resistência elétrica, mas de baixo valor.

Os isolantes, por sua vez, por impedirem a passagem da corrente elétrica, são elementos que apresentam resistência muito alta.

Quanto ao significado físico de resistência elétrica, podemos dizer que advém da estrutura atômica do elemento em questão. Isso quer dizer que um material que possua poucos elétrons livres dificultará a passagem da corrente, pois essa depende dos elétrons livres para se processar (nos sólidos).

No entanto, também os bons condutores de eletricidade apresentam uma certa resistência elétrica, apesar de terem elétrons livres em abundância. A explicação para essa oposição à passagem da corrente elétrica nesses materiais é que apesar de existirem elétrons livres em grande número, eles não podem fluir livremente pelo material, por causa das constantes colisões com os núcleos dos átomos, o que faz com que o seu deslocamento seja dificultado.

Em um condutor filamentar, a resistência depende basicamente de três fatores:

• do comprimento do fio,
• da área da seção transversal do fio, e
• do material.

Experimentos demonstram que quanto maior o comprimento de um condutor, maior sua resistência e quanto maior a seção de um condutor, menor sua resistência. Também pode se provar que condutores de mesmo comprimento e mesma seção, mas de materiais diferentes, possuem resistências diferentes.

A Equação matemática que determina o valor da resistência em função do comprimento, da seção e do material é dada por:

onde:

R: resistência elétrica do condutor em ohms (Ω);

l: comprimento do condutor em metros (m);

S: área da seção transversal em metros quadrados (m²);

ρ: constante do material, que chamamos de resistividade ou resistência específica, em ohm.metro (Ω.m).

Resistividade Elétrica

A resistividade é um valor característico de cada material, e na verdade representa a resistência que um condutor desse material apresenta tendo 1 m de comprimento e 1 m ² de área de seção transversal. A tabela abaixo apresenta o valor de resistividade de alguns materiais:

LEI DE OHM PARA CORRENTE CONTÍNUA

Em 1827, George Simon Ohm demonstrou com uma fonte de fem (força eletromotriz) variável ligada a um condutor que à medida que variava a tensão sobre o condutor, variava também a intensidade de corrente que circulava no mesmo.

Na Figura abaixo, se for aplicada uma tensão V no condutor, surge uma corrente I.

Em seus registros, Ohm percebeu que o quociente entre a tensão e a corrente se mantinha constante.

E a essa constante foi dado o nome de resistência elétrica, sendo representada pela letra R.

Portanto:

onde:

• I: intensidade de corrente em (A);

• V: tensão elétrica em volts(V);

• R: resistência elétrica em Ohms (Ω).

Então, resistência elétrica (R) é o quociente entre a diferença de potencial (V) e a corrente elétrica (I) em um condutor.

O inverso da resistência é uma grandeza chamada condutância.

A condutância representa a facilidade que um condutor apresenta à passagem da corrente elétrica, e é representado por G e sua unidade é o Siemens (S):

Tipos de Resistores

Existem vários tipos de resistores, de várias composições e para vários propósitos:

Tipos de resistores

Os símbolos utilizados para representar resistores comuns são mostrados na Figura abaixo:

Já para outros tipos de resistores, existem várias simbologias:

Simbologia para os tipos de resistores

Para saber um pouco mais sobre os sensores resistivos.

Valores de resistência

Na maioria dos resistores simples, o valor do resistor pode ser identificado através de um código de cores.

Resistores comerciais são identificados na sua embalagem por um código de cores. A maioria dos fabricantes utiliza um código de 4 faixas pintadas no corpo do resistor. Resistores de alta precisão usam um código de 5 faixas:

Alguns valores comerciais padrão:

Resistores SMD (Surface-Mounted Device) são resistores minúsculos de 2mm ou menos usados em circuitos modernos.

Eles não são identificados por cores, mas por três dígitos que representam os números do código.

Por exemplo, um resistor com marcação 104 significa dígitos “1”, “0” e multiplicador “4” (+4 zeros), ou seja, 100kΩ.

Ohmímetro

A resistência dos resistores pode ser medida no multímetro, função ohmímetro, movendo o seletor para a seção “Ω”.

O multímetro permite medir resistências desde alguns ohms até no máximo 2 mega ohms (2 milhões de ohms).

As 5 posições do seletor são suficientes para medir com uma precisão razoável a maior parte dos resistores mais comuns.

Este multímetro não tem precisão suficiente para medir valores de resistência muito pequenas.

 IMPORTANTE! Os resistores não têm polaridade!! Tanto faz medir com a ponteira positiva/negativa em um terminal, ou no outro.

Práticas

Para usar a função ohmímetro do multímetro, a ponta de prova preta deverá estar na posição COM, e a vermelha na posição VΩmA (mesma posição que usamos para medir tensão).

Gire o seletor do multímetro para uma das 5 posições da função ohmímetro (símbolo Ω).

Antes de iniciar, encoste uma ponta na outra. Esta é a resistência do fio, que é muito baixa, praticamente zero (muito menos do que o ohmímetro seria capaz de medir). Seria necessário 50 metros de fio de cobre com 1mm de diâmetro para chegar a 1Ω.

Com as pontas encostadas o multímetro deve mostrar “000”, mas nas mais baixas pode aparecer um valor pequeno, que não é a resistência do fio mas um erro devido à baixa precisão do ohmímetro.

Quando as pontas estão separadas, o valor exibido é sempre “1___” que indica uma resistência maior do que aquela escala é capaz de medir.

O ohmímetro mede resistência até 2000k (2MΩ).

Teste de condutividade

Para verificar se um material conduz eletricidade ou não, você pode fazer um circuito mínimo conectando uma bateria de 3V e um LED usando o material como caminho para fechar o circuito.

É um teste rápido e pode ser feito segurando a bateria, o LED e o material com os dedos.

Nas fotos abaixo acendemos um LED passando corrente por cartolina laminada, papel crepom metalizado e fita adesiva de cobre:

Outra forma de medir condutividade é usando o multímetro. Gire o seletor para a posição 200k da função “Ω”.

Se as pontas de prova forem encostadas em duas posições de um material condutor, o visor deve mostrar o valor “000” (ou valor próximo).

Se for um material isolante, aparecerá um número “1____” alinhado à esquerda, indicando a passagem de pouquíssima ou nenhuma corrente.

1. Experimente com um fio. Use o multímetro na posição 2000k coloque uma ponta de prova de cada lado do fio. O valor deve ser zero ou quase zero, indicando que o fio não oferece nenhuma ou pouquíssima resistência à corrente.
2. Teste a condutividade de diversos materiais: sua roupa, sua pele, sua língua, um prego, linha de costura condutiva, fita de cobre, fita de prata, lápis grafite, uma linha desenhada em grafite numa folha de papel. Os metais geralmente conduzem melhor.
3. Teste algumas chaves. Prenda, usando garras jacaré, as pontas de prova do multímetro aos terminais de uma chave táctil de pressão. O multímetro deve indicar que não há condutividade, mas quando você apertar o botão, o visor deve indicar que o circuito está conduzindo. Teste a chave de duas posições e descubra qual dos lados está inicialmente fechado, e qual está inicialmente aberto usando o multímetro. Quando você mover a alavanca da chave, as posições devem se inverter. Teste a chave magnética reed. Prenda com garras jacaré os dois terminais a pontas de prova do multímetro, que deve indicar um circuito aberto. Aproxime (com cuidado) um imã de neodímio do reed e veja que a chave se fecha, fazendo o circuito conduzir.

Medição de resistência

• Escolha 5 a 10 resistores e meça sua resistência encostando as pontas de prova nos terminais.

• Se ao medir a resistência o multímetro exibir um “1___” à esquerda, e a faixa selecionada não for 2000k, gire o seletor para uma faixa maior até que apareça um valor. Se ainda assim o “1___” for exibido, a resistor tem mais que 2MΩ. Tente, então, identifica-lo pelo código de cores.

• Se o valor for muito pequeno, quase zero (ex: 001, 002) melhore a precisão da leitura girando o seletor para uma faixa menor. Lembre-se que resistências muito pequenas não são medidas com precisão.

• Compare os valores medidos com os valores impressos (através de código de cores) em cada resistor. O valor provavelmente não será exato. As variações se devem à imprecisão do ohmímetro (principalmente nos valores mais baixos), e à tolerância do resistor (principalmente nos valores mais altos).

Você também pode medir a resistência de um desenho. Em uma folha de papel, desenhe uma linha grossa perto da borda da página com uns 5cm de comprimento e 0,5cm de largura. Morda as extremidades do desenho com garras jacaré, e conecte as outras pontas do jacaré nas pontas de prova. Ajuste o ohmímetro até aparecer a resistência. No desenho abaixo, temos 223kΩ de grafite.

Aumente a largura do desenho com o lápis grafite e a resistência deve diminuir, já que a corrente encontrará um caminho mais largo por onde passar. Se você usar um lápis grafite mais mole (ex: 6B ou 9B) poderá desenhar caminhos de poucas centenas de ohms, suficiente para acender um LED.

Resistores em série e paralelo

Você viu que a resistência de um caminho de grafite desenhado no papel com 1cm de largura tem aproximadamente metade da resistência de um caminho com apenas 0,5cm de largura. Isto é porque a corrente tem mais espaço por onde fluir.

É análogo a um encanamento conectado em um sistema hidráulico de alta pressão. Se você adicionar mais canos, a resistência à pressão vai diminuir. Se os canos tiverem diâmetro maior, também. Por outro lado vimos vários materiais cuja resistência aumenta com o comprimento. Por exemplo, meio metro de linha condutiva tem metade da resistência de um metro de linha condutiva.

Usando resistores podemos representar valores de resistência com precisão, e obter valores diferentes de resistência conectando-os em série (somando suas resistências) ou em paralelo (dividindo a resistência proporcionalmente).

Escolha três resistores de mesmo valor (ex: 100Ω ou 1kΩ). Meça seus valores individualmente e depois e conecte-os como mostrado abaixo.

O valor deve ser aproximadamente o triplo. Tente outras combinações de resistores e veja que seus valores se somam.

Agora ponha os resistores em paralelo e veja que o valor de resistência resultante é sempre menor que o valor do menor resistor.

Você pode calcular esses valores. A fórmula para resistores em série é simplesmente a soma de suas resistências:

R = R1 + R2 + R3 + ...

Por exemplo, se R1 for 100Ω, R2 for 470Ω e R3 for 1kΩ, o valor de R será:

R = 100 + 470 + 1000 = 1,57kΩ

A resistência de resistores em paralelo é o seu valor médio. Se forem dois resistores iguais, a resistência será metade. Se forem três iguais, a resistência será 1/3. Se forem diferentes, use a fórmula:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...

Se houver apenas dois resistores, você pode usar uma equação mais simples:

R = (R1 x R2) / (R1 + R2)

Por exemplo, o valor paralelo de 100Ω, 470Ω e 1kΩ será:

1/R = 1/100 + 1/470 + 1/1000 = 0,01 + 0,00213 + 0,001 = 0,01313
 
R = 76,16 Ω

Exercícios

1) Considerando-se que a área de um círculo é dada pela equação S = π.D²/4, onde D = 10 mm é o diâmetro; calcule a resistência R de um cabo de seção circular, de comprimento l é igual a 10 metros.

2) Qual dos cabos de cobre abaixo deve ser usado, o de D1 = 1 mm, ou o de D2 = 2mm, para garantir uma corrente acima de 10 A, se a tensão fornecida for de 32 V, para um circuito cujo comprimento total dos cabos é de 200 m?

Considere π = 3,1416 e ρ_cobre = 1,7.10 ^-8 Ω.m

Solução Exercício 2 - RESISTORES

3) Qual o valor da corrente no circuito abaixo, no qual a fonte de tensão fornece V = 20 V e a Resistência tem o valor de 1 kΩ?

4) Qual o valor da resistência no circuito abaixo, se é sabido que a corrente I é de 40 mA ?

5) No circuito anterior, se a tensão da fonte aumentar para 15 V, qual será o valor da corrente I?

6) Sabendo que a resistência total do circuito é igual a 20 Ω, preencha os valores na tabela para as diferentes tensões da fonte. Em seguida, trace o gráfico correspondente VxI, da corrente em função da tensão.

7) Qual o valor da resistência equivalente à ligação dos três resistores abaixo?

8) Qual o valor da resistência equivalente à ligação dos dois resistores abaixo?

9) Qual o valor da resistência equivalente à associação do paralelo de dois resistores em série, com outros 3 resistores em série, conforme ilustrado na figura abaixo, se R1 = 20 Ω, R2 = 60 Ω, R3 = 15 Ω,R4 = 100 Ω e R5 = 25 Ω?

Fontes Bibliográficas

COMISSÃO TRIPARTITE PERMANENTE DE NEGOCIAÇÃO DO SETOR ELÉTRICO NO ESTADO DE SÃO PAULO - CPN. Eletricidade Básica - Manual de treinamento curso básico segurança em instalações e serviços com eletricidade - NR 10 . Disponível em: https://portalidea.com.br/cursos/9f2909192195f210d6c6fa89c0894301.pdf

Lemes, Andryos da Silva. APOSTILA DE ELETRICIDADE BÁSICA. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, IFSP - CAMPUS DE PRESIDENTE EPITÁCIO. Disponível em:https://pt.scribd.com/document/280039386/Apostila-Eletricidade-Basica

ROCHA, Helder da. Introdução à Eletrônica para Artistas. Apostila de curso livre. 2017. Disponível em: http://www.argonavis.com.br/cursos/eletronica/IntroducaoEletronicaArtistas.pdf.

SAMBAQUI, ANA BARBARA KNOLSEISEN; TAQUES, BÁRBARA OGLIARI. Apostila de Eletricidade. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO - IFSC - CAMPUS JOINVILLE. Joinville, agosto, 2010. Disponível em: http://wiki.itajai.ifsc.edu.br/images/c/c1/Apostila_de_Eletricidade_IFSC_JOINVILE.pdf

Souza, Giovani Batista. ELETRICIDADE. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO - IFSC - CAMPUS ARARANGUÁ. Edição: fev, 2009. Disponível em: https://wiki.sj.ifsc.edu.br/images/e/e6/Aru-2009-Agosto-eletricidade_basica.pdf

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