Eletricidade e Instalações Elétricas. INTRODUÇÃO Espectro eletromagnético.
Introdução a Eletricidade Automotiva
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INTRODUÇÃO HISTÓRICO TEORIA ATÔMICA
Visão geral Matéria e elementos Átomos Processos de eletrização
Tensão elétrica ou diferença de potencial (d.d.p.) Corrente elétrica Resistência elétrica Resistores Associação de resistores
Associação de Resistores em Série Associação de Resistores em Paralelo Associação de Resistores Mista
LEI DE OHM (Ω) Leis de kirchhoff 1ª Lei de Kirchhoff 2ª Lei de Kirchhoff Potência elétrica Potência em cc (corrente contínua)
INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO
Medindo tensão contínua (voltímetro)
Medindo corrente contínua (amperímetro)
Medindo resistências e componentes resistivos
Teste de componentes resistivos e continuidade
CIRCUITOS ELÉTRICOS
Circuito Série
Circuito Paralelo
MAGNETISMO
Campos magnéticos
Eletromagnetismo RELÉ UNIVERSAL
Simbologia e aspecto físico dos relés
Relés de 5 terminais (pinos) BATERIA
Apesar de percebermos os efeitos dos fenômenos elétricos, muitos deles não podem ser visualizados.
Por exemplo: a corrente elétrica não pode ser vista, no entanto podemos sentir seus efeitos, como o choque elétrico, ou ver uma lâmpada acendendo, um motor girando, etc.
A teoria atômica é utilizada para explicar satisfatoriamente os princípios básicos da eletroeletrônica. Vejamos alguns conceitos fundamentais:
Matéria:
É tudo aquilo que ocupa lugar no espaço.
Exemplo: um bloco de aço, um pedaço de madeira, a água em um copo.
Molécula:
É a menor porção da matéria, que conserva suas propriedades.
Exemplo: molécula de água (H2O)
Átomo:
É a menor parte de uma substância elementar que possui as propriedades de um elemento.
Todas as substâncias são compostas de átomos agrupados.
Exemplos:
• átomo do elemento hidrogênio (H);
• átomo do elemento oxigênio (O).
No átomo existem duas regiões: o núcleo e a eletrosfera. O núcleo é formado por dois tipos de partículas atômicas: os prótons, que têm carga elétrica positiva, e os nêutrons, que não possuem carga elétrica. Na eletrosfera se localizam os elétrons, partículas com carga elétrica negativa, que giram em órbitas elípticas ao redor do núcleo.
As cargas negativas dos elétrons são atraídas pelo núcleo, que tem carga positiva devido aos prótons. Essa atração compensa a força centrífuga que tende a afastar os elétrons do núcleo. Dessa forma, os elétrons mantêm o seu movimento ao redor do núcleo.
Normalmente, um átomo tem o mesmo número de prótons e elétrons e, portanto, é eletricamente neutro.
Os elétrons da camada mais externa da eletrosfera, a camada de valência, são atraídos pelo núcleo com intensidade menor. Uma força externa pode fazer com que o átomo perca ou ganhe um ou mais elétrons dessa camada, tornando-se um íon.
Um átomo pode ter de 1 a 8 elétrons na camada de valência.
Os que têm até 3 elétrons nessa camada possuem maior facilidade em perder elétrons.
Os materiais condutores são constituídos de átomos desse tipo.
Nos átomos dos condutores, os elétrons da camada de
valência se deslocam livremente entre os átomos do
material, “saltando” de um átomo a outro
desordenadamente. São os chamados elétrons livres.
Devido à sua presença, esses materiais permitem
facilmente a passagem de uma corrente elétrica.
Como exemplo de condutores, podemos citar os metais
como o cobre, o alumínio, o ouro, e algumas soluções
iônicas, como sais e ácidos.
Os materiais isolantes se constituem de átomos que têm 5 ou mais elétrons na última camada, e têm mais facilidade de ganhar elétrons. Esses materiais quase não possuem elétrons livres, portanto oferecem grande oposição à passagem da corrente elétrica. É o caso da borracha, do vidro, do plástico, etc.
A eletricidade é o conjunto dos fenômenos que envolvem as cargas elétricas, estejam elas em repouso ou em movimento. Quando se trata de cargas em repouso, chamamos de eletricidade estática.
Um dos princípios fundamentais da eletricidade é o princípio de atração e repulsão entre cargas elétricas.
De acordo com esse princípio, as cargas elétricas se apresentam em dois tipos, as positivas e as negativas. As cargas de sinais diferentes se atraem e as cargas de mesmo sinal se repelem (Lei de Du Fay).
A eletrização dos corpos é um dos fenômenos da eletricidade estática. Por meio da eletrização um corpo pode adquirir carga elétrica positiva (ficando com falta de elétrons) ou negativa (ficando com excesso de elétrons).
Denomina-se eletrização o fenômeno através do qual um corpo neutro passa a eletrizado, ou seja:
É o ato de um corpo adquirir ou ceder cargas elétricas negativas quando o mesmo encontrava-se eletricamente neutro.
• Se atritarmos um vidro com um pedaço de lã, o vidro
adquire carga positiva, pois cede elétrons para a lã, que por
sua vez fica carregada negativamente. Borracha
atritada com lã recebe elétrons, adquirindo carga negativa.
Uma diferença de potencial elétrico pode ser gerada em um termopar, uma vez que a
uma variação de temperatura na junção de dois metais está associada
uma tensão elétrica (termoeletricidade).
Uma célula solar transforma energia
luminosa em energia elétrica (fotoeletricidade).
Uma compressão entre as faces de um cristal piezoelétrico, como o
quartzo, cria uma diferença de potencial
elétrico entre elas (piezoeletricidade).
A indução eletromagnética é o meio mais usual de produzir eletricidade. Ela permite a
transmissão, sem contato, de energia elétrica ou magnética, por meio de um condutor submetido a
uma tensão ou de um ímã. Os alternadores de todos os veículos produzem eletricidade segundo
esse princípio.
Uma bateria de acumuladores ou uma pilha seca não acumulam
eletricidade. Produzem eletricidade sob demanda através
de reação química. O que a bateria acumula é energia
potencial das placas, constituídas de materiais
diferentes e de um eletrólito.
Foi um italiano, Alessandro Volta, que descobriu a
chamada pilha de Volta, em torno de 1800. Sua
descoberta, o efeito voltaico, é a consequência da
transformação de energia química em eletricidade.
A idéia de campo elétrico surgiu em 1820, com Michael Faraday, que considerava que uma carga elétrica criava uma alteração no espaço ao seu redor.
O campo elétrico ao redor de cargas elétricas ou de corpos eletrizados exerce influência sobre outras cargas colocadas em sua área de ação, fazendo surgir forças que atuarão nessas cargas.
Pode-se representar o campo elétrico ao redor de cargas puntuais por meio de linhas de força. Estas linhas têm a direção e o sentido da força que age em uma carga de prova positiva colocada no campo elétrico gerado pela carga puntual.
Veja a representação das linhas de força dos campos elétricos gerados por uma carga puntual positiva e uma negativa.
Agora, veja a interação entre os campos de duas cargas puntuais de sinais contrários colocadas lado a lado. Observe a diferença para duas cargas de mesmo sinal.
Você pode observar que as linhas de força comprovam a Lei de Du Fay, ou seja, cargas de sinais contrários se atraem, e cargas de mesmo sinal se repelem.
Entre duas placas carregadas, uma positivamente e outra negativamente, cria-se um campo elétrico uniforme, cuja intensidade é igual em qualquer ponto.
Este campo elétrico concentra energia, pois é capaz de realizar trabalho, provocando o deslocamento de uma carga colocada em sua área de ação. A energia armazenada em forma de campo elétrico é o princípio em que se baseou a criação do capacitor.
Este importante componente estudaremos em um item específico, mais à frente.
A eletricidade dinâmica trata dos fenômenos que
envolvem elétrons em movimento.
Inicialmente, vejamos o significado de algumas
grandezas elétricas principais, que são de
grande importância para a compreensão dos demais
assuntos da apostila.
Potencial elétrico é a quantidade de cargas elétricas
presentes em um corpo.
Se dois corpos têm quantidades
diferentes de carga, e portanto
potenciais diferentes, há entre eles uma diferença de potencial.
A tensão elétrica é a diferença de potencial entre dois corpos ou dois pontos distintos
de um circuito elétrico.
A unidade de medida de tensão, no Sistema
Internacional de Unidades (SI) é o Volt
(V).
Por exemplo, a bateria de um automóvel fornece tensão de 12 Volts.
A tensão que alimenta os circuitos das residências pode ser normalmente de 127 V ou 220 V.
Se unirmos dois corpos com potenciais diferentes, utilizando um condutor, eles tendem a equilibrar- se eletricamente. Para isso, o corpo de maior potencial negativo irá perder elétrons, enquanto que o corpo de menor potencial negativo irá receber elétrons.
Os elétrons livres do condutor entrarão em movimento, passando de um átomo a outro, em direção ao corpo com menos carga.
Assim, a corrente elétrica é o fluxo orientado de
elétrons através de um condutor, quando
submetido a uma diferença de potencial.
A intensidade de corrente é dada pela quantidade de
elétrons que passa através do condutor em
determinado tempo (dado em segundos).
A fórmula matemática é:
Como essa quantidade de elétrons é sempre muito grande, criou-se a unidade de carga elétrica, o Coulomb (C).
A unidade de medida de corrente no SI é o Ampère (A). Um ampère é igual à carga de 1 Coulomb passando pelo condutor em 1 segundo.
Por exemplo, se em um circuito está circulando uma corrente de 3 A, significa que estão passando 3 Coulombs por segundo. Se 1 Coulomb é igual a 6,28 x 10 elétrons, em cada segundo passarão pelo fio 18,84 x 10 elétrons.
Note que é uma quantidade extremamente grande.
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A corrente elétrica, assim como a tensão elétrica, pode ser de dois tipos:
• Contínua
• Alternada
Tensão contínua é aquela que não sofre variação de polaridade ao longo do tempo. Assim, a corrente elétrica também terá sempre o mesmo sentido, sendo chamada de corrente contínua. São exemplos de fontes de tensão contínua a pilha e a bateria automotiva.
Todos os sistemas eletroeletrônicos dos veículos recebem alimentação de tensão contínua.
A tensão alternada varia periodicamente sua polaridade, invertendo o sentido da corrente elétrica ao longo do tempo.
Essa corrente, chamada corrente alternada, é a que se usa nas residências.
Obs.: O tipo de corrente depende diretamente de sua fonte de tensão. Se a tensão é contínua a corrente também é contínua. Se a tensão é alternada, a corrente aplicada também será alternada.
A resistência elétrica expressa a oposição que um condutor oferece à passagem de uma
corrente elétrica. Uma corrente pode encontrar maior
ou menor dificuldade ao passar por uma carga. Dessa
forma, quanto maior o valor da resistência, menor será a
intensidade da corrente e, quanto menor a resistência,
maior a corrente.
A unidade de medida da resistência elétrica no SI é o Ohm (Ω).
Um condutor ideal é aquele cuja resistência é desprezível. Caso a resistência seja considerável, ele recebe o nome de resistor.
A resistência elétrica de um condutor depende de quatro fatores:
A. Comprimento do material: quanto maior o comprimento, maior a resistência elétrica do material.
B. Área da seção transversal: quanto maior a área, menor a resistência elétrica do material.
C. Resistividade específica do material: os materiais com pequeno número de elétrons livres em seus átomos, à temperatura ambiente, possuem resistividade maior. Já os que possuem muitos elétrons livres, como os metais em geral, são bons condutores, logo possuem baixa resistividade específica.
D. Temperatura: para a maioria dos materiais, a resistência elétrica aumenta à medida que a temperatura aumenta.
Matematicamente, a resistência pode ser expressa na seguinte fórmula:
Onde:
R = resistência elétrica ()
p = resistividade específica (.m)
ℓ = comprimento do condutor (m)
A = área da seção transversal (m2)
A tabela abaixo apresenta a resistividade de alguns materiais, a uma temperatura de 20°C. A unidade de resistividade é dada em Ohm x metro (.m).
O inverso da resistividade é a condutividade, que expressa a característica que o material tem de conduzir bem a corrente elétrica.
Veja a condutividade percentual de alguns materiais:
Um circuito elétrico elementar é composto de uma fonte de energia, de um consumidor de energia (carga) e de condutores, que fecham o caminho que a corrente irá percorrer.
Para compreender melhor, veja no quadro abaixo uma analogia entre um circuito elétrico e um circuito hidráulico.
Obs.: Nos circuitos eletroeletrônicos automotivos sempre deve aparecer o símbolo de terra, conectado ao pólo negativo da fonte. Ele serve de referência para medição de tensão e representa o potencial de “0 Volt”.
Eletricidade / Hidráulica
Estudando as relações entre a diferença de potencial
aplicada a um condutor e a corrente produzida neste, o
cientista George Simon Ohm formulou uma lei simples, mas de grande aplicação no estudo da eletroeletrônica.
A Lei de Ohm diz que a corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão, e inversamente proporcional à resistência elétrica. Sua fórmula matemática é:
I=V
R
Onde: I = intensidade de corrente (A)
V = tensão (V)
R = resistência (Ω)
Para facilitar a memorização,
pode-se colocar a fórmula em um
triângulo.
Lei de Ohm
U
R I
U = Tensão
R = Resistência
I = Corrente
Potência Elétrica
P
I U
P = Potência
I = Corrente
U = Tensão
Potência Elétrica
Unidades elétricas Símbolo Unidade Múltiplo Equiva- Instrumento
GRANDEZA da
grandeza
de medida e sub-múltiplo lência de medição
Quilovolt ( kV ) 1 000 V
Tensão U Volt U Voltímetro
Milivolt (mV ) 0,001 V
Quiloampére ( kA ) 1 000 A
Corrente I Ampére A Amperímetro
Miliampére ( mA ) 0,001 A
Quilohm ( k ) 1 000
Resistência R Ohm Ohmímetro
Miliohm ( m ) 0,001
Quilowatt ( kW ) 1 000 W
Potência P Watt W Wattímetro
Miliwatt ( mW ) 0,001 W
Quilohertz ( kHz ) 1 000 Hz
Frequência F Hz H Frequencímetro
Milihertz ( mHz ) 0,001 Hz
Símbolo da
unidade de
medida
1) Calcule o valor da resistência de um
circuito, sabendo que o mesmo é alimentado
com 12Volts e a corrente que circula por ele
é de 4 Amperes.
Exercícios
2) Qual é a resistência de um circuito
alimentado com 12 Volts que apresenta uma
corrente de 3 Amperes?
3) Qual a tensão de alimentação de um circuito
que apresenta uma resistência de 4 Ohms e
uma corrente de 3 Amperes?
Exercícios
4) Calcular o valor de resistência de uma
circuito alimentado com 12 Volts e que
apresenta uma potência de trabalho de 80
Watts.
5) Instalar dois faróis de neblina sendo que
cada lâmpada possui 35 Watts e uma tensão
de 12 Volts. Qual será o valor necessário do
fusível?
Exercícios
6) Calcular a resistência de um componente que
é alimentado com 12 Volts e 4 Amperes.
7) Calcule a tensão de um componente
cuja a resistência é de 3 Ohms e a
corrente de 4 Amperes.
Exercícios
8) Calcule a corrente de um componente cuja a
tensão é 12 Volts e a resistência 4 Ohms.
9) Calcule a potência de um componente cuja a
tensão é 12 Volts e a corrente de 27 Amperes.
Exercícios
10) Calcule a corrente cuja a tensão é de 12 Volts
e a potência de 300 Watts.
11) Calcule a tensão de um componente cuja
a potência é de 120 Watts e a corrente de
6 Amperes.
Exercícios
12) Calcular a resistência de um componente cuja
a potência é de 320 Watts e a tensão que o
alimenta é de 12 Volts.
Circuito elétrico
Circuito elétrico em série
Circuito elétrico em paralelo
Baterias ligadas em série
Baterias ligadas em paralelo
Caixa de
energia
Identificação da bateria
Resistência Elétrica
Segunda lei de Ohm
A resistência elétrica é a
medida da dificuldade da
passagem de corrente sobre
um
dispositivo e é definida pela
equação:
A resistência elétrica é a medida da dificuldade da passagem de corrente sobre um
dispositivo e é definida pela equação:
em que:
• R e a resistência elétrica (em Ω);
• r a resistividade elétrica do material
(em Ω · m);
• ℓ o comprimento do condutor (em m);
• A a área da seção transversal do
condutor (em m²).
Exemplo
Determine a resistência de um fio de cobre, na temperatura de 20 °C, com
2,5 mm² de seção transversal, para os seguintes valores de comprimento:
a) ℓa = 20 cm
b) ℓb = 100 m
c) ℓc = 5 km
Dado: ρcu = 1,7 · 10–8 Ω · m (a 20 °C)
Código de cores de resistências
Exemplo: Se uma resistência tiver a sequência de cores: 1ª Banda – Verde 2ª Banda – Azul Multiplicador – Vermelho Tolerância – Dourado
Associação em série
Associação em paralelo
Associação em misto
Funções do multímetro
Tensão CA
Tensão Cc
Milivolt CC
Resistência
Teste de diodo
Corrente CA
Corrente CC
Tensão elétrica
Medição da tensão
Amperímetro
Amperímetro
Medição da resistência
Magnetismo
Eletromagnetismo
Relés
Relé - Esquema elétrico
Identificação das linhas
Identificação das linhas
Identificação das linhas
Identificação das linhas
Materiais semicondutores São materiais que podem apresentar características de
isolante ou de condutor, dependendo da forma como se apresenta a sua estrutura química.
Um exemplo típico de material semicondutor é o carbono. Dependendo da forma como os átomos do carbono se interligam, o material formado pode se tornar condutor ou isolante.
DIODO
DIODO
POLARIZAÇÃO DIRETA
POLARIZAÇÃO INVERSA
Transistor bipolar O transistor bipolar é um componente eletrônico
constituído por materiais semicondutores, capaz de atuar como controlador da corrente, o que possibilita o seu uso como amplificador de sinais ou como “interruptor eletrônico”.
Estrutura básica A estrutura básica do transistor se compõe de duas
pastilhas de material semicondutor, de mesmo tipo, entre as quais é colocada uma terceira pastilha, bastante mais fina, de material semicondutor com tipo diferente de dopagem, formando uma configuração semelhante a um “sanduíche” .
A configuração da estrutura, em forma de sanduíche, permite que se obtenham dois tipos distintos de transistores:
- Um com pastilhas externas de material N e pastilha central de material P.Este tipo de transistor é denominado de TRANSISTOR BIPOLAR NPN.
- Outro com pastilhas externas de material P e pastilha central de material N, denominado de TRANSISTOR BIPOLAR PNP.
IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS
Simbologia