Metais como Condutores Elétricos: Fundamentos e Fluxo de Corrente

Aula 04 Metais como condutores elétricos Os átomos dos elementos correspondentes às substâncias condutoras perdem espontaneamente elétrons do último nível energético dando origem a um íon positivo e a um ou mais elétrons livres A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está mostrada na figura onde vemos íons positivos envolvidos por elétrons livres em movimento aleatório Tensão eficaz Metais como condutores elétricos Em geral os elétrons sao facilmente removíeis em átomos com a camada de valência incompleta Portanto essa propriedade que permite a remoção de elétrons sob certas condições e essencial para estabelecer o movimento de elétrons Circuito elétrico automotivo Corrente elétrica Considere um fio de cobre a temperatura ambiente sem a aplicação de força externa há no interior do cobre um movimento aleatório de elétrons livres criado pela energia térmica que os elétrons recebem do meio externo Quando o átomo perde seu elétron ficam com carga elétrica positiva e são denominados íon positivo Fatores responsáveis por esse movimento o as colisões entre os íons positivos e elétrons o força de atração entre os íons e os elétrons o força de repulsão entre os elétrons Corrente elétrica Então os elétrons livres são portadores de carga em um condutor sólido de eletricidade Na ausência de forças externas aplicadas ao condutor o fluxo de cargas livres e nulo em qualquer direção Quando é aplicada um força externa bateria há um movimento ordenado de elétrons no interior do condutor sólido Fluxo de corrente Se ligarmos as duas extremidades de um fio de cobre uma diferença de potencial a tensão aplicada faz com que os elétrons se desloquem Esse deslocamento consiste num movimento de elétrons a partir do ponto de carga negativa Q numa extremidade do fio seguindo através deste e chegando a carga positiva Q na outra extremidade fluxo de eletrons Sentido convencional No entanto para estudos de eletricidade convencionouse dizer que o fluxo da corrente elétrica conhecido como sentido convencional é representada a corrente saindo do polo positivo e entrando no polo negativo da fonte Intensidade de corrente eletrica A intensidade de corrente e definida como I ΔQ Δ t I intensidade de corrente elétrica unidade ampere A Q carga elétrica que atravessa uma seção unidade coulomb C t intervalo de tempo unidade segundo s Q n e n número de elétrons que atravessam uma seção do condutor e carga do elétrons Intensidade de corrente eletrica Expressões da corrente e da carga elétrica no forma integral e diferencial Corrente continua Corrente continua direct current dc tem como abreviação cc Corrente continua é carcterizada como um fluxo de carga elétrica unidirecional não altera seu sentido Tensão elétrica Energia por definição é a capacidade do sistema de realizar trabalho No interior de uma bateria as cargas são levadas de um potencial elétrico inferior a um potencial elétrico superior consumindo para isso uma certa quantidade de energia Há diferença de 1 volt entre dois pontos consome da energia de 1 joule para deslocarmos uma carga de 1 coulomb entre esses dois pontos 1 volt 1 J 1 C Tensão eletrica A tensão elétrica é um indicador da quantidade de energia envolvida na movimentação de uma carga entre dois pontos de um sistema elétrico V diferença de potencial unidade de medida em volts V W energia unidade de medida em joule J Q carga elétrica unidade de medida em coulomb C 1 volt 1 joulecoulomb 1 newton metro coumlob Produção de eletricidade A produção de eletricidade ocorre em reações químicas entre metais pilhas níquelcádmio materiais piezoelétricos bobinas girando na presença de campo magnético atrito entre materiais não condutores eletricidade eletrostática Fontes de tensão e corrente Fonte ideal de tensão independente o Bipolo cuja tensão entre os terminais é invariante em relação a corrente que atravessa v i Corrente e tensão no bipolo indicadas de acordo com a convenção Nesse caso v 5V Fonte ideal de corrente independente o Bipolo cuja corrente que o atravessa é invariante em relação a tensão entre seus terminais v i Corrente e tensão no bipolo indicadas de acordo com a convenção Nesse caso i 5A Fontes de tensão e corrente Simbologia A lista de simbologias em circuitos é muito extensa abaixo os símbolos básicos Fontes de tensão e corrente Fonte de tensão independente é um elemento de circuito que mantém a tensão prescrita em seus terminais independente da corrente Em uma fonte de tensão independente o valor da tensão é fixo porém a corrente pode variar Fonte de corrente independente é um elemento de circuito que mantém a corrente prescrita independente da tensão em seus terminais Em uma fonte de corrente independente o valor da corrente é fixo porém a tensão pode variar Formas de tensão tensão senoidal tensão continua Formas de tensão alternada Potência e Energia Potência é definida como sendo a velocidade com que se consome ou absorve a erngia medida em watts W A potência p na equação acima é uma quantidade variável com o tempo e denominada potência instantanea Se a potência for a Se a potência for positiva isto é se p 0 significa que o circuito está absorvendo potência b Se for negativa isto é se p 0 então o circuito está fornecendo potência Potência e Energia Se a potência for a Positiva significa a que apotencia está sendo abservida pela carga v b Negativa significa a que apotencia está sendo fornecida pela carga Potência e energia Para cálculo da energica consumida podemo utilizar a expressão abaixo Fonte de corrente continua As principais fontes de corrente continua são Baterias Células solares Circuitos retificadores Especificação ampèrehora A capacidade das baterias de manter uma corrente fixa durante um certo intervalo de tempo é usualmente medida em ampèrehora Ah Vida útil horas especificação ampère hora Ah corrente drenada da bateria Por exemplo uma bateria cujo o numero de ampereshoras é igual a 100 será capaz de sustentar o 1 A durante 100 horas o 2A durante 50 horas o 10A durante 10 horas Especificação ampèrehora Existem dois fatores que afetam o numero de amperehoras de uma bateria a temperatura a capacidade diminui em temperaturas ambientes mais baixas ou mais altas Rapidez com que a bateria é descarregada a capacidade de manter a corrente diminui a medida que a corrente aumenta Exercício 1 A seção normal de um condutor é atravessada pela quantidade de carga Δq 60 x 10⁴ C no intervalo de tempo Δ t 15 x 10² s a Qual a intensidade da corrente elétrica que atravessa essa seção normal b Se os portadores de carga são elétrons quantos elétrons atravessam essa seção normal nesse intervalo de tempo Dado carga elementar e 16 x 10¹⁹ C i Δq Δt Exercício 2 12 A figura abaixo representa o gráfico da intensidade da corrente elétrica que atravessa a seção normal de um condutor em função do tempo Determine a quantidade de carga que atravessa essa seção normal no intervalo de tempo total representado na figura qt it dt Exercício 3 A corrente nos terminais do elemento da figura abaixo é i 0 t 0 Calcule a carga total que entra no elemento em seu terminal superior Exercício 3 A corrente nos terminais do elemento da figura abaixo é i 0 t 0 Calcule a carga total que entra no elemento em seu terminal superior Exercício 4 A tensão entre os terminais do elemento da figura abaixo é vt 0 t 0 i 0 t 0 aCalcule a potencia fornecida ao elemento em no instante 1 ms bCalcule a energia total em joules absorvida pelo elemento de circuito Exercício 4 a t1 ms p 0001 908 W a Exercício 4 A partir da definição de potência a expressão para energia é Para encontrar a energia total fornecida integre a expressão para energia de zero até o infinito t t Exercício 5 Quando a bateria de um carro está descarregada muitas vezes é possível fazêlo dar a partida conectando os terminais de sua bateria aos da bateria de outro carro Os terminais positivo e negativo de uma bateria são ligados aos terminais positivo e negativo da outra respectivamente A conexão é ilustrada na figura abaixo Suponha que a corrente i na figura seja 30 A aQual dos carros está com a bateria descarregada bSe essa conexão for mantida por 1 minuto quanta energia será transferida para a bateria descarregada Exercício 5 A No carro A a corrente i está na direção da menor tensão nos 12 bateria V a corrente i flui para o terminal da bateria do carro A Como a energia é positiva a bateria do carro A está absorvendo energia então o carro A deve estar com a bateria descarregada B p vi 3012 360 W t t Exercício 6 Não há nenhuma carga no terminal superior do elemento na figura abaixo para t 0 Em t 0 uma corrente de 125e2500t mA entra no terminal superior aDerive a expressão para a carga que se acumula no terminal superior para t 0 bDetermine a carga total que se acumula no terminal superior cSe a corrente for interrompida em t 05 ms qual a carga acumulada no terminal superior Exercício 6 a Adotando q0 0 b c q t t