3º ano aula-44-resistencia-eletrica 2.pptx

Aula sobre eletricidade 3º ano

1. Resistência Elétrica Ciências da Natureza HABILIDADES EM13CNT201 EM13CNT305  

2. Resistor Todo elemento de circuito cuja finalidade seja converter: Energia elétrica Energia térmica Efeito Joule! Tal fato leva à conversão da energia dos portadores de carga em energia térmica Ao atravessar um condutor, as cargas elementares que constituem a corrente elétrica interagem com os átomos e moléculas que constituem o condutor

3. Resistor Todo elemento de circuito cuja finalidade seja converter: Energia elétrica Energia térmica Efeito Joule! Representação de um resistor

4. Lei de Ohm Para certos resistores temos que, mantida a temperatura constante, a d.d.p . aplicada em seus terminais é proporcional à intensidade da corrente elétrica que o atravessa, logo   resistência elétrica (unidade: ohm Ω)

5.   Resistores que obedecem à lei de Ohm são chamados de ôhmicos Observação Graficamente, temos:

6. Lei de Ohm Obs.: resistores que não obedecem à lei de Ohm são chamados de não-ôhmicos Para eles observa-se que a resistência elétrica não se mantém constante. Seu gráfico não será uma reta

7. Lei de Ohm Se chamarmos de resistência elétrica do resistor não-ôhmico a razão entre a d.d.p . U e a corrente elétrica i, então teremos   Obs.: resistores que não obedecem à lei de Ohm são chamados de não-ôhmicos Para eles observa-se que a resistência elétrica não se mantém constante. Seu gráfico não será uma reta

8. Resistividade Considere um condutor feito de determinado material, cuja área da secção transversal é A e cujo comprimento é ℓ É possível estabelecer para ele a seguinte relação:   resistividade: unidade = Ω.m (SI)

9. Resistividade Quanto melhor condutor for o material do fio, tanto menor será sua resistividade. A condutividade será o inverso da resistividade   unidade: S/m ( siemens por metro) A resistividade de um material depende da temperatura , aumentando quando se aquece o condutor, na maior parte dos casos. Experimentalmente é possível verificar que:   c oeficiente de temperatura (unidade: C -1 )

10. Resistividade A resistividade de um material depende da temperatura , aumentando quando se aquece o condutor, na maior parte dos casos. Experimentalmente é possível verificar que:   c oeficiente de temperatura (unidade: C -1 ) Assim temos que (despreze a dilatação do material):   Quanto melhor condutor for o material do fio, tanto menor será sua resistividade. A condutividade será o inverso da resistividade   unidade: S/m ( siemens por metro)

11. Reostato Dispositivo cuja resistência elétrica é variável

12. Associação de resistores Resistor equivalente: associação de vários resistores àquele que, submetido à mesma d.d.p . que a associação, é atravessado por uma corrente de intensidade igual à que a atravessa.

13. Associação de resistores Associar resistores em série é ligar o terminal de saída do primeiro resistor ao de entrada do segundo e assim sucessivamente. Associação em série L igados em sequência e percorridos pela mesma corrente elétrica A d.d.p . na associação em série é igual à soma das d.d.p . nos resistores associados  

14. Associação de resistores Para a resistência do resistor equivalente temos: Associação em série   Associação em paralelo

15. Associação de resistores Dois ou mais resistores estão associados em paralelo quando seus terminais são os mesmos. Logo, eles estarão todos submetidos à mesma d.d.p . Associação em paralelo A intensidade da corrente que percorre a associação é igual à soma das intensidades das correntes que percorrem os resistores associados     Associação em série

16. Associação de resistores Para a resistência do resistor equivalente temos: Associação em paralelo  

17. Associação de resistores No caso particular de dois resistores associados em paralelo temos: Associação em paralelo  

18. Fusível Dispositivo que normalmente é associado em série a um circuito elétrico com a finalidade de protegê-lo Representação de um fusível

19. https://www.físicafácilparaprofessores.com f ísica fácil (UNIUBE-2016) A figura mostra um circuito com associação de resistores submetido a uma ddp de 72 V. Nesse circuito existem os fusíveis f 1 , f 2 e f 3 . Sabe-se que os valores máximos de corrente suportados por esses resistores são, respectivamente, 5 A, 10 A e 5 A. Suponha que a tensão de 72 V seja aplicada à associação e mantida enquanto houver possiblidade de circulação de corrente no circuito, ou seja, caso um dos fusíveis se queime, a ddp do circuito continua existindo e ocorre redistribuição das correntes nos resistores. Os três fusíveis A Somente o fusível f 1 B Somente os fusíveis f 2 e f 3 C Somente o fusível f 2 D Somente os fusíveis f 1 e f 3 E

20. https://www.físicafácilparaprofessores.com f ísica fácil RESOLUÇÃO Calculando a resistência equivalente e a corrente total no circuito, temos:   A resistência equivalente total será:  

21. https://www.físicafácilparaprofessores.com f ísica fácil RESOLUÇÃO Logo:   Portanto:  

22. https://www.físicafácilparaprofessores.com f ísica fácil RESOLUÇÃO Calculando a corrente elétrica que passa em cada fusível, temos:   A corrente do fusível 3 terá o mesmo valor  

23. https://www.físicafácilparaprofessores.com f ísica fácil RESOLUÇÃO Portanto, inicialmente, apenas o fusível permanece. Calculando a nova corrente em f 2 temos:   Logo:  

24. Curto-circuito de um resistor Um elemento qualquer de um circuito elétrico está em curto-circuito quando a d.d.p . nos seus terminais é nula. Pela lei de Ohm temos:   S eria como se o resistor não estivesse associado ao circuito https://www.físicafácilparaprofessores.com f ísica fácil

25. Curto-circuito de um resistor E m uma instalação elétrica onde a fiação está gasta, pode ocorrer o contato entre as partes metálicas dos fios, ocasionando um curto A intensidade da corrente elétrica aumenta bruscamente, provocando o superaquecimento da fiação, podendo ocasionar incêndios

26. Aparelhos para medidas elétricas Amperímetro Usado para medir a corrente elétrica em um trecho de circuito Deve ser associado em série ao elemento cuja corrente será medida Tem resistência NULA! Idealmente

27. Aparelhos para medidas elétricas Voltímetro Usado para medir a d.d.p . entre dois pontos de um circuito Ele deve ser associado em paralelo ao elemento cuja tensão será medida Resistência infinitamente grande! Idealmente Em paralelo Em série

28. Aparelhos para medidas elétricas Voltímetro Usado para medir a d.d.p . entre dois pontos de um circuito Ele deve ser associado em paralelo ao elemento cuja tensão será medida Resistência infinitamente grande! Idealmente Em paralelo Em série Interruptores paralelos

29. Interruptores paralelos É muito comum a situação em que temos uma lâmpada em uma escada e dois interruptores: um no início e outro no fim Aparelhos para medidas elétricas

30. Interruptores paralelos A lâmpada está permanentemente ligada ao fio neutro e precisa receber a corrente do fio fase. Essa entrada de corrente pode ser feita através do fio a ou do fio b Esquema básico de um interruptor paralelo ou tripolar a lâmpada apaga Se mudarmos a posição da chave A de 1 para 2 a lâmpada apaga Se mudarmos a posição da chave B de 3 para 4

31. Interruptores paralelos Logo, uma pessoa que percorrer o corredor poderá apagar a lâmpada em qualquer um dos extremos Esquema básico de um interruptor paralelo ou tripolar Qualquer um dos dois interruptores, ao ser acionado, acenderá novamente a lâmpada A lâmpada está permanentemente ligada ao fio neutro e precisa receber a corrente do fio fase. Essa entrada de corrente pode ser feita através do fio a ou do fio b a lâmpada apaga Se mudarmos a posição da chave A de 1 para 2 a lâmpada apaga Se mudarmos a posição da chave B de 3 para 4

32. Os diferentes comportamentos elétricos dos materiais quanto à condução elétrica (modelo baseado na Física Quântica) Em um material qualquer, a proximidade dos átomos faz com que os seus níveis energéticos se superponham, gerando uma quantidade maior de níveis permitidos Essa reorganização de níveis, devida à proximidade dos átomos, é denominada banda de energia que os diferentes níveis energéticos podem ser pensados como assumindo valores contínuos Nessas bandas de energia os saltos quânticos correspondem a fótons de energia tão baixos

33. Átomo isolado de berílio Sólido metálico de berílio

34. São consideradas isolantes as substâncias em que é grande a diferença entre: A última banda ocupada já ocupada por elétrons, banda de valência E a banda livre, a banda de condução Isolantes

35. Para os condutores não ocorre essa separação entre a banda livre e a já ocupada por elétrons Para eles, pequenas quantidades de energia serão suficientes para provocar saltos quânticos Condutores

36. A separação entre a banda já ocupada por elétrons e a banda livre é menor em comparação aos isolantes Semicondutores Elétrons ligados aos seus respectivos átomos e ocupando níveis de energia próximos ao núcleo. Material não apresenta banda de condução, comporta-se como isolante Temperatura baixa

37. A separação entre a banda já ocupada por elétrons e a banda livre é menor em comparação aos isolantes Semicondutores Transmite-se energia suficiente para que alguns de seus elétrons da banda de valência ocupem a banda de condução Essa nova situação altera o comportamento desses materiais, tornando-os condutores . Elevando-se sua temperatura Elétrons ligados aos seus respectivos átomos e ocupando níveis de energia próximos ao núcleo. Material não apresenta banda de condução, comporta-se como isolante Temperatura baixa Em substâncias puras, a quantidade de lacunas e elétrons livres é igual

38. Passando para níveis energéticos da banda de condução, o elétron deixa um lugar vago, na banda de valência, denominado lacuna eletrônica Poderia ser interpretado como o “surgimento” de uma carga positiva local Nos semicondutores há um outro movimento de carga que é o de elétrons que vão ocupando o lugar vago Tanto os elétrons que atingem a banda de condução como os de outras bandas tomam parte no processo de condução elétrica Em substâncias puras, a quantidade de lacunas e elétrons livres é igual

39. Considere uma situação em que foi introduzida uma pequena quantidade de arsênio (na forma de gás rarefeito) no semicondutor silício (fundido) 4 dos 5 elétrons de valência do arsênio associam-se em ligação covalente aos 4 átomos de silício mais próximos 1 de seus elétrons fica fracamente ligado ao núcleo Sua corrente elétrica será formada majoritariamente por elétrons À temperatura ambiente, eles já atingem a banda de condução, produzindo um semicondutor do tipo n (negativo)

40. É possível realizar uma mistura que resulta de uma corrente constituída majoritariamente de lacunas Nesse caso, escolhendo-se o silício, deve-se introduzir uma substância cujo número de elétrons de valência seja menor que o do semicondutor O índio, que possui 3 elétrons de valência

41. Suponha que ocorra uma “captura” de um dos elétrons de valência de silício, que esteja próximo ao átomo do índio Isso resulta na formação de um íon positivo (lacuna eletrônica) Sendo então um semicondutor impuro do tipo p (positivo) Num semicondutor desse tipo, a corrente elétrica é descrita como sendo constituída majoritariamente por lacunas

42. Banda de valência Banda de condução - - + - + Íon negativo (impureza aceitadora) Íon positivo (impureza doadora)

43. Considere um semicondutor de germânio no qual em uma de suas metades foi introduzido arsênio e na outra índio Numa metade (a de arsênio) o semicondutor é do tipo n e na outra (a de índio) é do tipo p Considere que essas misturas não entrem em contato.

44. Estabelecendo o contato, inicia-se o movimento de cargas na região Elétrons irão da região n para a região p e lacunas da região p para a região n Após um certo intervalo de tempo, a região n, na fronteira com a região p, fica carregada positivamente E a região p, fronteira com n, fica carregada negativamente

45. Surgimento deste campo elétrico local Fluxo de cargas na região diminui quase totalmente. Esse campo possui sentido oposto ao do movimento “natural” das cargas Surgirá na região (região de depleção) um campo elétrico cujo sentido é o da região N para a região P Diz-se que foi criada uma “barreira”

46. O diodo semicondutor: o efeito da retificação obtida a partir da junção P – N Quando um semicondutor com uma junção p-n é colocado num circuito, o campo elétrico produzido por uma fonte de energia se superpõe ao campo elétrico local Desta superposição, podemos ter 2 efeitos Se o sentido do campo elétrico da fonte for contrário ao campo local, terá reinício o movimento de cargas através da junção 1 Se o sentido dos campos forem iguais, reforça-se a barreira. A corrente elétrica então será praticamente nula 2

47. Nesse sentido há passagem de corrente: polarização direta Nesse sentido não há passagem de corrente: polarização inversa

48. LED – diodo emissor de luz Diodos emissores de luz baseiam-se no processo de recombinação (aniquilamento mútuo de elétrons e lacunas), gerando luz A estrutura do material semicondutor usado na construção do LED deve propiciar o movimento de uma grande quantidade de elétrons em direção às lacunas Sua utilização consiste em acrescentar impurezas que possibilitem a formação de regiões do tipo p e n Ligando-se um semicondutor desse tipo a uma fonte de energia elétrica Ocorre na fronteira entre as regiões p e n, em grande quantidade, o movimento de elétrons em direção às lacunas

49. LED – diodo emissor de luz Os fótons emitidos estão na faixa do visível Esse fenômeno é conhecido como eletroluminescência. Emissão de luz!

50. Aparelhos eletrônicos têm um pequeno ponto de luz para indicar que o aparelho está ligado Essa luz é emitida por diodos led’s Esse tipo de dispositivo funciona sob uma tensão de 1,4 a 2,5 V entre seus extremos e uma corrente Da qual depende sua emissão luminosa, de valor entre 10 e 20 mA

51. Nessas condições, é necessário utilizar um resistor auxiliar para diminuir a tensão aplicada ao led Além disso, sua polaridade deve estar de acordo (polarização direta), pois se ela for invertida ele não acende Um led no painel de um carro é componente de um circuito elétrico alimentado pela bateria de 12 V

52. LDR – resistores elétricos semicondutores dependentes de luz Fotoresistores são dispositivos fabricados a partir de semicondutores fracamente dopados que mudam a sua resistência elétrica quando há incidência de luz Efeito fotoelétrico interno Quanto maior a intensidade do feixe de luz, maior é o número de fótons incidentes. A luz incidente gera pares elétron-lacuna que são portadores de cargas livres A condutividade elétrica do dispositivo aumenta em decorrência do maior número de portadores livres disponíveis para o processo de condução elétrica!

53. LDR – resistores elétricos semicondutores dependentes de luz Fotoresistores são dispositivos fabricados a partir de semicondutores fracamente dopados que mudam a sua resistência elétrica quando há incidência de luz Efeito fotoelétrico interno Fotoresistores de sulfeto de cádmio ( CdS ) são muito utilizados pois sua sensibilidade encontra-se na faixa da luz visível Quanto maior a intensidade do feixe de luz, maior é o número de fótons incidentes. A luz incidente gera pares elétron-lacuna que são portadores de cargas livres A condutividade elétrica do dispositivo aumenta em decorrência do maior número de portadores livres disponíveis para o processo de condução elétrica!

54. Supercondutividade Descoberto em 1911 por Heike Kamerling Onnes Baseando-se na liquefação do gás hélio (4,2 K = – 268,8 ºC), dedicou-se ao estudo das propriedades elétricas dos metais em temperaturas muito baixas, usando o hélio como refrigerante .

55. Supercondutividade Ao estudar a variação da resistência elétrica do mercúrio com a temperatura, Onnes descobriu o súbito desaparecimento da resistência próximo a uma temperatura de 4,2 K Ele interpretou corretamente que o mercúrio passou de um estado resistivo normal a um estado supercondutor, no qual a resistividade é praticamente nula. Temperatura crítica

56. Campo magnético crítico A propriedade mais conhecida de um supercondutor é a inexistência de resistência elétrica em temperaturas inferiores ao valor crítico quando o sistema é percorrido por uma corrente contínua Porém, a aplicação de um campo magnético externo ao supercondutor produz uma diminuição da temperatura em que a resistência se anula Campo suficientemente forte Supressão total do estado supercondutor O metal adquire comportamento elétrico normal!

57. Campo magnético crítico A propriedade mais conhecida de um supercondutor é a inexistência de resistência elétrica em temperaturas inferiores ao valor crítico quando o sistema é percorrido por uma corrente contínua Porém, a aplicação de um campo magnético externo ao supercondutor produz uma diminuição da temperatura em que a resistência se anula Existe, portanto, um campo magnético crítico, que é função da temperatura, acima do qual a supercondutividade é desestabilizada Campo suficientemente forte Supressão total do estado supercondutor O metal adquire comportamento elétrico normal!

58. Levitação magnética Como a resistência de um supercondutor é nula O campo elétrico no seu interior também deve ser nulo Do contrário, a falta de resistência permitirá que as correntes sejam infinitas O campo magnético no interior de um supercondutor não pode variar, precisa ser constante ! Já que, conforme sabemos pela Lei de Faraday, qualquer alteração no campo magnético produz um campo elétrico

59. Levitação magnética Suponhamos então que um supercondutor seja colocado em uma região na qual inicialmente o campo magnético seja nulo Depois, aproximamos desse condutor um ímã. Como o campo magnético dentro do supercondutor é inicialmente nulo e não pode mudar, ele deve continuar nulo

60. Levitação magnética De acordo com a Lei de Faraday, a aproximação do ímã induz correntes no supercondutor, as quais induzem um campo magnético que cancela o campo do ímã Isto é, que gera um campo oposto ao do ímã, produzindo uma repulsão. Como se trata de material supercondutor, a corrente persiste e o ímã levita indefinidamente

61. Levitação magnética O uso de materiais supercondutores – que se comportam como diamagnéticos ideais possibilita a levitação com campos magnéticos comparativamente baixos. O problema, no entanto, é manter o supercondutor a temperaturas muitíssimo baixas (cerca de – 200 °C!)

62. Efeito Meissner Os físicos Walther Meissner e Robert Ochsenfeld mostraram que o campo magnético do supercondutor não se limita a ser apenas constante, ele é nulo Se um material supercondutor, inicialmente a uma temperatura superior a T C , ou seja, em um estado em que ele não pode ser considerado supercondutor Ele expele todo o campo magnético do seu interior É submetido a um campo magnético e em seguida é resfriado a uma temperatura inferior a T C

63. Efeito Meissner Esse efeito, chamado efeito Meissner , explica um segundo tipo de levitação. Suponhamos que um ímã seja colocado sobre um material supercondutor acima da temperatura T C O material torna-se supercondutor e gera correntes que expelem o campo magnético, isto é, o ímã se levanta, passando a levitar acima do supercondutor Quando a temperatura fica inferior a T C Ou seja, ainda em uma situação em que não é um supercondutor