Eletricidade Básica Conceitos em Corrente Contínua
Eduardo Cesar Alves Cruz
Eletricidade Básica Circuitos em Corrente Contínua
1ª Edição
www.editoraerica.com.br
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Eduardo Cesar Alves Cruz
Eletricidade Básica Circuitos em Corrente Contínua
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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Cruz, Eduardo Cesar Alves Eletricidade básica : circuitos em corrente contínua / Eduardo Cesar Alves Cruz. -- 1. ed. -São Paulo : Érica, 2014. Bibliograa ISBN 978-85-365-0729-3 1. Circuitos elétricos - Corrente contínua 2. Eletricidade I. Título.. 14-00928
CDD-621.3192
Índices para catálogo sistemático: 1. Circuitos em corrente contínua : Engenharia eletrônica 621.3192
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Coordenação Editorial:
Rosana Arruda da Silva
Capa:
Maurício S. de França
Edição de Texto:
Beatriz M. Carneiro, Bruna Gomes Cordeiro, Carla de Oliveira Morais Tureta, Juliana Ferreira Favoretto, Nathalia Ferrarezi, Silvia Campos
Revisão e Editoração:
MKX Editorial
Produção Editorial:
Adriana Aguiar Santoro, Alline Bullara, Dalete Oliveira, Graziele Liborni, Laudemir Marinho dos Santos, Rosana Aparecida Alves dos Santos, Rosemeire Cavalheiro
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Eletricidade Básica - Circuitos em Corrente Contínua
Agradecimentos Ao Otávio, meu lho e mais novo aluno, do qual sou o “paifessor”. A Carmen, esposa e amiga de muitas obras. Ao Salomão e ao Celso, mais que colegas, amigos de prossão. Aos meus alunos de tantos anos, aos quais reservo um especial carinho, pois são parte impor tante de tudo que aprendi. Aos colegas e amigos professores, com os quais sempre compartilhei minhas dúvidas e meus modestos conhecimentos. Aos amigos da Editora Érica, por esses vinte anos de parceria.
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Sobre o autor Prof. Eduardo Cesar Alves Cruz é técnico eletrônico formado em 1978 e engenheiro eletrônico formado em 1984. Atua como escritor da área técnica, com diversas publicações nas áreas de eletricidade, eletrônica e instalações elétricas, e como docente em escola técnica e faculdade de tecnologia. Em 1988 e em 1992, desenvolveu trabalho de pesquisa como professor convidado do curso de Física-Médica, no Laboratório de Laser da Technische Fachhochschule (TFH) em Berlim, Alemanha. Além de escritor e professor, Eduardo desenvolve pesquisas e materiais didático-pedagógicos voltados para o "ensino e avaliação orientados por projetos e desenvolvimento de competências" num programa denominado "Educatrônica".
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Eletricidade Básica - Circuitos em Corrente Contínua
Sumário
Capítulo 1 - Conceitos Matemáticos ............................................................................ 11
1.1 Hierarquia das operações matemáticas ......................................................................................................11 1.2 Potência de dez..............................................................................................................................................13 1.2.1 Adição e subtração com potências de dez ........................................................................................13 1.2.2 Multiplicação e divisão com potências de dez .................................................................................13 1.2.3 Potenciação e radiciação com potências de dez ...............................................................................14 1.3 Prefixos métricos...........................................................................................................................................14 1.4 Teoria dos erros.............................................................................................................................................15 1.4.1 Incerteza e algarismos significativos..................................................................................................15 1.4.2 Tipos de incerteza ................................................................................................................................18 1.4.3 Medida em instrumento digital..........................................................................................................19 1.4.4 Precisão..................................................................................................................................................20 1.4.5 Tipos de erro.........................................................................................................................................20 1.5 Teoria do arredondamento ..........................................................................................................................21 Agora é com você!...............................................................................................................................................22 Capítulo 2 - Fundamentos de Eletricidade ..................................................................... 25
2.1 Energia elétrica e outras formas de energia...............................................................................................25 2.2 Principais grandezas da eletrostática e da eletrodinâmica ......................................................................26 2.3 Carga elétrica .................................................................................................................................................28 2.3.1 Princípio fundamental da eletrostática .............................................................................................28 2.3.2 Carga elétrica elementar......................................................................................................................29 2.4 Condutor e isolante ......................................................................................................................................29 2.4.1 Condutor elétrico .................................................................................................................................29 2.4.2 Isolante elétrico ....................................................................................................................................30 2.5 Eletrização dos corpos..................................................................................................................................30 2.5.1 Carga total de um corpo......................................................................................................................30 2.5.2 Processos de eletrização ......................................................................................................................31 2.6 Campo elétrico ..............................................................................................................................................33 2.6.1 Linhas de campo ..................................................................................................................................33 2.6.2 Intensidade do campo elétrico ...........................................................................................................33 2.6.3 Comportamento das linhas de campo ..............................................................................................34 Agora é com você!...............................................................................................................................................36
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Capítulo 3 - Tensão e Corrente.................................................................................... 37
3.1 Potencial elétrico ...........................................................................................................................................37 3.1.1 Intensidade do potencial elétrico .......................................................................................................38 3.1.2 Superfícies equipotenciais...................................................................................................................39 3.1.3 Diferença de potencial - ddp ..............................................................................................................40 3.2 Tensão elétrica ...............................................................................................................................................40 3.3 Corrente elétrica ...........................................................................................................................................42 3.3.1 Intensidade da corrente elétrica .........................................................................................................43 3.3.2 Corrente elétrica convencional ..........................................................................................................43 Agora é com você!...............................................................................................................................................45 Capítulo 4 - Equipamentos de Bancada......................................................................... 47
4.1 Fontes de alimentação ..................................................................................................................................47 4.1.1 Pilhas e baterias ....................................................................................................................................47 4.1.2 Fontes de alimentação eletrônicas .....................................................................................................50 4.1.3 Corrente contínua - CC.......................................................................................................................51 4.1.4 Corrente alternada - CA ......................................................................................................................51 4.2 Instrumentos de medidas elétricas .............................................................................................................54 4.2.1 Multímetro ............................................................................................................................................54 4.2.2 Voltímetro .............................................................................................................................................55 4.2.3 Amperímetro ........................................................................................................................................56 4.2.4 Amperímetro de alicate.......................................................................................................................57 Agora é com você!...............................................................................................................................................59 Capítulo 5 - Resistência Elétrica e Primeira Lei de Ohm ................................................... 61
5.1 Bipolos gerador e receptor ...........................................................................................................................61 5.2 Resistência elétrica ........................................................................................................................................62 5.3 Primeira lei de Ohm .....................................................................................................................................64 5.4 Tipos de resistência.......................................................................................................................................66 5.4.1 Resistências ôhmicas e não ôhmicas .................................................................................................66 5.4.2 Resistências fixas ..................................................................................................................................67 5.4.3 Resistências variáveis ...........................................................................................................................72 5.5 Ohmímetro ....................................................................................................................................................75 Agora é com você!...............................................................................................................................................77 Capítulo 6 - Resistência Elétrica e Outras Características ................................................ 81
6.1 Segunda lei de Ohm......................................................................................................................................81 6.2 Relação entre resistência e temperatura .....................................................................................................83
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6.3 Dispositivos resistivos sensíveis à luz e à temperatura.............................................................................85 6.3.1 LDR ........................................................................................................................................................85 6.3.2 NTC .......................................................................................................................................................86 Agora é com você!...............................................................................................................................................88 Capítulo 7 - Potência e Energia Elétricas ....................................................................... 91
7.1 Potência elétrica ............................................................................................................................................91 7.1.1 Conceito de potência elétrica .............................................................................................................91 7.1.2 Wattímetro ............................................................................................................................................93 7.2 Energia elétrica..............................................................................................................................................96 7.2.1 Conceito de energia elétrica ...............................................................................................................96 7.2.2 Medidor de energia elétrica ................................................................................................................96 Agora é com você!...............................................................................................................................................98 Capítulo 8 – Fundamentos de Análise de Circuitos......................................................... 99
8.1 Elementos de um circuito elétrico ..............................................................................................................99 8.1.1 Nó ...........................................................................................................................................................99 8.1.2 Ramo ....................................................................................................................................................100 8.1.3 Malha ...................................................................................................................................................100 8.2 Lei de Kirchhoff...........................................................................................................................................100 8.2.1 Lei dos nós ..........................................................................................................................................100 8.2.2 Lei das malhas ....................................................................................................................................102 8.3 Associação de resistores .............................................................................................................................103 8.3.1 Associação série..................................................................................................................................103 8.3.2 Associação paralela ............................................................................................................................106 8.3.3 Associação mista ................................................................................................................................110 8.3.4 Configurações estrela e triângulo.....................................................................................................115 Agora é com você! .............................................................................................................................................117 Capítulo 9 - Aplicações Básicas de Circuitos Resistivos ................................................ 123
9.1 Divisor de tensão ........................................................................................................................................123 9.2 Divisor de corrente .....................................................................................................................................125 9.3 Ponte de Wheatstone ..................................................................................................................................126 9.3.1 Circuito básico e condição de equilíbrio.........................................................................................126 9.3.2 Ohmímetro em ponte........................................................................................................................127 9.3.3 Instrumento de medida de uma grandeza qualquer .....................................................................129 Agora é com você! .............................................................................................................................................130 Bibliografia ............................................................................................................. 133
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Eletricidade Básica - Circuitos em Corrente Contínua
Apresentação Este livro está estruturado para propiciar um ensino de eletricidade compatível com compo nentes curriculares iniciais dos cursos técnicos da área elétrica, como eletrônica, eletromecânica, eletroeletrônica, automação industrial, mecatrônica e telecomunicações. O seu conteúdo é totalmente focado nos conceitos primordiais da eletricidade, assim como em dispositivos e equipamentos de bancada essenciais para a sua compreensão. O livro inicia com um breve estudo dos fundamentos matemáticos de uso corrente nesta área e segue para a apresentação e análise dos conceitos primários de eletricidade: tensão, corrente, resis tência e potência. Simultaneamente, vários dispositivos são analisados, como pilha, bateria, resistor, poten ciômetro, trimpot, NTC e LDR e vários equipamentos como fonte de alimentação, multímetro e wattímetro. Na sequência, o livro aborda os princípios de análise de circuitos em corrente contínua, com suas principais leis e técnicas: leis de ohm, leis de Kirchhoff, associação de resistores, divisores de tensão e ponte de Wheatstone. Além disso, no decorrer da obra são apresentadas pequenas biograas de cientistas cujos nomes tornaram-se unidades de medidas de grandezas elétricas. Todos os capítulos foram desenvolvidos usando uma abordagem matemática objetiva e possuem exercícios resolvidos e propostos.
O autor
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Eletricidade Básica - Circuitos em Corrente Contínua
1 Conceitos Matemáticos
Para começar Iniciaremos o livro com um capítulo que resgata alguns conceitos matemáticos importantes para o estudo da eletricidade: hierarquia de operações matemáticas, potência de dez, prefixos métricos, teoria dos erros e teoria do arredondamento.
1.1 Hierarquia de operações matemáticas As operações matemáticas guardam entre si uma relação de hierarquia no processo de resolução. Das quatro operações básicas, a multiplicação e a divisão têm prioridade em relação à adição e a subtração, independente da ordem como elas aparecem na expressão. Exercício Resolvido
1 Resolva as expressões seguintes respeitando a hierarquia das operações envolvidas: Solução
a
=
7
7
=
1
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