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Eletricidade e Mecânica. UNIDADE - INTRODUÇÃO. História da Eletricidade Engenharia Elétrica Carga Elétrica e Força Elétrica Condutores e Isolantes Processos de Eletrização Campo Elétrico Força Elétrica Potencial Elétrico. Eletrostática.
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Eletricidade e Mecânica UNIDADE - INTRODUÇÃO História da Eletricidade Engenharia Elétrica Carga Elétrica e Força Elétrica Condutores e Isolantes Processos de Eletrização Campo Elétrico Força Elétrica Potencial Elétrico
Eletrostática • Descoberta por um filosofo grego chamado Tales de Mileto que, ao esfregar um âmbar a um pedaço de pele de carneiro, observou que pedaços de palhas e fragmentos de madeira começaram a ser atraídas pelo próprio âmbar. • Do âmbar (gr. élektron) surgiu o nome eletricidade. • No século XVII foram iniciados estudos sistemáticos sobre a eletrificação por atrito, graças a Otto vonGuericke. Em 1672, Otto inventa uma maquina geradora de cargas elétricas onde uma esfera de enxofre girava constantemente atritando-se em terra seca. • Meio século depois, Stephen Gray faz a primeira distinção entre condutores e isolantes elétricos.
Eletrostática • Durante o século XVIII as maquinas elétricas evoluem até chegar a um disco rotativo de vidro que é atritado a um isolante adequado. Uma descoberta importante foi o condensador, descoberto independentemente por Ewald Georg vonKleist e por Petrus van Musschenbroek. O condensador consistia em uma maquina armazenadora de cargas elétricas. Eram dois corpos condutores separados por um isolante delgado. • Mas uma invenção importante, de uso pratico, foi o pára-raios, feito por Benjamin Franklin. Ele disse que a eletrização de dois corpos atritados era a falta de um dos dois tipos de eletricidade em um dos corpos.
Eletrostática • No século XVIII foi feita a famosa experiência de Luigi Aloisio Galvani em que potenciais elétricos produziam contrações na perna de uma rã morta. • A descoberta dos potenciais elétricos foi atribuída por Alessandro Volta que inventou a pilha voltaica que consistia em uma serie de discos de cobre e zinco alterados, separados por pedaços de papelão embebidos por água salgada. Com essa invenção, obteve-se pela primeira vez uma fonte de corrente elétrica estável. Por isso, as investigações sobre a corrente elétrica aumentaram cada vez mais.
Eletrostática • Tem início as experiências com a decomposição da água em um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio. Em 1802, HumphryDavy separa eletronicamente o sódio e o potássio. • Mesmo com a fama das pilhas de Volta, foram criadas pilhas mais eficientes. John FredericDaniell inventou-as em 1836 na mesma época das pilhas de Georges Leclanché e a bateria recarregável de Raymond Louis GastonPlanté.
Eletrodinâmica • O físico Hans Christian Örsted observa, em 1820, que um fio de corrente elétrica age sobre a agulha de uma bússola. Com isso, percebe-se que há uma ligação entre magnetismo e eletricidade (tem início o estudo do eletromagnetismo). • Em 1831, Michael Faraday descobre que a variação na intensidade da corrente elétrica que percorre um circuito fechado induz uma corrente em uma bobina próxima. Uma corrente induzida também é observada ao se introduzir um ímã nessa bobina. Essa indução magnética teve uma imediata aplicação na geração de correntes elétricas. Uma bobina próxima a um ima que gira é um exemplo de um gerador de corrente elétrica alternada.
Eletrodinâmica • Os geradores foram se aperfeiçoando até se tornarem as principais fontes de suprimento de eletricidade empregada principalmente na iluminação. • Em 1875 é instalado um gerador em Gare duNord, Paris, para ligar as lâmpadas de arco da estação. Foram feitas maquinas a vapor para movimentar os geradores, e estimulando a invenção de turbinas a vapor e turbinas para utilização de energia hidrelétrica. A primeira hidrelétrica foi instalada em 1886 junto as cataratas do Niágara. • Para se distribuir a energia, foram criados inicialmente condutores de ferro, depois os de cobre e finalmente, em 1850, já se fabricavam os fios cobertos por uma camada isolante de guta-percha vulcanizada, ou uma camada de pano.
Eletrodinâmica • A Publicação do tratado sobre eletricidade e magnetismo, de James Clerk Maxwell, em 1873, representa um enorme avanço no estudo do eletromagnetismo. A luz passa a ser entendida como onda eletromagnética, uma onde que consiste de campos elétricos e magnéticos perpendiculares à direção de sua propagação.
Eletrodinâmica • Heinrich Hertz, em suas experiências realizadas a partir de 1885, estuda as propriedades das onde eletromagnéticas geradas por uma bobina de indução; nessas experiências observa que se refletidas, refratadas e polarizada, do mesmo modo que a luz. Com o trabalho de Hertz fica demonstrado que as ondas de radio e as de luz são ambas ondas eletromagnéticas, desse modo confirmando as teorias de Maxwell; as ondas de radio e as ondas luminosas diferem apenas na sua frequência. • Hertz não explorou as possibilidades práticas abertas por suas experiências. Mais de dez anos se passaram até que Guglielmo Marconi utilizou as ondas de radio no seu telegrafo sem fio. A primeira mensagem de radio é transmitida através do Atlântico em 1901. Todas essas experiências vieram abrir novos caminhos para a progressiva utilização dos fenômenos elétrico sem praticamente todas as atividades do homem. • Fonte: www.forp.usp.br
Eletrodinâmica Espectro Eletromagnético
Engenharia Elétrica • O Engenheiro eletrecista é o profissional que se preocupa com sistemas que produzem, transmitem e medem sinais elétricos. • A engenharia elétrica combina modelos de fenômenos naturais desenvolvidos pelos físicos com as ferramentas dos matemáticos paras produzir sistemas que atemdem necessidades práticas. • Sistemas de comunicação: Geram, Transmitem e distribuem as informações; • Sistemas de computação: Processam as informações • Sistemas de controle: Regulam os processos; • Sistemas de potência: Geram e distribuem energia elétrica; • Sistemas de processamento de sinais: Agem sobre os sinais elétricos que representam as informações.
Carga Elétrica e Força Elétrica Carga elétrica é uma propriedade da matéria. Está no interior do átomo sendo positiva para prótons e negativa para os elétrons. - + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + - Unidade da carga: [Q]=C - coulomb A carga elementar, que corresponde a carga do próton ou do elétron é: Q=-1,6 10-19 C A carga na matéria é quantizada, ou seja, qualquer quantidade de carga, positiva ou negativa é multiplo da carga elementar. neutro Positivo Negativo + + Mesma Natureza - - Unidade da Força [F]= N - newtons + - Naturezas Diferentes
Condutores e Isolantes Condutores são materiais que conduzem facilmente eletricidade pois os elétrons da última camada estão fracamente ligados podendo ficarem livres devido à energia térmica do meio. Exemplo: Cobre, alumínio, ouro. Isolantes que não conduzem eletricidade pois os elétrons da ultima camada são fortemente ligados ao núcleo, impossibilitando este fenômeno. Processos de Eletrização • Em média, na natureza, os corpos são neutros, mas podem adquirir cargas positivas ou negativas por processo de eletrização que são basicamente três: • Atrito: • Indução • Contato
Campo Elétrico • Alteração da propriedade do espaço devido a presença da carga elétrica. • O campo elétrico é radial e foi descrito for Faraday • Como é uma grandeza vetorial, diverge da carga positiva e converge para a carga negativa. • Observe as figuras. Campo Elétrico Uniforme
Força Elétrica A carga Q inserida na região submetida a um campo E uniforme fica sujeita a uma força F dada por: + + [Q] = C – coulomb [F] = N – newtons [E] = N/C – newtons/coulomb + + + + + - + + + Lei de Coulomb + + + + + + + + + + + + K=9 109Nm2/C2 Constante dielétrica [d] = metros
Campo Elétrico de uma carga pontual Lembrando que: E que pela lei de Coulomb: Considerando-se que a carga QA esteja submetida ao campo elétrico da carga QB: É o módulo do campo elétrico produzido por uma carga puntiforme. Se for representar vetorialmente: E>0, se Q>0 o vetor aponta para fora da carga radialmente; E<0, se Q<0 o vetor aponta para dentro da carga radialmente .
Potencial Elétrico + Associado ao campo elétrico, há uma grandeza escalar que é o potencial elétrico, definido como: Trabalho da força elétrica, por unidade de carga, realizado para transportar + + + + + + + + + • uma carga teste do infinito até uma posição qualquer no interior do campo elétrico. • Da mesma forma, a diferença de potencial nada mais é do que o potencial da posição final da carga menos o potencial da posição inicial. Matematicamente: a diferença de potencial (ddp) acima para transportar a carga que de V3 até V1 é, • V13=V1-V3 • No caso da placa infinita, o campo elétrico é uniforme e é dado por V= Ed onde d é a distância entre a carga teste e a placa e é o campo elétrico produzido pela placa. • A unidade do potencial elétrico é no SI [V] = V – volt • Cada plano paralelo à placa, o potencial não varia. Portanto estes plano são chamados de superfícies equipotenciais.
Potencial Elétrico • Desta forma se a carga teste for deslocada na mesma superfície equipotencial, a força elétrica não realizará trabalho sobre a mesma. O mesmo acontecerá se a carga for transportada para qualquer região do espaço onde haja o campo elétrico produzido pela placa e retornar a esta superfície. • Portando o campo elétrico é um campo conservativo a exemplo do campo gravitacional. • Finalizando o cálculo da ddp na placa do slide anterior • V1=Ed1 • V3=Ed3 • V13=E(d1-d3) • Para o caso das carga puntuais temos: Módulo do potencial diminui com a distância +V + d + -V - Sinal do potencial depende da carga. Expressão para o potencial
