Eletrônica Para Eletricistas - Parte 1 (CUR7001)

As diferenças entre eletricidade e eletrônica

A finalidade deste curso é explicar ao leitor como os circuitos eletrônicos funcionam sem a necessidade de ter conhecimento prévio sobre o assunto. É claro que muitos profissionais de áreas não ligadas à eletrônica podem ter algum conhecimento elementar do assunto, o que pode servir de base para o que vamos ensinar.

Mas, voltando ao nosso problema básico que é entender a eletrônica encontrada em circuitos elétricos e que justamente aflige o leitor, a primeira pergunta que certamente feita é: a eletricidade que encontramos nos circuitos elétricos domiciliares, no automóvel em estabelecimentos comerciais e industriais é a mesma encontrada nos circuitos eletrônicos?

A resposta é sim, o que significa que os conhecimentos básicos para entender as duas é o mesmo. As pequenas diferenças entre as duas eletricidades está apenas na maneira como ela é usada. Isso significa que os princípios básicos que regem o funcionamento dos dispositivos elétricos tais como lâmpadas, fusíveis, etc das instalações também são aplicados em circuitos eletrônicos como porteiros eletrônicos, timers, dimmers, e muitos outros. Este fato é importante, porque os eletricistas que desejam passar para um novo estágio de sua visa profissional, mexendo agora com a eletrônica dos circuitos eletrônicos não precisam partir do zero.

Tudo que aprenderam na sua vida profissional é válido e serve para alavancar o seu aprendizado de novas tecnologias. Na verdade, podemos separar o material contido neste livro em três grups, destinado a profissionais que tenham diferentes graus de preparado.

O primeiro grupo é o formado por profissionais que adquriram sua experiência exclusivamente com o trabalho prático ou que fizeram cursos rápidos onde foi visto muito mais prática do que teoria. Um segundo grupo que podemos incluir é dos que tiveram uma base teórica, mas há muito tempo o que leva à necessidade de uma revisão. Finalmente temos os leitores que tiveram uma sólida base teórica mas que foi dirigida exclusivamente visando as aplicações na eletricidade, sem atenção alguma as suas aplicações na eletrônica, mesmo que a eletrônica usada nas instalações elétricas.

Para o primeiro e segundo grupos temos a primeira parte deste curso que aborda os fundamentos da eletricidade e que permite que antes de passar as suas aplicações na eletrônica torne familiares termos técnicos e princípios importantes para entender o que vem depois. Para o terceiro grupo temos a aplicação direta dos princípios diretos na eletrônica em componentes e circuitos encontrados nas instalações elétricas o que nos leva às partes seguintes deste curso.

FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE

Tanto os profissionais da eletrônica como da eletrotécnica trabalham com a mesma espécie de "fluiido" denominado eletricidade. Conforme explicamos anteriormente as diferenças básica entre um dispositivoe letrônico e um dispositivo elétrico estão na maneira como eles são montados, as partes que eles usam e o modo como a eletricidade é usado.

Apesar de usarem componentres diferentes, os princípios de operação são os mesmos. A eletricidade não é encontrada em diferentes tipos. Isso significa que as leis físicas que determinam como a eletricidade se comporta num circuito são as mesmas. São leis universais que todo o profissional, quer seja eletricista quer seja eletrônico, deve conhecer.

A corrente elétrica

Toda substância é feita de pequenas partículas denominadas átomos. Os átomos são pequenos demais para poderem ser visíveis à vista desarmada e mesmo com microscópios muito potentes. Os átomos são feitos de partículas ainda menores denominadas "partículas elementares" das quais três são as mais importantes para os nossos estudos. Estas partículas formam uma estrutura bem definida que é mostrada na figura 1.

 

O núcleo do átomo é formado por partículas denominadas prótons e neutrons enquanto que em torno dele giram a grande velocidade, particulas menores denominadas elétrobs. Verifica-se que os prótons e elétrons manifestam propriedades especiais. Estas partículas são dotadas de cargas elétricas que, por convenção denominamos positiva e negativa.

O prótons possuem uma carga elétrica positiva (+) e o elétron uma carga elétrica negativa (-). Verificamos que cargas de mesmo nome se repelem (positivo repele positivo e negativo repele negativo) enquanto que cargas opostas se atraem (negativo atrai positivo).

É por este motivo que os elétrons se mantém em órbita em torno do núcleo. As cargas positivas do núcleo os atrai. Em condições normais, o número de elétrons de um átomo é igual ao número de prótons. Isso significa que, no total, as cargas dos elétrons equilibram as cargas dos prótons tornando o átomo uma estrutura neutra, conforme mostra a figura 2.

 

As forças que agem nesta estrutura tendem a manter os átomos dos corpos e portanto os próprios corpos em estado de equilíbrio ou neutralidade. No entanto, sob certas condições, este equilibrio pode ser quebrado.

Evidentemente, não podemos mexer nos prótons que estão firmemente presos ao núcleo do átomo, mas podemos retirar ou acrescentar elétrons a um átomo. Nestas condições, quando retiramos elétrons de um átomo, as cargas positivas passam a predominar e o corpo manifesta propriedades associadas a uma carga positiva. Dizemos que ele se encontra carregado positivamente.

Da mesma forma, se os átomos de um corpo ganharem elétrons as propriedades negativas destas partículas predominam e o corpo se diz carregado negativamente conforme mostra a figura 3.

 

Os corpos que estão com os átomos numa das duas condições se dizem "eletrizados". Um corpo eletrizado é portanto um corpo cujos átomos estão com excesso ou falta de elétrons.

Quando esfregamos um pedaço de plástico num tecido, o atrito faz com que elétrons sejam arrancados do plástico e passem para o tecido. Desta forma, o tecido fica eletrizado negativamente e o plástico fica eletrizado positivamente, conforme mostra a figura 4.

 

Se aproximarmos o pedaço de plástico do cabelo ou pequenos pedaços de papel, os átomos que estão com falta de elétrons deste material vão atrair os elétrons dos átomos de seu cabelo ou do papel. O resultado é eu o cabelo e o papel são atraídos. A eletricidade que se acumula nestes corpos está fixa, ou seja, não é dotada de movimento, sendo por isso denominada "eletricidade estática".

Indo além, vamos supor que tenhamos dois corpos carregados com eletricidade de sinais opostos, e entre eles seja ligado um pedaço de fio de metal (o metal é um material através dos quais os elétrons podem se movimentar com facilidade), conforme mostra a figura 5.

 

Observaremos que um fluxo de elétrons sairá do corpo que os tem em excesso (carregado negativamente) indo para o corpo que os tem em falta (carregado positivamente). Este fluxo de elétros, de forma ordenada num único sentido, é denominado corrente elétrica.

a) Circuitos Básicos

Conforme vimos, a corrente elétrica pode ser usada para transportar energia de um local a outro, desde que seja mantida a diferença entre as cargas dos corpos entre os quais ela flui. Para isso, precisamos manter a concentração das cargas nos corpos que são interligados.

No exemplo que vimos, os corpos mostrados possuem cargas diferentes: um deles está carregado positivamente enquanto que o outro está carregado negativamente. No entanto, podemos obter um fluxo de cargas, ou seja, uma corrente, bastando que os corpos tenham concentrações diferentes de cargas, conforme mostra a figura 6.

Fluxo de elétrons entre corpos carregados.

Veja pela figura 6 que, a corrente tende sempre a se movimentar dos corpos em que as cargas negativas estão mais comprimidas para os corpos em que elas estão menos comprimidas ou que possuam cargas positivas.

Da mesma forma, a corrente flui dos corpos em que as cargas positivas estão menos comprimidas para os que as têm mais comprimidas. É fácil perceber que a tendência natural do processo é que as cargas fluam sempre de modo a estabelecer um equilíbrio entre a concentração de cargas dos corpos.

De volta ao problema de manter a circulação da corrente, como devemos proceder para ter um fornecimento constante de energia que estabeleça o fluxo de cargas ou corrente entre os corpos? Em primeiro lugar, precisamos de um meio eficiente para repor os elétrons que deixam um corpo em direção ao que os tem em falta. Como elétrons não podem ser criados do nada, a solução para o nosso problema está num dispositivo denominado Gerador que é mostrado na figura 7.

 

O conjunto em que temos um gerador, fios metálicos e um dispositivo que pode absorver a energia transportada pela corrente é denominado circuito elétrico. Seu funcionamento é o seguinte:

O excesso de elétrons que existe no lado negativo do gerador é "bombeado" em um único sentido em direção ao pólo em que estes elétrons estão faltando, passando através do dispositivo onde a energia é liberada na forma de calor.

Chegando ao pólo onde os elétrons estão faltando (positivo) um processo de reposição ocorre no interior do gerador, transportando os elétrons que chegam para o outro lado do gerador, onde eles se torna disponíveis no pólo negativo.

Tensão e Corrente

Podemos comparar a falta de elétrons e o excesso de elétrons de um corpo ao estado de compressão e distensão de uma mola. A força que se manfesta entre as cargas tende a restabelecer o estado de equilíbrio ou falta de tensão das molas, conforme mostra a figura 8.

 

A força que se manifesta nas molas depende de seu grau de compressão e da mesma forma, a força que se manifesta nas cargas capaz de empurrá-las através de um fio se manifesta no seu grau de compressão ou densidade. Esta força ou tensão que empurra as cargas através dos fios metálicos de um circuito é denominada "tensão elétrica".

É a tensão que causa a corrente, pois sem uma força atuando sobre as cargas elas não podem se movimentar. A tensão elétrica é medida numa unidade chamada volt que é abreviada por V.

Num gerador como, por exemplo, uma pilha, existe um estado de tensão elétrica entre seus pólos - uma tensão elétrica. isso significa que, quando ligamos um circuito a estes pólos, uma corrente elétrica pode fluir. Este estado de tensão nos pólos de um gerador também é chamado de força eletromotriz e abreviado por f.e.m.

Uma pilha comum, por exemplo, tem uma f.e.m. de 1,5 V.

b) Resistência

Na descrição do circuito básico fizemos uma analogia entre o fluxo de corrente e o fluxo de água. No entanto, se o leitor reparar, acrescentamos nesta analogia mais um elemento muito importante: o dispositivo que usa a energia que está sendo produzida pelo gerador, convertendo-a em outra forma de energia como por exemplo luz ou calor.

O que ocorre é que, quando oi fluxo de elétrons que passa pelo fio encontra este dispositivo ele encontra uma certa oposição ao seu movimento, conforme mostra a figura 9.

 

Para vencer esta oposição ou "resistência" é preciso liberar energoia, a qual é convertida em calor. Esta oposição apresentada pelo dispositivo é denominada "resistência elétrica" e pode ser medida. A resistência elétrica é medida em ohms, abreviamos pela letra grega ômega (ohms).

Veja então que a intensidade da corrente que pode fluir por um circuito formado por fios e um dispositivo depende não só da tensão do gerador (que causa a corrente) como pela quantidade de resistência que o dispositivo que deve receber energia apresenta. A relação entre a tensão, a corrente e a resistência pode ser calculada pela Lei de Ohm, que é representada na figura 10 (veja o símbolo adotado para representar a resistência de um dispositivo qualquer).

 

c) Unidades

Conforme vimos,medimos correntes em amperes, tensões em volts e resistência em amperes. No entanto, em eletrônica, diferentemente do que ocorre em eletrotécnica, as correntes e as resistência podem assumir valores muito pequenos ou muito grandes, conforme o caso, o mesmo ocorrendo com as tensões.

Assim, é comum usar prefixos tanto para expressar valores pequenos como grandes. Por exemplo, podemos usar o quilo (k) para representar 1000, e assim em lugar de falarmos em 1000 volts, falamos 1 quilovolt ou 1 kV. Para uma corrente muito pequena, de 0,001 ampere, podemos usar o prefixo mili (m) para indicar milésimos e então falamos 1 miliampere ou 1 mA.

Os principais prefixos usados em eletrônica são mostrados na seguinte tabela:

d) Efeitos da Corrente Elétrica

O dispositivo (receptor) que tomamos como exemplo nos itens anteriores representa uma resistência elétrica pura, ou seja, uma resistência:"ohmica", convertendo energia elétrica em calor. Muitos dispositivos que encontramos no dia a dia e que usam a eletricidade como fonte de energia convertem esta energia em calor tais como aquecedores, lâmpadas incandescentes, etc.

No entanto, ao trabalhar com eletrônica, podemos encontrar dispositivos que se aproveitam de outras formas de energia que a corrente elétrica pode produzir ao passar por eles. Assim, será interessante revisarmos quais são os efeitos que a corrente elétrica pode produzir e onde eles são aproveitados.

Efeito Térmico ou Efeito Joule

Quando uma corrente atravessa qualquer dispositivo que apresente uma resistência elétrica, o resultado é que a energia gasta no processo de vencer esta resistência se converte em calor. Este efeito é conhecido por efeito térmico ou efeito Joule. A quantidade de energia que é liberada num dispositivo que tenha certa resistência e que seja percorrido por uma corente pode ser calculada pelas fórmula da Lei de Joule.

A energia liberada é medida em Jules, mas em eletrônica é comum usarmos a potência convertida em calor, que é a quantidade de energia em Joules liberada em cada segundo. Esta quantidade recebe o nome de potência elétrica e tem sua própria unidade que é o Watt (W). Assim, 1 W equivale a 1 Joule por segundo.

Efeito Luminoso

Existem muitas formas de se obter luz a partir de energia elétrica. A mais simples e mais tradicional é aquecendo um filamento de tungstênio dentro de um bulbo do qual se tenha retirado o ar. A ausência de oxigênio é importante pois ele atacaria o metal ao aquecer provocando sua queima.

Luz também pode ser produzida pela circulação de uma corrente através de um gás em condições especiais, como ocorre com as lâmpadas fluorescentes e eletrônicas. Nelas, o gás se torna condutor pela aplicação de uma alta tensão num processo denominado "ionização" com o que passa a emitir luz.

Outra forma de se produzir luz a partir de corrente é encontrado em dispositivos semiconductores como os LEDs (Diodos Emissores de Luz ou Light Emmiting Diodes). Estes componentes possuem uma junção de material semiconductor que a ser percorrida por uma corrente emite luz. Como eles funcionam será discutido em mais detalhes no capítulo de que trata dos componentes eletrônicos.

Efeito Magnético

Este é o único efeito que se manifesta sempre: basta existir uma corrente circulando através de algum material para que um campo magnético seja criado. Foi o professor dinamarquês Oesterd quem descobriu que ao passar uma corrente através do fio era criado um campo que atuava sobre uma agulha imantada de uma bússola, desviando-a.

As linha de força do campo magnético envolvem o condutor percorrido pela corrente e têm uma orientação que depende do sentido de circulação dessa corrente. Podemos aumentar a intensidade do campo criado por uma corrente se enrolarmos o fio de modo a formar uma bobina, conforme mostra a figura 11.

 

 Neste caso, teremos um solenoide que concentra o campo magnético no seu interior podendo atrair objetos de metais ferrosos com força. Os solenoides e as bobinas que concentram os campos criados pela correntes são usadas em uma grande quantidade de dispositivos eletrônicos. Também observar-se o efeito inverso: um campo mafgnético que atue de determinada forma sobre uma bobina induz uma corrente. Este efeito pode ser usado em diversos tipos de sensores.

Efeito Químico

Quando uma corrente elétrica atravessa determinas soluções químicas ocorrem reações. A mais conhecida delas é a que ocorre quando uma corrente atravessa uma solução de água e ácido sulfúrico. Nesta reação, denominada eletrólise, a água se decompem nos dois elementos que a formam: oxigênio e hidrogênio. Muitos dispositivos eletrônicos, como por exemplo os capacitores eletroíticos, se baseiam neste efeito para seu funcionamento.

Efeito Fisiológico

Uma corrente pode atuar sobre organismos vivos, como por exemplo nas pessoas causando efeitos como o choque elétrico. Este efeito pode ser aproveitado em diversas aplicações práticas tais como estimuladores de nervos e outros.

Índice:
Introdução
Parte 1 - As diferenças entre eletricidade e eletrônica
Parte 2 - Circuitos e componentes
Parte 3 - Diagramas, Símbolos e Componentes
Parte 4 - Componentes Passivos – Os Resistores
Parte 5 - Componentes Passivos – Capacitores e Indutores
Parte 6 - Componentes Passivos – Outros componentes indutivos
Parte 7 - Semicondutores – Materiais- Diodos e LEDs
Parte 8 - Transistores Bipolares e assemelhados
Parte 9 - Outros tipos de transistores
Parte 10 - Outros componentes semicondutores – IGBTs e Tiristores
Parte 11 - Outros componentes da família dos tiristores – Displays e válvulas
Parte 12 - Os circuitos integrados
Parte 13 - Circuitos Digitais – Microcontroladores - DSPs – Invólucros
Parte 14 - Diagnóstico e reparação
Parte 15 - Circuitos Práticos - Como funcionam
Parte 16 - Outros dispositivos eletrônicos