Eletrônica Básica

APRESENTAÇÃO

Em 1972, já com experiência no ensino de eletrônica em cursos presenciais, fui contratado por uma grande organização de ensino por correspondência para renovar seu curso prático de eletrônica. Completado esse trabalho, fui trabalhar na Editora Saber em 1976 onde passei a publicar nas páginas da Revista Saber Eletrônica o primeiro Curso de Eletrônica em Instrução Programada, uma novidade que atraiu a atenção de milhares de leitores que tiveram sua formação inicial totalmente apoiada nos ensinamentos que então disponibilizamos.

O sucesso desse curso fez com que em diversas ocasiões posteriores o curso fosse repetido e atualizado nas páginas da mesma revista e na revista Eletrônica Total. Neste intervalo publicamos a primeira edição completa desse curso que recebeu o nome de Curso Básico de Eletrônica e chegou até sua quinta edição, posteriormente sendo em 2009 transformado numa apostila. No entanto, desde a primeira edição e o primeiro curso na revista, muita coisa mudou, e se bem que diversas atualizações fossem feitas, chegou o momento de se fazer algo novo, adaptado aos novos tempos da eletrônica, num formato mais atual e com conteúdo que seja mais útil a todos que desejarem aprender o básico da eletrônica. Desta forma o conteúdo do curso anterior foi separado em dois, Curso Básico de Eletrônica e Curso de Eletrônica Analógica, para serem completados com a versão já existente do Curso de Eletrônica Digital que deve ser remodelado, E, num quarto volume teremos a parte prática. Além disso, a série terá diversos outros volumes de temas importantes como telecomunicações, matemática para eletrônica, inglês para eletrônica, projetos, etc. Assim, nesta primeira edição de Eletrônica Básica, um verdadeiro curso de conceitos de eletrônica, abordamos todo o conhecimento daquelas edições e mais informações atuais sobre novas tecnologias, novos componentes e novas aplicações.

Podemos dizer que este livro, como os demais, podem ser considerados a plataforma de iniciação ideal para muitos cursos, dos técnicos às disciplinas eletivas, da reciclagem de conhecimentos até aqueles que desejam ter na eletrônica uma segunda atividade ou precisam deles para o seu trabalho em área relacionada.

Newton C. Braga

INTRODUÇÃO

Desde 1976, quando criamos a primeira versão de um Curso de Eletrônica básico que pudesse servir de iniciação aos que desejassem ter conhecimentos da eletrônica, essa ciência passou por grandes transformações. Do fim da válvula ao transistor, quando começamos e os primeiros circuitos integrados, a eletrônica evoluiu para a tecnologia dos CIs de alto grau de integração, os FPGAs, os DSPs, microcontroladores e as montagens em superfície. Assim, nosso livro Curso Básico de Eletrônica, pode ser considerado um curso atualizado com finalidades um pouco diferentes das que visava na época de sua criação original. A eletrônica em nossos dias não é propriamente um fim, onde uma vez domada ela por si só, já permite que as pessoas encontrem uma atividade direta que lhes dê renda ou possam almejar um emprego. A eletrônica hoje é um meio de se alcançar qualificações em outras áreas como as telecomunicações, informática, automação, segurança, eletrônica embarcada e muito mais. Assim, nosso curso visando justamente às necessidades de conhecimento que a preparação para essas áreas pedem, tem uma abordagem direta e rápida de conceitos que, em princípio, não exigem conhecimento prévio dos que desejam aprender.

Na lição 1 estudaremos a natureza da eletricidade, e também alguns fenômenos que ocorrem no átomo e que hoje, na eletrônica mais avançada começam a ser utilizados, o que não ocorria há bem poucos anos.

Na lição 2 tomaremos contato com os conceitos de energia, além das primeiras grandezas elétricas importantes que são a corrente e a tensão. Também teremos o conceito de energia e aprenderemos como funciona um circuito elétrico simples. Veremos ainda o que são LEDs e lâmpadas e como os efeitos da corrente elétrica podem ser aproveitados na prática.

A terceira lição abordará o conceito de resistividade e resistência elétrica introduzindo o resistor. Veremos o que ocorre quando associamos resistores em série e em paralelo e ainda analisaremos seu comportamento elétrico ditado pela Lei de Ohm e Lei de Joule e analisaremos também diversos tipos de resistores especiais que vão dos potenciômetros e trimpots até os LDRs, NTCs e outros.

Na quarta lição trataremos dos geradores, que são as fontes de energia dos circuitos eletrônicos. Veremos os principais tipos de geradores, começando pelas pilhas e acumuladores, passando pelos dínamos e alternadores e chegando aos geradores alternativos, muito importantes em nossos dias. Analisaremos matemática o funcionamento dos geradores com a equação do gerador e as Leis de Kirchoff. Terminaremos esta lição analisando o fusível e o disjuntor.

A quinta lição de nosso curso é dedicada aos capacitores. Estudaremos este componente partindo de seu princípio de funcionamento, as unidades de medidas e os códigos que são usados para suas especificações. Também estudaremos o que ocorre quando ligamos capacitores em série e em paralelo e os chamados circuitos de tempo RC.

A sexta lição é dedicada ao magnetismo e eletromagnetismo. Componentes que se baseiam na produção de campos são muito importantes na eletrônica. São os chamados componentes indutivos representados pelas bobinas e indutores. Veremos também outros componentes desta família como os solenóides, relés e motores, além daqueles que são usados como sensores.

Na sétima lição trataremos de uma forma muito importante de corrente elétrica que é a corrente alternada. Presente na forma de alimentação ou sinal, ela é fundamental para o funcionamento de muitos circuitos eletrônicos. Veremos o que é corrente alternada, suas características e propriedades, além do modo como ela é gerada. Falaremos do fator de potência e como se comportam indutores e capacitores em sua presença. A qualidade de energia será um item importante desta lição.

A oitava lição do curso trata do som, com a análise da natureza deste tipo de vibração assim como suas características e propriedades. Veremos como podemos ouvir estas vibrações analisaremos a sua medida em decibéis e o que são os ultrassons. O EfeitoDoppler também será estudado.

Na nona lição trataremos das ondas eletromagnéticas, que são as ondas de rádio usadas numa infinidade de sistemas de comunicações. Veremos suas características e propriedades e como podem ser usadas.

Terminamos este curso de eletrônica básica com a análise das ondas eletromagnéticas na nona lição. Fundamental para as telecomunicações, o conhecimento da natureza, características e propriedades dessas ondas será o tema central da lição. Veremos ainda o que são as ondas de rádio e como funcionam os transmissores e os receptores. O Conceito de interferências e ruídos também será abordado.

Enfim, o conteúdo estudado pode ser considerado como os primeiros degraus de uma escada que levará os interessados a um mundo de conhecimento técnico capaz de significar sua realização profissional e muito mais que isso, a satisfação pessoal de dominar as mais importantes tecnologias de nosso tempo.

Newton C. Braga

CAPÍTULO 1 - » Matéria e Energia » A Natureza da Eletricidade » Eletricidade Estática

O que você vai aprender

Nesta lição você vai aprender o que é a eletricidade, como ela pode ser gerada e usada. Veremos também como a eletricidade pode transportar energia e o que é a corrente elétrica. Para isso também entenderemos o que é energia e como ela pode realizar o que se denomina trabalho conceito muito importante na física e na engenharia. Aprenderemos também como a eletricidade pode ser medida e o conceito de terra. Os itens que formam essa lição teórica são os seguintes:

1.1 - A Matéria – Átomos e outras partículas

1.2 - Energia – equivalência entre matéria e energia

1.3 - A natureza da eletricidade

1.4 - Eletrostática – Lei de Coulomb

1.5 - A Eletrostática na Prática

1.6 - Condutores

1.7 - Corrente e Tensão – Unidades

Objetivos

Depois de estudar esta lição, você vai ter uma visão diferente da intimidade da matéria e das manifestações elétricas que ocorrem em seu interior. Vai entender melhor a diferença entre matéria e energia e saber como a eletricidade pode se manifestar nos corpos.

Termos em destaque

· Átomo

· Elétrons, prótons e nêutrons

· Carga elétrica

· Lei de Coulomb

· Energia

· Massa

· Eletrostática

· Eletrização

· Corrente elétrica

· Tensão elétrica

Introdução

Os fenômenos elétricos têm sido observados desde os primeiros tempos do homem, quando ainda vivendo em cavernas ele teve sua atenção chamada pelos raios. Talvez seja nessa época que pela primeira vez ele usou indiretamente a eletricidade, aproveitando o fogo que uma descarga provocou em gravetos o qual ele passou a utilizar para iluminação, aquecimento e para cozinhar alimentos.

Nos milhares de anos seguintes certamente outras manifestações elétricas chamaram a atenção do homem. Ele deve ter observado as faíscas produzidas ao se atritar uma pele de animal num dia seco, ao limpá-la e até mesmo deve ter levado sustos tocando em objetos carregados de eletricidade com boas descargas.

Indiretamente alguns fenômenos elétricos devem ter sido utilizados em inovações tecnológicas da época, mas sem que seus usuários soubessem exatamente o que estava acontecendo. É o caso das pilhas da Babilônia de 4 000 anos atrás que eram usadas em trabalhos de galvanoplastia. Certamente sua construção envolvia algum ritual, para que os poderes mágicos fossem conseguidos.

O magnetismo foi descoberto na Magnésia através de suas pedras-ímã (magnetita), mas foi somente depois de muito tempo é que suas propriedades foram explicadas.

A eletricidade como ciência começou na idade moderna com a sua produção de forma artificial e depois explicações que culminaram no século passado com o conhecimento da estrutura da matéria, formada por átomos e depois avançou com teorias como a relatividade a teoria quântica até chegar a nossos dias, com avanços de que trataremos oportunamente.

A unificação da física e as novas teorias das supercordas e outras que começam a influenciar nos conceitos de diversos dispositivos eletrônicos modernos devem fazer parte de um curso moderno.

De fato, fugimos um pouco de muitos dos conceitos dos velhos e desatualizados cursos de eletrônica, partindo do mesmo ponto em que todos devem partir, mas indo além até o que realmente o profissional precisa saber em nossos dias.

1.1 – A Matéria

Para entender a natureza da eletricidade devemos antes compreender a natureza da própria matéria.

Todos os corpos que nos cercam são feitos de minúsculas partículas denominadas átomos. Os átomos são feitos de partículas ainda menores, que se organizam de forma bem definida.

Costumamos representar o átomo conforme mostra a figura 1, em que as partículas que o formam são pequenas esferas, agrupadas de forma bem definida, como os primeiros pesquisadores imaginaram que fossem.

Figura 1 – Representação didática do átomo

Essas partículas, denominadas elétrons, prótons e nêutrons, possuem propriedades que denominamos elétricas. Elas são dotadas de cargas elétricas e, por convenção, as cargas dos elétrons são ditas negativas (-) enquanto que as cargas dos prótons são ditas positivas (+). Os nêutrons não possuem cargas elétricas.

NOTA

Hoje sabemos que essa representação não corresponde à realidade, pois as partes constituintes dos átomos não têm realmente o que podemos denominar forma, conforme veremos mais adiante, mas para efeito de estudo, esta representação tem sido adotada nas escolas por seu aspecto didático. Adotaremos esta representação por comodidade.

Propriedade:

Uma propriedade importante das cargas elétricas, e que deve ser sempre lembrada, é que cargas de mesmo sinal (ambas positivas, ou ambas negativas) se repelem, e cargas de sinais opostos (positivas e negativas), se atraem. A figura 2 mostra isso.

Figura 2 – Cargas de mesmo sinal se repele e cargas de sinais opostos se atraem.

A quantidade de carga elétrica que uma partícula possui pode ser medida.

Verificamos então que a carga do elétron é exatamente a mesma, em quantidade que a do próton, apesar de serem de polaridades opostas e do elétron e do próton ter massas diferentes.

Verifica-se também que os elétrons, sob determinadas condições podem ser retirados dos átomos em torno dos quais giram, e com isso se movimentar através dos materiais dando origem a fenômenos especiais que são muito importantes para os nossos estudos e para a própria existência da ciência eletrônica, conforme veremos nos itens seguintes.

Da mesma forma, podemos acrescentar elétrons a um átomo dotando-os de propriedades especiais, igualmente importantes para nossos estudos.

1.2 – Energia

Um conceito muito importante no estudo da física e conseqüentemente da eletricidade que é um de seus ramos é o de energia.

Conforme estudamos o item anterior, a matéria é formada de átomos e ela tem como principal propriedade o fato de ter massa e ocupar um lugar no espaço. A massa de um objeto é o que lhe confere a propriedade que denominamos peso. Peso é a força com que a terra atrai um objeto, e que depende de sua massa, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – A força com que um objeto é atraído pela terra é o seu peso

Energia é outro conceito muito importante para o entendimento dos fenômenos elétricos. Não temos uma definição do que seja energia, pois ela não pode ser vista. Dizemos que algo tem energia quando tem a capacidade de executar um trabalho.

A energia armazenada nos combustíveis pode realizar um trabalho, que é movimentar um veículo. A energia armazenada nos alimentos é usada para o funcionamento dos nossos órgãos. A energia liberada em reações químicas no interior de uma pilha é usada para acender uma lâmpada ou acionar um pequeno motor.

Veja na figura 4 que, para deslocar um objeto de um ponto A até um ponto B, o quer corresponde a um trabalho, precisamos dispender energia.

Figura 4 – O trabalho mede o dispêndio de energia ao se deslocar um corpo

A energia é uma grandeza física e como tal pode ser medida. Mais adiante quando estudarmos a energia envolvida em processos elétricos veremos como isso é feito.

1.2.1 – Princípio da Conservação da Energia

Um princípio muito importante, que frequentemente será lembrado ao estudarmos fenômenos elétricos, é o da conservação da energia. Este princípio afirma que a energia não pode ser criada nem destruída, ela sempre se conserva.

Assim, quando uma pilha alimenta uma lâmpada, a luz produzida tem a mesma quantidade de energia que a pilha gasta para isso. Da mesma forma, se você tem um amplificador, a quantidade de som obtida (energia) é a mesma que a quantidade de energia elétrica que ele consome ao ser ligado na tomada.

Em outras palavras, nos processos que estudaremos envolvendo eletricidade, quantidade de energia presente será sempre a mesma. Ela apenas passará de um tipo para outro, ou seja, se transformará.

Veja na figura 5 um exemplo, em que a energia química liberada no interior da pilha se transforma em energia elétrica que, depois alimenta uma lâmpada se transformando em energia luminosa (luz) e calor (a lâmpada esquenta). Se medirmos a quantidade de luz e calor produzidos pela lâmpada veremos que é exatamente igual à quantidade de energia liberada no processo químico no interior da pilha.

Figura 5 – Exemplo de conversão de energia

Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma

Lavoisier (1743 – 1794)

Moto Perpétuo

Este nome serve para designar tentativa de muitos para construir um motor perpétuo, um motor que funcione sem precisar de energia. Evidentemente ninguém conseguiu ainda porque contraria os princípios da física, especificamente o da conservação da energia que vimos. Energia não pode ser criada, tem de vir de algum lugar. Além de diversas ideias, que não funcionaram, envolvendo recursos mecânicos, como a da figura A, existem ideias que envolvem eletricidade.

figura A - A água que enche o balde de cima faz peso e ele desce fazendo o mecanismo girar indefinidamente. Por que não funciona?

Uma delas é a de se ligar um motor a um dínamo e depois alimentar o motor pelo dínamo, como mostra a figura B.

Por que isso não funciona? Simplesmente porque os rendimentos do motor e do dínamo não são 100%. O dínamo não converte toda energia mecânica que recebe para girar em eletricidade, assim vai para o motor um pouco menos de energia elétrica do que ele recebeu na forma de energia mecânica. Da mesma forma, o motor não converte 100% de energia elétrica em mecânica, assim ele não transfere para o dínamo toda energia. O dínamo neste ciclo, e no processo, já recebe menos, e com isso menor quantidade de energia é gerada, e no processo a energia vai caindo até tudo parar... Mesmo que o processo tivesse 100% de rendimento, no momento em que tiramos um pouco da energia para alimentar alguma coisa externa, a energia do sistema cai e com isso ele reduz sua velocidade até parar.

1.2.2 – Equivalência entre Matéria e Energia

Os trabalhos de Einstein mostraram que matéria e energia se equivalem. Podemos transformar energia em matéria e matéria em energia. A famosa fórmula de Einstein nos diz que podemos obter uma grande quantidade de energia a partir de uma pequena quantidade de matéria. Enfim, matéria pode ser considerada energia concentrada.

E = mc²

Onde:

E é a energia

M é a massa

C e o quadrado da velocidade da luz ou 300 000 000 000 x 300 000 000 000 de metros por segundo (9 x 1022 m/s²).

Ora, o quadrado da velocidade da luz é um número extremamente grande, o que significa que uma pequena quantidade de matéria multiplicada por esse número resulta numa grande quantidade de energia.

A conversão de matéria em energia utilizada nas usinas atômicas, quando um elemento ao se desintegrar transforma parte de sua massa em energia, é feita segundo este princípio.

1.3 - A Natureza da Eletricidade

O funcionamento de qualquer dispositivo, componente ou aparelho elétrico, depende da movimentação de um fluido através de suas partes. Esse fluído existe na forma de um fluxo de partículas e é denominado corrente elétrica.

Quando ligamos qualquer aparelho, ou dispositivo mais simples, como uma lâmpada, minúsculas entidades (que são tão pequenas que não podem ser vistas de forma alguma) se movimentam através dos fios, transportando a energia que é responsável pelo seu funcionamento.

O primeiro conceito importante que precisamos então ter é o de corrente elétrica. A corrente elétrica, que passa através dos fios, das trilhas das placas de circuito impresso de qualquer equipamento eletrônico, consiste num fluxo de pequenas entidades ou partículas que possuem em sua natureza algo que, se convenciona,