Temos aqui três conceitos de eletricidade que comumente causam confusão aos estudantes de eletrônica e disciplinas correlatas: Resistência Elétrica, Reatância e Impedância. Os três conceitos se referem à oposição oferecida em um circuito ou componente à passagem da corrente elétrica, mas eles ocorrem em situações distintas, com efeitos diferentes, e aplicações muito interessantes na construção de circuitos eletrônicos.

Sendo assim, qual a diferença entre resistência, reatância e impedância? É a essa pergunta que responderemos neste artigo.

Começamos definindo sucintamente cada um dos conceitos apresentados.

O que é Resistência Elétrica

Em um material condutor qualquer, os elétrons livres colidem frequentemente com outros elétrons, íons e impurezas dentro da grade cristalina do material, o que limita seu movimento pelo condutor – há uma “resistência” a esse deslocamento de cargas.

Desta forma, definimos a resistência elétrica como a “dificuldade oferecida por um condutor à passagem da corrente elétrica“.

A resistência é medida em ohms (em homenagem ao físico Georg Simon Ohm) e é representada pela letra R. Trata-se de uma medida da oposição que um material apresenta ao fluxo de corrente elétrica contínua (DC). A resistência elétrica depende das características físicas do material, como a geometria, a temperatura e a composição química.

Se soubermos os valores de tensão e corrente elétrica podemos calcular facilmente a resistência elétrica em um circuito usando a fórmula da Lei de Ohm:

U = R x I

Onde:

• U é a tensão elétrica, em Volts
• R é a resistência, em ohms
• I é a corrente elétrica, em ampères.

Resistor, componente que apresenta resistência elétrica como característica.

O que é Reatância

A reatância (X) é uma resistência aparente à passagem de corrente alternada em um dispositivo. Assim, trata-se de uma oposição à passagem da corrente elétrica oferecida por um componente como um indutor (bobina) ou um capacitor, sem a dissipação de energia.

A reatância capacitiva é a oposição que um capacitor apresenta à passagem de corrente elétrica alternada. Ela depende da capacitância do componente e da frequência da corrente alternada. A reatância capacitiva é representada pela sigla X_c.

Já a reatância indutiva é a oposição que uma bobina apresenta à passagem de corrente elétrica alternada. Ela depende da indutância do componente e da frequência da corrente alternada. A reatância indutiva é representada pela sigla X_l.

De forma análoga à resistência, a reatância é medida em ohms (Ω), e podemos calculá-la facilmente usando fórmulas que levam em conta a frequência da corrente alternada que atravessa o dispositivo e sua característica particular, seja ela a indutância ou a capacitância (ou ambas!).

Por exemplo, a reatância em um indutor, chamada de reatância indutiva, é calculada com a fórmula:

X_L = 2πfL

onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz e L é a indutância do indutor em Henries.

E a reatância em um capacitor, chamada de reatância capacitiva, pode ser calculada com:

X_C = 1/(2πfC)

onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz e C é a capacitância do capacitor em Farads.

Circuito contendo um indutor e, consequentemente, que apresenta reatância indutiva

O que é Impedância

E quanto à impedância?

A impedância é uma medida da oposição total que um circuito elétrico ou eletrônico apresenta à passagem de corrente alternada (AC). É uma propriedade elétrica que leva em consideração a resistência elétrica, a reatância capacitiva e a reatância indutiva de um circuito.

Trata-se de é uma propriedade importante em circuitos de corrente alternada, pois determina a quantidade de corrente elétrica que pode fluir pelo circuito. Quanto maior a impedância, menor a corrente elétrica que pode passar pelo circuito. A impedância é medida em ohms e é representada pela letra Z. 

A impedância também é importante para o cálculo de potência em circuitos de corrente alternada, pois a potência elétrica é igual ao quadrado da corrente elétrica multiplicado pela impedância. Isso significa que, em um circuito com alta impedância, é possível ter uma potência elétrica significativa, mesmo com uma corrente elétrica relativamente baixa.

Em resumo, a impedância é uma medida da oposição que um circuito elétrico ou eletrônico apresenta à passagem de corrente elétrica alternada. É uma propriedade que leva em consideração a resistência elétrica, a reatância capacitiva e a reatância indutiva de um circuito e é importante para determinar a quantidade de corrente elétrica que pode fluir pelo circuito e para o cálculo de potência em circuitos de corrente alternada.

Como calcular a impedância em um circuito?

O cálculo da impedância de um circuito elétrico ou eletrônico depende das características dos componentes presentes no circuito. A impedância é uma propriedade que leva em consideração a resistência elétrica, a reatância capacitiva e a reatância indutiva do circuito.

Para calcular a impedância de um circuito em série, é necessário seguir os seguintes passos:

1. Identifique todos os componentes presentes no circuito, incluindo resistores, capacitores e indutores.
2. Calcule a resistência elétrica total do circuito, somando todas as resistências presentes no circuito. Se houver um resistor em série com um capacitor ou um indutor, a resistência equivalente será a soma da resistência e da reatância do componente.
3. Calcule a reatância capacitiva do circuito, utilizando a fórmula X_C = 1/(2πfC), onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz e C é a capacitância do capacitor em Farads.
4. Calcule a reatância indutiva do circuito, utilizando a fórmula X_L = 2πfL, onde f é a frequência da corrente alternada em Hertz (Hz) e L é a indutância do indutor em Henries (H).
5. Calcule a impedância total do circuito, utilizando a fórmula Z = √(R² + (X_L – X_c)²), onde R é a resistência elétrica total do circuito, X_l é a reatância indutiva do circuito e X_c é a reatância capacitiva do circuito. Esta fórmula é para um circuito em série. A fórmula da impedância varia dependendo dos elementos presentes no circuito, e da forma como estão interligados.

O Alto-falante é um componente que apresenta impedância característica.

Após calcular a impedância total do circuito, é possível determinar a quantidade de corrente elétrica que pode fluir pelo circuito e a quantidade de potência elétrica que pode ser dissipada pelos componentes. Esse cálculo é fundamental para o projeto e análise de circuitos elétricos e eletrônicos.

Exemplo

Vamos resolver um exercício bem simples relacionado á impedância de um circuito.

Um gerador de corrente alternada com frequência de 100 Hz alimenta um circuito que possui um capacitor de 50μF, uma bobina de 1H e um resistor de 100 Ω ligados em série.

Calcule a impedância desse circuito.

Circuito RLC em série

Resolução

Assim, temos que:

Portanto, a impedância total do circuito apresentado é de 604,79 Ω.

Resumo

Em resumo, enquanto a resistência elétrica é a oposição que um material apresenta ao fluxo de corrente elétrica contínua (DC), a reatância é a oposição que um componente apresenta ao fluxo de corrente elétrica alternada (AC).

A reatância capacitiva é a oposição que um capacitor apresenta à corrente alternada e a reatância indutiva é a oposição que uma bobina apresenta à corrente alternada.

Já a impedância é uma medida total da oposição que um circuito elétrico ou eletrônico apresenta à passagem de corrente elétrica alternada e leva em consideração tanto a resistência elétrica quanto a reatância capacitiva e a reatância indutiva.

Referências

Scherz P., Monk S. Practical Electronics for Inventors 3. Ed. Editora McGraw-Hill

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Vamos treinar cálculos que envolvam corrente elétrica, tensão elétrica e resistência? A seguir estão disponibilizados alguns exercícios sobre a Lei de Ohm – que você pode revisar clicando aqui – para que você possa estudar e treinar a resolução de problemas simples de eletricidade e eletrônica.

A Primeira Lei de Ohm define que a resistência de um material é uma razão entre a tensão aplicada sobre ele e a corrente elétrica resultante, originando a fórmula:

Onde R é a resistência, em ohms, U é a tensão elétrica, em volts, e I é a corrente elétrica, em ampères.

As respostas de cada exercício estão no final do artigo, juntamente com uma resolução passo-a-passo e comentada.

Bons estudos!

Exercício 01

Um resistor de 120 Ω é percorrido por uma corrente elétrica de 40 mA. Qual será o valor da tensão elétrica (ddp) entre os terminais desse componente?

1. 16 V
2. 1,2 V
3. 40 x 10-3 V
4. 0,333 V
5. 4,8 V

Exercício 02

Um resistor em um circuito, quando submetido a uma tensão elétrica de 110 V, é atravessado por uma corrente de intensidade igual a 16 A. Quando a corrente que o atravessa for igual a 10 A, a tensão, em volts, nos terminais do componente, será de:

1. 80 V
2. 68,75 V
3. 16,10 V
4. 14,54 V
5. 94,00 V

Exercício 03

Um resistor de resistência R, ao ser submetido a uma tensão elétrica U, passa a ser percorrido por uma corrente I. O valor da corrente elétrica neste circuito, se a tensão elétrica for o triplo do valor inicial e o resistor for trocado por um outro componente cuja resistência seja cinco vezes maior que a do componente original, será de:

1. 3I/2
2. 3I
3. I/6
4. 3I/5
5. 5I

Exercício 04

Considere o circuito a seguir:Qual será a corrente elétrica que atravessa a lâmpada LMP1, de acordo com os valores de tensão e resistência indicados no diagrama esquemático indicados?

Exercício 05

Determine a corrente elétrica que flui por um resistor de 100 kΩ quando ele é submetido a uma tensão elétrica de 220 V.

1. 0,2202 A
2. 100 A
3. 22000 nA
4. 0,0022 A
5. 22 mA

Exercício 06

Um fio de cobre, de 1,50 m de comprimento, é atravessado por uma corrente de 3A ao ser ligado a uma fonte de 18V.
Calcule a corrente que atravessa esse fio se ele tiver seu tamanho reduzido a 30 cm de comprimento.

Dica: lembre-se das regras que relacionam o diâmetro e o comprimento de um fio metálico com sua resistência elétrica (ôhmica).

Para revisar

Ficou confuso? Assista ao vídeo a seguir para rever o conceito da Lei de Ohm e ver exemplos resolvidos passo-a-passo:

Respostas

Exercício 01

Como U = R x I, temos que:

U = 120 Ω x 40 mA
U = 120 Ω x 0,040 A
 U= 4,8 V

Resposta: Alternativa ‘e’, 4,8 V

Exercício 02

Neste caso, U = 110 V e I = 16 A. Assim, a resistência do componente será de:

R = U / I =
R = 110 V / 16 A =
R = 6,875 Ω

Para este valor de resistência, quando a corrente que atravessa o componente for de 10 A, teremos:

U = R x I =
U = 6,875 Ω x 10 A =
U = 68,75 V

Resposta: Alternativa ‘b’, 68,75 V

Exercício 03

Temos que I = U / R. Assim, se triplicarmos a tensão elétrica e quintuplicarmos a resistência, teremos:

I_final = 3I_inicial / 5

Resposta: Alternativa ‘d’, 3I/5

Exercício 04

Aqui temos uma ddp de 24 V e uma resistência de 32 ohms. Para calcular a corrente elétrica que atravessa a lâmpada fazemos:

I = U / R
I = 24 V / 32 Ω
I = 0,75 A

Resposta: 0,75 A (ou 750 mA)

Exercício 05

Um resistor de 100 kΩ tem 100.000 Ω de resistência elétrica (o prefixo kilo- significa “vezes mil”). Com uma força eletromotriz de 220 V sendo aplicada sobre ele, a corrente que o atravessará será de:

I = U / R
I = 220 V / 100.000 Ω
I = 0,0022 A

O que equivale a 2,2 mA (basta multiplicar por mil para converter de A para mA).

Resposta: Alternativa ‘d’, 0,0022 A

Exercício 06

Aqui não precisamos aplicar a lei de Ohm para calcular a corrente. Basta lembrarmos que, se duplicamos o comprimento de um fio, sua resistência também duplica, e consequentemente, a corrente que o atravessa cai pela metade, visto que são grandezas inversamente proporcionais (quando a resistência aumenta, a corrente diminui, e vice-versa).

Neste exemplo o comprimento do fio cai de 1,5 m (150 cm) para 30 cm, que equivale a 0,3 m. Assim, o fio foi encurtado em:

1,5 m / 0,3 m = 5 vezes

Portanto, se o fio ficou 5 vezes mais curto, a corrente que o atravessa se tornará 5 vezes maior. Como a corrente inicial era de 3 A, teremos:

I_final = I_inicial x 5
I_final = 3 A x 5
I_final = 15 A

Resposta: 15A 

E aí, conseguiu acertar todos os exercícios sobre Lei de Ohm? Parabéns!

Caso ainda esteja em dúvidas, assista ao vídeo acima para revisar o conteúdo sobre Lei de Ohm em Eletrônica.

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Damos o nome de Indutância (ou Auto-Indutância) à propriedade que um condutor possui de induzir uma tensão elétrica em si mesmo (em outras palavras, armazenar energia) quando uma corrente elétrica que o atravessa muda no decorrer do tempo. O símbolo da indutância é a letra L, e sua unidade de medida é o Henry (H), em homenagem a Joseph Henry, que foi um cientista pioneiro na área do eletromagnetismo.

Um Indutor é um dispositivo projetado especificamente para apresentar um valor específico de indutância, a ser empregada na construção de um circuito eletro-eletrônico. Exemplos de dispositivos indutores incluem bobinas, choques de filtro e transformadores, entre outros.

Quanto vale um henry? Um H é a indutância que permite que um volt seja induzido quando a corrente que atravessa um indutor varia na taxa de um ampère por segundo.

Desta forma, temos que a fórmula básica da indutância é:

onde:

• L é a indutância, em henrys
• V_L é a tensão induzida sobre a bobina, em volts
• Δi/Δt é a taxa de variação da corrente elétrica, em A/s (ampères por segundo)

Vejamos um exemplo de cálculo de indutância usando essa fórmula.

Exemplo 01: Qual é o valor da indutância de uma bobina que induz uma tensão de 12 V quando a corrente que a atravessa varia de 5 para 15 A no período de 5 segundos?

Resolução: Temos que:

• VL = 12V
• Δi = 15 – 5 = 10A
• Δt = 5s
• Δi/Δt = 10 / 5 = 2A/s

Substituindo esses valores na fórmula temos:

Resposta: a indutância será de 6 henrys (L = 6H).

Exemplo 02: Uma bobina possui uma indutância de 200 μH. Qual o valor da tensão induzida nesta bobina quando a taxa de variação da corrente é de 1200 A/s?

Rearranjando os termos da fórmula básica da indutância para deixar em evidência a tensão elétrica temos:

Aplicando os valores na fórmula:

Resposta: A tensão induzida será de 0,24 volts.

Indutância Mútua

Quando a corrente elétrica em uma bobina muda, o fluxo variante pode cruzar um outro condutor que esteja localizado nas proximidades, induzindo corrente elétrica em ambos os condutores. Assim, uma corrente variável em uma bobina L1 induz tensão elétrica em uma bobina L2 e também em si própria, e a tensão induzida em L2 produz corrente, o que por sua vez induz tensão em L1 também.

Assim, dizemos que duas bobinas próximas possuem indutância mútua, pois a mudança de corrente em uma bobina induz tensão na outra, e vice-versa.

Indutância mútua entre duas bobinas L1 e L2

Vamos explorar esse conceito, que é relativamente mais complexo, em um artigo específico.

Características das Bobinas Indutoras

A indutância de uma bobina depende de uma série de fatores, como a forma como ela é enrolada, o material de seu núcleo, a espessura do fio empregado em sua construção, e o número de voltas do fio com a qual é enrolada, entre outras. Algumas das características físicas mais importantes das bobinas são as seguintes:

• A indutância aumenta com o aumento do número de voltas de fio ao redor do núcleo. Esse aumento ocorre na proporção quadrática, ou seja se o número de voltas de fio aumentar duas vezes, a indutância aumentará 2², ou seja, 4 vezes – desde que a área e comprimento da bobina permaneçam os mesmos.
• A indutância aumenta quando a permeabilidade relativa do material aumenta (μ).
• A indutância aumenta com o quadrado do diâmetro, pois com o aumento do diâmetro da bobina, a área do enrolamento aumenta.
• A indutância diminui com o aumento do comprimento da bobina, desde que o número de voltas de fio permaneça constante.

Como Calcular a Indutância de uma Bobina

Se considerarmos A como área da seção transversal de uma bobina, N o número de espiras (voltas de fio), μ a permeabilidade do material do núcleo da bobina, e l o comprimento da bobina (do início ao fim do enrolamento), podemos calcular sua indutância de forma aproximada usando a fórmula a seguir:

Onde:

• L é a indutância, em henrys (H)
• A é a área da seção transversal, em metros quadrados (m²)
• l é o comprimento do núcleo, em metros (m) 
• N é o número absoluto de voltas de fio
• μ é a permeabilidade

Exemplo 01: Calcular a indutância de uma bobina de 0,01 m² de área e comprimento de 0,001 m que possui 5 voltas de fio enrolado sobre um núcleo de níquel, cuja permeabilidade é de 6,28 x 10^-5.

Resolução:

Portanto, a indutância é de 15,7 mH.

Exemplo 02: Calcular a indutância de uma bobina de 0,1 m² de área e comprimento de 0,1 m que possui 10 voltas de fio enrolado sobre um núcleo de ferro fundido, cuja permeabilidade é de 1,1 x 10^-4.

Resolução:

Portanto, a indutância é de 11 mH.

A tabela a seguir mostra as permeabilidades de alguns materiais empregados na fabricação de núcleos de bobinas indutoras:

Perdas no Núcleo

Perdas no núcleo magnético são devidas a perdas por correntes parasitas e também por histerese. As correntes parasitas fluem em um caminho circular dentro do próprio material do núcleo e se dissipam na forma de calor no núcleo. A perda tem valor igual a I²R, onde R é a resistência do caminho através do núcleo. Quanto maior a frequência da corrente alternada na indutância, mais altas serão as correntes parasitas e maior também será a perda devido às correntes parasitas.

As perdas de histerese surgem por conta da energia adicional necessária para reverter o campo magnético em materiais magnéticos nos quais circula uma corrente alternada. As perdas por histerese geralmente são menores do que as perdas por correntes parasitas.

Para reduzir as perdas por correntes parasitas ao mesmo tempo em que mantemos a densidade do fluxo, o núcleo de ferro pode ser feito com
folhas laminadas isoladas umas das outras, grânulos isolados de ferro em pó comprimidos na forma de um sólido ou ainda usando ferrite. Bobinas de núcleo de ar praticamente não apresentam perdas por correntes parasitas ou histerese.

Na próxima lição vamos estudar a Reatância Indutiva em bobinas.

Referências

Gussow, M. Schaum´s Outline of Basic Electricity. Editora McGraw-Hill. 1983

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Neste post listaremos alguns dos fatos mais importantes e curiosos da história da eletricidade e do magnetismo, desde a Antiguidade Clássica até os dias de hoje. Os fatos estão listados em ordem cronológica, a maioria com o ano em que ocorreram indicado precisamente, e alguns com uma data aproximada, devido à incertezas cronológicas.

Cronologia

600 a.C – O filósofo grego Thales de Miletus (Tales de Mileto) descobriu que, ao esfregar um pedaço de âmbar em um pano de seda, esse âmbar se tornava carregado com uma energia invisível, e era capaz de atrair outros objetos. Essa energia é o que chamamos de Eletricidade Estática.

Tales de Mileto

1175 – O monge inglês Alexander Necken descreveu o funcionamento de uma bússola

1269 – O estudioso francês Peter Peregrinus escreveu ou primeiro tratado europeu contendo a descrição das propriedades dos ímãs, denominado Epistola de Magnete.

1600 – O médico e cientista inglês William Gilbert citou pela primeira vez a ideia de eletricidade e foi a primeira pessoa a pesquisar as propriedades da pedra-ímã (magnetita), de forma sistemática. Ele escreveu sobre a eletrificação de diversas substâncias e foi a primeira pessoa a empregar os termos “força elétrica”, “pólo magnético” e “atração elétrica”. Ele também repudiava a ideia corrente na época de que a Terra era o centro do Universo e sugeriu que o magnetismo era uma espécie de “alma” do planeta. Suas descobertas foram publicadas no livro De Magnete.

1660 – O físico, químico e filósofo irlandês Robert Boyle descobriu que a força elétrica podia ser transmitida através do vácuo, e estudou a atração e repulsão.

1675 – O químico inglês Stephen Gray fez a distinção entre materiais condutores e materiais não-condutores de cargas elétricas.

1742 – Uma edição da obra Principia, de Isaac Newton, foi publicada, incluindo uma nota no texto que demonstrava a lei do inverso do cubo, relacionada à força entre dois ímãs.

Isaac Newton

1750 – O geólogo inglês John Michell publicou a obra A Treatise on Artificial Magnets (Um Tratado sobre Ímãs Artificiais), na qual é descrito o processo de fabricação de ímãs de aço fortes, além de dissertar sobre as forças de atração e de repulsão dos ímãs.

1800 – O físico italiano Alessandro Volta inventou a primeira bateria química.

1809 – O inventor e químico inglês Sir Humphry Davy criou a primeira lâmpada elétrica, que consistia em um pedaço de carbono que emitia luz ao ser conectado por fios a uma bateria.

1820 – Hans Christian Oersted, na Dinamarca, André-Marie Ampère e François Arago, na França, de forma separada, confirmaram a relação existente entre a eletricidade e o magnetismo.
Oersted descobriu, acidentalmente, que uma corrente elétrica percorrendo um fio fazia com que a agulha de uma bússola colocada nas proximidades se movesse.

André Marie Ampère

1821 – O cientista inglês Michael Faraday publicou um importante trabalho sobre o princípio da rotação eletromagnética, o qual posteriormente seria importante para o desenvolvimento dos motores elétricos.

1826 – O físico e matemático alemão Georg Ohm definiu a relação entre potência, corrente, tensão e resistência elétricas nas Leis de Ohm.

Georg Ohm

1831 – Faraday provou que a eletricidade pode ser induzida por alterações em um campo eletromagnético. Também descreveu um motor elétrico, e realizou uma série de experimentos tentando provar que a eletricidade podia ser gerada a partir do magnetismo.

1832 – O fabricante de instrumentos francês Hippolyte Pixii construiu o primeiro magneto, um gerador elétrico manual que usava ímãs permanentes para produzir pulsos periódicos de corrente alternada. Este é considerado o primeiro gerador de corrente elétrica de uso prático.

1834 – O inventor americano Thomas Davenport inventa o motor elétrico, uma das mais importantes invenções na era da eletricidade.

1840 – O físico inglês James Prescott Joule pubica um estudo, On the Production of Heat by Voltaic Electricity, no qual ele descreve a quantidade de calor gerada por uma corrente elétrica que atravessa um condutor – a famosa Lei de Joule.

1844 – A primeira linha telegráfica oficial é completada nos Estados Unidos, e a primeira mensagem é enviada por Samuel Morse, seu inventor.

1845 – O físico alemão Gustav Kirchhoff apresenta suas leis de circuitos elétricos, a Primeira e a Segunda Leis de Kirchhoff.
Michael Faraday descobre uma forma de magnetismo diferente no bismuto, no vidro e outros elementos, que ele batiza de Diamagnetismo.

1486 – Em um ensaio curto, Michael Faraday sugere que a luz poderia ser um fenômeno eletromagnético.

Michael Faraday

1850 – O cientista Irlandês-Escocês William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin, apresenta os conceitos de suscetibilidade e permeabilidade magnéticas.

1851 – Lord Kelvin publica sua teoria geral da termoeletricidade.

1853 – Lord Kelvin deriva a fórmula para a energia magnética e desenvolve uma teoria do circuito RLC (Resistor-Indutor-Capacitor)

1858 – O físico e matemático alemão Julius Plücker descobre que forças magnéticas podem curvar os raios catódicos.
Um cabo elétrico telegráfico transatlântico é instalado com sucesso no leito do oceano. Funcionou durante seis meses.

1864 – O conjunto completo das equações do eletromagnetismo de Maxwell aparece em sua publicação On a Dynamical Theory of the Electromagnetic Field

1866 – O engenheiro francês Georges Leclanché inventa a bateria de célula seca, que ainda é empregada atualmente (de forma modificada).

1860 – 1870 – A teoria matemática dos campos eletromagnéticos foi publicada pelo físico teórico escocês James Clerk Maxwell, inaugurando uma nova era na física ao unificar o magnetismo, eletricidade e a luz. As quatro equações de Maxwell (quatro leis da eletrodinâmica) levaram à invenção posterior de tecnologias como a transmissão de energia elétrica, o rádio e a televisão, entre inúmeras outras.

1873 – O engenheiro inglês Willoughby Smith descobre a fotocondutividade ao observar que o elemento químico Selênio conduz a eletricidade melhor quando exposto à luz.
Neste mesmo ano, o físico escocês James Clerk Maxwell publica uma discussão detalhada de sua teoria do eletromagnetismo em sua obra Tratado sobre a Eletricidade e o Magnetismo.

1876 – O inventor americano Charles Brush inventou o dínamo de bobina aberta, um gerador capaz de produzir uma corrente elétrica constante.
Neste mesmo ano, o inventor Alexander Graham Bell recebe uma patente nos Estados Unidos por sua versão do telefone.

1878 – O físico e químico inglês Joseph Swan inventou a primeira lâmpada incandescente de bulbo (lâmpada elétrica). Porém, esse bulbo queimava rapidamente.

Joseph Swan

1879 – Thomas Edison, nos Estados Unidos, inventou uma lâmpada incandescente de bulbo, após realizar inúmeros experimentos. Sua lâmpada podia ser usada por cerca de 40 horas sem se queimar. Esta lâmpada foi sendo aperfeiçoada, e em 1880 já era capaz de durar mais de 1200 horas.

1880 – O físico alemão Emil Warburg descobre o efeito da Histerese, no qual materiais ferromagnéticos exibem um atraso na indução magnética logo após ocorrer uma mudança no campo magnetizante.
Neste ano também os físicos franceses Pierre e Paul-Jacques Curie demonstram experimentalmente a geração de eletricidade em determinados cristais, sujeitos à deformação mecânica. Esse efeito é chamado de Piezoeletricidade.

1881 – O físico alemão Hermann von Helmholtz ministra uma palestra em Londres, na qual argumenta que a eletricidade é dividida em partículas elementares, de forma similar ao átomo.
Neste mesmo ano a primeira estrada de ferro pública, construída por Siemens Halske, é aberta próximo a Berlim, na Alemanha.

1882 – A estação de energia Pearl Street é aberta em Nova Iorque por Thomas Edison. Foi uma das primeiras usinas de energia elétrica do mundo e tinha capacidade para alimentar até 5000 lâmpadas. Porém, a estação empregava corrente contínua, ao contrário da corrente alternada que usamos hoje em dia – e isso acarretava diversos tipos de problemas.

1883 – Nikola Tesla inventa a Bobina de Tesla, uma espécie de transformador que permitia aumentar uma tensão elétrica baixa, transformando-a em alta tensão, de modo a ser possível transportar energia por longa distâncias.
Neste mesmo ano, o engenheiro francês Léon Charles Thévenin publica um estudo que inclui o famoso teorema que leva seu nome – o Teorema de Thévenin; na prática, esse teorema havia sido desenvolvido muitos anos antes por Hermann von Helmholtz.

Nikola Tesla

1884 – Nikola Tesla inventa o alternador elétrico, que permite produzir corrente alternada. Até então, a energia elétrica era gerada exclusivamente a partir de baterias, na forma de corrente contínua.
Neste mesmo ano, o engenheiro inglês Sir Charles Algernon Parsons inventou um gerador de turbina a vapor, que era capaz de gerar grande quantidade de energia elétrica.

1886 – O eletricista americano William Stanley desenvolve o primeiro sistema elétrico de corrente alternada e apresenta o dispositivo Transformador.

1887 – O físico alemão Heinrich Hertz constrói um equipamento para gerar e detectar as ondas eletromagnéticas previstas por James Clerk Maxwell. Desta forma, ele se tornou a primeira pessoa a transmitir e receber ondas de rádio. Além disso, ele também descobriu o efeito fotoelétrico com esse mesmo experimento.

1888 – Novamente Nikola Tesla. Desta vez ele demonstrou o primeiro sistema de corrente alternada, o qual incluía unidades necessárias para produzir a eletricidade e seu uso, incluindo gerador, transformadores, sistema de transmissão, motor e lâmpadas. Os direitos de patente sobre esse sistema foram comprados por George Westinghouse.
Ainda nesse ano, Charles Brush foi o primeiro a empregar um grande moinho de vento para gerar eletricidade. Ele usava o moinho para carregar baterias no sótão de sua casa na cidade de Cleveland (estado de Ohio, EUA).

1890 – O primeiro trem subterrâneo (metrô) inicia sua operação em Londres (London Underground).

1895 – Inauguração da usina hidrelétrica das Cataratas do Niagara. No ano seguinte, ela já enviava energia elétrica para clientes na cidade de Buffalo, em Nova Iorque, a 32 km de distância.
Também neste ano, o físico alemão Wilhelm Roentgen descobre os Raios-X, ao realizar experimentos com tubos de raios catódicos.

1896 – A radioatividade natural é observada pela primeira vez pelo físco francês Antoine-Henri Becquerel.
O inventor italiano Guglielmo Marconi recebe a patente pela invenção do Rádio, equipamento que permitia a transmissão de sinais por meio de ondas eletromagnéticas.

1897 – O físico inglês Joseph John Thomson descobre o elétron.
O físico alemão Karl Braun inventa o Osciloscópio com Tubo de Raios Catódicos (CRT).

Joseph John Thomson

1898 – O engenheiro dinamarquês Valdemar Poulsen inventa o Telegraphone, um dispositivo magnético rudimentar projetado para gravar conversas telefônicas.
Ainda neste ano, o físico neo-zelandês Ernest Rutherford determina que os raios descobertos por Becquerel eram compostos por duas formas distintas de radiação, que ele batiza de raios Alfa e Beta.

1899 – A primeira bateria recarregável de níquel-cádmio é desenvolvida por Waldmar Jungner na Suécia.

1901 – O inventor americano Thomas Edison desenvolve a primeira bateria Níquel-Alcalina.

1905 – O físico alemão Albert Einstein formula a Teoria da Relatividade Especial, indicando que a eletricidade e o magnetismo são dois aspectos de um mesmo fenômeno.

1906 – O engenheiro americano Lee de Forest inventa o Audion, uma válvula termoiônica de três eletrodos, que viria a ser muito importante nos dispositivos eletrônicos do início do século.

1907 – O pesquisador de rádio britânico Henry Joseph Round, assistente de Marconi, descobre a emissão infravermelha chamada eletroluminescência do arseneto de gálio ao realizar experimentos com o material e um detetor a cristal.

Estrutura Molecular do Arseneto de Gálio

1908 – O físico alemão Hans Geiger desenvolve o primeiro Contador Geiger, dispositivo empregado para detectar e contar partículas de radiação.

1909 – Os exploradores australianos Douglas Mawson e Edgeworth David completam a primeira expedição bem-sucedida ao pólo magnético sul da Terra.

1912 – O físico alemão Max von Laue prova que os Raios-X possuem natureza eletromagnética.

1919 – O inventor americano Edwin Armstrong desenvolve o Circuito Superheteródino, que viria a ser largamente empregado na recepção, conversão e amplificação de ondas eletromagnéticas para transmissão de rádio e TV futuramente.

1929 – O Cabo Coaxial tem um pedido de patente requisitado pelos engenheiros americanos Herman Affel e Lloyd Espenschied.

1930 – São produzidos os primeiros ímãs de AlNiCo. O cientista alemão Hermann Kemper estuda o emprego de campos magnéticos em conjunção com trens e aviões.

1931 – É construído o primeiro Cyclotron, um tipo de acelerador de partículas circular, no qual as partículas subatômicas são aceleradas usando um campo elétrico alternado de alta frequência.

Cyclotron de 60 polegadas em Berkeley

1932 – O físico inglês James Chadwick descobre o Nêutron.
Ainda nesse ano, o físico americano Carl Anderson descobre o Pósitron, partícula com massa similar à do elétron, porém com carga positiva.

1934 – O inventor alemão Semi Joseph Begun constrói o primeiro gravador de fita magnética, usado para gravação de áudio.

1943 – É construído o primeiro computador eletrônico programável, pelo matemático inglês Professor Maxwell H. A. Newman, juntamente com o engenheiro, também inglês, Thomas H. Flowers.

1945 – O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), primeiro computador totalmente eletrônico, é completado após três anos de desenvolvimento e construção nos EUA.

1947 – O Transistor semicondutor é inventado nos Laboratórios Bell pelos pesquisadores John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley.

1952 – Os primeiros ímãs de ferrite cerâmica são produzidos comercialmente.

1953 – O Circuito Integrado é inventado por Jack Kilby (Texas Instruments) e Robert Noyce (Fairchild Semiconductor), de forma independente.

1966 – Ímãs de terras raras começam a ser desenvolvidos no Laboratório de Materiais da Força Aérea dos EUA, por K. J. Stmat e G. Hoffer.

1968 – O primeiro computador pessoal começa a ser comercializado pela empresa HP. Na verdade, o computador, que era o HP9100A, foi comercializado como sendo uma calculadora, pois os consumidores acreditavam que para ser considerado um computador o equipamento deveria ter grandes dimensões!

Computador HP900A

1969 – Os cientistas americanos James R. Powell e Gordan T. Danby patenteiam o primeiro projeto de trens de levitação magnética (Maglev).

1970 – São desenvolvidas as primeiras células solares de arseneto de gálio pela equipe liderada por Zhores Alferov, na antiga União Soviética.

1972 – A segunda geração de ímãs de terras raras é desenvolvida pelos americanos Karl Strnat e Alden Ray.

1973 – Primeira demonstração da tecnologia de Imagem por Ressonância Magnética (MRI) nos Estados Unidos, por Paul Lauterbar.

1982 – A General Motors e a japonesa Sumitomo Special Metals desenvolvem os ímãs de Neodímio.

1988 – Físicos alemães e franceses descobrem o efeito da Magnetoresistência Gigante, resultante de efeitos do spin de elétrons em camadas artificiais de materiais magnéticos. Este efeito é crucial para o desenvolvimento de discos rígidos de computadores.

1991 – O governo da Alemanha certifica a operação do primeiro trem Maglev para uso público.

2000 – A primeira estação geradora de eletricidade a partir de ondas do mar, batizada de LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer), começa a gerar eletricidade na ilha de Islay, na Escócia.

Referências

https://www.first4magnets.com/tech-centre-i61/information-and-articles-i70/history-of-electricity-magnetism-infographic-i148
https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/timeline/1940-1959

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No artigo anterior apresentamos alguns conceitos básicos sobre magnetismo, como os conceitos de Campo Magnético, Linhas de Fluxo, Coercividade, Pólos Magnéticos e outros. Agora, vamos falar sobre os tipos de magnetismo, do ponto de vista do comportamento dos diversos materiais que podem ou não ser magnetizados.

Existem cinco tipos básicos de magnetismo, de acordo com o comportamento magnético dos materiais em resposta a um campo magnético (dependendo da temperatura). São eles:

• Diamagnetismo
• Paramagnetismo
• Ferromagnetismo
• Ferrimagnetismo
• Antiferromagnetismo

Vamos entender cada um deles agora.

Paramagnetismo

Em muitas substâncias os átomos possuem um momento dipolo magnético. Podemos imaginar seus átomos como pequenos ímãs (dipolos magnéticos). Neste tipo de material, os momentos orbital magnético e momento de spin dos átomos estão orientados de tal forma que cada átomo possui um momento dipolo magnético permanente.

Porém, sem a presença de um campo magnético externo, esses pequenos dipolos se orientam de maneira caótica, de modo que o campo magnético resultante é zero.  E devido a fatores como a agitação térmica, a direção dos momentos magnéticos dos átomos possui orientação aleatória. Assim, o momento magnético resultante do átomo é igual a zero. 

Porém, se um desses materiais for exposto a um campo magnético externo, seus dipolos magnéticos internos tentarão se alinhar na mesma direção desse campo (norte com norte e sul com sul).
Desta forma, o material adquire um momento magnético resultante – ou seja, fica magnetizado.

O grau desse alinhamento depende de dois fatores: a intensidade do campo magnético (quanto maior o campo, mais fácil o alinhamento) e da temperatura (quanto menor a temperatura, mais fácil o alinhamento). Temperaturas mais altas causam maior agitação em nível atômico, o que amplia a aleatoriedade da orientação dos dipolos.

Se o campo magnético externo for removido, o caos retorna imediatamente aos dipolos do material, e não há magnetismo resultante – o material não se torna um ímã permanente, pois o alinhamento dos dipolos atômicos se perde devido à agitação térmica.

Materiais paramagnéticos são atraídos por um ímã, porém de forma extremamente fraca.

A seguir temos algumas das principais características de materiais paramagnéticos:

• Cada átomo no material é um dipolo magnético, que possui um momento magnético resultante.
• Quando colocada em um campo magnético externo, uma substância paramagnética é fracamente atraída e magnetizada na mesma direção do campo
• Em um campo magnético não-uniforme, esses materiais tem a tendência de se moverem da região mais fraca para a região mais forte do campo.
• Ao remover o campo magnético externo, a substância paramagnética perde seu magnetismo.
• Sua suscetibilidade magnética é bem pequena, porém positiva, e diminui com o aumento da temperatura

Exemplos de substâncias paramagnéticas: Alumínio, Platina, Tungstênio, Manganês, Cromo, Rutênio, Nióbio, Oxigênio.

Diamagnetismo

Todos os materiais, quando expostos a um campo magnético, reagem em algum grau a esse campo, gerando, em escala atômica, uma EMF (força eletromotriz) que se opõe a esse campo.

Substâncias diamagnéticas são fracamente magnetizadas quando colocadas em um campo magnético, porém em direção oposta ao campo aplicado.

Em uma substância diamagnética, os momentos orbital magnético e momento de spin estão orientados de tal forma que a soma vetorial do momento magnético do átomo é igual a zero.

Quando um material diamagnético é posicionado em um campo magnético, uma força eletromotriz induzida aumenta em cada átomo. Por conta disso, a velocidade dos elétrons que giram em uma direção aumenta, ao passo que elétrons que giram na direção oposta tem a sua velocidade reduzida.
Desta forma, o material acaba adquirindo um momento magnético resultante em uma direção oposta à do campo aplicado.

Podemos, assim, listar as seguintes características dos materiais diamagnéticos:

• Um material diamagnético é repelido por um campo magnético externo (são repelidos por um ímã)
• O momento magnético de cada átomo é igual a zero.
• Quando colocada em um campo magnético externo, uma substância diamagnética é fracamente magnetizada, porém na direção oposta à do campo.
• Em um campo magnético não-uniforme, esses materiais tem a tendência de se moverem da região mais forte para a região mais fraca do campo.
• Sua suscetibilidade magnética é negativa.
• Não possuem retentividade magnética – ao retirarmos o campo magnético externo, essas substâncias perdem seu magnetismo.

Exemplos de substâncias diamagnéticas: Cobre, Prata, Ouro, Zinco, Cádmio, Água, Bismuto, Antimônio, Mercúrio, Xenônio.

Ferromagnetismo

Uma substância ferromagnética é fortemente magnetizada quando inserida em um campo magnético, na mesma direção do campo aplicado. Além disso, esse tipo de substância tende a reter o momento magnético mesmo após a retirada do campo externo aplicado, tornado-se elas próprias ímãs.
Materiais ferromagnéticos são atraídos por um ímã, de forma muito mais intensa que os materiais paramagnéticos.

O ferromagnetismo é, na verdade, uma manifestação especial do paramagnetismo. Porém, em materiais ferromagnéticos, o momento dipolo magnético dos átomos resultante é altamente influenciado pelo momento magnético de spin.

Nos materiais ferromagnéticos, os átomos também possuem momentos dipolos magnéticos. Porém, nesses materiais os átomos se alinham em domínios magnéticos, que são regiões nas quais os dipolos magnéticos estão 100% alinhados em uma mesma direção. Essas regiões podem ter até décimos de milímetro de tamanho. Porém, esses domínios se orientam em direções aleatórias entre si no material, de modo que o efeito magnético resultante é zero.

Ao aplicarmos um campo magnético, os domínios de um material ferromagnético se alinham na direção do campo aplicado. Se o campo magnético for forte o suficiente, o material alcançará o que chamamos de Saturação Magnética, na qual todos os domínios estão alinhados na mesma direção. Neste caso, o magnetismo perdurará mesmo quando o campo magnético externo for retirado, e o material terá se transformado em um ímã permanente.

Orientação dos momentos magnéticos em um material Ferromagnético

Para remover esse magnetismo permanente o material deve ser aquecido a uma temperatura suficiente (temperatura Curie) para provocar novamente desordem entre os domínios magnéticos (que continuam a existir), ou então provocar choques físicos fortes no material (por exemplo, martelando-o!).

Listamos a seguir algumas características dos materiais ferromagnéticos.

• Quando colocados em um campo magnético externo, se tornam fortemente magnetizados na mesma direção do campo.
• Não perdem o magnetismo quando o campo magnético externo aplicado é removido, se tornando ímãs permanentes.
• Se tornam paramagnéticas se aquecidas acima do ponto Curie.
• São formadas por um grande número de pequenos domínios magnéticos.
• São atraídos fortemente por campos magnéticos externos
• Sua suscetibilidade magnética é grande, e positiva.

Exemplos de substâncias diamagnéticas: Níquel, Cobalto, Ferro, Neodímio, Samário; Ou seja, os Metais de Transição e as Terras Raras (Lantanídeos).

Ferrimagnetismo

No ferrimagnetismo, os momentos magnéticos dos átomos do material se alinham de forma antiparalela (em direções opostas), porém de forma não igual, com um momento magnético resultante diferente de zero. Ou seja, temos uma orientação magnética antiparalela (acoplamento de troca negativo) entre momentos vizinhos.

Assim, uma magnetização espontânea permanece no material. Isso ocorre, geralmente, quando os conjuntos de átomos consistem em diferentes materiais ou ainda íons, como Fe²⁺ e Fe³⁺.

O ferromagnetismo é como uma espécie de combinação de ferromagnetismo com antiferromagnetismo, devido às similaridades entre suas propriedades.

Esse tipo de material encontra muitas utilidades em tecnologia, como na fabricação de discos rígidos de computadores, motores de potência e geradores de energia.

Se um material ferrimagnético for aquecido acima de seu ponto Curie, perderá sua magnetização, se comportando de forma paramagnética.

Orientação antiparalela dos momentos magnéticos em um material Ferrimagnético

A magnetita, exemplo mais antigo conhecido de material magnético, apresenta ferrimagnetismo (e não ferromagnetismo).

Exemplos de materiais que apresentam ferrimagnetismo são as Ferrites Cerâmicas (óxidos cerâmicos) e algumas pedras como a Granadas de Ferro-Ítrio e a Pirrotita.

Uma ferrite é, no geral, um material cerâmico criado a partir do óxido de um metal de transição, isolante, com uma fórmula química geral do tipo MO.Fe₂.O₃, no qual M é um íon bivalente especial como Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ ou Fe²⁺, entre outros. Por exemplo, uma ferrite de níquel tem a fórmula NiO·Fe₂O₃.

Antiferromagnetismo

Materiais antiferromagnéticos são aqueles nos quais os momentos magnéticos dos átomos ou moléculas se alinham em direção oposta. Portanto, os momentos magnéticos são ordenados, mas de forma antiparalela.

Esse alinhamento ordenado de um material antiferromagnético desaparece a partir de uma temperatura chamada de Temperatura Néel, que recebe esse nome por conta do cientista Louis Néel, que descobriu o fenômeno. Acima da temperatura Néel, o material antiferromagnético se torna paramagnético.

Orientação antiparalela desigual dos momentos magnéticos em um material antiferromagnético

O antiferromagnetismo tem um papel muito importante em um fenômeno quântico chamado de Magnetoresistência Gigante, que possui inúmeras aplicações, tais como na fabricação de discos rígidos de computadores, biosensores, sistemas microeletromecânicos (sensores MEMS), RAM magnetoresistiva (MRAM) e outros.

Exemplos de materiais antiferromagnéticos: Hematita, FeMn (Liga de Ferro-Manganês), NiO (óxido de níquel).

Na próxima lição falaremos sobre os tipos de ímãs, temporários e permanentes, com destaque para os ímãs permanentes.

Referências

• Gebreselasie, D. Electricity, Magnetism, Optics and Modern Physics 1ª Edição 2015 Ed. Bookboon
• Crowell, B. Electricity and Magnetism 2ª Edição 2002 Ed. Light and Matter
• Buschow, K.H.J.; De Boer, F.R. Physics of Magnetism and Magnetic Materials 1ª Edição 2004 Ed. Kluwer Academic Publishers

Próximo: O que é um Ímã Permanente

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No artigo anterior apresentamos o magnetismo, explicando suas origens e principais aplicações tecnológicas. Agora vamos explicar diversos conceitos básicos de magnetismo que serão muito importantes para o entendimento posterior de suas aplicações, incluindo a construção de dispositivos e circuitos eletro-eletrônicos.

O que será abordado neste artigo:

• O que é Campo Magnético
• O que são Pólos Magnéticos
• O que são as Linhas de Campo Magnéticas
• Definição de Fluxo Magnético
• O que é a Densidade de Fluxo Magnético
• O que é Permeabilidade Magnética
• Conceito de Relutância Magnética
• Ponto de Saturação Magnética
• O que é Coercividade
• A Temperatura ou Ponto Curie
• O que são Domínios Magnéticos
• Definindo a Retentividade Magnética
• O que é Susceptibilidade Magnética

Campo Magnético

Em física, damos o nome de Campo a um espaço no qual é possível perceber-se um determinado fenômeno, como o magnetismo ou a gravidade.

As forças de atração (forças magnéticas) de um ímã atuam ao redor deles, e o espaço de atuação dessas forças é denominado Campo Magnético. Assim, damos o nome de campo magnético ao valor físico usado para representar a força magnética. Uma substância magnética cria um campo magnético no espaço ao seu redor e esse campo exerce força em um material magnético que esteja posicionado dentro desse campo.

Tecnicamente, podemos definir o campo magnético como uma força magnética em um fio condutor atravessado por uma corrente elétrica por unidade de corrente e por unidade de comprimento, quando a corrente é perpendicular ao campo magnético. Simbolizamos o campo magnético pela letra H, e sua unidade de medida é o Tesla (T), que equivale a um N/A.m (Newton por Ampère-Metro).

Representamos o campo magnético por meio de linhas de força, ou linhas de campo magnético.

Portanto, o Campo Magnético é, em poucas palavras, a região ao redor de um ímã onde uma carga em movimento sofre uma força. É criado a partir das linhas de força magnéticas que se formam ao redor do ímã.

As linhas de força magnéticas nunca se cruzam, sendo sempre paralelas entre si. Além disso, elas se repelem mutuamente quando paralelas e na mesma direção.

O campo magnético também é conhecido como:

• Intensidade do Campo Magnético
• Força do Campo Magnético
• Campo Magnetizante.

Pólos Magnéticos

Em um ímã há dois pontos onde a força do campo magnético é maior. Esses locais são chamados de pólos magnéticos, e são identificados como Pólo Norte e Pólo Sul. Se um ímã for deixado livre para girar sobre seu eixo, um de seus pólos irá apontar para o Pólo Norte terrestre (mais precisamente, Pólo Norte Magnético). Isso ocorre porque a Terra se comporta como um ímã gigante, possuindo seu próprio magnetismo, alinhado ao longo do eixo dos pólos norte e sul.

Em um ímã, Pólos diferentes se atraem. Ilustração: Sandra Tamashiro

Pólos similares se repelem, ao passo que pólos diferentes se atraem. Se um ímã for cortado ao meio, cada metade terá seus próprios pólos norte e sul, pois é impossível separar os pólos magnéticos; assim todo ímã é um dipolo, e não existem monopolos magnéticos (mas monopolos elétricos existem – as cargas elétricas em si).

Em um ímã, Pólos iguais se repelem. Ilustração: Sandra Tamashiro

Linhas de Campo Magnético

Em 1840 o físico inglês Michael Faraday visualizou o campo magnético como sendo uma zona ocupada por uma infinidade de linhas de força. Cada linha de força representa um laço de energia magnética, que possui um sentido definido: parte do pólo norte do ímã, atravessa o espaço de influência do campo magnético e chega ao pólo sul do ímã, atravessando o interior do ímã e voltando ao pólo norte.

Linhas de Força no Campo Magnético de um ímã. Ilustração por Sandra Tamashiro.

As linhas magnéticas não se cruzam entre si, sendo sempre paralelas. O conjunto de linhas de força recebe o nome de Fluxo Magnético. Quanto mais linhas de força um campo magnético tiver, mais forte será.

Resumindo, as linhas de campo magnéticas formam sempre um loop completo.

Experimentos com ímãs. Museu Catavento – São Paulo

As linhas de campo magnético sempre seguem de N para S.

Fluxo Magnético

O Fluxo Magnético indica a quantidade (número) das linhas magnéticas produzidas por um ímã. A direção das linhas magnéticas segue de norte para sul (fora do ímã) e de sul para norte (dentro do ímã), formando, assim, um loop fechado.

O fluxo magnético Φ é medido em Weber (Wb), e pode ser calculado com a seguinte fórmula:

Φ = B.A

Onde B é a Densidade do Fluxo Magnético e A é a área do campo magnético

Um Weber equivale a 10⁸ linhas de força, o que equivale a 1 Maxwell. O Maxwell é a unidade de fluxo magnético no sistema CGS.

Densidade de Fluxo Magnético

A Densidade de Fluxo Magnético, simbolizada por B, se refere ao número de linhas de fluxo magnéticas que atravessam um determinado ponto em uma superfície.

Quanto maior a densidade de fluxo, mais forte será o ímã, pois haverá mais linhas de força magnéticas em uma determinada área..

Medida em Tesla (T) no SI, que equivale a um Weber por metro quadrado (Wb/m²). No sistema CGS sua unidade é o Gauss (G), que equivale a 1/10000 T (1 T = 10000 G)

Permeabilidade magnética

A permeabilidade magnética é a facilidade com a qual as linhas de força magnética atravessam um material. O ar é o material-base que usamos para medir a permeabilidade, em comparação com outros materiais. Assim, materiais ferromagnéticos possuem alta permeabilidade magnética.

A permeabilidade μ é a razão entre a densidade de fluxo B e a intensidade do campo magnético H, ou seja:

μ = B/H

A permeabilidade do ar, tomada como padrão para comparações, é igual a 1,26 x 10^-6.

Relutância Magnética

A relutância é o efeito oposto da permeabilidade magnética, ou seja, a resistência ou oposição de um material à passagem das linhas de força magnéticas, quando inserido em um campo. Materiais que deixam as linhas de força passar com facilidade possuem baixa relutância (como o ferro).
Já o ar possui uma relutância magnética maior que a do ferro, e portanto uma permeabilidade menor.

Ponto de Saturação

Estado de magnetismo além do qual um eletroímã é incapaz de ter mais força magnética. Os ímãs atômicos nos domínios não podem ser mais magnetizados, pois já se encontram totalmente alinhados e não é possível obter mais densidade de fluxo.

O ponto de saturação pode ser indicado em uma Curva de Magnetização BH, como segue:

Curva de Magnetização BH e Ponto de Saturação

Coercividade

Também conhecida como Coercividade Magnética ou Força Coerciva, trata-se da medida da habilidade que um material ferromagnético possui de suportar um campo magnético externo sem se desmagnetizar. É a intensidade requerida de um campo magnético aplicado que consegue reduzir a magnetização de um material ferromagnético a zero. Portanto, a coercividade mede a resistência de um material ferromagnético à desmagnetização.

Símbolo da coercividade magnética: H_c
Unidade de medida: A/m (ampère por metro) ou ainda Oersted (sistema CGS)

Materiais com alta coercividade são chamados de materiais magneticamente duros (hard), e são amplamente empregados na fabricação de ímãs permanentes. Já os materiais com baixa coercividade são chamados de “soft”, sendo comumente empregados em eletrônica, como os núcleos usados na fabricação de componentes como transformadores, bobinas, cabeças de gravação, etc.

Por exemplo, um ímã de neodímio possui coercividade que varia entre 800 e 950 kA/m, ao passo que o ferro puro possui coercividade de apenas 0,16 kA/m.

Temperatura Curie

A temperatura Curie, ou ponto Curie, é uma temperatura de transição a partir da qual um material perde suas propriedades magnéticas. No geral, um ímã deve ser empregado apenas em temperaturas significantemente mais baixas do que seu ponto Curie, que varia de material para material.

Por exemplo, a temperatura Curie de uma ferrite comum é de cerca de 450°C, ao passo que o ponto Curie do elemento Gadolínio (Gd) é de apenas 20°C.

Domínios

Domínios são áreas dentro de um material que possuem a mesma orientação magnética. Nestas regiões, os momentos atômicos dos átomos estão alinhados, porém um material pode possuir inúmeros domínios desalinhados entre si, cancelando-se uns aos outros, o que resulta em um material sem propriedades magnéticas aparentes.

Domínios Magnéticos desalinhados em um material ferromagnético

Alguns materiais permitem que seus domínios magnéticos se alinhem entre si, podendo ser rotacionados e manipulados por um campo magnético externo, criando assim um objeto com seu próprio campo magnético – um ímã.

Domínios magnéticos alinhados. O material está magnetizado.

Retentividade

Um material submetido a um campo magnético pode manter o magnetismo após a retirada do campo. Chamamos a essa característica de Retentividade, a qual depende do material em si, e que pode se apresentar em graus variados.

Materiais com alto grau de retentividade são empregados na fabricação de ímãs permanentes. Já materiais de baixa retentividade, que perdem o magnetismo rapidamente, podem ser usados na fabricação de elementos como núcleos de relés, solenoides e transformadores, entre outros componentes.

Susceptibilidade Magnética

Capacidade de um material em se magnetizar quando submetido à ação de um campo magnético.

Os diversos materiais respondem de formas diferentes ao serem inseridos em um campo magnético. Alguns se opõem à presença do campo, como os materiais diamagnéticos, e outros respondem a favor do campo, de forma fraca, como os materiais paramagnéticos. Há também alguns materiais que respondem de forma intensa à força do campo magnético, como os materiais ferromagnéticos.

A susceptibilidade magnética de um material é denotada por χ_m, sem unidade de medida (adimensional). Quando seu valor é positivo, o material é paramagnético; quando é negativo, o material é diamagnético.

Como exemplo, temos a seguir os valores de susceptibilidade magnética de alguns materiais:

• Bismuto: -1,6 × 10^-4
• Oxigênio: +1,9 × 10^-6
• Gadolínio: +4,8 × 10^-1

Referências

Gebreselasie, D. Electricity, Magnetism, Optics and Modern Physics 1ª Edição 2015 Ed. Bookboon

Crowell, B. Electricity and Magnetism 2ª Edição 2002 Ed. Light and Matter

Buschow, K.H.J.; De Boer, F.R. Physics of Magnetism and Magnetic Materials 1ª Edição 2004 Ed. Kluwer Academic Publishers

No próximo artigo vamos conhecer os tipos de magnetismo e suas aplicações.

Próximo: Tipos de Magnetismo

O post Conceitos Básicos de Magnetismo apareceu primeiro em Bóson Treinamentos em Ciência e Tecnologia.

Existem diversos tipos de capacitores, classificados quanto ao seu elemento dielétrico ou de acordo com o material utilizado na fabricação das armaduras. Cada um possui suas características particulares, cada tipo sendo mais apropriado a uma aplicação específica. Entre os principais tipos temos os seguintes:

• Capacitor Cerâmico
• Capacitor  de Filme Plástico
• Capacitor Eletrolítico
• Capacitor de Tântalo
• Capacitor Variável
• Supercapacitor

Vamos explicar sucintamente cada um dos tipos de capacitores citados.

Capacitor Cerâmico

É um dos tipos mais comuns de capacitores em uso. O nome indica o material com o qual seu dielétrico é construído – cerâmica.
Esses capacitores são, no geral, de pequenas dimensões físicas e capacitância de valor baixo, geralmente menor que 10μF. São encontrados nos formatos SMD e THT.

Tecnicamente, esses capacitores possuem corrente de fuga muito baixa, e menor resistência equivalente em série, além de um custo muito baixo (ao menos em comparação com os capacitores eletrolíticos).

Capacitor Cerâmico

Aplicações:

São muito empregados em aplicações de alta frequência e de áudio.

Capacitor de filme plástico

Este tipo de capacitor possui, como o nome sugere, um filme plástico empregado como dielétrico. Esse filme plástico pode ser constituído por materiais como poliéster, polipropileno, policarbonato ou poliestireno.

• Capacitor de Poliéster
  É o mais comum dos capacitores de filme plástico, com uma constante dielétrica elevada, a qual permite obter uma alta capacitância em um pequeno volume. É amplamente empregado em aplicações de corrente contínua. Um problema típico é que as camadas de filme enroladas podem acabar gerando indutância parasita, o que pode afetar determinados tipos de circuitos. É frequentemente empregado como capacitor de bypass, mas geralmente não é empregado em aplicações de alta corrente.
  
  

  Capacitor de Poliéster

• Capacitor de Policarbonato
  Este tipo possui grande estabilidade térmica, e pode ser utilizado na construção de filtros e circuitos de temporização de frequência fixa. Porém, é difícil de ser encontrado atualmente, sendo muitas vezes substituído por capacitores de polipropileno.
  São geralmente empregados em aplicações que demandam capacitores de precisão, em circuitos como filtros, temporizadores e aplicações de acoplamento.
  
  

  Capacitor de Policarbonato

• Capacitor de Polipropileno
  Este tipo é muito vulnerável ao calor (suportando tipicamente um máximo de 85ºC), além de ser menos estável termicamente que os capacitores de policarbonato. Porém, eles conseguem operar com alta potência em frequências elevadas, sendo muito empregados em circuitos de combinação de alto-falantes e em fontes de alimentação comutadas.
  
  

  Capacitor de Polipropileno

• Capacitor de Poliestireno
  Os capacitores de poliestireno são empregados em um número reduzido de aplicações hoje em dia. Uma das principais aplicações deste tipo de capacitor atualmente é na construção de equipamentos de áudio.

  Esses capacitores possuem alto nível de isolamento, baixa corrente de fuga, baixa absorção do dielétrico, estabilidade térmica muito boa e baixo nível de distorção de sinal. Por conta disso, podem substituir capacitores cerâmicos com frequência.

  Porém, os capacitores de poliestireno possuem algumas desvantagens sérias, como não serem resistentes ao calor (derretem com facilidade) e não serem passíveis de construção em formato SMT, além de serem difíceis de encontrar no mercado.

  

  Capacitor de Poliestireno

Capacitor Eletrolítico

Os capacitores eletrolíticos são muto populares porque podem concentrar grandes valores de capacitância em um volume relativamente pequeno, sendo encontrados em valores entre 1μF até 1mF aproximadamente. Além disso, podem suportar tensões relativamente elevadas, dependendo do tipo.
No geral, os capacitores eletrolíticos são polarizados – ou seja, possuem um terminal positivo (anodo) e um negativo (catodo), e essa polaridade deve ser respeitada para evitar danos ao componente. A polaridade é usualmente indicada no corpo do componente com um sinal de + ou de – ao lado do terminal correspondente. Ainda assim, existem alguns capacitores eletrolíticos que não são polarizados, mas esses são componentes raros.

Capacitor Eletrolítico. Ilustração: Sandra Tamashiro

A palavra eletrolítico significa que o dielétrico deste tipo de capacitor consiste em uma fita de papel embebida em um material eletrolítico (eletrólito), intercalada com um filme fino de alumínio no qual é depositada uma camada de óxido de alumínio, e então enrolada em um componente de formato cilíndrico. Um eletrólito é um líquido ou gel que contém uma alta concentração de íons.

Capacitores Eletrolíticos

Um problema típico desses capacitores é a corrente de fuga, que pode ser considerável para algumas aplicações, chegando a alguns nA. Isso impede que esses capacitores sejam empregados para armazenamento de energia.

Suas principais aplicações são na filtragem de fontes chaveadas, filtros de baixa frequência para equipamentos de áudio, e em temporizadores.

Capacitor de Tântalo

Os capacitores de tântalo são uma variante dos capacitores eletrolíticos. São construídos com o emprego do metal Tântalo (Ta – elemento 73 na tabela periódica), na forma de um composto denominado Pentóxido de Tântalo (Ta₂O₅), o qual age como um anodo, coberto por uma camada de óxido que age como dielétrico, envolvido por um catodo condutivo. Com o emprego de tântalo, é possível fazer o dielétrico como uma camada muito fina, o que resulta em alta capacitância por unidade de volume do componente. Além disso, esse tipo de capacitor também possui características de frequência e estabilidade superiores em relação a outros tipos de capacitores.

No geral, os capacitores de tântalo são polarizados, sob pena de danos permanentes ao dispositivo. Eles são muito empregados na construção de placas lógicas e fontes de alimentação de notebooks, em smartphones, na indústria automotiva, nas indústrias militar e médica, e em muitas outras aplicações, geralmente sob a forma de componentes SMD. Suas tensões de operação variam entre cerca de 2V até cerca de 500V, e possuem ESR (resistência em série equivalente) cerca de dez vezes menor que a dos capacitores eletrolíticos comuns (permitindo assim maior passagem de corrente com menor geração de calor).

Curiosidade: o Brasil é um dos maiores produtores mundiais do metal Tântalo, que aparece como subproduto da mineração de Nióbio. Fonte: www.ptable.com.

Capacitor de Tântalo

Supercapacitor

Um supercapacitor (também chamado de Ultracapacitor) é um tipo de capacitor que permite armazenar uma quantidade muito grande de cargas elétricas. Eles diferem dos outros tipos de capacitores, pois, em vez de possuírem um dielétrico convencional, utilizam mecanismos diferentes para armazenar a energia: capacitância em dupla camada e pseudocapacitância. A capacitância em dupla camada é uma propriedade eletrostática, ao passo que a pseudocapacitância é eletroquímica, de modo que este tipo de capacitor combina o funcionamento de um capacitor comum com o de uma bateria.

Com esses capacitores é possível alcançar capacitâncias da ordem de 12.000 F ou mais – o que é um valor absurdo! Basta lembrarmos que a capacitância do planeta Terra é de pouco mais de 700 μF para efeito de comparação.

Apesar disso, eles não se prestam muito bem ao armazenamento de tensões elevadas. Por exemplo, um supercapacitor comum pode ser caracterizado como possuindo 10F de capacitância e apenas 2,5 Vmax de tensão. Esse problema pode ser ligeiramente mitigado associando-se vários supercapacitores em série, o que aumenta a tensão máxima suportada pelo conjunto, porém à custa da diminuição da capacitância total (equivalente).

Porém, eles possuem uma grande vantagem em relação a uma bateria convencional: sua capacidade de fornecer corrente pode ser dezenas de vezes maior, excelente para aplicações que necessitem de pulsos de alta corrente, por exemplo.

Supercapacitor

Capacitor Variável

Este é um tipo de capacitor que permite obter vários valores de capacitância, de forma ajustável. Um capacitor variável permite ajustar o valor da capacitância da mesma forma que um resistor permite o ajuste do valor de sua resistência.

Foram muito empregados em circuitos de sintonia no passado (hoje são quase todos digitais), mas ainda encontram aplicação em alguns nichos específicos. Atualmente, ainda são empregados em equipamento de soldagem, ferramentas cirúrgicas e odontológicas e em equipamentos de rádio amador, entre outros.

Capacitor Variável

Simbologia dos Capacitores

Dependendo do tipo de capacitor considerado, seu símbolo pode mudar. É importante saber distinguir os tipos de capacitores por seus símbolos, para poder ler esquemas com precisão e também desenhar projetos indicando o tipo correto de capacitor para cada aplicação.

A tabela a seguir mostra os símbolos para os capacitores apresentados neste artigo:

Símbolo	Tipos de Capacitor
	Capacitor comum cerâmico ou de filme plástico
	Capacitor eletrolítico ou de tântalo (polarizados)
	Capacitor variável

Associação de Capacitores

Podemos associar dois ou mais capacitores entre si para obter valores diferentes de capacitância, maiores ou menores do que os valores dos capacitores associados. A associação entre capacitores pode ser realizada em Série ou em Paralelo, e trataremos desse assunto na próxima lição.

Referências:

• Platt. C. Encyclopedia of Electronic Components Vol. 01, Ed. Makermedia
• Capacitor Guide – http://www.capacitorguide.com – Acesso em 07/03/2019
• Scherz P., Monk S., Practical Electronics for Inventors 3. Ed., Editora McGraw-Hill.

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O post Tipos de Capacitores apareceu primeiro em Bóson Treinamentos em Ciência e Tecnologia.

Traduzido e adaptado de Sparkfun.

Visão geral

Prefixos métricos são incrivelmente úteis para descrever quantidades do Sistema Internacional de Unidades (SI) de uma forma mais sucinta.

Ao explorar o mundo da eletrônica, essas unidades de medida são muito importantes e permitem que pessoas de todo o mundo se comuniquem e compartilhem seus trabalhos e descobertas. Algumas unidades comuns usadas em eletrônica incluem Tensão para diferença de potencial elétrico, Ampère para corrente elétrica, Watts para potência elétrica, Farad para capacitância, Henry para indutância e Ohm para resistência.

Este tutorial não irá apenas cobrir algumas das unidades mais usadas em eletrônica, mas também irá ensinar-lhe os prefixos métricos que ajudam a descrever todas essas unidades básicas em quantidades que variam de insanamente grandes a incrivelmente pequenas.

Leituras sugeridas

Se você quiser saber mais sobre os componentes que usam as unidades e os prefixos descritos neste tutorial, confira também alguns desses outros tutoriais relacionados:

• Tensão, corrente, resistência e Lei de Ohm
• Capacitores
• Resistores
• Você também deve estar familiarizado com o sistema de numeração binário para ajudá-lo a entender os prefixos binários.

Unidades do SI

Temos medido coisas há milênios, e as unidades utilizadas para essas medidas estão evoluindo desde então. Existem agora dezenas de unidades para descrever quantidades físicas. Por exemplo, o comprimento pode ser medido em pés, metros, parsecs, léguas e assim por diante. Para melhor comunicar as medidas, precisávamos de um sistema padronizado de unidades, que todos os cientistas e medidores poderiam usar para compartilhar suas descobertas.

Este sistema padronizado passou a ser chamado de Sistema Internacional de Unidades, abreviado por SI.

Unidades físicas do SI

Enquanto em alguns países ainda é possível usar unidades como pés ou milhas para distância (em vez de metros), litros para descrever o volume (em vez de m3) e Fahrenheit ou Celsius para descrever a temperatura (em vez de °K), as unidades listadas na tabela acima são uma maneira padronizada para que todo cientista possa compartilhar suas medidas. Usar as unidades acima significa que todos estão falando a mesma língua.

Unidades comuns em Eletrônica

Ao lidar com eletrônica, há um punhado de unidades que encontraremos com mais freqüência do que outras. Estas incluem:

Agora que conhecemos as unidades, vejamos como elas podem ser aumentadas com prefixos para torná-las ainda mais utilizáveis!

Os Prefixos

Quando começamos a aprender sobre prefixos métricos, é provável que tenham te ensinado estes seis prefixos primeiro:

Estes são os seis prefixos que consideramos como sendo o padrão ensinado na maioria dos cursos de ciências do ensino médio. Porém, como veremos em breve, ao aprender sobre eletrônica e ciência da computação, a quantidade de prefixos excede bem esse padrão de seis. Enquanto esses prefixos cobrem uma faixa de valores de 10^-3 a 10³, muitos valores em eletrônica podem ter um alcance muito maior.

Descrevendo valores grandes

Os prefixos de múltiplos acima ajudam a descrever as quantidades das unidades em grandes valores. Em vez de dizer 3.200.000.000 Hertz, você pode dizer 3,2 GigaHertz, ou simplesmente 3,2 GHz para a notação escrita abreviada. Isso nos permite descrever sucintamente um número incrivelmente grande da unidade. Da mesma forma, há prefixos para ajudar a expressar números pequenos também.

Obs.: o prefixo kilo é simbolizado pela letra k minúscula, ao contrário dos demais múltiplos, que usam letras maiúsculas, pois a letra K maiúscula já era utilizada para representar graus Kelvin.

Descrevendo valores pequenos

Agora, em vez de, por exemplo, “um trilionésimo de segundo”, podemos nos referir a esse valor como “um picossegundo”. Uma coisa a notar sobre os prefixos para valores pequenos, é que suas notações abreviadas são todas em letras minúsculas, enquanto os prefixos de número grandes são em maiúsculas (com exceção de kilo- *, hecto e deca-). Isso permite distinguir entre os dois quando eles usarem a mesma letra. Por exemplo, um mW (miliwatt) não é igual a um MW (megawatt).

Conversão

A beleza desses prefixos métricos é que, uma vez que você aprende a fazer a conversão entre alguns deles, estender essa habilidade para todos os outros prefixos é fácil.

Como um primeiro exemplo simples, vamos converter 1 Ampère (A) em valores menores. Um miliampère é 1 milésimo da unidade Ampère, portanto, 1 Ampère é igual a 1000 miliamperes. Indo além, 1 miliampere é equivalente a 1000 microamperes, e assim por diante. Indo na direção oposta, 1 Ampère é 0,001 Kiloampere, ou ainda 1000 Ampères equivalem a 1 Kiloampere. Agora, isso é uma corrente enorme!

Como você deve ter percebido, alternar entre prefixos é o mesmo que mover o ponto decimal em 3 casas. Isso também é o mesmo que multiplicar ou dividir por 1000. Quando você vai em direção a um prefixo maior, de Kilo para Mega, por exemplo, a casa decimal é movida três casas para a esquerda. 100.000 Kilowatts equivalem a 100 megawatts. 10 quilowatts são iguais a 0,01 megawatts.

Mega é o prefixo que vem logo acima do Kilo, então independentemente de estarmos falando sobre Watts, Ampères, Farads ou qualquer outra unidade, o movimento da casa decimal em três casas para a esquerda ainda funciona quando se desloca um prefixo para cima (em direção aos múltiplos).

Ao deslocar um prefixo para baixo, digamos de nano para pico, a casa decimal é movida três casas para a direita. 1 nanoFarad é igual a 1000 picoFarads. 0,5 nanoFarad é igual a 500 picoFarads. Aqui está uma lista sucinta para que você possa entender o padrão:

1 Giga- = 1000 Mega-
1 Mega- = 1000 Kilo-
1 Kilo- = 1000 unidades
1 unit = 1000 mili-
1 mili- = 1000 micro-

Enxerga a tendência? Cada prefixo é mil vezes maior do que o anterior. Enquanto um pouco pesada no começo, a tradução de um prefixo para outro acaba se tornando algo extremamente simples.

Bits e Bytes

Trabalhar com bits e bytes pode causar um pouco de confusão. Uma vez que os computadores trabalham com os números na base 2 em vez da base 10, muitas vezes não fica claro a qual base numérica nos referimos ao usar os prefixos do sistema métrico. Por exemplo, 1 Kilobyte é freqüentemente usado para representar 1000 bytes (base 10), ou pode ser usado para representar 1024 bytes (base 2), resultando em mal-entendidos.

Para eliminar essas confusões, a International Electrotechnical Commision (IEC) criou alguns novos prefixos para bits e bytes na base 2. Estes são conhecidos como prefixos binários.

Adotando esse esquema teremos que 1 Megabyte = 1000 Kilobytes, enquanto 1 Mebibyte é igual a 1024 Kibibytes. Essencialmente, para bits e bytes, cada salto no prefixo será um múltiplo de 1024 (2¹⁰) em vez de 1000 (10³). Infelizmente, este sistema ainda não é amplamente utilizado na prática, então, sempre que você ouvir alguém falar um número de bytes ou bits, você precisa se perguntar se eles estão se referindo ao número na base 2 ou na base 10.

As empresas fabricantes de discos rígidos e outras geralmente vendem produtos usando a base 10, pois isso faz parecer que a capacidade é maior. Um disco rígido de 1 Terabyte terá na verdade cerca de 931,3 Gibibytes.

É aqui que nos deparamos com o problema da letra k “maiúscula e minúscula”. O prefixo apropriado para kibi seria ‘Ki’. No entanto, às vezes ele aparecerá simplesmente como um “K” maiúsculo, o que, novamente, representa temperatura em graus Kelvin.

Então, sempre que você ouvir a palavra Kilobyte, você ainda precisa se perguntar se significa 1000 bytes (base 10) ou 1024 bytes (base 2). Por outro lado, se você vir o termo kibibyte, você saberá com certeza que está falando sobre a interpretação da versão base 2 do armazenamento digital (1024 bytes).

Prática

Agora, vamos a alguns exercícios práticos de conversão entre unidades.

Exemplo de Conversão

• Converter: 400 mA em A
• Resposta: 400 mA = 0,4 A

Mais exercícios – Converter:

1. 50 mA em A
2. 10 nF em pF
3. 500 kW em W
4. 0,01 mV em µV
5. 20.000 kΩ em MΩ
6. 4680 MHz em GHz
7. 4 TiB em GiB
8. 200 Mb em kb
9. 0,00007 s em µs
10. 1450 nH em µH

Respostas:

1. 0,05 A
2. 10.000 pF
3. 500.000 W
4. 10 µV
5. 20 MΩ
6. 4,68 GHz
7. 4096 GiB
8. 200.000 kb
9. 70 µs
10. 1,45 µH

Conclusão

Ser capaz de converter números para o melhor prefixo dependendo do tamanho do número é uma habilidade importante que precisamos ter. Isso permite que evitemos o uso de números muito grandes e confusos como 5.600.000 ou 0,000000002. Usar 5,6M ou 2n permite que você transmita a informação mais rapidamente e em um formato muito mais limpo e fácil de se ler.

Saiba mais sobre o Sistema Internacional de Unidades e Prefixos do SI assistindo ao vídeo a seguir, do canal Bóson Ciências e Cultura:

Licença de Uso

Este tutorial foi traduzido e adaptado de Sparkfun, e o original pode ser acessado a partir do endereço https://learn.sparkfun.com/tutorials/metric-prefixes-and-si-units.

Sua licença é a CC BY-NC-SA 3.0.

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Damos o nome de Potência Elétrica à taxa na qual a energia elétrica é transferida e consumida em um circuito. É uma grandeza que mede a quantidade de trabalho realizada por unidade de tempo (segundo), sendo simbolizada pela letra P.

Representa quanta energia por intervalo de tempo (segundo) é empregada para acionar um circuito ou dispositivo elétrico / eletrônico.

No SI, a unidade de medida da potência elétrica é o Watt, que equivale a 1 joule por segundo.

A energia é medida em joules e o tempo, em segundos. Assim, medimos a potência em joules por segundo (J/s). Em eletricidade e eletrônica damos o nome de Watt (W) a essa unidade de medida. Desta forma:

1 watt = 1 joule / segundo

Assim, quando um watt (pronunciado “uót”) de potência é aplicado pelo período de um segundo, o trabalho realizado equivale a um joule (pronunciado como “júl”).

Definimos a potência média como sendo:

P = T/t

onde T é o trabalho (em joules por segundo).

Em um circuito elétrico (ou em um componente), podemos calcular a potência consumida em termos de sua corrente e tensão elétricas. Assim:

Como I = Q/t temos então:

Onde:
Q é a carga elétrica em coulombs
U é a tensão elétrica em volts (ou V)
I é a corrente em ampères
t é o tempo em segundos

Assim, podemos calcular a potência consumida em um circuito multiplicando-se a tensão elétrica no circuito pela corrente que o atravessa.

É possível também definir a potência elétrica para circuitos resistivos em termos da tensão, corrente e resistência, combinando a Lei de Joule apresentada com a Lei de Ohm, das formas a seguir:

e

Em resumo, podemos calcular a potência elétrica consumida por um componente ou circuito de três formas distintas:

Dissemos que um circuito consome potência, mas um sistema também pode ceder potência elétrica. Por exemplo, fontes de tensão elétrica cedem potência a um circuito ou componente que irá consumi-la.

Quando temos um elemento puramente resistivo, toda a potência cedida a ele será dissipada na forma de calor, independente do sentido da corrente aplicada.

De acordo com a Lei da Conservação da Energia da física, a potência usada para acionar um circuito (carga) deve ser igual à potência usada pelo circuito para realizar trabalho útil (por exemplo, acender uma lâmpada) mais a potência desperdiçada (na forma de calor, por exemplo).

Múltiplos e submúltiplos

É muito comum usarmos múltiplos e submúltiplos da unidade watt em diversas situações. Os termos mais comuns que você jpá deve ter ouvido são quilowatts (kW), miliwatts (mW) e megawatts (MW). Por exemplo, medimos a potência (consumo) elétrica em nossa conta de luz em kW, a potência de transmissão de antenas de roteadores sem fio domésticos em mW, e a potência gerada por geadores em centrais elétricas em MW (ou GW, gigawatts).

A tabela a seguir mostra a relação entre esses e outros múltiplos e submúltiplos do watt:

Exemplos de Cálculos

Vejamos alguns exemplos simples de cálculos envolvendo potência elétrica (em corrente contínua).

1. Qual a potência dissipada por um resistor de 4,7 Ω quando atravessado por uma corrente de 5A?

R.: 

2. Calcule a corrente que atravessa um resistor de 2,2 KΩ quando ele dissipa 800 mW.

R.: Se P = I² x R, então temos que

Assim:

3. Um equipamento acionado por uma fonte de 12V consome 100W de potência. Quanta corrente esse equipamento utiliza?

R.: Dados U = 12V e P = 100W, temos:

Potência elétrica média de eletrônicos e eletrodomésticos

Na tabela a seguir temos as potências elétricas típicas requeridas por diversos equipamentos elétricos e eletrônicos:

A energia pode ser acumulada ou dissipada, sendo possível calculá-la a partir da potência e do tempo de consumo dessa potência. Assim,

P = Energia / t => Energia = P x t

Geralmente usamos a unidade Kilowatt-hora (KWh) para medir a quantidade de energia utilizada. É assim que as concessionárias de energia calculam o valor a cobrar dos consumidores pelo seu consumo de energia mensal.

Exemplo:

1. Utilizei um PC especial, cujo consumo é de 400 W (0,4 KWh) no total (incluindo o monitor), durante 5h para realizar um trabalho. Sabendo que a tarifa de energia (incluindo os impostos) é de R$ 0,45 / KWh, qual será o custo da energia utilizada (vamos assumir que ele esteja usando essa potência durante todo o tempo em que está ligado, para simplificar os cálculos)?

R.: 
Custo: 

Portanto, pagarei R$ 0,90 em tarifa de energia elétrica por 5 horas de uso dessa máquina. Se ela for usada todos os dias, de segunda à sexta-feira, em 22 dias úteis tereis gasto 22 x 0,9 = R$ 19,80 em energia elétrica, só para manter o PC ligado.

Anterior: O que é Tensão Elétrica

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Olá pessoal!

Este artigo  é um pouco diferente dos demais, por não se tratar de um tutorial técnico ou notícia de tecnologia. Vou responder a uma questão que há anos desperta a curiosidade do pessoal que me acompanha por aqui e no YouTube. Com frequência as pessoas me fazem essa pergunta:

“Porque você resolveu escolher o nome ‘Bóson‘ para batizar seu projeto de treinamentos em tecnologia gratuitos?” 

Bem, o motivo não é complicado. Sempre fui um grande fã de matérias como química e física, e queria tomar emprestado um termo proveniente de uma dessas disciplinas para nomear o canal do YouTube e o blog associado. Por exemplo, no passado trabalhei durante alguns anos como PJ (Pessoa Jurídica), e tive uma empresa que se chamava Pulsar Consultoria. Em Astronomia,  um Pulsar é um tipo especial de estrela, uma estrela de nêutrons (ou anã branca) que gira em torno do próprio eixo em alta velocidade, emitindo um feixe de radiação eletromagnética.

Quando eu estava criando a Bóson, pensei em usar outro termo astronômico como nome. A primeira ideia que me veio à mente foi a palavra Quasar, que é um tipo de objeto celeste (núcleo galáctico ativo de extrema luminosidade). Mas uma rápida busca no Google revelou que esse nome era amplamente usado, por empresas, projetos, produtos e outros websites. Resolvi, então, pensar em outros nomes.

Concepção artística de um Quasar – By ESO/M. Kornmesser – http://www.eso.org/public/images/eso1122a/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15700804

Não foi fácil. Toda palavra que eu pensava em usar, já estava em uso em muitos lugares. Fiz lista de nomes e passei dias procurando. Pensei em inventar palavras, mas nada aceitável me veio à mente. Usar, como nome de seu site, um termo que já é amplamente utilizado por outros não é uma boa ideia, principalmente do ponto de vista de SEO (Search Engine Optimization), além é claro da possibilidade de alguém não gostar muito e me acionar legalmente por conta do nome.

O Bóson de Higgs

Isso foi em meados de 2013. Um pouco antes, em 04 de julho de 2012, uma nova partícula elementar da matéria fora descoberta no acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider / Grande Colisor de Hádrons), e em  14 de março de 2013 o CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear) confirmou que se tratava, com alta probabilidade, do Bóson de Higgs, uma partícula elementar prevista em 1964 mas até então nunca encontrada experimentalmente. Desta forma, o Modelo Padrão de Partículas (Standard Model) se completou.

Esse fato foi amplamente noticiado pela imprensa especializada, e também pela imprensa comum, e me chamou a atenção. Pensei: “Tá aí – um nome ainda relativamente desconhecido das pessoas. Vamos ver o que aparece nas buscas do Google“.

Modelo Padrão de Partículas Elementares. Qualquer dia vou escrever sobre esse assunto, que é fascinante! By MissMJ – Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964

A busca não retornava praticamente nada a não ser alguns papers científicos mais antigos, as notícias do momento e mais alguns poucos sites com referências a respeito. Havia (ainda há) uma empresa americana que usava a palavra Boson (em inglês, portanto sem acento) em seu nome. E mais nada. Então, resolvi que era um ótimo termo a usar para batizar meu projeto de vídeos e tutoriais gratuitos, pois ainda era um termo desconhecido – mas não por muito tempo.

Desta forma, dei nome à Bóson Treinamentos em Tecnologia. Pergunta respondida e curiosidade saciada!

Mas ainda há uma outra pergunta que me fazem com frequência: “O que levou você a criar a Bóson Treinamentos?”

Essa pergunta é mais difícil de responder, pois envolve muito mais do que um simples nome. Vou respondê-la no próximo artigo.

Até!

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