Geradores e Receptores

Publicado em maio 1, 2025 por Bruno Fernandes

Olá pessoal! O Direto ao ponto tem como objetivo apresentar a teoria para aqueles que não querem perder tempo e precisam de um resumo de Física rápido da matéria. Vamos lá!

 

1. GERADOR

O gerador transforma algum tipo de energia (potencial gravitacional, cinética, química, etc) em energia elétrica. Os geradores equipam toda e qualquer usina de geração de energia elétrica (hidrelétrica, termelétrica, nuclear, eólica, solar, etc).

 

A tensão elétrica entre os pontos do gerador é como força eletromotriz (f.e.m), representada pela letra grega épsilon (ε ou Ε).

 

Na prática, podemos entender que a f.e.m é a energia total que os elétrons possuem dentro do gerador. Um gerador é dito ideal quando não há perdas na energia dos elétrons durante a sua movimentação no interior do gerador. Consideramos que a resistência interna do gerador é nula (r = 0).

 

A energia efetiva por unidade de carga será a ddp (U) que já conhecemos. Em um gerador real, U é sempre menor que ε.

 

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1.1 A equação do gerador

A equação do gerador é uma simples equação que representa uma conservação de energia (por unidade de carga). Considere ε (energia total), U (energia efetiva) e r.i (energia perdida no interior do gerador). Podemos escrever:

 

Energia total = energia efetiva + energia dissipada

 

 

Muitos livros didáticos “isolam” a ddp (U) e escrevem a equação do gerador neste formato.

 

 

1.2 Tipos de ligação

 

·        Gerador aberto

 

Um gerador está aberto quando ele não está conectado a nenhum dispositivo. A corrente elétrica que o atravessa ele é nula (i = 0). Dessa forma:

 

 

Como i = 0, temos:

 

 

 

 

·        Gerador em curto-circuito

O gerador está em curto-circuito quando seus terminais são ligados por um fio de resistência nula. A corrente que sai do gerador é máxima e denominada corrente de curto-circuito (icc).

 

Como não existe resistência elétrica entre os pontos A e B, não há diferença de potencial entre os terminais, ou seja, UAB = 0. O valor da intensidade de corrente elétrica em um curto-circuito pode ser determinado pela equação do gerador.

 

 

A intensidade de corrente elétrica de curto-circuito é a máxima intensidade de corrente elétrica e pode atravessar um gerador.

       

A equação do gerador mostra desde a sua f.e.m. até a corrente de curto-circuito, passando pelos estágios intermediários.

 

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O gráfico mostra que a ddp é máxima entre os terminais A e B ocorre quando o gerador está aberto (UAB = ε). A ddp diminui conforme a corrente elétrica aumenta até atingir o valor máximo, a corrente de curto-circuito, onde a d.d.p é nula (UAB = 0).

 

1.3 Potências e o rendimento do gerador

 

As potências envolvidas no gerador podem ser definidas e escritas da seguinte forma:

 

·        Potência produzida no gerador (PTOTAL):

 

 

·        Potência utilizada pelo circuito  (PÚTIL):

 

 

·        Potência dissipada pela resistência interna do gerador  (PDISSIPADA):

 

 

Relacionando as três potências, temos:

 

       

O rendimento (η) do gerador pode ser definido como a divisão entre a potência útil (Pu) pela potência do gerador (Pg).

 

 

 

2. RECEPTORES

Os receptores são dispositivos que realizam o processo inverso dos geradores, ou seja, eles transformam energia elétrica em outro tipo de energia (cinética).

 

O receptor recebe energia elétrica do circuito e as cargas elétricas se movem do maior potencial (polo positivo) para o menor potencial (polo negativo).

 

A energia depositada por estas cargas é convertida em energia cinética e é representada por uma constante de proporcionalidade que é ε` a força contra eletromotriz (f.c.e.m) do receptor. O restante da energia depositada é transformado em calor, devido a resistência interna (r`), que dissipa parte a energia elétrica.

 

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A equação do receptor é dada por:

 

 

O gráfico do receptor tem o formato abaixo.

 

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2.1 Potências e rendimento do receptor

 

·        Potência utilizada pelo motor no gerador (PÚTIL):

 

 

·        Potência fornecida pelo circuito (PFORN):

 

 

·        Potência dissipada pela resistência interna do receptor (PDISSIPADA):

 

 

Relacionando as três potências, temos:

 

O rendimento traduz o quando da energia depositada, sobre o receptor, ele consegue transformar em mecânica. O rendimento elétrico do receptor (η`) pode ser escrita como:

 

 

 

 

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Força Magnética

Publicado em maio 1, 2025 por Bruno Fernandes

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1. FORÇA MAGNÉTICA

Considerando uma carga positiva q se movendo com uma velocidade v na presença de um campo magnético uniforme. Verifica-se, experimentalmente, que a carga age da seguinte forma:

 

·        Se a carga se move paralelamente ao campo B, ela não sente atuação de força sobre ela.

 

·        Se a carga se move em uma direção perpendicularmente ao vetor campo magnético B, ela sente a atuação de uma força magnética Fmag.

 

A direção da força é sempre perpendicular ao plano formado pelos vetores  e . A intensidade da força nesse caso é dada pela expressão:

 

 

·        Se a carga é lançada obliquamente ao campo, ou seja, onde a velocidade v forma um angulo θ com o campo B. Atua uma força sobre a carga, assim como no caso anterior, ele é perpendicular ao plano formado pelos vetores  e .

 

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Nesse caso, a intensidade da força magnética é dada pela expressão:

 

 

Para indicarmos a direção e o sentido da força magnética utilizamos uma regra simples, conhecida como regra da mão direita para força.

 

Cada dedo da mão direita representa um vetor, a palma da mão (na direção do empurrão) o vetor força (), o polegar representa o vetor velocidade () e o dedo médio representa o vetor campo magnético ().

 

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GRANDEZAS:

UNIDADES:

FORÇA MAGNÉTICA (Fmag)

N (newton)

CARGA ELÉTRICA (q)

C (coulomb)

VELOCIDADE (v)

m/s (metro por segundo)

CAMPO MAGNÉTICO (B)

T (tesla)

 

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Força Centrípeta

Publicado em maio 1, 2025 por Bruno Fernandes

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 1. INTRODUÇÃO

A lei da inércia afirma que se a resultante das forças que atuam sobre um corpo for nula, ele permanece no seu estado inicial: repouso ou movimento retilíneo com velocidade constante.

 

2. A FORÇA CENTRÍPETA ()

Mas, e para realizar uma curva? Para isso, é necessário surgir uma força resultante que aponte para o centro da curva. Essa força é conhecida como força centrípeta.

A força centrípeta depende de três fatores: da massa (m) do corpo, da sua velocidade (v) e do raio da trajetória (R).

 

·        Massa: é mais difícil um caminhão fazer uma curva do que um carro. A força centrípeta é diretamente proporcional a massa do corpo.

 

·        Velocidade: mais difícil se torna fazer uma curva quanto maior a velocidade. Por isso, a força centrípeta é diretamente proporcional a velocidade do corpo.

 

·        Raio: é mais difícil um corpo fazer uma curva fechada. O raio da curva e a força centrípeta são grandezas inversamente proporcionais.

 

Todas essas dependências são resumidas na expressão abaixo.

 

 

3. A FORÇA TANGENCIAL  ()

Esta força é responsável por alterar o valor numérico (módulo) da velocidade em uma curva, ou seja, acelerar ou frear um corpo neste movimento. A força tangencial é sempre tangente a trajetória e perpendicular a força centrípeta.

 

 

 

 

A força resultante é o somatório vetorial dessas duas forças.

 

 

4. EXEMPLOS

Vamos estudar alguns exemplos especiais.

 

·        CARRO EM UMA PISTA HORIZONTAL

 

A tendência é um carro ser jogado para fora da curva. A força de atrito estático entre o pneu e o solo aponta para o centro da curva e é a própria força centrípeta necessária para manter um carro na curva.

 

 

·        GLOBO DA MORTE

 

O ponto A é o mais seguro da trajetória. As forças que atuam sobre a moto são: o peso (vertical para baixo) e a normal (vertical para cima).

 

A força centrípeta é o somatório vetorial dessas duas forças. O sinal da força peso é negativo pois aponta no sentido contrário ao centro da curva.

 

 

 

O ponto C é o ponto crítico do movimento. As forças que atuam sobre a moto são: o peso e a normal (ambas, vertical para baixo).

 

A força centrípeta é o somatório vetorial dessas duas forças.

 

 

Quando a normal for nula, não há mais contato entre o globo e o solo, portanto, a moto cai.

 

 

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Fenômenos Ondulatórios II

Publicado em maio 1, 2025 por Bruno Fernandes

1. POLARIZAÇÃO

Uma onda eletromagnética se propaga em três dimensões. Cada dimensão carrega uma parte da energia da onda. Quando essa onda passa por uma estrutura chamada polarizador, apenas uma dimensão dessa onda consegue passar e a energia da onda resultante diminui.

 

Se associarmos dois polarizados, como na figura abaixo, a onda pode deixar de existir. Repare que o primeiro polarizador deixa apenas a vibração na vertical passar. Depois, um polarizador horizontal não permite que a onda passe.

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2. INTERFERÊNCIA

O fenômeno da superposição ocorre quando duas ondas se encontram no espaço. Após ocorrer a superposição, os pulsos continuam se propagando como se nada tivesse acontecido.

 

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Essa superposição provoca uma interferência, que pode ser de dois tipos: construtiva ou destrutiva.

·        construtiva: esse tipo de interferência ocorre quando pulsos em fase se encontram produzindo uma onda resultante com amplitude maior que as anteriores.

 

Ares = A1 + A2

 

·        destrutiva: esse tipo de interferência ocorre quando pulsos em oposição de fase se encontram produzindo uma onda resultante com amplitude menor que os anteriores.

 

Ares = A1 – A2

 

3. RESSONÂNCIA

As moléculas em todos os corpos vibram. Essa oscilação acontece várias vezes por segundo, por isso, pode-se definir uma frequência de vibração para as moléculas de um corpo (frequência natural de vibração.

 

Uma fonte qualquer pode ampliar este estado natural de vibração. Suponha que uma fonte emita uma onda com a mesma frequência que a frequência natural de vibração das moléculas de um corpo.

 

O corpo absorve essa onda e a vibração das suas moléculas aumenta.

               

 

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Fenômenos Ondulatórios I

Publicado em maio 1, 2025 por Bruno Fernandes

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1.REFLEXÃO

O fenômeno da refração da luz já foi estudado na Óptica Geométrica. Este fenômeno ocorre tanto com ondas mecânicas quanto eletromagnéticas. Vamos relembrar a lei da reflexão, onde o ângulo de incidência e de reflexão são iguais.

 

Linha do tempo O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto.

 

Na reflexão, nenhum elemento da onda (comprimento de onda, frequência e velocidade) muda.

 

1.1 Reflexão em ondas unidimensionais

Observe o pulso se propagando em uma corda de duas formas distintas: na primeira, a extremidade esquerda da corda está fixa em uma parede na segunda, a extremidade está solta e pode oscilar de baixo para cima.

Extremidade fixa: o pulso refletido inverte (inversão de fase).

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Extremidade móvel: o pulso refletido retorna sem inversão.

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1.2 Reflexão em ondas bidimensionais / tridimensionais

Uma onda que se propaga na água reflete em um obstáculo e retorna de acordo com ilustração abaixo. Cada ponto dessa frente (crista) de onda reflete-se “individualmente”, alterando a direção e sentido de propagação da onda.

Uma imagem contendo Diagrama O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto.

Perceba que para a onda refletida, tudo se passa como se ela fosse emitida por uma fonte F’ simétrica a fonte F em relação ao obstáculo. Esta é uma forma utilizada para desenhar as ondas refletidas em alguns exercícios.

 

2. REFRAÇÃO

A refração ocorre sempre que uma onda, seja ela mecânica ou eletromagnética, sofre uma mudança na sua velocidade de propagação. Neste fenômeno, o comprimento de onda também se altera. A frequência permanece constante.

 

2.1 Refração em ondas unidimensionais

Da corda mais leve para a corda mais grossa: o pulso reflete com inversão de fase.

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Da corda mais grossa para a corda mais leve: o pulso reflete sem inversão de fase.

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A refração ocorre nos dois casos, sem inversão de fase.

 

2.2 Refração em ondas bidimensionais/ tridimensionais

A refração pode ocorrer em superfície liquidas, seja pela mudança de meio ou de profundidade.

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A lei de Snell-Descartes (n1 seni = n2 senr) também é válida para esse tipo de reflexão (é necessário realizar um pequeno ajuste)

 

 

·        n1 e n2 à  índice de refração  do meio incidente e refringente, respectivamente.

 

·        sen i e sen r à seno do ângulo de incidência e refração, respectivamente.

 

·        v1 e v2 à velocidade da onda no meio incidente e refringente, respectivamente.

 

·        λ1 e λ2 à comprimento de onda no meio incidente e refringente, respectivamente. 

 

3. DIFRAÇÃO

Observe a figura abaixo. Uma onda de comprimento de onda λ se propaga na água e encontra um obstáculo com um pequeno furo. Parte da onda contorna esse obstáculo e se propaga do lado direito. Esse fenômeno é conhecido como difração.

 

Uma imagem contendo no interior, geladeira, pequeno, chuveiro O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto.

 

Para que o fenômeno da difração ocorra, a ordem de grandeza do obstáculo e do comprimento de onda da onda devem ser iguais.

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Equilíbrio de ponto material

Publicado em maio 1, 2025 por Bruno Fernandes

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1. EQUILÍBRIO DE PONTO MATERIAL

Um ponto material não leva em consideração as dimensões do objeto.

 

1.1 Um lustre pendurado no teto

Considere um lustre pendurado no teto. As forças que atuam sobre o lustre são o seu peso e a normal.

 

Gráfico, Gráfico de caixa estreita O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto.

O somatório vetorial das forças deve ser nulo para que o lustre permaneça em equilíbrio estático.

 

 

Na prática, quando apenas duas forças atuam sobre o corpo em uma mesma direção, os seus módulos são iguais. No exemplo do lustre, o módulo da força peso é igual ao módulo da força de tração.

 

 

1.2 Quadro pendurado (mesmo ângulo)

O quadro abaixo está pendurado por um barbante em um prego. O ângulo que cada parte do barbante faz com a horizontal é de 45 graus em ambos os lados. Isso facilita a resolução do problema.

Uma imagem contendo objeto, relógio, medidor O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto.

A força de tração pode ser projetada nos eixos x (TX) e y (TY). Para simplificar a ilustração, consideramos o quadro como um ponto material.

Uma imagem contendo objeto, relógio O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto.

Repare que existe uma diferença desta situação para o caso do lustre pendurado. Existiam apenas forças atuando sobre o lustre na direção vertical. No quadro, entretanto, existem componentes das forças nos eixos x e y. A resultante das forças deve ser nula em cada eixo para que o quadro permaneça em equilíbrio estável.

 

·        Horizontal (eixo x): a resultante é nula, pois as componentes TX são iguais.

 

·        Vertical (eixo y): o somatório das componentes TY é igual a 2TY, que é igual a força peso P do quadro.

 

 

Considere que o lustre tenha 10 kg de massa (Peso = 100 N) e cos 45º = sen 45º ≈ 0,7.

 

 

A tração T em cada parte do barbante vale:

 

 

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Associação de Geradores

Publicado em maio 1, 2025 por Bruno Fernandes

1. ASSOCIAÇÃO DE GERADORES

Os geradores podem ser associados em série ou paralelo, assim como ocorre com os resistores. Vamos analisar as propriedades de cada um.

 

1.1 Associação em série

 

Tela de celular com texto preto sobre fundo branco O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto. 

Dessa forma, é possível provar que a f.e.m total (εTOTAL) da associação é o somatório das f.e.m. de cada um. A resistência total da associação é o somatório das resistências internas de cada gerador.

 

εeq = ε1 + ε2 + …;

req = r1 + r2 + …;

 

1.2 Associação em paralelo

Nesta situação, os polos positivos do gerador são conectados entre si, assim como os polos negativos.

 

Gráfico, Gráfico de caixa estreita O conteúdo gerado por IA pode estar incorreto.

Dessa forma, é possível provar que a f.e.m total (εTOTAL) da associação é a f.e.m. de um único gerador (os geradores devem ser iguais aqui). A resistência total da associação é calculada da mesma forma que os resistores em paralelo.

 

εeq = ε;

req = ;

 

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Corrente elétrica

Publicado em abril 26, 2025 por Bruno Fernandes

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1. CORRENTE ELÉTRICA

A corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas a partir de uma diferença de potencial entre dois pontos do condutor. Por convenção, a corrente flui do maior para o menor potencial.

 

1.1 O sentido da corrente

 

·        Sentido convencional: do positivo para o negativo

 

Os primeiros estudos na Eletrodinâmica indicavam que a corrente elétrica era formada pela movimentação das cargas positivas, ou seja, elas se movimentavam do maior para o menor potencial do gerador. Com os avanços dos estudos nessa área, descobriu-se que a corrente elétrica era na verdade, um fluxo de cargas negativas.

 

·        Sentido real: do negativo para o positivo

 

Na verdade, a corrente elétrica é formada por um fluxo de elétrons que se move do menor para o maior potencial.

Resultado de imagem para sentido convencional da corrente elétrica

 

1.2 Intensidade de corrente (i)

Esse fluxo ordenado na movimentação dos elétrons é chamado de corrente elétrica. A intensidade de corrente (i) é calculada pela quantidade de carga que atravessa a seção transversal (área) do condutor em um determinado intervalo de tempo, ou seja, diretamente relacionado ao número de elétrons que por ali passaram.

Resultado de imagem para corrente elétrica

 

 

Unidade: ampère (A)

 

É muito comum o uso do submúltiplo mA (10-3 A).

 

A carga elétrica de elétron é sempre constante e vale, em módulo, e = 1,6 x 10-19 C.

 

2. RESISTORES

Os resistores possuem a função de transformar energia elétrica em energia térmica ou limitar a intensidade de corrente elétrica que atravessam determinados circuitos.

 

Os resistores possuem uma propriedade chamada resistência elétrica, que é a capacidade que o resistor possui em transformar energia elétrica em térmica (efeito Joule).

 

3. CIRCUITO SIMPLES

O circuito simples é constituído por um resistor ôhmico, fios ideais (com resistência nula) e um gerador ideal.

 

·        Gerador ideal

Resultado de imagem para gerador ideal

 

·        Resistores

Resultado de imagem para resistor representacao

Os componentes acima são conectados por fios condutores ideais e formam um circuito simples.

Resultado de imagem para circuitos simples

 

A corrente elétrica (sentido convencional) parte do polo positivo do gerador, passa pelo resistor e retorna ao polo negativo do gerador. Nessa passagem, há uma queda de potencial no gerador.

 

4. A POTÊNCIA ELÉTRICA

A potência elétrica representa a quantidade de energia que um resistor dissipa ou um aparelho elétrico consome em um certo intervalo de tempo.

 

 

A unidade de potência é o watts (W).

 

1 W = 1 A.1 V

                                                

A primeira lei de Ohm (U = R.i) pode ser utilizada para determinar mais duas expressões para o cálculo da potência em função das grandezas da Eletrodinâmica.

 

 

 

 

 

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Trocas de Calor

Publicado em abril 26, 2025 por Bruno Fernandes

1. POTÊNCIA TÉRMICA

A potência térmica mede a velocidade com que a energia (E) é transferida para um corpo.

 

 

A energia pode ser de muitos tipos diferentes. Na calorimetria, trabalhamos com a energia térmica (Q) que o corpo recebe ou cede ao exterior para que sua temperatura mude ou o corpo mude de fase.

 

 

 

No S.I., a unidade é:

 

 

A unidade calorias por segundo também é usada ocasionalmente.

 

 

Em um gráfico de potência (P) x tempo (t), a área compreendida entre a reta e o eixo do x fornece a quantidade de calor trocada pelo gás com o exterior.

 

2. TROCAS DE CALOR

As trocas de calor acontecem o tempo todo no cotidiano. Um exemplo clássico é a mistura de café quente com leite frio, o famoso café com leite. O café possui uma temperatura mais elevada que o leite, por isso, suas moléculas estão mais agitadas e possuem mais energia.

 

O choque entre as moléculas mais rápidas do café e as moléculas mais lentas do leite provoca uma transferência de energia das mais rápidas (café) para as mais lentas (leite).

 

Essa troca de energia térmica é chamada de calor. A troca de calor cessa quando os dois corpos atingem a mesma temperatura, denominada temperatura de equilíbrio térmico.

 

Em um sistema isolado, a quantidade de calor que um corpo cede ao outro são iguais. A energia do corpo que cede é negativa e a do corpo que recebe é positiva.

 

Dessa forma, podemos generalizar as trocas de calor da seguinte maneira:

 

 

3. CALORÍMETRO

O calorímetro é um dispositivo que permite estudar as trocas de calor entre corpos. A estrutura do calorímetro dificulta as trocas de calor entre o seu interior e o exterior. O esquema de um calorímetro está representado na figura abaixo:

 

Resultado de imagem para calorimetro

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Transmissão de Calor no Cotidiano

Publicado em abril 26, 2025 por Bruno Fernandes

1. APLICAÇÕES NO COTIDIANO

Já vimos que o calor pode ser transmitido de três formas diferentes: condução, convecção e irradiação. Agora, vamos estudar as aplicações desses processos no cotidiano.

 

1.1 Agasalhos

Os habitantes do deserto utilizam casaco tanto de dia (onde a temperatura checa a 50 ºC) quanto de noite (0 ºC).

       

Durante o dia, o casaco dificulta a troca de calor entre o ambiente (maior temperatura) e o corpo (menor temperatura). Durante a noite, o processo se inverte. O casaco dificulta a troca de calor entre o corpo (maior temperatura e o ambiente).

 

1.2 O segredo de um bom churrasco

O espeto de metal introduzido no interior da carne permite o seu aquecimento sem queimar o exterior. O metal é um ótimo condutor de calor e contribui para a transmissão de calor por condução no interior da carne.

 

1.3 A garrafa térmica

A garrafa térmica é construída de tal forma que deve bloquear os três processos de transmissão de calor: condução, convecção e irradiação.

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·        Condução e convecção: utiliza-se o vácuo entre as paredes interna e externa para impedir os dois processos.

·        Irradiação: utiliza-se uma parede espelhada no seu interior. A radiação emitida pelo líquido quente reflete na parede espelhada e retorna para o seu interior.

 

1.4 Geladeira

O congelador em uma geladeira é localizado na parte superior. O ar frio, mais pesado, desce e o ar quente (no interior da geladeira) sobe. Além disso, as prateleiras são no formato de grade para permitir a circulação das correntes de convecção.

 

1.5 O vento na praia

 

·        Durante o dia: a areia da praia aquece rapidamente (comparada com a água). O ar sobre a areia também se torna mais quente. Ocorre então, um deslocamento de ar da região mais fria (sobre a água) para a região mais quente (sobre a areia).

 

·        Durante a noite: o processo se inverte. A água está mais aquecida que a areia (lembre-se que a água demora mais para esfriar). Ocorre então, um deslocamento de ar da região mais fria (sobre a areia) para a região mais quente (sobre o mar).

 

Espero que tenham gostado!

 

Um grande abraço do BF!

 

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