Eletrônica

Resumo de meus estudos sobre Eletrônica. As informações foram tiradas de cursos que fiz e dos materiais que recebi nesses cursos, mas este post é uma produção minha. Eventualmente, utilizei ajuda da IA. As partes do post que foram criadas majoritariamente com IA estão indicadas.

Engenharias: Introdução

• Quase todas as engenharias derivam da elétrica. A engenharia elétrica, por sua vez, consiste em direcionar os conhecimentos dos fenômenos elétricos para fins práticos.
• Elétrica VS Eletrônica: Elétrica lida com altas potências e baixas frequências; Eletrônica lida com altas frequências e baixas potências.
• Usar simuladores online (laboratórios virtuais), como o TinkerCad e o Falstad Circuits, para não ficar limitado pela falta de componentes eletrônicos.

Átomos. Tensão. Corrente Elétrica

• Átomo: menor unidade da matéria com propriedades físico-químicas próprias. A matéria pode ser dividida em partes cada vez menores sem perder as propriedades físico-químicas que a caracterizam (massa, ocupar lugar no espaço, inércia), até que se chega no átomo, quando não é mais possível dividir mantendo aquelas propriedades (embora existam partículas menores, as subatômicas).
• Ao longo da história, diversos modelos atômicos foram propostos. À medida que os cientistas, experimentalmente, iam descobrindo mais sobre o funcionamento do átomo, eles iam propondo novos modelos que pudessem explicar as novas descobertas.
  • Modelo de Dalton: O átomo é uma esfera maciça, homogênea, indivisível e indestrutível (como uma bola de bilhar). O conjunto de átomos do universo com as mesmas características (tamanho, massa etc.) constituem um elemento químico. Reciprocamente, elementos diferentes possuem átomos com características diferentes.
  • Modelo de Thomson: J.J. Thomson realizou um experimento em que colocou gases a baixa pressão dentro de um tubo de vidro. Nas extremidades do tubo, ele posicionou um ânodo (polo positivo) e um cátodo (polo negativo), conectados a uma fonte de alta voltagem. O gás começou a conduzir eletricidade e gerou uma radiação, conhecida como raios catódicos. Quando ele aproximou placas carregadas do tubo, observou que o raio catódico se desviava em direção à placa positiva, o que indicava que as partículas que compunham o raio estavam carregadas negativamente. Com isso, Thomson concluiu que os átomos dos diferentes eletrodos e dos diferentes gases que ele testou (e, por extrapolação, de toda a matéria) contêm partículas subatômicas negativas, que ele chamou de elétrons. O modelo de Thomson, do átomo como um fluido positivo no qual estão dispersos os elétrons, foi apelidado de “pudim de passas” (também dá para comparar com o panetone).
  • Ernest Rutherford realizou um experimento no qual posicionou uma fonte de radiação de partículas alfa (uma radiação pouco penetrante e com carga positiva) em direção a uma fina lâmina de ouro. Atrás da lâmina, ele colocou um anteparo revestido com fosfato de cálcio, que emitia flashes de luz quando atingido pelas partículas alfa. Ele observou que a maioria das partículas alfa passava pela lâmina de ouro sem sofrer desvio algum, mas algumas eram desviadas em ângulos pequenos, enquanto outras ricocheteavam, retornando quase diretamente para a fonte. Com isso, ele concluiu:
    (i) que a maior parte do átomo é vazia, pois a maioria das partículas alfa atravessou os átomos de ouro sem sofrer desvio;
    (ii) que existe uma pequena região no átomo, o núcleo, que concentra sua massa e é positivamente carregada, já que algumas partículas alfa (positivas e grandes) foram desviadas em grandes ângulos, o que só poderia ocorrer devido à presença de outras partículas positivas e densamente concentradas em uma região pequena;
    (iii) que os elétrons são pequenos e estão fora do núcleo, pois a maioria das partículas alfa não foi atraída por eles, que devem estar em órbitas ao redor do núcleo.
    O modelo de Rutherford se assemelha ao Sistema Solar, com um núcleo (“Sol”) onde estão alojados os prótons e ao redor do qual orbitam os elétrons (“planetas”)..
  • No entanto, com outros experimentos, os cientistas descobriram que a soma das massas dos prótons não era igual à massa do núcleo dos átomos. Foi então que James Chadwick descobriu os nêutrons, partículas no núcleo sem carga elétrica.

• O átomo é formado por um núcleo com partículas com carga positiva (os prótons) e nulas (os nêutrons), ao redor do qual orbitam os elétrons, com carga negativa.
• O número atômico (Z) do átomo é a quantidade de prótons em seu núcleo, enquanto o número de massa (A) é a quantidade de partículas nucleares (ou seja, prótons + nêutrons, e esse nome se dá porque os elétrons tem massa desprezível, embora não nula).
• Os elétrons ocupam a região conhecida como eletrosfera, estando divididos em níveis: K, L, M, N, O, P, Q. A última camada de um átomo ocupada por pelo menos um elétron é chamada de camada de valência do átomo.
• Cada nível se divide em subníveis: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, … obedecendo o Diagrama de Linus Pauling:
  K ->  1s
  L ->  2s 2p
  M -> 3s 3p 3d
  N -> 4s 4p 4d 4f
  O -> 5s 5p 5d 5f
  P ->  6s 6p 6d
  Q -> 7s 7p
  Cada subnível s comporta no máximo 2 elétrons; subníveis p, 6 elétrons; subníveis d, 10 elétrons; subníveis f, 14 elétrons.

• Postulados de Niels Bohr:
  • Os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias ao redor do núcleo, sem perder energia enquanto permanecem nelas.
  • Cada órbita permitida possui uma energia bem definida (quantizada) e uma distância constante em relação ao núcleo.
  • Um elétron pode absorver energia e saltar para uma órbita de maior energia; ao retornar a uma órbita de menor energia, ele emite essa energia em forma de radiação eletromagnética (luz).
    Sobre o terceiro postulado, ele é utilizado na fabricação de fogos de artifício. Os fabricantes colocam elementos químicos diferentes para, com a queima do fogo, produzir cores específicas.

• O modelo atômico de Rutherford-Bohr já foi atualizado, dando origem ao modelo quântico, que é o mais recente. Este modelo considera a dualidade onda-partícula do elétron e descreve sua posição como incerta, sendo representada por uma distribuição de probabilidade.

• Num átomo neutro, o número de elétrons é igual ao número de prótons. Denomina-se eletrização o processo (por atrito, por contato ou por indução) pelo qual um átomo ganha ou perde elétrons, tornando-se um íon: positivo (cátion), se faltarem elétrons, ou negativo (ânion), se sobrarem elétrons.
• Podemos estender o que acontece com o átomo para corpos maiores. Nesse caso, adota-se a carga do elétron em módulo (e = 1,6 . 10^-19 C) como unidade de medida, e tem-se 
  

  Q = n . e,

  
  onde Q é a carga do corpo e n é o número de elétrons em falta ou excesso (negativo ou positivo, respectivamente).

• Existe uma força de atração entre cargas opostas e de repulsão entre cargas de mesmo sinal. Essa força é dada por
  

  F = K . Q₁ . Q₂ / d²,

  
  onde K é a constante de proporcionalidade do meio (no vácuo, vale 9 . 109 Nm2/C2), Q1 e Q2 são as cargas dos corpos e d é a distância que os separa. Se as cargas tiverem mesmo sinal, F será positiva, o que significa que é uma força de repulsão; enquanto que, se as cargas tiverem sinal contrário, F será negativa, o que significa uma força de atração. (Curiosidade: Existe uma analogia com a força de atração gravitacional: F = G . m₁ . m₂ / d², onde G é a constante de gravitação universal e os m’s são as massas dos corpos.)

• Como dito anteriormente, um corpo pode adquirir cargas por eletrização. Todo corpo eletrizado, ou seja, com carga elétrica não nula, possui energia potencial elétrica associada. Entre corpos com potenciais diferentes, existe uma diferença de potencial (ddp). Essa grandeza elétrica, também conhecida como tensão, tem como símbolo o U e como unidade o Volt (V). A relação entre as três grandezas (carga, energia potencial elétrica e tensão) é dada por:
  

  V = Ep/Q.

• Se unirmos dois corpos com potenciais contrários por um fio condutor de eletricidade, haverá uma tendência para igualar os potenciais (a principal lei da natureza é o equilíbrio!), com a atração entre cargas opostas, e ocorrerá a passagem de cargas do corpo negativo (com elétrons sobrando) para o positivo (com elétrons faltando). A esse movimento ordenado de elétrons, dá-se o nome de corrente elétrica. O símbolo dessa grandeza é o I e a unidade, o Ampère (A).
• Na bibliografia das engenharias, normalmente adota-se a corrente convencional (do polo positivo para o polo negativo), em vez do sentido real dos elétrons. Isso se deve a razões históricas, quando os cientistas compararam a corrente com o movimento da água que sai de uma caixa d’água (com energia potencial maior +) e chega nas torneiras (com energia potencial menor -). Esse erro conceitual perpetuou-se, mas felizmente não acarreta erros de análise.
• A corrente pode ser calculada a partir da seguinte relação:
  

  I = ΔQ/Δt,

  
  ou seja, é a razão entre a variação de carga e a variação de tempo, em segundos.

Condutores. Isolantes. Semicondutores.

Em breve

Introdução à Eletrônica Digital

A Eletrônica Digital lida com dispositivos e circuitos eletrônicos que operam com sinais digitais. Já os dispositivos eletrônicos analógicos funcionam de forma contínua, podendo assumir qualquer valor de tensão entre o mínimo (por exemplo, o desligamento) e o máximo suportado. Assim, é possível ativar um dispositivo analógico com 30%, 50%, 70% de sua capacidade — ou qualquer valor intermediário entre 0% e 100%.

Por outro lado, os dispositivos digitais operam com apenas dois estados possíveis: ligado (com corrente elétrica) e desligado (sem corrente elétrica).

Por conta dessa dualidade, o sistema de numeração binário torna-se essencial para a Eletrônica Digital, pois seus dois símbolos — 0 e 1 — representam perfeitamente os dois estados de funcionamento de um dispositivo. Se associarmos o 0 ao estado desligado e o 1 ao ligado, estamos utilizando a lógica positiva; se a associação for inversa, trata-se de lógica negativa.

Observação: Um número binário 10₂, por exemplo, não se lê “dez” (por que isso daria a entender o 10 decimal), mas se lê “um-zero binário”.

Sobre o pdf acima, depois eu pensei no seguinte. Quantas tabelas da verdade diferentes existem para duas variáveis? A saída de um tabela tem quatro resultados, cada um vale 0 ou 1, então o número de tabelas diferentes é 2^4 = 16. No pdf, tem 7 tabelas. As outras 9 podem ser construídas utilizando combinações das 7. Na verdade, os matemáticos já provaram que dá pra fazer um circuito com qualquer tabela verdade utilizando apenas portas AND, OR e inversões (not’s). O mesmo vale para uma quantidade qualquer de variáveis.

Texto introdutório para o próximo pdf:

• George Boole foi o matemático que propôs associar os valores 1 e 0 aos conceitos de verdadeiro e falso, respectivamente.
  Sua motivação era lógica e filosófica, mas suas ideias deram origem a uma estrutura matemática — a álgebra de Boole — que viria a ser fundamental na eletrônica digital e na computação.
• A álgebra de Boole é um sistema algébrico definido sobre os elementos 0 e 1, com duas operações principais:
  • Soma ( + ) → representa o operador OU (OR) lógico.
  • Multiplicação ( · ) → representa o operador E (AND) lógico.
  • Também inclui o complemento ( ¬ ou ~ ), que representa a negação (NOT).
• As operações booleanas obedecem a várias propriedades, muitas das quais lembram a álgebra comum:
  • Comutatividade
  • Associatividade
  • Distributividade
• A álgebra de Boole não segue todas as regras da aritmética convencional nem da binária:
  • Por exemplo, A + A = A e A . A=A na álgebra de Boole, enquanto essas propriedades, conhecidas como idempotências, não valem na álgebra convencional.
  • Por exemplo, 1+1=1 na álgebra de Boole, enquanto na aritmética binária 1+1=10.
• As Leis de De Morgan são duas identidades fundamentais na álgebra de Boole:
  • ~(A + B) = ~A . ~B
  • ~(A . B) = ~A + ~B
    Elas podem ser comprovadas por:
    • Tabelas verdade,
    • Manipulações algébricas,
    • Diagramas de Venn (em teoria dos conjuntos),
    • Equivalência de circuitos (na eletrônica digital).
• A álgebra de Boole e as Leis de De Morgan são usadas para simplificar expressões booleanas e circuitos lógicos, tornando os sistemas digitais mais eficientes em termos de número de portas, tempo de resposta e custo.
• Em eletrônica digital, os valores 1 e 0 representam:
  • 1: presença de tensão (nível alto, “ligado”)
  • 0: ausência de tensão (nível baixo, “desligado”)
    Essa correspondência física torna a álgebra de Boole ideal para modelar circuitos digitais com portas lógicas.

Principais Componentes Eletrônicos

Esta seção foi redigida com auxílio da IA.

Resistor: Controla o fluxo de corrente em um circuito, limitando a quantidade de eletricidade que passa por ele.

Potenciômetro: Resistor variável que permite ajustar manualmente a resistência elétrica em um circuito, usado em controles de volume e ajustes de tensão.

Capacitor: Armazena energia temporariamente e pode liberar essa carga quando necessário, sendo útil para filtragem e estabilização.

Indutor (Bobina): Armazena energia em um campo magnético e é utilizado para filtragem de sinais e conversão de energia.

Transformador: Dispositivo que altera os níveis de tensão da corrente elétrica, essencial em fontes de alimentação e redes elétricas.

Diodo: Permite o fluxo de corrente elétrica em apenas uma direção, sendo usado para retificação e proteção de circuitos.

Transistor: Componente chave para amplificação e chaveamento eletrônico, essencial para a criação de circuitos digitais e analógicos.

Relé: Interruptor eletromecânico que permite o acionamento de circuitos de alta potência com sinais de baixa potência.

Cristal de Quartzo: Oscilador que gera sinais de frequência estável, fundamental para relógios digitais, microcontroladores e circuitos de comunicação.

Oscilador: Componente que gera sinais periódicos, essenciais em circuitos de transmissão e geração de frequência, como rádios e sintetizadores.

Circuito Integrado (CI): Conjunto de diversos componentes em um único chip, formando processadores, controladores e diversos dispositivos eletrônicos.

Circuitos Integrados (CIs). Famílias (de Circuitos) Lógicas

Sensores

Experiências

Rádio

Arduino