Esta aula tem como objetivo identificar os conceitos básicos de eletricidade e eletrônica, compreendendo as relações entre seus componentes e como tudo isso funciona por meio da transmissão de elétrons, assim como apontar as mudanças proporcionadas pelo emprego destes conceitos aplicados à Ciência da Computação.

O estudo e a aplicabilidade da eletrônica anda junto com a computação. Nos dias de hoje, já é possível encontrar colégios que disponibilizam em sua grade curricular o ensino introdutório de programação com o auxílio da robótica. Neste cenário, o aluno precisa entender os principais conceitos de eletrônica e programação, justamente o que estudaremos neste curso técnico.

A eletricidade é o fluxo de partículas carregadas (elétrons) que circulam por meio de materiais condutores (fios de cobre). Estas partículas adquirem energia de uma fonte (gerador, módulo fotovoltaico, bateria etc.) e transferem esta energia a uma carga (lâmpada, motor, equipamento de comunicações etc.) e a seguir retornam à fonte para repetir o ciclo.

A seguir, veremos que existem ferramentas específicas para medir as grandezas utilizadas pelos componentes eletrônicos com exatidão, assim como exemplo e definições de algumas grandezas que envolvem a eletricidade, a eletrônica e, por consequência, a computação.

Naturalmente, com a evolução da capacidade de processamento dos computadores, toda sua arquitetura precisou evoluir também. A princípio, tínhamos computadores do tamanho de uma sala de aula para fazer cálculos relativamente simples, hoje, temos um computador com alto poder de processamento que cabe na palma da mão. O desafio de fazer um supercomputador caber em um bolso fez com que os projetistas e os arquitetos de hardware tivessem que se reinventar para produzir componentes eletrônicos cada vez menores e aumentando sua capacidade de processamento. Um desafio em tanto!

Para suprir esta necessidade, os engenheiros conseguiram colocar milhões de transistores em um processador, que (incrivelmente) tem poucos centímetros quadrados. Esse minimalismo, só é possível devido à precisão do software, pois é impossível de fazer com a precisão humana. Componentes como a unidade lógica, unidade aritmética, unidade de controle, registradores, unidade de gerenciamento de memória e unidade de ponto flutuante, dividem esta numerosa quantidade de transistores como um objetivo comum, processador e dados.

O mundo está cada dia mais informatizado, e, para acompanhar esta demanda, tanto o software quanto o hardware precisa evoluir também. Um grande marco na evolução da arquitetura de computadores foi na utilização de um elemento chamado silício, que, para nossa felicidade, é encontrado em abundância natureza.

Você já ouviu falar em silício? Sabe qual é a importância dele nos chips de computador? 

Quando, falando em eletrônica e computação, não tem como deixar o silício de fora, um elemento químico (símbolo Si), de número atômico 14 (14 prótons e 14 elétrons), com massa atômica igual a 28u. Tão importante no contexto da evolução da Computação que um dos centros mais importantes de tecnologia no mundo todo foi batizado de “Vale do Silício", localizado na costa oeste dos Estados Unidos da América, na Califórnia.

O silício tem este destaque no contexto computacional, pois é um semicondutor que pode servir como condutor de energia e como um isolante elétrico dentro um processador ou  qualquer outro componente eletrônico.

Agora, sabendo da importância deste mineral, imagine se não existisse o silício. O que seria da Computação?

Atualmente, a eletrônica vem sendo aplicada de modo nunca feito antes. Em um primeiro momento, o rádio foi sua principal aplicação. Mas, hoje, a eletrônica exerce uma contribuição fundamental para nossa sociedade e para os esforços existentes em todos os campos do conhecimento humano. Isso nos afeta de uma forma que ainda não podemos ter a exata consciência. Nós estamos vivendo na era da eletrônica (SCHULER, 2013).

Embora sejam conceitos similares, e muitos possam confundir, eletricidade e eletrônica são termos diferentes. A eletricidade está associada ao deslocamento de cargas elétricas através de meios condutores, como um fio de cobre ou por meios não condutores, como um raio que se desloca pelo ar. Já a eletrônica é a ciência que pesquisa como utilizar a energia elétrica em componentes eletrônicos com uma corrente movimentando o fluxo de elétrons no dispositivo em utilização.

Este fluxo de elétrons em que os portadores de carga elétrica (elétrons) são conduzidos por algum material em razão da aplicação de uma diferença de potencial elétrico (tensão) é conhecido como Corrente Elétrica, popularmente conhecida como “amperagem”, e pode ser dividida em: 

• Corrente Contínua (CC): do inglês Direct Current (DC), possui seu fluxo de elétrons, tensão e corrente, unidirecionais (apenas um sentido), possui polaridade (positivo e negativo) e percorre o caminho no sentido positivo para o negativo, fornecendo corrente elétrica para baterias e pilhas, por exemplo. Geralmente, aplicada em circuitos de baixa tensão, em aparelhos eletroeletrônicos, como roteador, televisão, computador, na geração de energia solar fotovoltaica, entre outros. 

• Corrente Alternada (CA): do Inglês Alternating Current (AC), é uma corrente elétrica que tem sua intensidade e direção que variam, periodicamente, (ao contrário da corrente contínua). A CA é capaz de ser transportada por longas distâncias, consequentemente, sendo a mais utilizada em grandes potências, que é o caso da energia elétrica que chega em nossas residências, por meio de transformadores. Este tipo de corrente é encontrado em linhas de transmissão, circuitos de alta tensão, geradores e inversores de corrente e são usadas no transporte de energia elétrica das usinas para os centros de distribuição e, por fim, até nossa residência.

É comum acontecerem situações em que a corrente alternada precise ser transformada em corrente contínua, situação em que a energia chega da rede elétrica e precisa ser convertida, e vice-versa. Esta conversão, de uma corrente CA se transformar em uma CC, acontece com o auxílio de transistores, fontes e diodos. Um bom exemplo é uma fonte de computador, que recebe 127 ou 220v em CA da energia residencial e as converte em 5 e 12v para alimentar todos os componentes eletrônicos do computador, em especial os discos de armazenamento e a placa mãe, que é responsável em energizar os demais componentes, como processador e memória.

Outra grandeza muito utilizada neste contexto é a tensão elétrica, tecnicamente conhecida como diferença de potencial e popularmente conhecida como “voltagem”, é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos, medida em volts, definida, também, como diferença em energia potencial elétrica por unidade de carga elétrica entre dois pontos. Por exemplo, quando uma carga elétrica de 1,0c (coulomb) é aplicada em determinado circuito elétrico que tem já tem a tensão de 12v (volts), esta carga elétrica adquire uma energia potencial elétrica de 10j (joules). Quando ambos os pontos se encontram em diferentes tensões elétricas, há uma diferença de potencial entre eles.

Entendendo melhor a tensão elétrica, é a quantidade de energia armazenada em cada coulomb de carga elétrica quando se encontra em regiões em que seu campo elétrico não é nulo. Neste cenário, quando liberadas, as cargas passam a se mover devido ao surgimento da força elétrica sobre elas. Cargas positivas movem-se em direção aos potenciais elétricos mais baixos, e as cargas negativas tendem a se deslocar em direção aos potenciais elétricos mais altos, que é o caso do exemplo citado no parágrafo anterior.

Para medir a tensão de um circuito elétrico, utilizamos um aparelho chamado   multímetro, um dispositivo capaz de medir e avaliar grandezas elétricas, como tensão, resistência elétrica, corrente contínua, corrente alternada e, dependendo do aparelho, pode-se medir também temperatura, capacitância e frequência de sinais alternados. Existem dois modelos utilizados no mercado, o analógico e o digital, conforme veremos a seguir:

• O Multímetro Analógico é baseado nos galvanômetros, e sua verificação de leitura acontece por meio da força eletromagnética em seu ponteiro. Uma característica importante deste modelo é ser possível medir e observar a oscilação na medida feita, pois ele mostra a variação da medição o tempo inteiro, recurso importante ao testar bobinas e capacitores cuja corrente varia, gradativamente. Para poder medir cada uma das amplitudes elétricas, o galvanômetro (Figura 2) deve completar-se com determinado  circuito  elétrico  que  dependerá  também  de  duas  características  do  galvanômetro:  a resistência  interna  (RI)  e  a  inversa  da  sensibilidade. Esta última é a  intensidade que, aplicada diretamente aos bornes do galvanômetro, faz com que a agulha de sinalização chegue ao fundo de escala (SANCHEZ; ALVAREZ; LAZO, 2020).

Existem algumas diferenças entre os multímetros digitais e analógicos, enquanto o multímetro analógico demonstra maior precisão instantânea, o digital oferece maior praticidade, principalmente no quesito visual. Portanto, o analógico é ideal para medir grandezas que possuem grandes variações, e o digital é ideal para medir grandezas fixas.

O Multímetro, de forma geral, contempla os recursos de um voltímetro, amperímetro e ohmímetro, capacímetro, frequencímetro, termômetro entre outros, tudo dependendo dos recursos disponibilizados pelo fabricante do aparelho. Encontramos, ainda, outro medidor de grandezas elétricas chamado amperímetro, geralmente, com um formato de alicate, onde é possível envolver um fio e medir qual é a corrente elétrica que está passando por ali naquele determinado momento. Existem ferramentas mais completas que disponibilizam ambos os recursos.

Conforme demonstra a Figura 3, para medir a corrente de determinado circuito, é preciso mover a chave seletora para a casa dos amperes “A~”, escolher a escala, 20,0200 ou 1000, podendo variar de amperímetro para amperímetro e colocar o fio dentro do “alicate.”

Nesta aula, vimos os fundamentos e os conceitos de eletricidade e eletrônica e uma ferramenta para medir estas grandezas, o multímetro. Este conteúdo é importante para vida toda, não apenas voltada especificamente à computação, pois o mal dimensionamento de uma tomada ou a falta de aterramento na instalação elétrica de uma casa pode causar danos em toda rede e aos equipamentos eletrônicos conectados a ela. 

A eletrônica e a computação andam de mãos dadas, com componentes eletrônicos cada vez menores e mais potentes. A computação abre novas áreas que necessitam de novos profissionais cada vez mais qualificados, como é o caso do Big Data, Computação na Nuvem, Internet das Coisas entre outras tecnologias. Explorar novos conceitos e novas tecnologias faz parte do perfil do profissional da ciência da computação. No contexto do Hardware, os processadores atuais possuem a distância de nanômetros (nm) entre um transistor e outro, para termos uma ideia, um nanômetro é igual a 10⁻⁹ metros, ou seja, um nanômetro equivale a incríveis 0,000000001 metros.

Embora a eletrônica esteja, fisicamente, relacionada ao hardware, existe a dependência do software para sua produção. Com a diminuição do tamanho dos componentes eletrônicos, alguns em escalas milimétricas (ou até menor) fizeram com que a mão humana fosse incapaz de produzi-los, para isso, necessitamos da precisão e da milimétrica que somente o software pode oferecer.

Independentemente de sua área de atuação, entender os conceitos da eletricidade básica o(a) ajudará a preservar a vida útil de seus dispositivos eletrônicos, independentemente de ser em corrente alternada ou corrente contínua, uma sobrecarga elétrica, que é o excesso de carga em um circuito, que pode prejudicar a vida útil de seu computador e seus componentes.