FÍSICA 12 Marília Peres. A corrente eléctrica é um movimento orientado. só ocorre se houver diferença de potencial.

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1 CIRCUITOS ELÉCTRICOS FÍSICA 12 1 CORRENTE ELÉCTRICA A corrente eléctrica é um movimento orientado de cargas eléctricas através de um condutor e só ocorre se houver diferença de potencial. O sentido convencional da corrente é o sentido do campo eléctrico e o sentido real num condutor metálico é o oposto. 2 1

2 CORRENTE ELÉCTRICA A intensidade de corrente eléctrica, I, é uma grandeza escalar, que se define como a razão entre a carga que atravessa uma secção recta do condutor e o intervalo de tempo. I dq dt Ou se o regime é estacionário: A unidade SI é o ampére (A) 1 A = 1 C / s Q I t 3 CORRENTE E VELOCIDADE DE DERIVA O movimento orientado é descrito pela velocidade de arrastamento ou de deriva: v d Segundo o modelo de condução eléctrica aceite, esta velocidade é muito baixa, devido ao choque com os átomos dos condutores. 4 2

3 RESISTÊNCIA E LEI DE OHM Num condutor existe sempre resistência à passagem da corrente: colisões dos electrões, defeitos, impurezas, etc. Verifica-se que para o mesmo campo eléctrico aplicado, essa resistência é proporcional à diferença de potencial aplicada ao condutor. A unidade SI é o ohm (Ω) 1 Ω = 1 V / A R U I 5 RESISTÊNCIA E LEI DE OHM Lei de Ohm: A razão entre a diferença de potencial aplicada ao condutor e a intensidade de corrente que a percorre é constante, à mesma temperatura. U R I Se os materiais não obedecem à lei de Ohm, dizem-se não óhmicos. A Lei de Ohm é apenas uma lei empírica válida para alguns materiais. 6 3

4 Resistência e Lei de Ohm Condutor óhmico Condutor não óhmico 7 RESISTIVIDADE, A resistência de um condutor depende da resistividade do material de que é feito. A unidade da resistividade é ohm metro (Ω. m) Para um condutor filiforme, verifica-se a seguinte relação: Em que: - resistividade l comprimento A área da secção recta R ρ A 8 4

5 Valores da Resistividade 9 RESISTORES Muitos circuitos possuem elementos chamados resistores. Usam-se essencialmente para controlar a corrente em partes do circuito. 10 5

6 RESISTÊNCIA E TEMPERATURA Fora de um determinado limite, a resistividade de um material varia com a temperatura. ρ ρ [1 α( T T )] o ρ o é a resistividade de referência à temperatura t T o T o é normalmente 20 C α é o coeficiente de temperatura do material A unidade SI de α é o C -1 o 11 RESISTIVIDADE E TEMPERATURA Para os metais a resistividade é normalmente proporcional à temperatura. Existe uma região não linear a baixas temperaturas que é devida essencialmente à colisão dos electrões com impurezas. O aumento de temperatura leva a um aumento de vibração da rede cristalina do metal, logo a resistividade aumenta. 12 6

7 SEMICONDUTORES No materiais semicondutores, como o germânio e o silício, a resistividade diminui com a temperatura. Com o aumento de temperatura existe um aumento dos portadores de carga. 13 SUPERCONDUTORES Existe uma classe de materiais cujas resistências caíem perto de zero a temperauras muito baixas: temperaturas críticas, T C 14 7

8 NUM CIRCUITO Considere o seguinte circuito: - Quando a uma carga se move de a até b, a energia potencial do sistema aumenta de qx V ou qxu A energia química da pilha diminui da mesma quantidade. 15 NUM CIRCUITO A potência fornecida pelo gerador será: W q U P I U t t Se o receptor for puramente resistivo, como no circuito representado, toda a energia será convertida em energia interna, logo a temperatura aumentará! 2 P I U R I Lei de Joule 16 8

9 NUM CIRCUITO FORÇA ELECTROMOTRIZ A força electromotriz de um gerador (f.e.m. ou, de um gerador é a maior diferença de potencial que esse gerador pode fornecer, ou a maior quantidade de energia por unidade de carga. Q EE E Q P I t t Potência fornecida pelo gerador NUM CIRCUITO Como o gerador tem resistência i interna uma parte da energia vai dissipar-se por efeito de Joule: UxI = x rx 2 U = - rx I Equação do Gerador U U = r x I I 9

10 NUM CIRCUITOS NUM CIRCUITOS RECEPTORES QUE NÃO SÃO PURAMENTE RESISTIVOS: Todos receptores transformam parte da energia eléctrica que recebem em energia interna, mas a restante energia é transformada em outro tipo de energia (luz, trabalho, ). FORÇA CONTRAMOTRIZ - Define-se como a energia E, que o receptor recebe e transforma noutras energias (excepto por efeito de Joule), por unidade de carga, Q, que atravessa o receptor. E' ' Q 10

11 NUM CIRCUITOS RECEPTORES QUE NÃO SÃO PURAMENTE RESISTIVOS: P recebida = P útil + P dissipada U I ' I r' I ou U ' r ' I 2 Equação do Receptor NUM CIRCUITOS RECEPTORES QUE SÃO PURAMENTE RESISTIVOS: P fornecida = P dissipada RxI 2 = x rxi 2 = R total x I 11

12 NUM CIRCUITOS RECEPTORES COM FORÇA CONTRA ONTRA-ELECTROMOTRIZ P fornecida = P útil + P dissipada I r I 2 = I + r I 2 + R I 2 r I = + r I + R I = (r + r + R) I = R T I r Lei de Ohm Generalizada RESISTÊNCIAS EM SÉRIE Adicionam-se os potenciais ΔV = IR 1 + IR 2 = I (R 1 +R 2 ) Consequencia da Conservação da Energia R eq = R 1 + R 2 + R

13 RESISTÊNCIAS EM PARALELO A diferença de potencial é a mesma em cada resistência, pois cada uma está ligada aos terminais da pilha. A corrente, I, sofre uma derivação: I = I 1 + I 2 Mas a soma é igual à inicial, consequência da conservação da carga. RESISTÊNCIAS EM PARALELO R R R R eq A resistência equivalente é sempre inferior ao menor resistor do circuito. A menor resistência irá ter a maior corrente 13

14 Resistências em Paralelo: Exemplo CIRCUITOS RC (RESISTÊNCIA E CONDENSADOR) Um circuito de corrente contínua pode ter condensadores e resistores, podendo a corrente variar com tempo. No início o condensador começa a carregar, até atingir a carga máxima que é: Q = C ε Quando o condensador está todo carregado a corrente no circuito é nula. 14

15 DESCARREGANDO UM CONDENSADOR NUM CIRCUITO RC Quando um condensador carregado é introduzido id num circuito, a sua carga é descarregada segundo a função: Q (t)= Q 0 e -t/rc A carga diminui exponencialmente Se t = = RC, a carga diminui para Q max Por outras palavras, o condensador perde 63,2% da sua carga inicial. CARREGANDO UM CONDENSADOR NUM CIRCUITO RC A carga do condensador varia com o tempo Q(t) = C (1 e -t/rc ) t é a constante do tempo = RC (SI -> s) A constante de tempo representa o tempo requerido para aumentar a carga de um condensador de 0 até 63,2 % da sua carga total. 15