FÍSICA MÓDULO 18 CIRCUITOS ELÉTRICOS. Professor Ricardo Fagundes

Transcrição

1

2 FÍSICA Professor Ricardo Fagundes MÓDULO 18 CIRCUITOS ELÉTRICOS

3 Nesse módulo iremos estudar circuitos constituídos apenas de uma fonte de tensão (U) geradora de corrente contínua (i), fios e resistores (R). Os circuitos acima são exemplos de circuitos simples. A pilha é a fonte do circuito. Entre a parte positiva da pilha e a negativa existe uma diferença de potencial (d.d.p.), simbolizada pela letra U. Graças a essa d.d.p. é que os elétrons saem do polo negativo para o positivo, percorrendo o circuito. Por questões de sinais, convencionou-se dizer que a corrente elétrica sai do positivo para o negativo. Quando a chave está aberta a não haverá corrente, portanto a lâmpada ficará apagada. Já na segunda situação, com a chave fechada, o circuito funciona.

4 Podemos definir corrente elétrica como a carga elétrica que passa pelo fio por unidade de tempo: i = Q t Como estamos falando de elétrons, usaremos o módulo da carga. A carga é calculada como o número de elétrons que passam (n) pela carga de cada um, a carga elementar (e): Q = ne Então: Unidade: A (Ampère) i = Q t = ne t

5 Em um circuito, uma bateria de 9 V fornece 0,16 A de corrente. Quantos elétrons passam por segundo nesse circuito? i = ne t 19 n. 1, ,16 = 1 n = elétrons

6 Os circuitos que estão nas figuras anteriores podem ser representados da seguinte maneira: Quanto maior o valor dessa resistência, menor será o valor da corrente elétrica. Por exemplo, se tirarmos uma resistência e colocarmos outra no circuito com o dobro do valor, a corrente que passará será a metade. Esta é a primeira lei de Ohm: U = Ri Unidades: [U] = V (Volt) e [R] = Ω (Ohm).

7 Uma fonte de tensão de 5 V está alimentando uma lâmpada que permite uma passagem de corrente de 2 ma. Qual é a resistência dessa lâmpada? U = Ri R = 5 3. = 2, Ω ou 2,5 KΩ 2.10

8 Mas e se o circuito apresentar mais de uma resistência? Nesse caso teremos que substituir todas por apenas uma, que equivalha a todas anteriores, chamada de resistência equivalente (R eq ). Veja o circuito abaixo: No circuito acima as resistências estão em série. Cada resistência está sob uma d.d.p. e a sua soma equivale à tensão da fonte. Se uma dessas resistências queimar é como se o fio fosse rompido, ou seja, nenhuma das outras irá funcionar. V = V 1 + V 2 + V 3

9 Aplicando a 1ª lei de Ohm para cada uma das resistências: V 1 = R 1 i ; V 2 = R 2 i ; V 3 = R 3 i Logo: V = R 1 i + R 2 i + R 3 i V = R 1 + R 2 + R 3 i Então para encontrarmos uma resistência que equivalha as três, basta somá-las. R eq = R 1 + R 2 + R 3

10 De modo geral, para n resistências em série, ou seja, no mesmo fio, temos: R eq = R 1 + R R n

11 E o circuito abaixo? Como poderíamos substitui-las por uma apenas? Vamos aplicar a 1ª lei para cada uma das resistências: V = R 1 i 1 = R 2 i 2 = R 3 i 3 Perceba que a corrente que sai da tomada é a soma das correntes que vão para cada aparelho: i = i 1 + i 2 + i 3

12 Então: V = R eq i = R eq i 1 + i 2 + i 3 = R eq V R 1 + V R 2 + V R 3 V = R eq V 1 R R R 3 Logo: De modo geral: Req = Req = R 1 R 2 R R 1 R 2 Rn 1 1

13 Pode-se encontrar a resistência dois a dois. Por exemplo, ache o R eq entre R 1 e R 2 e depois faça o novo R eq entre a equivalente anterior e o R 3. Pode ser matematicamente mais simples, já que, com duas resistências, o equivalente é mais fácil: R eq = R R 2 = R 1 + R 2 R 1 R 2 = R 1 R 2 R 1 + R 2

14 Para n resistências iguais, o R eq será: 1 R eq = 1 R + 1 R R = R n

15 POTÊNCIA ELÉTRICA Potência é, como já vimos, é a taxa de energia por tempo. Podemos calcular a potência total dissipada pela bateria ou até mesmo a potência dissipada por cada resistência em um circuito. A potência elétrica dissipada entre dois pontos de tensões V A e V B vale: P = τ AB AB t = q.u AB t = i.u AB Como U = R.i, podemos também dizer que: P = i.u = U2 R = Ri2

16 No circuito abaixo qual a potência total dissipada pela bateria? E qual a potência total dissipada pela resistência R 1? E pela R 2? Vamos aplicar a 1ª lei de Ohm nas três resistências: U = R i 12 = 5. i i = 2,4A = 10. i i = 1,2A = 20. i i = 0,6A 3 3

17 Sendo assim, a corrente total que sai da bateria será 4,2A. Então a potência total será: P = i. U = 4,2. 12 = 50,4 W E a potência dissipada pela R 2 será: P = 1,2. 12 = 14,4 W Perceba que ao somarmos as potências dissipadas em cada uma das resistências encontraremos a total.

18 EFEITO JOULE Secadores de cabelo, torradeiras, chuveiros elétricos e aquecedores elétricos são utensílios cujas resistências esquentam bastante. Grande parte da energia elétrica vira térmica nesses aparelhos. Essa transformação de energia elétrica em térmica chama-se efeito Joule. Vamos ver a questão a seguir.

19 (Ufmg 1994) Observe a figura. Uma resistência elétrica que dissipa a potência de 60 W é mergulhada em 0,50 kg de um certo óleo colocado num recipiente de isopor. Quando a resistência permanece ligada durante 150 segundos, a temperatura do óleo passa de 20 C para 26 C. Considerando-se que todo o calor gerado na resistência é transferido para o óleo, pode-se afirmar que o calor específico do óleo é a) 10 J/kg. C. b) 20 J/kg. C. c) 6,9 x 10 2 J/kg. C. d) 9,0 x 10 2 J/kg. C. e) 3,0 x 10 3 J/kg. C.

20 RESOLUÇÃO Repara que a resistência é usada para aquecer a água. Como, nesse caso, a questão já deu a potência dissipada, basta lembramos que a energia térmica será absorvida pela água fazendo com que a sua temperatura aumente. Então: P = mc T t 60 = 0,5. c c = 3 KJ/Kg OPÇÃO: E

21