Corrente elétrica, potência, resistores e leis de Ohm

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1 Corrente elétrica, potência, resistores e leis de Ohm

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3 Corrente elétrica Num condutor metálico em equilíbrio eletrostático, o movimento dos elétrons livres é desordenado. Em destaque, a representação de um elétron livre em movimento desordenado.

4 B A O gerador elétrico mantém entre os polos A e B uma ddp (U), onde o polo positivo é o de maior potencial (V A ) e o polo negativo é o de menor potencial (V B ).

5 Corrente elétrica Ligando-se um condutor aos polos Ae B de um gerador elétrico, ele ficará submetido à ddp U = VA VB, que origina, no interior do condutor, o campo elétrico E, orientado do polo positivo para o polo negativo. Cada elétron fica sujeito a uma força elétrica F el = q. E. Esse movimento ordenado de cargas elétricas constitui a corrente elétrica.

6 Corrente elétrica Nos condutores metálicos, os portadores de carga elétrica que constituem a corrente são os elétrons. Nas soluções iônicas, os portadores de carga elétrica da corrente são íons positivos (cátions) e íons negativos (ânions). Nos gases ionizados, os portadores de carga da corrente elétrica são íons e elétrons.

7 Corrente elétrica Pode-se mostrar que uma carga negativa movendo-se em certo sentido equivale a uma carga positiva, de mesmo valor, movendose em sentido contrário. Então, pode-se supor que qualquer corrente elétrica seja constituída apenas por cargas positivas. Esta corrente imaginária, que é equivalente à corrente real, é denominada corrente convencional.

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10 Intensidade da corrente elétrica q = ne A intensidade i da corrente elétrica é dada por: coulomb por segundo (C/s) i = q t coulomb (C) segundo (s) A unidade de medida C/s rebe o nome de ampère (A). 33.1

11 Corrente elétrica contínua e alternada A corrente contínua tem sentido e intensidade constantes com o tempo. A corrente alternada (alternante) muda periodicamente de intensidade e de sentido. 60 Hz (60 ciclos/segundo)

12 Corrente elétrica No diagrama intensidade de corrente tempo (gráfico i t), a área sob a curva, em dado intervalo de tempo, é numericamente igual à quantidade de carga elétrica que atravessa uma seção transversal do condutor. q N q = área sob i t

13 Exemplo 1 Um fio de cobre, de área de seção transversal 5, cm², é percorrido por uma corrente contínua de intensidade 1,0 A. Adotando a carga elementar 1, C, determine: a) O número de elétrons passando por uma seção transversal do condutor em 1,0 s; b) A velocidade média dos elétrons, sabendo que existem 1, elétrons livres/cm³.

14 Exemplo 2 O gráfico representa a intensidade de corrente que percorre um condutor em função do tempo. Determine a carga elétrica que atravessa uma seção transversal do condutor entre os instantes 2 e 6 s.

15 Corrente elétrica Lei dos nós Nos circuitos elétricos, o ponto para o qual concorrem três ou mais condutores é denominado nó. i 1 i 2 i 4 i 3 i 1 i 2 i 3 i 1 i 2 i 3 i 3 = i 1 + i 2 i 1 + i 2 + i 3 = i 4 i 1 = i 2 + i 3

16 Corrente elétrica Lei dos nós A partir do princípio da conservação das cargas elétricas, podemos obter uma importante propriedade das correntes elétricas, conhecida como lei dos nós ou primeira lei de Kirchhoff. Em qualquer nó de um circuito elétrico, a soma das intensidades de correntes que chegam ao nó é igual à soma das intensidades de correntes que saem dele.

17 Efeitos da corrente elétrica Ao se estabelecer uma corrente elétrica em um material condutor, podemos sempre identificar pelo menos cinco efeitos: efeito térmico (Joule), efeito químico, efeito fisiológico, efeito luminoso e efeito magnético.

18 Efeitos da corrente elétrica Efeito térmico Também conhecido como efeito Joule, esse efeito surge devido às colisões entre os átomos do condutor e os elétrons livres que constituem a corrente elétrica. O efeito Joule ocorre em equipamentos elétricos que geram calor, como aquecedores e chuveiros. Aquecedor elétrico

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20 Efeitos da corrente elétrica Efeito químico O efeito químico é a base da eletrólise e acontece quando uma solução eletrolítica é atravessada por uma corrente elétrica e sofre decomposição.

21 Efeitos da corrente elétrica Efeito luminoso A passagem de uma corrente elétrica através de um gás rarefeito pode ionizá-lo, liberando energia em forma de luz. As lâmpadas fluorescentes e os letreiros em neon são aplicações práticas desse efeito. Lâmpada de plasma

22 Efeitos da corrente elétrica Efeito fisiológico Esse efeito acontece quando uma corrente elétrica atravessa um organismo vivo. Nesse caso, a corrente elétrica afeta o sistema nervoso e provoca contrações involuntárias no organismo.

23 Efeitos da corrente elétrica Efeito magnético Esse efeito, que sempre se manifesta, é caracterizado pelo surgimento de um campo magnético nas proximidades do condutor por onde circula a corrente elétrica. O efeito magnético serve como base para a construção de motores elétricos, microfones, alto-falantes, transformadores etc.

24 Observação 1

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26 Circuito elétrico

27 Observação 2 O amperímetro é o aparelho destinado a medir a intensidade de corrente. Ao lado dele temos um dos símbolos usados para representar um amperímetro num circuito. Para circuitos que oferecem apenas um caminho para a corrente, a intensidade de corrente é a mesma em todos os pontos.

28 Potência e energia elétrica Potência é a grandeza física que indica a rapidez com que determinado trabalho é realizado ou a rapidez com que determinada quantidade de energia é convertida de uma forma em outra. Assim: P = τ t joule (J) joule por segundo (J/s) segundo (s) A unidade de medida J/s recebe o nome de watt (W).

29 Potência e energia elétrica Para a maioria dos equipamentos elétricos, a quantidade de energia correspondente a 1 J é muito pequena. Por essa razão, as companhias elétricas medem a quantidade de energia elétrica consumida em quilowatt-hora (kwh). Um quilowatt-hora (1 kwh) corresponde à energia elétrica consumida por um equipamento de potência 1 kw (1.000 W) durante 1 hora (3.600 s). Portanto: 1kWh = 1kW h 1kWh = W s 1kWh = 3, J

30 Potência e energia elétrica Consideremos um aparelho elétrico submetido à ddp U e percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i. i Aparelho elétrico U Como vimos, potência é a grandeza física que indica a rapidez com que determinado trabalho é realizado. No caso do aparelho, o trabalho é realizado pela força elétrica para deslocar as cargas que constituem a corrente elétrica.

31 Potência e energia elétrica A potência elétrica P consumida pelo aparelho é dada por: P = U i ampère (A) watt (W) volt (V) A energia elétrica E el consumida pelo aparelho: τ = E el = P Δt

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33 Exemplo 3 Em um aparelho elétrico lê-se: 600 W 120 V. Estando o aparelho ligado corretamente, calcule: a) A intensidade de corrente elétrica que o atravessa; b) O consumo mensal, em reais, de energia elétrica sabendo que o aparelho fica ligado durante 5 h por dia e que o valor do de cada quilowatt-hora é de R$0,40.

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36 Resistores e resistência elétrica Denomina-se resistor o elemento de circuito elétrico cuja função é converter energia elétrica em energia térmica (efeito Joule) ou limitar a intensidade de corrente que passa por determinados componentes de um circuito.

37 Resistores e resistência elétrica Nas figuras, vemos alguns exemplos de resistores e alguns aparelhos equipados com resistores encontrados em nosso dia-a-dia. Resistor de chuveiro Lâmpada de tungstênio

38 Resistores e resistência elétrica Nas figuras, vemos alguns exemplos de resistores e alguns aparelhos equipados com resistores encontrados em nosso dia-a-dia. Resistor de chuveiro Fritadeira

39 Resistores e resistência elétrica A grandeza física que indica a dificuldade imposta à movimentação das cargas elétricas que constituem a corrente através do condutor é denominada resistência elétrica. Consideremos um condutor submetido a uma diferença de potencial U e percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i. i U

40 Resistores e resistência elétrica Por definição, a resistência elétrica R do condutor é dada por: R = U i volt (V) ampère (A) volt por ampère (V/A) A unidade de medida V/A recebe o nome de ohm (Ω).

41 Resistores e resistência elétrica Nos circuitos elétricos, um resistor com resistência elétrica R costuma ser representado pelos símbolos mostrados a seguir. R ou R

42 Exemplo 4 Um resistor tem resistência igual a 50 Ω, sob a ddp U = 60 V. Calcule a intensidade de corrente elétrica que o atravessa. Se mantendo a mesma ddp, calcule a intensidade de corrente elétrica se o resistor tiver 100 Ω.

43 Observação

44 Leis de Ohm Primeira lei de Ohm Quando se aumenta a ddp U aplicada aos terminais de um resistor, a intensidade de corrente elétrica i que o atravessa aumenta na mesma proporção. Assim, a razão entre ddp U e a intensidade de corrente elétrica i permanece constante. Matematicamente, escrevemos: U 1 U 2 U 3 U = = = = n = constante = R i 1 i 2 i 3 i n

45 Leis de Ohm Primeira lei de Ohm De acordo com a primeira lei de Ohm: os resistores cuja resistência elétrica é constante são denominados resistores ôhmicos. volt (V) U = R i ohm (W) ampère (A)

46 Leis de Ohm Primeira lei de Ohm O diagrama U i de um dado componente de circuito elétrico é denominado curva característica do componente. Para um resistor ôhmico, vale a relação: U R = constante = tg R crescente com i R = constante (resistor ôhmico) R decrescente com i 0 i Diagrama U i para diversos tipos de resistores

47 Exemplo 5 O gráfico representa a curva característica de um resistor ôhmico. Determine: a) A resistência elétrica do resistor; b) A ddp nos terminais do resistor quando percorrido por corrente elétrica de intensidade 1,6 A.

48 Exemplo 6 Um condutor te como curva característica a que é mostrada abaixo. Determine sua resistência quando é percorrido pela corrente de 10 ma. E quando é percorrido por uma corrente de 50 ma.

49 Leis de Ohm Segunda lei de Ohm A resistência elétrica de um condutor homogêneo de seção transversal constante depende do material de que é feito e é diretamente proporcional ao seu comprimento L e inversamente proporcional à sua área de seção transversal A.

50 Leis de Ohm Segunda lei de Ohm Consideremos o condutor mostrado na figura. A A resistência elétrica R desse condutor é dada por: L R = ρ L A resistividade do material

51 Leis de Ohm Segunda lei de Ohm A resistividade ρ é uma característica do material do qual o condutor é feito e depende de sua temperatura. No SI, a resistividade ρ é medida em Ω m.

52 O que é um reostato? A dependência da resistência de um fio com o seu comprimento encontra uma aplicação importante na construção de um aparelho denominado reostato. Com o reostato é possível aumentar ou diminuir, conforme se desejar, a intensidade da corrente i em circuito.

53 Exemplo 7 Num esquema de um chuveiro elétrico de duas temperaturas (verão e inverno), em qual ponto (A ou B) deve se ligar a chave seletora (Ch) para que seja verão ou inverno? U = 110V A B Ch

54 Exemplo 8 (Unicamp/SP) Sabe-se que a resistência elétrica de um fio cilíndrico é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à área de sua seção transversal. a) O que acontece com a resistência do fio quando triplicamos o seu comprimento? b) O que acontece com a resistência do fio quando duplicamos o seu raio?

55 Lei de Joule Um resistor dissipa a energia elétrica que recebe do circuito, pois transforma toda a energia elétrica recebida de um circuito em energia térmica. Pela lei de Ohm: U = R.i e P = U.i, logo: P = R.i² A energia elétrica transformada em energia térmica ao fim de um tempo Δt: E el = P.Δt E el = R.i².Δt A energia elétrica dissipada num resistor, num dado intervalo de tempo Δt, é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente elétrica que o percorre.

56 Lei de Joule Resumindo, para um RESISTOR, temos: P = R.i² Ou, pela lei de Ohm U = R.i i =U/R, substituindo em P = U.i, temos: P = U² R

57 Exemplo 9 Uma torneira elétrica fornece 2 l/min de água à temperatura de 40ºC, sendo que a temperatura da água na entrada é de 20ºC. A resistência elétrica da torneira vale 28 Ω. Calcule a intensidade de corrente elétrica que atravessa o resistor da torneira. (Dados: densidade da água = 1 kg/l, calor específico da água c = 1 cal/g.ºc e 1 cal = 4,2 J.).