Circuitos de Corrente Contínua

Transcrição

1 Circuitos de Corrente Contínua Conceitos básicos de eletricidade Fundamentos de Eletrostática Potencial, Diferença de Potencial, Corrente Tipos de Materiais Circuito Elétrico Resistores 1

2 Circuitos de Corrente Contínua Lei de Ohm Potência e Energia Elétrica Circuitos Série Circuitos Paralelo 2

3 Conceitos Básicos Eletricidade Eletrostática Cargas elétricas em repouso em um corpo Eletrodinâmica Movimento dos elétrons livres de um átomo para outro 3

4 Fundamentos da Eletrostática Em estado natural, qualquer porção de matéria é eletricamente neutra EQUILÍBRIO ESTÁTICO 4

5 Fundamentos da Eletrostática Eletrização Processo pelo qual altera-se a condição de equilíbrio estático POSITIVA: Quando o corpo perde elétrons NEGATIVA: Quando o corpo ganha elétrons Por indução Como um corpo se se eletriza? Por atrito Por contato 5

6 Fundamentos da Eletrostática Cargas de sinais opostos ATRAÇÃO 6

7 Fundamentos da Eletrostática Cargas de sinais iguais REPULSÃO 7

8 Descarga Elétrica Os elétrons em excesso de um corpo são atraídos para outro corpo que tenha falta de elétrons, quando estes se tocam, causando uma DESCARGA POR CONTATO. Se a diferença de carga for grande, a transferência das cargas pode ocorrer pelo ar, formando um arco. Exemplo: raios em uma tempestade. 8

9 Potencial Elétrico Um corpo com uma intensa eletrização tem maior Energia Potencial, ou maior POTENCIAL ELÉTRICO que outro que tenha fraca eletrização, podendo portanto realizar mais trabalho. Quantidade de carga elétrica de um corpo (Q) = Nº de Prótons Nº de Elétrons Carga de 1 elétron: Q(1e - ) = 1,6 x Coulomb 9

10 Diferença de Potencial Também conhecida como ddp ou TENSÃO é a comparação entre os potenciais elétricos de 2 corpos, que podem ter cargas iguais ou diferentes. Exemplos: ddp ddp ddp ddp neutro 1

11 Tensão Elétrica Grandeza gerada a partir do desequilíbrio de potencial entre 2 pontos, conhecidos como Pólos Símbolo: letra V Por se tratar de uma grandeza elétrica, pode ser medida e a unidade de medida é Volt Como pode-se gerar tensão? Por ação térmica Por ação da luz Por ação mecânica Por ação magnética Por ação química 11

12 Bateria Neste arranjo ocorre uma reação química, onde o eletrólito (ácido) faz com que os átomos do zinco fiquem com excesso de elétrons, e os de cobre com a falta de elétrons, causando um desequilíbrio elétrico. Por ter polaridade fixa, é uma FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA. eletrólito ou solução iônica cobre zinco 12

13 Corrente Elétrica É o fundamento da ELETRODINÂMICA Consiste em um movimento orientado de cargas, provocado pelo desequilíbrio elétrico (tensão elétrica). É a forma pela qual os corpos tentam restabelecer o equilíbrio elétrico. Símbolo: letra I Por se tratar de uma grandeza elétrica, pode ser medida e a unidade de medida é: Ampère [A] = Coulomb/segundos 13

14 Sentido da Corrente Elétrica O sentido do movimento real de cargas é do terminal negativo da fonte (ponto de menor potencial) para o terminal positivo da fonte (ponto de maior potencial), conforme esquema: elétrons 14

15 Sentido da Corrente Elétrica O sentido do movimento convencional de cargas é o contrário do movimento real, ou seja, do terminal positivo ao terminal negativo da fonte, passando pela carga. elétrons 15

16 Sentido da Corrente Elétrica O sentido do movimento convencional de cargas é o contrário do movimento real, ou seja, do terminal positivo ao terminal negativo da fonte, passando pela carga. corrente convencional 16

17 Tipos de Materiais Elétricos Isolantes Possuem elétrons fortemente ligados ao núcleo de seus átomos, dificultando sua movimentação e oferecendo alta resistência à circulação de corrente. Ex: plástico, teflon, borracha, etc. 17

18 Tipos de Materiais Elétricos Condutores Possuem elétrons fracamente ligados ao núcleo de seus átomos, o que facilita sua movimentação e oferece baixa resistência à circulação de corrente. Ex: cobre, prata, ouro, alumínio, etc. 18

19 Circuito Elétrico É o caminho fechado por onde circula a CORRENTE ELÉTRICA Caso o movimento das cargas elétricas seja sempre no mesmo sentido, o circuito elétrico é chamado de CIRCUITO DE CORRENTE CONTÍNUA (CC ou DC) 19

20 Circuito Elétrico É constituído basicamente de 4 partes: 1. Fonte de Tensão: bateria, gerador 2. Condutores: fios, trilhas (baixa resistência) 3. Carga: dispositivo que utiliza a energia elétrica 4. Dispositivo de controle: chave, fusível, disjuntor 20

21 Circuito Elétrico Exemplo de Desenho Esquemático: 21

22 O Símbolo do Terra Indica um ponto comum onde algumas das partes constituintes do circuito estão ligadas. Exemplo: 22

23 Resistência (Resistor) É um componente dos circuitos elétricos que representa uma oposição ao fluxo de corrente Caso tenha valor conhecido e bem definido é chamado de Resistor Fixo. Símbolo: Também pode ser de valor ajustável, sendo chamado de Potenciômetro ou Reostato. Símbolo: Unidade no S.I. : Ohm [Ω] 23

24 Lei de Ohm A corrente em um circuito resistivo é igual à relação tensão/corrente V I = V = R. I R 24

25 Lei de Ohm Exemplo: Calcular a corrente do circuito resistivo abaixo. V= 20V R= 5Ω Solução: I = V R 20V I = = 5Ω 4A 25

26 Lei de Ohm Exemplo: Calcular a resistência de filamento de uma lâmpada que é ligada em um circuito de corrente contínua conforme esquema: V= 120V I= 2A Solução: V I = R = R V I 120V R = = 60Ω 2A 26

27 Potência Elétrica É a medida da energia elétrica transferida da fonte de alimentação para a carga, por unidade de tempo. É equivalente ao trabalho realizado pela energia potencial da fonte de alimentação dentro de um intervalo de tempo. Símbolo: letra P Por se tratar de grandeza elétrica, pode ser medida e a unidade de medida no Sistema Internacional é: Watt [W] = Joule/segundos 27

28 Potência Elétrica Expressão para o cálculo da potência CC P =V.I Usando-se a Lei de Ohm, a expressão para o cáclulo da potência CC pode ser reescrita como: P = ( R. I). I P = R. I 2 ou V P = R( ) P = R V R 2 28

29 Potência Elétrica Exemplo: Calcular a potência elétrica consumida por um resistor de 100Ω que está sendo percorrido por uma corrente de 200mA. V 200 ma R = 100Ω Solução: P = R. I 2 2 P = 100 x (0,20) = 4W 29

30 Potência Elétrica Exemplo: Considere um circuito resistivo onde o gerador fornece 20A de corrente, com uma tensão CC de 240V. Qual é a potência consumida pelo circuito? V = 240V 20 A carga resistiva Solução: P =V.I P = 240 x 20 = 4800W = 4,8 kw 30

31 Energia Elétrica Como a Potência Elétrica é a energia (fornecida ou consumida) por unidade de tempo, pode-se calcular a Energia Elétrica (w) a partir da potência e do tempo. A unidade de energia no Sistema Internacional é Joule : P w = w = P. t [J] = [Watt].[seg] t 31

32 Energia Elétrica Em eletricidade, por conta da ordem de grandeza da energia medida, usa-se: w = P. t [ w] = [kilowatt].[hora] Ou seja, usa-se a unidade conhecida como KiloWatt-Hora (kwh) para medidas de Energia Elétrica. 32

33 Energia Elétrica Exemplo: Considere uma lâmpada incandescente de 60W ligada em um circuito CC, alimentada por uma tensão de 120V. Calcule a resistência elétrica da lâmpada, a corrente que percorre o circuito e a energia consumida pela lâmpada caso ela fique ligada durante 24h. V= 120V I P = 60W 33

34 Energia Elétrica Solução: V= 120V I P = 60W Pela expressão da potência, pode-se calcular a resistência de filamento da lâmpada: P V 2 V = R = R = R = 240Ω R P 60 34

35 Energia Elétrica Solução: V= 120V I P = 60W Pela Lei de Ohm, pode-se calcular a corrente que percorre o circuito: I V 120 = I = I = 0, A R

36 Energia Elétrica Solução: V= 120V I P = 60W Pela expressão da energia, pode-se calcular o consumo: w = P. t w = 0,060 x 24 w = 1,44 kwh 36

37 Circuito Série Um circuito série é aquele que permite somente um percurso para a passagem da corrente A corrente I é a mesma em todos os pontos do circuito R 1 V I I I I R 2 R 3 37

38 Circuito Série R 1 V I I I I R 2 A resistência total é a soma das resistências do circuito (associação-série): R T = R R R R3 A tensão total é a soma das tensões nos terminais dos resistores em série: V = V V 1 2 V3 38

39 Circuito Série R 1 I V V 1 V 3 V 2 R 2 I I R 3 A tensão nos terminais de carga de cada resistor é calculada pela Lei de Ohm: V =. 1 R1 I V =. 2 R2 I V. 3 = R3 I 39

40 Circuito Série R 1 I V V 1 V 3 V 2 R 2 I POLARIDADES: As quedas de tensão nos terminais de cada resistor têm as polaridades definidas pelo sentido da corrente convencional, que circula do terminal de maior potencial () para o de menor potencial ( ) na carga. I R 3 40

41 Circuito Série R 1 I V V 1 V 3 V 2 R 2 I I R 3 POTÊNCIA: A potência total fornecida pela fonte de alimentação é igual à soma das potências consumidas pelos resistores de carga: P T = P1 P2 P3 = V. I = ( V1 V2 V3 ). I 41

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43 Circuito Série - exemplo Considere o circuito em série com 3 resistores da figura ao lado e calcule: a) A resistência equivalente, b) A corrente, c) A potência em cada resistor e a potência total, d) As quedas de tensão em cada resistor. 43

44 Circuito Série - exemplo a) Resistência equivalente: R T = R1 R2 R3 = = 22Ω b) Corrente: I = V R T = I = 5A c) Potência em cada resistor: 2 2 P 1 = R1. I = 5 x 5 = 125W 2 2 P 2 = R2. I = 10 x 5 = 250W 2 2 P 3 = R3. I = 7 x 5 = 175W 44

45 Circuito Série - exemplo c) Potência total: P T 2 = R. I = 22 x 5 T 2 = 550 W ou P T V R = 22 2 = PT = T 550 W d) Quedas de tensão em cada resistor: V 1 = R1. I = 5 x 5 = V. 3 = R3 I = 7 x 5 = 25 V 35 V V2 = R2. I = 10 x 5 = 50 V 45

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47 Circuito Série - exemplo Calcule as resistências R 1 e R 2 do divisor resistivo apresentado na figura abaixo, para que a tensão no ponto entre elas seja 5V em relação ao terra do circuito. 47

48 Circuito Série - exemplo Solução: I = V2 V2 5 R2 = = = 50Ω R I 0,1 2 I VT 5 = R R 1 1 = ,1 = 70Ω 48

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50 Circuito Paralelo Um circuito CC paralelo é aquele no qual a corrente fornecida pela fonte de alimentação é dividida em dois ou mais ramos (malhas), podendo assumir diferentes valores ou valores iguais, dependendo da resistência oferecida pela malha do circuito. 50

51 Circuito Paralelo Neste exemplo, a tensões nos terminais dos resistores de carga em paralelo são iguais: V = V = 1 = V2 V3 51

52 Circuito Paralelo E soma das correntes nos diferentes ramos é igual à corrente total fornecida pela fonte de alimentação: I T = I 1 I 2 I3 52

53 Circuito Paralelo Se as resistências forem iguais, as correntes I 1, I 2 e I 3 também serão iguais; 53

54 Circuito Paralelo Se as resistências tiverem valores diferentes, as correntes também são diferentes e podem ser calculadas pela Lei de Ohm, a partir da tensão da fonte (V) e dos valores das resistências: I = 1 V R 1 I = 2 V R 2 I = 3 V R 3 54

55 Circuito Paralelo POTÊNCIA: A potência total fornecida pela fonte de alimentação é igual à soma das potências consumidas pelos resistores de carga, como no circuito série: P T = P1 P2 P3 = IT. V = ( I1 I2 I3). V 55

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57 Circuito Paralelo - exemplo Considere uma cozinha com alimentação em CC e diversos aparelhos conectados às tomadas conforme a figura. Calcule as correntes elétricas em cada aparelho, a potência que o circuito deve suportar e o consumo caso todas as cargas sejam ligadas simultaneamente durante 2h. 57

58 Circuito Paralelo - exemplo Primeiramente, esquematiza-se o circuito conforme a figura abaixo, onde é possível observar as 3 cargas resistivas ligadas em paralelo: 58

59 Circuito Paralelo - exemplo Solução: Aplicando-se a Lei de Ohm, calculam-se as correntes nos ramos do circuito: V 120 V 120 V 120 I1 = = = 8A I2 = = = 8A I3 = = = 10A R 15 R 15 R

60 Circuito Paralelo - exemplo Solução: A potência que o circuito deve suportar é a soma das potências de cada aparelho: P T = P1 P2 P3 = ( I1 I2 I3). V = (8 8 10).120 = 3120 W 60

61 Circuito Paralelo - exemplo Solução: Caso todos os aparelhos fiquem ligados durante 2h, juntos irão consumir energia elétrica equivalente a: w = P. t w = 3,120 x 2 w = 6,24 kwh 61

62 Circuito Paralelo A resistência total em um circuito paralelo (associação-paralelo) pode ser calculada pela expressão: 1 R = 1 R 1 R 1 R 1... T R n considerando-se n resistências associadas em paralelo. 62

63 Circuito Paralelo - exemplo Para o mesmo circuito do exemplo anterior, recalcule a corrente total, utilizando a expressão da resistência equivalente em paralelo. 63

64 Circuito Paralelo - exemplo Solução: 1 R = 1 R 1 R 1 R 1 T R T = = RT = 4, 615Ω R 180 T V 120 IT = = = 26A R 4,615 T 64

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66 Circuito Paralelo Exemplo: Calcule as correntes I 1 e I 2 nos ramos do circuito paralelo da figura abaixo, para os valores fornecidos de corrente total e resistência. 66

67 Circuito Paralelo Solução: Calcula-se a resistência equivalente, a tensão de alimentação e, em seguida, as correntes I 1 e I 2 : 1 R T = = RT R R R T = 2Ω 67

68 Circuito Paralelo Solução: Calcula-se a resistência equivalente, a tensão de alimentação e, em seguida, as correntes I 1 e I 2 : V 36 I1 = = = 12A R R1 3 = 2Ω V = R. I = 2 x18 = 36V T V 36 I = = = A R

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