Circuitos Elétricos 1º parte Introdução Geradores elétricos Chaves e fusíveis Aprofundando Equação do gerador Potência e rendimento
Introdução Um circuito elétrico é constituido de interconexão de vários dispositivos e materiais condutores, possibilitando que a energia seja transferida de um ponto a outro. A palavra circuito dá ideia de algo fechado, pelo qual circula a corrente elétrica. É usual chamar cada dispositivo elétrico de um circuito de elemento e os mais comuns: resistores, reostatos, geradores, chaves, fusíveis e receptores. Para estudá-los, é importante conhecer o significado de algumas palavras normalmente usadas na Eletrodinâmica. A primeira é nó, definido como um ponto de intersecção entre os fios. O trecho delimitado entre dois nós consecutivos é denominado de ramo. Ramos interligados, formando um percurso fechado, constituem uma malha.
Geradores
Geradores Os geradores de eletricidade são fontes de energia dos circuitos, fornecendo a ddp (U) necessária para que haja corrente elétrica. Se esse gerador for uma pilha ou uma bateria, por exemplo, teremos uma corrente elétrica contínua (DC direct current), fluindo pelo fio condutor em um único sentido. Consideraremos inicialmente apenas geradores ideais, ou seja, desprezaremos o efeito joule. Por isso, esses dispositivos não apresentam resistência interna.
Geradores Dentre os exemplos citados possuem algo em comum, alguma forma de energia é convertida em energia elétrica. Além deste dispositivos, há seres vivos, como os poraquês (peixe encontrado na Amazônia) e as enguias elétricas, que também são capazes de converter parte da energia armazenada em energia elétrica. Esses dispositivos são chamados de geradores. Gerador elétrico é o dispositivo capaz de transformar alguma forma de energia em energia elétrica.
Geradores A representação do gerador é constituído de duas placas paralelas, onde a menor representa o polo negativo que contém excesso de elétrons e a maior representa o polo positivo com falta de elétrons. Quando um gerador está ligado a uma lâmpada, a energia acumulada em seu interior faz com os elétrons livres sejam transferidos do polo positivo para o polo negativo. Cargas negativas são atraídas pelas cargas positivas. Isso significa que o movimento das carga dentro de um gerador não é espontâneo.
Geradores A ddp entre suas extremidades é representada pela letra U ou pela letra ε, chamada de força eletromotriz. Por razões históricas, o termo força eletromotriz (f.e.m ε) continua a ser utilizado, porém é importante ressaltar que não se trata de força. Ela expressa a ddp máxima que pode existir entre os polos de um gerador ideal, ou seja, U = ε. Assim, definimos a força eletromotriz (f.e.m ε) de um gerador elétrico como a razão entre o trabalho por unidade de carga transferida entre os polos. τ ε = ε unidade de força no SI é joule por coulomb q J C também chamada de volt (V)
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Chaves e fusíveis Nos circuitos elétricos, chave ou interruptor é o elemento que liga e desliga um ramo ou toda malha. (correntes elétricas só percorrem caminhos fechados).
Chaves e fusíveis Fusíveis são dispositivos que têm como função a proteção do circuito contra correntes elétricas, evitando possíveis danos ou até explosões e choques. Em todo circuito elétrico ocorre o efeito Joule, com isso os fusíveis são fabricados para suportar correntes até determinado valor, quando supera os filamentos internos do fusível eles abrem o circuito para evitar qualquer tipo de acidente. Os disjuntores possuem similar aos do fusíveis. A diferença é que, em vez de se fundir, a chave abre, não necessitando assim de substituição.
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Aparelhos de medição É possível verificar a intensidade de corrente elétrica (A) e a tensão elétrica (ddp), utilizando instrumentos de medição.
Aparelhos de medição - voltímetro Mede a diferença de potencial entre dois pontos e, por isso, deve ser associado em paralelo a um elemento. Se associado em série poderia interromper o fluxo de corrente, pois sua resistência interna é muito elevada. Ter resistência elevada é uma condição necessária para que sua presença não altere significativamente o que se quer medir. O ideal seria que um voltímetro tivesse resistência interna infinita para evitar que, ao ser associada em paralelo, ele desviasse parte da corrente para si. Sua simbologia no circuito é:
Aparelhos de medição - amperímetro É um instrumento que mede a intensidade de corrente elétrica. Nos circuitos ele é associada em série a um elemento, pois é necessário que a corrente elétrica passe através dele para que possa medi-la. Se fosse associada em paralelo, poderia provocar um curto-circuito, pois sua resistência interna é muito baixa. Ter resistência muito baixa é condição necessária para que sua presença não altere significativamente o que se quer medir. O ideal seria que um amperímetro tivesse resistência interna nula. No circuito o símbolo é
Aparelhos de medição - ohmímetro Ponte de Wheatstone é uma espécie de ohmímetro, ou seja, é um aparelho para medir resistência. Percebe que R 4 é um reostato, que deve ser ajustado até que o galvanômetro acuse a passagem de corrente. Nessa situação, diremos que a ponte está equilibrada, é valida, portanto, a relação matemática que permitirá o cálculo de uma resistência cujo o valor é desconhecido: R 1. R 3 = R 2. R 4
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Aprofundando o estudo dos geradores Por meio do gráfico, é possível perceber que, devido ao gerador propriamente dito, o potencial elétrico aumenta, o que implica um ganho de energia para as cargas que compõem a corrente elétrica. Porém, devido à resistência interna, há uma diminuição de potencial, ou seja, as cargas perdem parte da energia que ganharam, sobrando, para alimentar o circuito, a diferença entre o que ganhou e o que perdeu. Assim, a ddp nos terminais de um gerador real é igual á que ele poderia fornecer se fosse ideal (força eletromotriz) menos a ddp referente à resistência interna.
Aprofundando o estudo dos geradores Pilhas e baterias, após algum tempo de funcionamento, apresentam-se mais quentes do que antes do circuito ter sido ligado. Isso ocorre, pois, quando uma corrente elétrica atravessa um gerador, as cargas recebem resistência, ocorrendo efeito Joule e, consequentemente, aquecimento. Isso significa que parte a da energia, que seria disponibilizada para o circuito, é percebida na forma de calor. Essa resistência é chama de resistência interna.
Equação do gerador Observando o gráfico, podemos escrever: U = ε r. i U ddp entre as extremidades do gerador, em volts (V) ε força eletromotriz fornecida, em volts (V) r resistência do gerador, em ohm (Ω) i intensidade de corrente elétrica, em ampère (A)
Potência e rendimento de um gerador A grandeza potência relaciona transformação de energia e tempo e, para um gerador, é possível calcular três tipos de potências. Potência total (P t ) Potência dissipada (P d ) Potência ùtil (P u )
Potência e rendimento de um gerador Potência total (P t ) A razão entre a energia total que um gerador transforma em energia elétrica por unidade de tempo. P t = i. ε Potência dissipada (P d ) Como parte da energia elétrica é perdida na forma de calor à resistência interna P d = r. i²
Potência e rendimento de um gerador Potência útil (P u ) Por fim, a energia que sobra, para ser utilizada pelo circuito, determina a potência útil, P u = i. U Pelo princípio da conservação de energia, podemos concluir que: P t = P u + P d No SI, potências, em watts (W) Como em um gerador apenas parte da energia que ele transforma em elétrica é aproveitada, podemos calcular o percentual efetivamente útil para o circuito. Para efetuar esse cálculo, utilizamos a grandeza rendimento (η) η = P P u t = iu. i. ε ou η = U ε Como a potência útil é sempre menor que a total, o rendimento pode variar entre zero e um (0 < η < 1).
Comparando um gerador real e um ideal
Corrente de curto-circuito
Sinergia entre física e matemática
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Circuitos Elétricos 1º parte Introdução Receptores elétricos Equação do receptor Potência e rendimento
Introdução Enquanto geradores transformam uma forma de energia em energia elétrica, os receptores fazem o inverso, ou seja, transformam energia elétrica em outra forma de energia que não seja exclusivamente calor.
Receptor O receptor possui duas constantes que os caracterizam: a força contraletromotriz (f.cem; ε ) e a resistência interna r. A maneira de representá-lo é muito parecida com a dos geradores. A única diferença é o sentido da corrente, que é contrária se comparando ao de um gerador. Receptor
Equação do receptor O gráfico mostra como potencia elétrico varia conforme a corrente elétrica percorre um receptor. Lembrando que potencial expressa energia por carga.
Equação do receptor O trecho A e B representa uma queda de tensão, pois parte da energia que o receptor recebe do circuito é dissipada devido a sua resistência interna. (transformada em calor). No trecho C e D, ocorre nova queda de tensão, representada por ε, chamada de força contraelétricamotriz, a qual representa a energia elétrica que o receptor retira por unidade de carga que a atravessa.
Equação do receptor Essa energia é convertida em formas de energia não elétrica (exceto térmica). Essa tarefa é efetivamente caracteriza o receptor. No caso de um ventilador, por exemplo, a energia elétrica deve ser transformada em cinética, fazendo as pás girarem.
Equação do receptor Assim podemos concluir que, entre os terminais A e C, há uma queda de tensão devido tanto o receptor propriamente dito quanto à sua resistência interna. Como a queda de potencial em r pode ser calculada utilizando a 1º lei de Ohm, U = r. i + ε Observação: Em um receptor ideal U = ε
Potência e rendimento de um receptor A energia total que um receptor recebe por unidade de tempo caracteriza a potência total (P t ) que pode ser calculado por: P t = i. U A energia elétrica quer um receptor transforma em outra forma de energia (exceto calor) por unidade de tempo representa a potência útil (P u ). P u = i. ε
Potência e rendimento de um receptor A energia elétrica dissipada na forma de calor por unidade de tempo define a potência dissipada (P d ) P d = r. i² Percebe que, como a energia não pode ser destruída, mas apena transformada; P t = P u + P d No SI, são dadas em watts (W)
Potência e rendimento de um receptor Como apenas parte da energia potencial elétrica é aproveitada em um receptor de eletricidade, podemos definir uma grandeza chamada rendimento (η), que é a razão entre a potência útil e total. P i ' η = u = ou = P iu. t. ε ε η U '
Gráfico de um receptor elétrico
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