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Princípios de Eletricidade e Magnetismo Circuitos elétricos Dra. Jenai O. Cazetta Unidade de Ensino: 3 – Circuitos Elétricos Competência da Unidade: Compreender os circuitos elétricos resistivos que ilustram o funcionamento de vários equipamentos elétricos. Resumo: Definiremos o que são fontes de tensão e o que é a força eletromotriz. Além disso, definiremos com mais clareza o que são os resistores. Isso nos permitirá entender o conceito de circuito elétrico. Palavras-chave: circuitos elétricos; circuitos resistivos. Título da Teleaula: Circuitos Elétricos Teleaula nº: 03. Contextualizando Ao utilizar diferentes eletrodomésticos não pensamos na Física necessária para o funcionamento dos mesmos: Mecânica ao girar as hélices, Elétrica corrente elétrica, Rendimento perdas através do calor, etc. Objetivo identificar e relacionar grandezas elétricas e conceitos com o cotidiano. Circuito elétrico Laço fechado através do qual pode fluir uma corrente elétrica. A corrente é continuamente alimentada por uma fonte que fornece uma diferença de potencial (ddp) para o restante do circuito. Formado, basicamente, por pelo menos uma fonte de energia elétrica, um condutor em circuito fechado e elementos que utilizam a energia da fonte. Fonte: https://ury1.com/0zGzP Alguns elementos Fontes de tensão; Resistores; Capacitores; Indutores; Diodos; Linhas de transmissão; Fontes de corrente; Interruptores... Esses elementos podem estar ligados em série, em paralelo ou em associações mistas. ANÁLISE DE CIRCUITOS Estudo da saída (resposta) de um circuito dado a sua entrada (excitação). CIRCUITOSCIRCUITOS FONTES DE TENSÃO FONTES DE TENSÃO RESISTORESRESISTORES CIRCUITOS RESISTIVOS I CIRCUITOS RESISTIVOS I LEIS DE KIRCHHOFF LEIS DE KIRCHHOFF CIRCUITOS RESISTIVOS II CIRCUITOS RESISTIVOS II Introdução aos circuitos elétricos Circuitos elétricos Ligação de diversos elementos elétricos que formam ao menos um caminho fechado permite a passagem da corrente elétrica. Gerador fonte onde haja diferença de potencial elétrico. Condutor cabos que conduzem a corrente elétrica. Carga dispositivo que irá consumir/armazenar a energia elétrica, transformando-a em outro tipo de energia útil! Os circuitos elétricos fazem parte da rede elétrica doméstica o industrial e servem para conectar os equipamentos elétricos ou eletrodomésticos, fazendo- os funcionarem. Além disso, com os dispositivos que os compõem, é possível que os circuitos elétricos consigam eliminar picos de corrente elétrica, amplificar ou diminuir a tensão elétrica, entre outras funções. Compreender um circuito elétrico compreender como cada componente se comporta diante da tensão e da corrente elétrica que o atravessa! Cargas Elementos que se opõem à passagem de corrente elétrica. Alguns tipos: • Resistivas dissipam energia; • Capacitivas armazenam energia através do campo elétrico; • Indutivas armazenam energia através do campo magnético. Fonte de tensão Sistema capaz de fornecer uma tensão ao circuito tomada de sua casa, uma pilha, uma bateria, um gerador. Têm sempre dois terminais um positivo e um terminal negativo. Convenção a corrente elétrica provém do terminal positivo e se desloca para o negativo. Força eletromotriz (ε) diferença de potencial fornecida entre os terminais da fonte. Uma bateria não fornece elétrons a um circuito. O dispositivo estabelece um campo elétrico que exerce uma força sobre os elétrons existentes nos fios e elementos do circuito. Resistores Resistores são componentes simples, fáceis de encontrar em qualquer loja de eletrônica. Eles possuem uma resistência nominal em . O resistor é um componente elétrico passivo que tem a função primária de limitar o fluxo da corrente elétrica em um circuito. Fo nt e: h tt ps :/ /u ry 1. co m /V iG U L RESISTÊNCIA E RESISTIVIDADE Resistividade é a propriedade de uma substância, enquanto resistência é a de um corpo. Circuitos elétricos resistivos Possuem fonte de tensão e resistores. Os resistores podem ser combinados de várias formas em série ou em paralelo ou ainda em associações mistas. Circuitos complexos podemos definir uma resistência equivalente ( ) que substitui um conjunto de resistências associadas. A resistência equivalente, quando submetida a uma mesma ddp, transmitirá a mesma corrente que o sistema substituído. Série! ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 Fonte: https://ury1.com/EW6xV Fonte: https://ury1.com/EW6xV Paralelo! ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 ∆𝑉 Fonte: https://urx1.com/VoZsl Fonte: https://ury1.com/EW6xV Teste Com a chave no circuito da figura a fechada, não há corrente em porque ela tem um caminho alternativo de resistência zero pela chave. Há corrente em , medida com o amperímetro na parte inferior do circuito. Se a chave for aberta (fig. b), há corrente em . O que acontece com a leitura no amperímetro quando a chave é aberta? (a) A leitura aumenta. (b) A leitura diminui. (c) A leitura não muda. Fonte: https://urx1.com/US8E0 Teste Na figura (a), com a chave aberta no circuito não há corrente em . Entretanto, há em , medida pelo amperímetro no lado direito do circuito. Se este for fechado (fig. b), há corrente em . O que acontece com a leitura do amperímetro quando a chave é fechada? (a) Aumenta. (b) Diminui. (c) Não muda. Fonte: https://l1nq.com/mRONo Circuitos resistivos complexos Estratégia Observa-se o circuito elétrico complexo e divide-o em diferentes partes; Obtém-se resistências equivalentes parciais até encontrar a resistência equivalente final que descreve todo o circuito. Não é em todos os casos!!! Exemplificando Calcule a resistência equivalente da associação mostrada na figura e a corrente elétrica que passará por ela. Instalação elétrica Instalação elétrica No circuito elétrico residencial, esquematizado ao lado, estão indicadas as potências dissipadas pelos diversos equipamentos. O circuito está protegido por um fusível F que “funde” e interrompe o circuito quando a corrente ultrapassa . Considerando o circuito apresentado, responda as questões abaixo. (a) Qual o tipo de associação desses aparelhos? (b) Quais equipamentos podem ser ligados simultaneamente sem “queimar o fusível”? (c) Para que seja possível ligar todos os aparelhos simultaneamente, qual deve ser o valor da corrente suportada pelo fusível? (a) Qual o tipo de associação desses aparelhos? Os equipamentos estão todos submetidos à mesma tensão estão ligados em paralelo! (b) Quais equipamentos podem ser ligados simultaneamente? Precisamos garantir que a soma das correntes não seja maior do que . (c) Para que seja possível ligar todos os aparelhos simultaneamente, qual deve ser o valor da corrente suportada pelo fusível? Para que seja possível ligar todos os aparelhos simultaneamente e proteger o circuito de possíveis correntes extremas: í í Análise de um circuito elétrico Circuito resistivo com mais de uma malha Três elementos essenciais: nós, ramos e malhas. Nó Ponto ligado a três ou mais elementos pontos do circuito onde a corrente se divide. Ramo Caminho que leva de um nó a outro. Malha Um único caminho fechado construído por dois ramos. Três malhas que podem ser analisadas individualmente. Leis de Kirchhoff Empregadas em circuitos elétricos mais complexos circuitos com mais de uma fonte e mais de um resistor. 1ª lei de Kirchhoff é uma formulação de carga elétrica todas as cargas que entram em determinado ponto em um circuito devem sair dele a carga não pode se acumular em um ponto. 2ª lei de Kirchhoff vem da lei de conservação de energia para um sistema isolado. Lei das malhas – 2ª lei de Kirchhoff “Ao percorrer qualquer malha fechada, a soma algébrica das variações no potencial, ao longo da malha, deve ser igual a zero”. Percorraas malhas no sentido da corrente. Fo nt e: h tt ps :/ /u rx 1. co m /q 09 yP Exemplificando Encontre a corrente no circuito mostrado na figura. Fonte: https://urx1.com/YKwIp Observações Existem vários conceitos errôneos comuns associados à corrente em um circuito. (1) um afirma que a corrente sai de um terminal da bateria e, depois, é “consumida” ao passar através do resistor, deixando corrente em apenas uma parte do circuito na realidade, a corrente é a mesma em todos os pontos do circuito. (2) Outro afirma que a corrente que sai do resistor é menor que a que entra, porque uma parte dela é “consumida” na realidade, a corrente é a mesma em todos os pontos do circuito. (3) Outra ideia errada é a de que a corrente sai dos dois terminais da bateria, em sentidos opostos, e, depois, “colide” no resistor, assim fornecendo energia isto não ocorre; as cargas fluem no mesmo sentido de rotação em todos os pontos no circuito. Geradores elétricos Gerador ideal Capaz de fornecer às cargas que os atravessam toda a energia elétrica gerada. A tensão elétrica medida entre seus polos recebe o nome de força eletromotriz ( ) . Trabalho (por unidade de carga) realizado por uma força não eletrostática quando a carga é transportada de um ponto a outro. A expressão força eletromotriz é um termo histórico infeliz que não descreve uma força, mas uma diferença potencial em Volts. A fem de uma bateria é a tensão máxima possível que a bateria pode fornecer entre seus terminais. Uma bateria não é uma fonte de corrente constante. A corrente no circuito depende da resistência conectada à bateria. Também uma bateria não é uma fonte de tensão de terminal constante. Bateria é uma fonte de fem constante. Associação de geradores elétricos de tensão São muito comuns os equipamentos que exigem mais de uma fonte de tensão para funcionar. Exemplos: um controle remoto ou um brinquedo que exige mais de uma pilha. A tensão é somada os geradores devem ser inseridos com a polaridade correta. Figura 01: três geradores de força eletromotriz associados corretamente. Tensão total . Figura 02: um dos geradores é inserido com seus terminais trocados. Tensão total . A fonte invertida consome parte da tensão fornecida. Riscos de danificar o equipamento elétrico e os próprios geradores. Geradores elétricos reais Geradores ideais são capazes de fornecer ao circuito toda a sua força eletromotriz original. Geradores reais não são capazes de fazer isso. Existem perdas fazem com que, nos terminais do gerador, não seja fornecida toda a sua força eletromotriz. Um gerador real pode ser modelado como se fosse um gerador ideal acompanhado de uma resistência elétrica em seu interior resistência interna. Exemplificando Uma bateria tem de e resistência interna de . Seus terminais estão conectados a uma resistência de carga de . (a) Encontre a corrente no circuito e a tensão de terminal da bateria. (b) Calcule a potência fornecida ao resistor de carga, a potência fornecida à resistência interna da bateria e a potência fornecida pela bateria. (c) Com o passar do tempo, a resistência interna da bateria aumenta. Suponha que a resistência interna desta bateria aumente para até o fim da sua vida útil. Como isto afeta a capacidade da bateria de fornecer energia? A tensão de terminal é somente da . Note que da potência da bateria são fornecidos à resistência interna quando é . Quando for , como na parte (b), essa porcentagem é somente . Por consequência, embora a permaneça fixa, a resistência interna crescente da bateria reduz significativamente a capacidade de a bateria fornecer energia. , , Exemplificando A aplicação mais simples de um resistor elétrico é em circuitos e tem por função gerar aquecimento, transformando energia elétrica em energia térmica. O circuito elétrico indicado é composto por um gerador real e duas resistências elétricas. Na especificação do aquecedor, está indicado que , e que, em condições normais de uso, com uma resistência interna . Qual a corrente elétrica total que atravessa o circuito e o valor da força eletromotriz da fonte? Exemplificando Qual o valor da resistência e da tensão a que ela é submetida. no sentido anti-horário. Lei de Ohm: Análise de circuitos resistivos 1ª lei de Kirchhoff – Lei dos nós “Em qualquer junção (ponto de ramificação) em um circuito onde a corrente pode se dividir a soma das correntes que chegam deve ser igual à soma das correntes que saem da mesma”. É uma constatação de que o fluxo de elétrons em uma corrente elétrica se conserva ao longo do condutor. Fonte: https://ury1.com/a6dmZ Exemplificando Observando a figura, vemos que três correntes chegam ao nó A, enquanto que quatro correntes saem dele, das quais conhecemos apenas três. Dados: Encontre o valor de . Somando as correntes do lado direito do nó A: Somando as correntes do lado esquerdo do nó A: Estratégia para resolução de circuitos resistivos Estude o diagrama de circuito e certifique-se de reconhecer todos os seus elementos. Identifique a polaridade de cada bateria e tente imaginar as direções nas quais há corrente nas baterias. Determine se o circuito pode ser reduzido por meio da combinação de resistores em série e em paralelo. Atribua designações para todas as quantidades e símbolos conhecidos para todas as quantidades desconhecidas. Você deve atribuir direções às correntes em cada parte do circuito. Aplique a regra dos nós para todas as junções (nós) no circuito, a não ser em uma. Aplique a regra das malhas para tantas malhas (circuitos fechados) no circuito quanto forem necessárias para obter, em combinação com as equações da regra dos nós, tantas equações quanto sejam as correntes desconhecidas. Resolva as equações simultaneamente para as quantidades desconhecidas. Verifique suas respostas numéricas quanto à consistência. Não se preocupe se algumas das correntes resultantes tiverem valor negativo isto significa somente que você errou a direção da corrente, mas seu módulo está correto. Análise de circuito resistivo Situação-Problema Informações: Fontes com polaridades invertidas! Fonte 1 sentido da corrente. Lei dos nós Malha : Malha : (1) Análise de circuito resistivo Situação-Problema Encontre as correntes , e . Nó : Malha : Malha : Fonte: https://urx1.com/SeOou Recapitulando CIRCUITOSCIRCUITOS FONTES DE TENSÃO FONTES DE TENSÃO RESISTORESRESISTORES CIRCUITOS RESISTIVOS I CIRCUITOS RESISTIVOS I LEIS DE KIRCHHOFF LEIS DE KIRCHHOFF CIRCUITOS RESISTIVOS II CIRCUITOS RESISTIVOS II Trace planos e metas para aperfeiçoar o seu processo de aprendizagem, procurando sempre aprofundar seus estudos através de outras fontes, a fim de estender seu conhecimento sobre o tema proposto. https://phet.colorado.edu/pt_BR/ Princípios de Eletricidade e Magnetismo Introdução à eletricidade Dra. Jenai O. Cazetta