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Versão 2013 Reformulada 1 1-Fenômenos elétricos Conceito de carga elétrica Por volta do ano de 1600, o cientista inglês, Gilbert, notou que, quando se friccionava um pedaço de âmbar em uma pele de animal, ele adquiria a capacidade de atrair objetos leves. Este fenômeno foi chamado, por ele, eletricidade, uma vez que a palavra grega elétron significa âmbar. Atualmente, dizemos que a fricção faz com que o âmbar fique eletrificado, ou seja, adquire uma carga elétrica. Em 1747 o cientista americano Benjamin Franklin, trabalhando com diferentes materiais, descobriu que existem dois tipos de carga elétrica que ele denominou de carga positiva e carga negativa. Após essas descobertas, muitos cientistas passaram a investigar fenômenos elétricos. Verificaram que partículas com o mesmo tipo de carga se repelem e partículas com cargas opostas se atraem. Lei de Coulomb Por volta de 1785, Charles Coulomb, um físico francês, introduziu o que hoje é conhecido como lei de Coulomb. Esta lei estabelece que, quando se tem duas partículas pontuais, de carga 1Q e 2Q , separadas de uma distância r, (ver fig. 1-1), a força de atração ou repulsão pode ser calculada pela expressão: 2 21 r QQkF = 1-1 r r ( )+1Q ( )+2Q ( )+1Q ( )−2QFFFF (a) (b) Fig. 1-1 Para que a unidade da força seja Newton, o parâmetro k deve valer 9109× . Além disto a carga elétrica deve se dada em Coulomb, e a distância em metro. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 1-1 Determine a força de atração entre as cargas da Fig.1 sabendo-se que 7 1 105 −×+=Q Coulomb, 72 102 −×−=Q Coulomb e mr 1= . Solução: 4 2 77 9 109 1 102105109 − −− ×= ××× ×=F Newton --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 Exercício 1-2 Repita o problema anterior para mr 2= Solução: 4 2 77 9 1025,2 2 102105109 − −− ×= ××× ×=F Newton ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- O exercício 1-2 mostrou que, quando se dobra a distância entre as partículas, a força diminui quatro vezes. Campo elétrico. Quando, sobre uma partícula carregada, existe uma força atuante, diz-se que esta partícula está em um campo de força elétrica, ou simplesmente, campo elétrico Campo elétrico produzido por dois elementos Fixos Vamos supor que se tenha duas placas fixas paralelas, A e B, com uma certa distância entre si. Ver fig. 1-2. A B Fig. 1-2 Vamos supor, ainda, que a placa A está carregada positivamente e a placa B está carregada negativamente. Neste caso estas placas se denominam eletrodos. A placa A é o eletrodo positivo ou anodo e a placa B é o eletrodo negativo ou catodo. Neste caso, forma-se um campo elétrico entre essas placas. Se no espaço entre estas placas houver uma certa quantidade de partículas negativas, estas partículas serão repelidas por B e atraídas por A. Portanto as partículas se movimentam até atingir A. Este movimento das partículas carregadas se chama corrente elétrica. Unidade física da corrente elétrica Se uma certa quantidade de partículas, que possuem uma carga total Q, atingirem a placa no período de um segundo dizemos que tem-se uma corrente elétrica de Q Coulomb por segundo, ou Q amperes: segundo Coumb ampere 1 11 = 3 Trabalho realizado Pelas leis da física, toda vez que uma força, atuando sobre um corpo, provoca o seu deslocamento, é realizado um trabalho. O símbolo matemático para esta grandeza é a letra W (work) . Quando a força é dada em Newton e o deslocamento em metro resulta a unidade joule para o trabalho realizado. Por exemplo, quando esta força é constante, o trabalho pode se calculado pela expressão matemática: Trabalho = Força x deslocamento ou dFW ×= Diferença de potencial entre os eletrodos Vamos supor que os eletrodos A e B estão carregados de tal maneira que eles seriam capazes de deslocar uma carga total negativa, de valor Q, do ponto B para o ponto A produzindo um trabalho W. Neste caso, diz-se que entre os eletrodos A e B existe uma diferença de potencial. O valor desta nova grandeza pode ser calculado pela fórmula: deslocadaac TrabalhopotencialdeDif arg . = ou Q WV = Quando o trabalho é dado em joule e a carga em Coulomb, a diferença de potencial resulta na unidade volt. Esta diferença de potencial é também chamada de tensão ou voltagem entre os eletrodos considerados. Este parâmetro é extremamente importante para o projeto de dispositivos elétricos e eletrônicos. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 1-3 Um par de eletrodos de cargas opostas teria capacidade de deslocar, de um eletrodo para outro, uma carga 7102 −×=Q Coulomb de tal forma que o trabalho, se fosse realizado, seria igual a 7103 −×=W joule. Determinar a diferença de potencial que existe entre esses eletrodos. Solução: volt coulomb jouleV 5,1 102 103 7 7 = × × = − − ------------------------------------------------------------------------------------------------------- Estrutura atômica Toda a matéria é constituída de minúsculos conjuntos de partículas denominados átomos. O átomo é semelhante ao nosso sistema solar. O elemento que corresponde ao sol é o núcleo do átomo. Em torno deste núcleo giram partículas denominadas elétrons. Tal 4 como acontece com os planetas de nosso sistema solar, os elétrons se distribuem em diversas órbitas.Ver fig. 1-3.a. Cada elétron possui massa muito menor que a do núcleo. O núcleo possui carga positiva e o elétron negativa. Portanto o núcleo atrai o elétron. Entretanto o elétron não cai no núcleo devido ao seu movimento rotatório em torno desse núcleo. Sua órbita e velocidade são tais que a força centrífuga cancela a força de atração.Ver fig 1-3.b Força centrífuga Força de atração (a) (b) Fig. 1-3 O átomo, em seu estado natural, é neutro. Isto significa que a soma de todas as cargas negativas dos elétrons é igual a carga positiva do núcleo. Por exemplo, sabe-se que a carga de cada elétron é igual a - 19106,1 −× Coulomb. Se um átomo possui 30 elétrons então a carga do núcleo será 1819 108,4106,130 −− ×+=××+ Coulomb. Entretanto, sob certas condições, o átomo pode perder ou ganhar um ou mais elétrons. Quando ele perde elétrons sua carga total fica positiva. Quando o átomo ganha um ou mais elétrons, que passam a girar em torno de seu núcleo, ele fica com carga total negativa. Na experiência de Gilbert, quando se friccionou, a pele de animal no âmbar, muitos elétrons passaram da pele para o âmbar. Portanto, o âmbar ficou com excesso de cargas negativas e a pele com excesso de cargas positivas. Condutores de eletricidade Os elétrons das órbitas mais externas estão submetidos a forças de atração mais fracas. Em certos materiais, como por exemplo,nos metais, estas forças de atração se tornam tão fracas que elétrons, das órbitas mais externas, podem escapar facilmente do átomo. Neste caso eles ficam se deslocando de um átomo para outro, aleatoriamente. Estes elétrons são chamados de elétrons livres. Na presença de um campo elétrico, produzido por eletrodos externos, estes elétrons passam a se deslocar, dentro do material, no sentido do catodo para o anodo formando uma corrente elétrica. A intensidade desta corrente é tanto maior quanto maior for a quantidade de elétrons livres existentes no material. A quantidade de elétrons livres depende do tipo de material e da temperatura ambiente. Quando um material possui 5 muitos elétrons livres, diz-se que ele é um bom condutor de eletricidade. O cobre é um dos melhores condutores de eletricidade. Na temperatura ambiente normal, ele possui aproximadamente 23106 × elétrons livres por centímetro cúbico. Quando um material possui poucos elétrons livres diz-se que ele é um mal condutor, ou um material de alta resistividade. Em eletricidade existem aplicações tanto para os materiais bons condutores quanto para os materiais de alta resistividade. A resistividade de um material pode ser medida. Seu símbolo matemático é a letra grega ρ (rho) e sua unidade é metroohm × , ou m×Ω . Mesmo os materiais considerados bons condutores possuem uma certa resistividade, ainda que de valor muito pequeno. Para grande parte das aplicações considera-se como sendo zero. Um condutor, de resistividade desprezível, costuma ser usado no formato de fio metálico e é representado, nos desenhos de esquemas elétricos, como uma simples linha. Resistência elétrica Dada a presença de um determinado campo elétrico, a intensidade da corrente elétrica depende da resistividade do material e fatores geométricos. Seja o caso de um fio metálico com comprimento l e área da secção igual a S. Ver fig. 1-4. lS Fig. 1-4 A intensidade da corrente é tanto menor quanto maior for o comprimento desse fio. Da mesma forma, essa intensidade da corrente é tanto maior quanto maior for a área da secção do fio metálico. Isto acarreta a chamada resistência elétrica do fio. A resistência elétrica de um fio de comprimento l e secção S pode ser calculada pela expressão: S R lρ= Se o comprimento for dado em metro, a secção em metro quadrado e a resistividade for dada em m×Ω , então a resistência elétrica calculada tem seu valor dado em ohm ou Ω . ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 1-4 Sabe-se que o cobre possui m×Ω×= −81072,1ρ . Determinar a resistência de um fio de cobre, cujo raio mede 1 mm e o comprimento 1 km. Solução: m1000=l mmr 3101001,0 −×== ( ) 26232 1014,3101 mrS −− ×=××=×= pipi S R lρ= = Ω= × × − − 47,5 1014,3 10001072,1 6 8 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 Resistor É um componente usado em eletricidade e em eletrônica construído, propositalmente, para ter um valor de resistência desejado. Um resistor pode ser construído para ter qualquer valor de resistência, desde alguns ohms até dezenas de megahoms. Existem duas representações dos resistores utilizadas, normalmente, em desenhos de esquemas elétricos. A fig. 1-5.a mostra a representação adotada pelos americanos. A fig. 1-5.b mostra a representação adotada por alguns países europeus e que, também, foi adotada no Brasil (norma ABNT). R R (a) (b) Fig. 1-5 Sentido real e sentido convencional da corrente elétrica Na fig. 1-5 mostramos, novamente, os eletrodos carregados com cargas opostas produzindo deslocamentos em cargas elétricas negativas. Vamos supor que estas partículas sejam elétrons livres. Estes elétrons são repelidos pelo eletrodo negativo e atraídos pelo eletrodo positivo. A B Sentido real da corrente elétrica Sentido convencional da corrente elétrica Fig. 1-5 Portanto o sentido de deslocamento desta corrente elétrica é do eletrodo negativo para o eletrodo positivo. Entretanto, por razões históricas, todos os tratados sobre eletricidade adotam o sentido inverso. Este sentido, que é chamado de sentido convencional, considera que a corrente elétrica vai do eletrodo positivo para o eletrodo negativo. 7 2- Circuitos elétricos e suas propriedades Unidades de Eletricidade A tabela 2-1 mostra as grandezas elétricas, definidas no capítulo anterior, juntamente com as unidades físicas correspondentes e seus símbolos gráficos utilizados em cálculos matemáticos. Tabela 2 -1 Grandeza física Unidade física Símbolo matemático Carga elétrica Coulomb Q Corrente elétrica Ampere I Diferença de potencial elétrico Volt V Resistência elétrica Ohm Ω A diferença de potencial é também chamada de tensão elétrica ou, simplesmente, tensão. O componente físico que possui uma resistência elétrica é chamado de resistor. A fig. 2-1 mostra um resistor, que possui uma resistência de valor R. Se aplicarmos uma diferença de potencial V, entre os terminais deste resistor, é produzida uma corrente elétrica que chamaremos de I. R V I -+ Fig. 2-1 Cálculos de tensões e correntes em um resistor: Lei de Ohm A quando se aplica uma tensão V em um componente cuja resistência é igual a R, a corrente resultante segue a equação: R VI = 2-1 Quando se sabe o valor da corrente e da resistência, pode-se determinar o valor da tensão por meio de manipulação algébrica da equação 2-1: IRV ×= 2-2 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-1 Sobre um resistor de 10 Ω tem-se uma tensão de 30 v. Determinar a corrente elétrica que está percorrendo esse resistor. Solução: 8 R VI = Av 3 10 30 = Ω = ------------------------------------------------------------------------------------------------ Exercício 2-2 Em um resistor de 5 Ω está passando uma corrente de 2 Amperes. Determinar a tensão sobre esse resistor. Solução: IRV ×= vA 1025 =×Ω= ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Potência elétrica em uma resistência Esta grandeza tem como símbolo a letra P e sua unidade é Watt (W). O valor da potência sobre uma resistência é igual ao produto da tensão nessa resistência pela corrente que a percorre: IVP ×= 2-3 Substituindo 2-2 em 2-3, resulta uma fórmula alternativa: 2IRP ×= 2-4 Substituindo 2-1 em 2-3, resulta outra fórmula alternativa: R VP 2 = 2-5 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Exercício 2-3 Calcular a potênciasobre o resistor do exercício 2-1. Solução: vV 30= AI 3= IVP ×= WAv 90330 =×= -------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-4 Em um resistor de 15 Ω passa uma corrente de 2 amperes. Determinar a potência sobre esse resistor. Solução: 2IRP ×= WA 60215 2 =×Ω= Energia elétrica A energia elétrica consumida em um resistor, durante um determinado tempo, é igual a potência, nesse resistor, multiplicada por esse tempo. Quando a potência for dada em 9 Watt e o tempo em segundos, a unidade da energia é JoulesWatt =× . Para energia, adotaremos o símbolo nE tPEn ×= 2-6 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-5 Calcular a energia dissipada, em um minuto, no resistor, sabendo que nele existe uma potência de 30 W. Solução: tPEn ×= skWjoulessWsW ×==×=×= 8,1180018006030 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Nota: Cientificamente costuma-se usar a unidade sW × que é equivalente a joule. Comercialmente prefere-se usar a unidade Kilowat×hora ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-6 Quando se liga o chuveiro elétrico, tem-se, em sua resistência, uma potência de 2,4 kW. Se ele for ligado durante 15 minutos, determinar quantos Kilowat×hora são consumidos nesse período? Solução: 4 1 min15 hora= horakWhorakWEn ×=×= 6,04 14,2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- Fonte de alimentação. É um dispositivo capaz de fornecer energia elétrica para um circuito. Além do nome acima, ele é chamado, às vezes, de gerador, e outras vezes, de bateria, em dependência de seu aspecto físico. Em nosso texto designaremos esse dispositivo, quase que exclusivamente, pelo nome de bateria. As baterias possuem um eletrodo positivo e outro negativo. Portanto, existe uma diferença de potencial entre estes eletrodos. Quando se conecta um resistor entre seus terminais produz-se corrente elétrica. Normalmente se chama o eletrodo positivo de pólo positivo da bateria. Da mesma forma, o eletrodo negativo é comumente chamado de pólo negativo da bateria. O aparelho que pode medir a diferença de potencial, entre os pólos da bateria, se chama voltímetro. Este aparelho pode medir essa tensão em duas situações da bateria: fornecendo ou não corrente elétrica. A fig. 2-2.a mostra o esquema de medida na situação onde não existe corrente elétrica. Esta medida se chama tensão da bateria em circuito aberto. A fig. 2-2.b mostra a medida no caso em que existe uma corrente percorrendo um resistor externo à bateria. Esta medida se chama tensão da bateria em circuito fechado. 10 bateria voltímetro bateria voltímetro I R I I (a) (b) E V Fig. 2-2 Vamos supor que a medida em aberto resultou em uma tensão de valor E volt e a medida em circuito fechado resultou V volt. Sempre acontece que o valor V é menor que o valor E. Este comportamento induz ao esquema elétrico equivalente da bateria mostrado na fig. 2-3. Nesse esquema, a bateria contém um dispositivo chamado fonte de tensão de valor E e uma resistência SR . Esta equivalência será demonstrada mais adiante. E A B SR Fig. 2-3 A fonte de tensão representa um dispositivo com os pólos A e B onde existe uma diferença de potencial constante de valor E. Esta diferença de potencial é imutável para qualquer valor de corrente que o dispositivo forneça, incluindo a corrente nula. A tensão E, mostrada no esquema, é chamada de força eletromotriz da bateria. Na literatura técnica, quase sempre, ela é mencionada pela abreviação fem. A resistência mencionada SR é chamada de resistência interna da bateria. Exemplos de bateria: 1- As pilhas são baterias cuja força eletromotriz (fem) é aproximadamente 1,5 volt. 2- O tipo mais comum de bateria para automóvel possui fem igual a vv 125,18 =× A resistência interna depende do tipo de bateria. Por exemplo, quanto maior for o tamanho da pilha, menor será sua resistência interna. A resistência interna de uma bateria de automóvel é muito menor do que a resistência interna de qualquer tipo de pilha. 11 Fio condutor É um componente elétrico cuja resistência é tão pequena que se torna desprezível. Para a maior parte dos cálculos considera-se 0=R . Quando existe uma corrente elétrica em um fio condutor, a diferença de potencial, entre seus terminais, é nula pois: 00 =×=×= IIRV Circuito elétrico É um conjunto de componentes elétricos conectados entre si por fios condutores.. A fig. 2-4 mostra dois exemplos de circuitos. A fig. 2-4.a mostra um circuito aberto e a fig. 2-4.b mostra um circuito fechado. E + − SR E + − SR 1R 2R + + + − − − I SV 1V 2V SV aV + − (a) (b) 0=I I II bateria bateria Fig. 2-4 Nota-se que, no circuito fechado foi produzida uma corrente elétrica, ao passo que no circuito aberto a corrente é nula. Só pode haver corrente elétrica em um circuito fechado. Por convenção, a corrente elétrica sai do eletrodo positivo da bateria e, após percorrer o circuito, entra na bateria pelo eletrodo negativo.Ver fig. 2-4.b. Diferenças de potencial presentes nos diversos componentes do circuito. Vimos que a fem de uma bateria corresponde a uma diferença de potencial ou tensão. Nas figuras 2- 4.a e 2-4.b, designamos o valor E para essa tensão. Pela lei de ohm, a corrente ao percorrer uma resistência, acarreta uma diferença de potencial ou tensão nessa resistência. Tudo se passa como se os terminais do resistor se tornassem eletrodos ou pólos. Onde entra a corrente, tem-se o pólo positivo do resistor. Onde a corrente sai, tem-se o pólo negativo desse resistor. Ver fig. 2-4.b. Note-se que esta situação só existe durante a presença da corrente elétrica. Lei de Kirchhoff das tensões no circuito. “Ao se percorrer um circuito, sempre no mesmo sentido, a soma algébrica das tensões encontradas, ao longo do percurso, é nula”. Por sinal algébrico entende-se que, ao longo do percurso, quando a corrente entra pelo pólo positivo, a tensão é positiva e vice versa. Exemplos: No circuito da fig. 2.4.b tem-se: 12 021 =+++− VVVE S ou 12 VVEV S −−= --------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-7 No circuito da fig. 2-4.b tem-se os seguintes valores para as diversas tensões: vE 15= , vVS 2= e vV 71 = Determinar a tensão 2V . Solução: 12 VVEV S −−= = v67215 =−− -------------------------------------------------------------------------------------------- A lei de Kirchhoff das tensões é válida mesmo para circuito aberto. Na fig. 2-4.a, se a medida da tensão da bateria, em aberto, resultou no valor aV , então teremos a igualdade: 0=++− aS VVE ou Sa VEV −= Entretanto, pela lei de Ohm, tem-se: SS RIV ×= Mas, em circuito aberto, a corrente elétrica é nula. Resulta: EREV Sa =×−= 0 Portanto: EVa = Determinação do valor da corrente elétrica em um circuito. Vamos descrever o métodode cálculo, da corrente, utilizando o circuito da fig. 2-5. A corrente I, que queremos determinar, percorre todos os componentes. Em cada componente tem-se uma tensão que pode ser determinada pela lei de ohm: E + − SR 1R 2R + + + − − − ISV 1V 2V Fig. 2-5 SS RIV ×= 2-7 11 RIV ×= 2-8 22 RIV ×= 2-9 13 Vimos que, pela lei de Kirchhoff das tensões, tem-se: 021 =+++− VVVE S ou EVVVS =++ 21 Substituindo-se os valores das tensões, fica: ERIRIRI S =×+×+× 21 ou ( ) ERRRI S =++ 21 ou 21 RRR EI S ++ = 2-10 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-8 - No circuito da fig. 2-5 tem-se os dados: vE 50= ; Ω= 2SR ; Ω= 181R ; Ω= 302R a) Determinar o valor da corrente elétrica. b) Determinar a tensão 2V . Solução: a) Pela expressão 2-10, resulta: A RRR EI S 1 30182 50 21 = ++ = ++ = b) Pela expressão 2-9, tem-se: 22 RIV ×= = v30301 =× ------------------------------------------------------------------------------------------------- Medidor de corrente elétrica ou amperímetro. É um instrumento de medida que é colocado, no caminho da corrente, apresentando uma resistência elétrica AR aproximadamente nula. Ver fig. 2-6. Portanto a diferença de potencial AV , entre seus bornes, é nula pois 00 =×=×= IIRV AA E + − + + − − SV SR 0=AV 1R 1V A I I I I 0=AR Fig. 2-6 14 3 - Associações de componentes nos circuitos elétricos Generalização da lei de Kirchhoff das tensões Muitas vezes um circuito não detalha todos seus componentes. Seja, por exemplo o circuito da fig. 3-1. 2V 1VA B 2R 1R I I V 3-1 Vamos supor que se conhece a diferença de potencial V entre os pontos A e B, assim como os valores dos resistores 1R e 2R . Neste caso, aplicando-se a lei de Kirchhoff e a lei de Ohm pode-se determinar os valores da corrente elétrica e das tensões nos resistores 1R e 2R . Equações: 021 =++− VVV 3-1 ou 21 VVV += 3-2 Mas 11 RIV ×= 3-3 e 22 RIV ×= 3-4 Substituindo 3-3 e 3-4 em 3-2 tem-se: 21 RIRIV ×+×= 3-5 ou ( )21 RRIV += ou 21 RR VI + = 3-6 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Exercício 3-1 No circuito da fig. 3-1 têm-se os seguintes dados: vV 10= Ω= 31R vR 23 = Determinar os valores de I , 1V e 2V 15 Solução: Aplica-se a equação 3-6: 21 RR VI + = A2 32 10 = + = Aplicam-se as equações 3-3 e 3-4: vRIV 63211 =×=×= vRIV 42222 =×=×= ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Interpretação da equação 3- 2 A equação 21 VVV += indica que “A tensão na entrada de um circuito é igual a soma das tensões ao longo do circuito”. Simplificação do roteiro do cálculo Podemos diminuir uma passagem matemática se aplicarmos a lei de ohm diretamente em cada resistor do circuito. Ver fig. 3-2 2RI × 1RI × V A B 2R 1R I I Fig. 3-2 Neste caso, aplicando-se a lei de Kirchhoff, chega-se diretamente à equação 3-5: 21 RIRIV ×+×= Associação de resistores em série Na fig. 3-3.a dizemos que os resistores 1R e 2R estão conectados em série no circuito. Seja I , a corrente que passa por esses dois resistores. 16 ⇒V I 1R 2R + − + + − − V I + − + − 12R (a) (b) Fig. 3-3 A diferença total de potencial sobre esses dois resistores fica. ( )2121 RRIRIRIV +=×+×= 12RI ×= Portanto 12RIV ×= 3-7 onde 2112 RRR += 3-8 A equação 3-7 é a mesma que resultaria se o circuito fosse o da fig. 3-3.b. Portanto, essas duas resistências em série equivale a uma única resistência que é igual a soma das resistências individuais. Generalizando, podemos dizer que, n resistências em série, equivale a uma única resistência R de valor igual a soma das resistências individuais. nRRRRR +⋅⋅⋅⋅⋅⋅+++= 321 ou ∑ = = n i iRR 1 3-9 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 3-2 Em um circuito têm-se os seguintes resistores em série: Ω= 2001R , Ω= 4002R , Ω= 5003R Determinar o valor da resistência equivalente. Solução: Ω=++= 1100500400200R ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Circuito contendo resistores em paralelo A fig. 3-4 mostra um circuito onde os resistores 1R e 2R estão conectados em paralelo. 17 ⇒1R 2R1V 2V 1R 2RV V (a) (b) Fig. 3-4 Vamos supor que sobre o resistor 1R existisse uma tensão 1V e que sobre o resistor 2R existisse a tensão 2V . Ver fig. 3-4.a. Neste caso, ao circular no sentido horário esse circuito, teríamos a equação: 021 =+− VV ou 12 VV = Vemos que a tensão nos dois resistores é, obrigatoriamente, a mesma. Seja V, o valor dessa tensão comum, Ver fig. 3-4.b. Entretanto, as correntes elétricas que percorrem cada resistor, são diferentes entre si. Chamando de 1I a corrente que percorre 1R e de 2I a corrente que percorre 2R , fica: 1 1 R VI = e 2 2 R VI = Se 1R for diferente de 2R , então podemos ver que 1I será diferente de 2I . A figura 3-5, adiciona uma fonte de alimentação, com sua resistência interna. Indica, ainda as diversas tensões e correntes no circuito. E + − SR 1R 2R + + + − − − 2ISV D I 1I I V 2I C 1I 2I V Fig. 3-5 Neste circuito, os pontos C e D são chamados nós. 18 Lei de Kirchhoff para as correntes elétricas A soma algébrica das correntes elétricas, que entram ou saem de um nó, é nula. Por convenção, consideram-se as correntes queentram como negativas e as que saem como positivas. Ver fig. 3-6. 1I 4I 3I2 I Fig. 3-6 Tomando-se por base a fig. 3-6, tem-se: 04321 =+++− IIII ou 4321 IIII ++= --------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 3-3 No circuito da fig. 3-5 tem-se 21 =I amperes e 32 =I amperes. Determinar o valor de I. Solução: 021 =++− III 53221 =+=+= III amperes ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 3-4 No circuito da fig. 3-5 tem-se AI 6= e 21 =I A.e Determinar o valor de 2I . Solução: 021 =++− III AIII 42612 =−=−= ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Associação de resistores em paralelo. I V 1I 2I 1R 2R ⇒ I RV 2I C (a) (b) Fig. 3-7 19 Na fig. 3-7.a vemos que 21 III += Mas, pela lei de Ohm tem-se 1 1 R VI = e 2 2 R VI = Resulta +=+= 2121 11 RR V R V R VI = R V 1 ou R VI = 3-10 onde 21 111 RRR += 3-12 A expressão 3-10 equivale ao resultado do cálculo da corrente no circuito da fig. 3-7.b, desde que a resistência equivalente R obedeça a expressão 3-12. Caso geral onde se tem n resistências em paralelo No caso geral em que se tem n resistências em paralelo, a utilização da lei de Kirchhoff, das correntes, leva-nos à expressão: nRRRRR 1 . 1 . 111 321 +⋅⋅⋅⋅⋅⋅+++= 3-13 ou ∑ = = n i iRR 1 11 3-14 --------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 3-5 Em um circuito têm-se as seguintes resistências em paralelo: Ω= 2001R , Ω= 4002R , Ω= 5003R Determinar o valor da resistência equivalente para essa associação. Solução: 3333 105,9102105,2105 500 1 400 1 200 11 −−−− ×=×+×+×=++= R Ω≈ × = − 3,105 105,9 1 3R -------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 Fórmula compacta para o caso em que se têm apenas duas resistências em paralelo. Vimos que, no caso de dois resistores em paralelo obteve-se (expressão 3-12); 21 111 RRR += Fazendo a soma indicada, resulta: 21 211 RR RR R + = ou 21 21 RR RR R + = 3-15 A expressão 3-15 é válida somente para o cálculo da resistência equivalente de uma associação de duas resistências em paralelo. Para ocaso de 3 ou mais resistências em paralelo deve-se usar a expressão geral 3-13. Condutância elétrica. Dado o valor R, de uma resistência, define-se como condutância G, o inverso daquele valor, ou seja: R G 1= A unidade é mho ou 1−Ω Em termos de condutância, a equação 3-13 se transforma na equação: nGGGGG ⋅⋅⋅⋅⋅⋅+++= 321 ou ∑ = = n i iGG 1 onde R G 1= e i i R G 1= Conclusão: A associação de n condutâncias em paralelo equivale a uma condutância total dada pela soma das condutâncias individuais. --------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 3-6 Dada a associação de condutâncias abaixo, determinar: a) A condutância equivalente b) A resistência equivalente. 21 4G2G 3G1G 101,0 −Ω 104,0 −Ω103,0 −Ω102,0 −Ω Solução: a) 11,004,003,002,001,0 −Ω=+++=G b) Ω=== 10 1,0 11 G R ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 3-7 Determinar a resistência equivalente da associação de resistores abaixo. Sabe-se que Ω= 1001R , Ω= 2002R e Ω= 3003R 1R 2R 3R R Solução: Inicialmente agrupamos as resistências 2R e 3R , resultando a resistência 23R 1R 23R R Aplicando, para este caso, a fórmula 3-13, tem-se: Ω= + × = + = 120 300200 300200 32 32 23 RR RR R Finalmente, calculamos a resistência equivalente da associação série de 1R e 23R : Ω=+=+= 220120100231 RRR 22 Resistência de carga oferecida a uma bateria É o valor da resistência externa CR que é alimentada pela bateria. Esta resistência pode ser proveniente de um único resistor, ou corresponder ao valor da resistência de uma associação de resistores. A fig. 3-8.a mostra um exemplo em que a resistência de carga é Ω= 300CR No caso da fig. 3-8.b, a resistência de carga tem o valor: Ω=+= 500300200CR . E + − SR Ω300 E + − SR Ω300 Ω200 (a) (b) bateria bateria Fig. 3-8 Nota: - Na fig. 3-8 a bateria foi representada dentro de um retângulo pontilhado. A partir deste momento, por simplicidade, o retângulo pontilhado será omitido. A representação da bateria será como mostrada na fig. 3-9. E + − SR Fig. 3-9 Medidor de tensão elétrica ou voltímetro. É um instrumento de medida que é colocado em paralelo a um componente do circuito. Ele mede a diferença de potencial entre seus terminais. Ver fig. 3-10. E + − SR 0=VI + + − − I SV VV V1R Fig. 3-10 Sua resistência elétrica VR é, teoricamente, infinita. Portanto a corrente VI , que percorre este dispositivo, é nula pois 23 0= ∞ == V V V V V R V I Medida da força eletromotriz de uma bateria A fig. 3-11 mostra o arranjo para esta medida. E + − SR + + − − 0=I SV VVV Fig. 3-11 Vimos que a corrente elétrica que passa pelo voltímetro é nula. Isto faz com que não exista corrente no circuito da fig. 3-11. Portanto: 0=I Pela lei de Kirchhoff ,das tensões, tem-se: 0=++− VS VVE ou SV VEV −= Mas 00 =×=×= SSS RIRV Portanto Conclusão: - Quando se coloca um voltímetro entre os bornes de uma bateria, a tensãomedida corresponde a força eletromotriz dessa bateria. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 3-8 Sabe-se que uma bateria tem uma resistência interna Ω= 5SR . Mediu-se a diferença de potencial entre seus pólos , em circuito aberto e encontrou-se o valor de 10 v. a) Desenhar o circuito equivalente dessa bateria. b) Colocando-se um resistor externo Ω= 15cR , qual será a diferença de potencial V sobre os pólos dessa bateria? Solução EVV = 24 a) + − Ω= 5SR vE 10= b) Com o resistor externo Ω= 15cR tem-se + − Ω= 5SR vE 10= Ω= 15cRV I 0=++− IRIRE cS ou ( )cS RRIE += ou cs RR EI + = = A5,0 155 10 = + vRIV c 5,7155,0 =×=×= ------------------------------------------------------------------------------------------------------ O exercício 3-8 mostrou que a medida da tenção da bateria, em circuito fechado, é menor do que a mesma medida em circuito aberto. Isto comprova a afirmação feita no capítulo 2. Malhas do circuito Malha de um circuito é qualquer caminho fechado existente nesse circuito. No circuito da fig. 3-12, vemos três malhas: Percurso da primeira malha: ABFGA Percurso da segunda malha: ABCDFGA Percurso da terceira malha: BCDFB 25 E + − SR 1R 2R 3R B F D CA G Fig. 3-12 Plano terra A quase totalidade dos circuitos elétricos possui pontos que são conectados a um plano condutor denominado plano terra. Este plano terra está sempre ligado à carcaça do aparelho elétrico. Muitas vezes esse plano está, também, ligado ao solo, por meio de um fio condutor, de tal modo que a diferença de potencial entre esse plano térrea e o solo é zero volt. Dessa maneira não há perigo que uma pessoa, ao tocar na carcaça do aparelho, fique sujeita a um choque elétrico. No circuito exemplificado na fig. 3-13, o plano terra está indicado pela letra T. Por convenção, o potencial elétrico do plano terra é zero volt. Quando se diz, por exemplo, que a tensão em um ponto B, do circuito, é +10 volt, significa que a diferença de potencial entre aquele ponto e o plano terra é de +10 volt. E + − SR 1R 2R 3R T B Fig. 3-13 Exemplos de cálculos de tensões e correntes em alguns circuitos simples A fig. 3-14 mostra o exemplo de um circuito elétrico relativamente simples. Queremos determinar a tensão 2V E + SR 1R 2R + − I 2V − Fig. 3-14 As três resistências em série equivalem a uma única resistência R tal que: 21 RRRR S ++= 26 Inicialmente, determinamos a corrente I. R EI = 21 RRR E S ++ = Finalmente, calculamos 2V . 21 2 22 RRR RE RIV S ++ × =×= --------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-1 No circuito da fig. 3-13, temos os seguintes dados: vE 30= , Ω= 100SR , Ω= 2001R e Ω= 3002R Determinar 2V . Solução: v RRR REV S 15 300200100 30030 21 2 2 = ++ × = ++ × = --------------------------------------------------------------------------------------------------------- A fig. 3-15 mostra outro circuito um pouco mais complicado. Desejamos determinar a tensão 2V e as correntes 2I e 1I . E + − SR 1R 2R I 1I 2 I 2V Fig. 3-15 Inicialmente agrupamos 1R e 2R resultando a resistência 23R . Ver fig. 3-16. E + − SR 23R I 2VI Fig. 3-16 21 21 23 RR RR R + = Notemos que sobre a resistência 23R tem-se a mesma tensão 2V que tínhamos sobre 2R e 3R . Ver fig. 3-16. 27 A resistência SR em série com a resistência 23R equivale a um resistor R tal que: 23RRR S += A seguir calculamos I . R EI = 23RR E S + = Em seguida calcula-se 2V 232 RIV ×= Finalmente, calculamos 1I e 2I . Pela fig. 3-14, vemos que: 1 2 1 R V I = e 2 2 2 R V I = Alternativamente, após o cálculo de 1I , pode-se calcular 2I , usando a lei de Kirchhoff das correntes: 12 III −= ------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 2-2 No circuito da fig. 3-14, têm-se os dados: vE 44= , Ω= 100SR , Ω= 2001R e Ω= 3002R Determinar 2V e 2I . Ω= + × = 120 300200 300200 23R A RR EI S 2,0 120100 44 23 = + = + = vRIV 241202,0232 =×=×= mAA R V I 8008,0 300 24 2 2 2 ==== mAAIII 12012,008,02,021 ==−=−= ------------------------------------------------------------------------------------------ 28 4 – Fontes de tensão e de corrente ideais e suas transformações Uma fonte de tensão ideal é a fonte de alimentação cuja resistência interna é nula. Ver fig. 4-1.a. Ao adicionarmos uma resistência externa cR , teremos o circuito da fig. 4-1.b. Pela lei de Kirchhoff das tensões, fica: 0=+− VE ou EV = Portanto uma fonte de tensão ideal fornece, para qualquer valor de resistência externa, sempre uma tensão igual a sua própria fem. Ver fig. 4-1.b. E E EV = cR (a) (b) Fig. 4-1 Entretanto, a fonte de tensão ideal não existe na prática, uma vez que não há bateria com resistência interna nula. Ela é utilizada apenas como ferramenta de ajuda para o cálculo de circuitos. Fonte de corrente ideal Uma fonte de corrente ideal é a fonte de alimentação que fornece, para a resistência de carga, sempre a mesma corrente, independente do valor dessa resistência carga. A fig 4-2.a mostra o símbolo de uma fonte de corrente de 2 ampere. AI 2= AI 2= AI 2= AI 2= A2A2A2 Ω0 Ω100 Ωk10 (a) (b) (c) (d) Fig. 4-2 As demais ilustrações da fig. 4-2 mostram que a corrente fornecida é sempre igual a 2 ampere independentemente do valor da resistência externa de carga. Também, a fonte de corrente ideal não existe. 29 Fonte de tensão aproximadamente ideal Vamos supor que uma fonte de alimentação trabalha em circuitos em que a sua resistência interna SR é sempre muito menor do que a resistênciaexterna CR de carga, ou seja: CS RR << Neste caso, essa fonte de alimentação pode ser considerada, aproximadamente, uma fonte de tensão ideal. Verificação: Seja CS RR 001,0= . Ver fig. 4-3 CR V I E CR001,0 Fig. 4-3 CCCC R E R E RR EI ≈= + = 001,1001,0 ER R ERIV C C C =×≈×= EV ≈ Isto mostra que, desde que a resistência interna de uma bateria seja muito menor do que as resistências externas que são utilizadas, essa bateria se comporta como uma fonte de tensão quase ideal, ou seja, a tensão que ela fornece para a resistência externa é aproximadamente igual a sua fem, qualquer que seja o valor dessa resistência externa. Fonte de corrente aproximadamente ideal Vamos supor que uma fonte de alimentação trabalha em circuitos em que as resistências externas de carga CR são, sempre, muito menores do que a resistência interna SR da fonte, ou seja: SC RR << Neste caso, essa fonte de alimentação pode ser considerada, aproximadamente, uma fonte de corrente ideal. Verificação: Seja SC RR 001,0= . Ver fig. 4-4 30 ISR E cR Fig. 4-4 cS RR EI + = Como Sc RR 001,0= , resulta: ( ) SSSS R E R E RR EI ≈ + = + = 001,0100,0 SR EI ≈ Isto mostra que, desde que as resistências externas, utilizadas como carga, sejam muito menores do que a resistência interna da bateria, essa bateria se comporta como uma fonte de corrente quase ideal. Neste caso, qualquer que sejam o valor da resistência externa cR , a bateria fornece, aproximadamente, a corrente: SR EI ≈ onde E e SR são, respectivamente a fem e a resistência interna dessa bateria. Transformações de Thevenin-Norton Uma fonte de tensão real que tiver uma fem igual a E, e uma resistência interna SR em série, pode ser representada por uma fonte de corrente com a mesma resistência SR colocada em paralelo, desde que a corrente dessa fonte de corrente seja: SR EI = A fig. 4-5 ilustra essa afirmação. E SR + − SR EI = SR⇔ (a) (b) Fig. 4-5 31 Demonstração: Seja ocaso em que a bateria alimenta uma carga externa CR . A fig. 4-6 mostra esta situação com base na representação indicada na fig. 4-5.a. CR SR 1I E V Fig. 4-6 A corrente no circuito fica: CS RR EI + =1 A tensão em CR fica: CS C C RR ER RIV + == 1 Portanto CS C RR ERV + = 4-1 Vamos usar a segunda representação. Ver fig. 4-7.a. I SR EI = SR CR V I SR EI = SCR V (a) (b) Fig. 4-7 A fonte de corrente fornece: SR EI = Calculando-se a resistência equivalente que fica em paralelo com a fonte de corrente, tem-se: 32 CS CS SC RR RR R + = Ver fig. 4-7.b. A tensão em SCR , resulta: = + ×=×= CS CS S SC RR RR R ERIV CS C RR ER + Mas, a tensão em SCR é a mesma tensão sobre a resistência de carga CR . Ver fig. 4-7.a Portanto, a tensão na carga CR fica: CS C RR ERV + = 4-2 Comparando as expressões 4-1 e 4-2, vemos que são idênticas. Isto confirma a equivalência das duas representações. Da mesma forma, é demonstrável, que se uma fonte de alimentação estiver representada por uma fonte de corrente I, em paralelo com uma resistência interna SR , ela pode ser transformada para a representação em que se tem uma fonte de tensão E, em série com a mesma resistência SR . Entretanto é obrigatório que o valor da fem dessa fonte de tensão seja: SRIE ×= Ver fig. 4-8 I SR SR + −⇔ SRIE ×= Fig. 4-8 As transformações de fonte de tensão para fonte de corrente e vice versa são chamadas Transformações de Thevenin-Norton. Essas transformações podem facilitar o cálculo de tensões e correntes em circuitos elétricos. Tomemos como exemplo o circuito mostrado na fig. 4-9. Vamos supor que se queira determinar a tensão 2V . 33 + − SR 1R 2R 2VE Fig. 4-9 Inicialmente fazemos a transformação para fonte de corrente. Ver fig. 4-10.a. SR 1R 2R 2V SR E SG 1G 2G 2VSGE × (a) (b) Fig. 4-10 Quando se têm varias resistências em paralelo, as operações matemáticas ficam mais simples quando se trabalha com condutâncias no lugar de resistências. A fig. 4-10.b, mostra o circuito da fig. 4-10.a representado por condutâncias, cujos valores são: S S R G 1= , 1 1 1 R G = e 2 2 1 R G = A seguir agrupamos as condutâncias. Ver fig. 4-11 21 GGGG S ++=G 2V SGEI ×= Fig. 4-11 Finalmente, calculamos a tensão desejada: 21 2 1 GGG EG G I R IRIV S S ++ ===×= 34 ---------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 4-1 No circuito da fig. 4-10.a, tem-se os dados: vE 44= , Ω= 100SR , Ω= 2001R e Ω= 3002R Determinar 2V . Solução: 101,0 100 1 −Ω==SG , 1 1 005,0200 1 −Ω==G , 10033,0 300 1 −Ω≈=SG v GGG EGV S S 24 0033,0005,001,0 01,044 21 2 =++ × = ++ = --------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 4-2 No circuito abaixo, determinar a tensão 3V . + − SR 1R 2R 3R 3 V 1E Dados: vE 1001 = , Ω= 100SR , Ω= 3001R , Ω= 3252R , Ω= 3503R Solução: Fazemos transformações Thevenin-Norton sucessivas Primeira transformação: fonte de tensão para fonte de corrente. 3V 1I SR 1R 2R 3R A R E I S 1 100 1001 1 === Agrupamos SR e 1R , resultando a resistência 1SR 35 3V1SR 2R 3R1 I 1 1 1 RR RR R S S S + = Ω= + × = 75 300100 300100 Segunda transformação: fonte de corrente para fonte de tensão. 3V 2E 1SR 2R 3R + − 2I vRIE S 75751112=×== Calculamos 2I A RRR E I S 1,0 35032575 75 321 2 2 = ++ = ++ = Calculamos 3V vRIV 353501,0323 =×== vV 353 = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 5 - EQUAÇÕES DE MALHAS E TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA As equações de malhas e de nós formam sistemas de equações de primeiro grau, com um número de equações igual ao de incógnitas. É o método mais sistemático para o cálculo de circuitos elétricos. Por isto os programas computacionais para o cálculo de circuitos se baseiam neste método Equações de malhas Seja o circuito da fig. 5-1 + − 1E 1I 2I 3R 2R 1R SR 1V 2V Fig. 5-1 Neste circuito mostramos duas malhas. As correntes 1I e 2I são chamadas de correntes de malhas. Dessas duas malhas se extraem duas equações onde as incógnitas são 1I e 2I . As duas equações resultam da aplicação da lei Kirchhoff das tensões. Lembremos que essa lei assegura que a soma algébrica das tensões, ao longo de uma malha fechada, é zero. Note-se que no resistor 1R passa a diferença entre as correntes 1I e 2I . As equações são: 1a. malha: ( ) 012111 =−++− RIIRIE S 2a. malha: ( ) 03222112 =++− RIRIRII Manipulando-se algebricamente essas equações, resulta: 1a. malha: ( ) 12111 EIRIRRS =−+ 5-1 2a. malha: ( ) 0232111 =+++− IRRRIR 5-2 A resolução desse sistema de duas equações e duas incógnitas nos fornecerá os valores de 1I e 2I . Essa resolução pode ser feita por qualquer método usual, tal como, pelo método dos determinantes, ou pelo método de substituição de variáveis. A partir das correntes calculadas, pode-se determinar as tensões em cada componente. Exemplos: 37 Tensão em 3R : 322 RIV = Tensão em 1R : ( ) 1211 RIIV −= Diferença de potencial em 2R : 2112 VVV −= -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 5-1 Utilizando as equações de malhas, determinar as tensões 1V e 2V do circuito da fig. 5-1. Dados: vE 1001 = , Ω= 100SR , Ω= 3001R , Ω= 3252R , Ω= 3503R Solução: A equação 5-1 fica: ( ) 100300300100 21 =−+ II ou 100300400 21 =− II 5-3 A equação 3-2 fica: ( ) 0350325300300 21 =+++− II ou 0975300 21 =+− II 5-4 Vamos resolver este sistema, de duas equações, usando o método da substituição de variáveis.: Calcula-se 1I , em função de 2I , a partir da equação 5-4. Resulta: 221 25,3300 975 III == 5-5 Substitui-se este valor de 1I , na equação 5-3: 10030025,3400 22 =−× II ou 1001000 2 =I ou 38 AI 1,0 1000 100 2 == Da equação 5-5 tem-se: AII 325,01,025,325,3 21 =×== vRIV 353501,0322 =×== ( ) ( ) vRIIV 5,673001,0325,01211 =×−=−= --------------------------------------------------------------------------------------------------- POTÊNCIA FORNECIDA, POR UMA FONTE DE ALIMENTAÇÃO, A UMA RESISTÊNCIA DE CARGA EXTERNA. Vamos supor que uma bateria, com resistência interna SR , fornece energia para uma resistência externa de valor CR . Ver fig. 5-3. Desejamos determinar a potência CP fornecida à resistência CR . + − E I CR SR I Fig. 5-3 Inicialmente calculamos a corrente elétrica: CS RR EI + = ou + = S C S R R R EI 1 De acordo com a expressão 2-4 (capítulo 2) a potência fornecida ao resistor CR , fica: 2IRP CC = = 2 2 2 1 + S C S C R R R ER 39 ou =CP 2 2 1 + × S C S C S R R R R R E 5-10 Podemos observar que a potência fornecida, à carga externa CR , cresce com o quadrado da fem da bateria. O gráfico da fig. 5-4 mostra como varia essa potência em função da relação S C R R . 0 0,25,115,0 S C R R ( ) S MAXC R EP 4 2 = CP Fig. 5-4 Observando esse gráfico podemos notar que o valor máximo da potência, fornecida à carga CR , acontece para 1= S C R R 5-11 ou SC RR = Substituindo-se 5-11 em 5-10 chegamos ao valor da potência máxima que pode ser fornecida à resistência externa CR : ( ) =MAXCP ( )2 2 11 1 + × SR E SR E 4 2 = . Portanto: ( ) =MAXCP SR E 4 2 5-12 Pela expressão 5-12, podemos concluir que o valor máximo de potência, que acontece quando SC RR = , é tanto maior quanto menor for a resistência interna da fonte, .SR 40 Quando se tem o valor da resistência de carga CR igual ao valor da resistência SR , interna da fonte, dizemos que a carga externa está casada com a fonte de alimentação. Esse casamento acarreta a maior transferência de potência da fonte de alimentação para a carga externa. Conseqüentemente, a energia transferida da fonte de alimentação para a carga é maximizada nesta situação. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 5-3 Uma fonte de alimentação possui uma fem de 20 v e uma resistência interna de Ω50 . Determinar: a) A máxima potência que essa fonte pode fornecer a uma resistência externa CR . b) O valor dessa resistência CR nesta situação. c) O valor da potência fornecida a uma resistência de carga de valor SR2,0 . d) O valor da potência fornecida a uma resistência de carga de valor SR9 . Solução: a) ( ) S MAXC R EP 4 2 = ( ) W2 504 20 2 = × = b) Ω== 50SC RR c) SC RR 2,0= ou 2,0= S C R R =CP 2 2 1 + × S C S C S R R R R R E ( ) ( )2 2 2,01 2,0 50 20 + ×= W1,1≈ d) SC RR 9= ou 9= S C R R =CP 2 2 1 + × S C S C S R R R R R E ( ) ( )2 2 91 9 50 20 + ×= W72,0≈ ------------------------------------------------------------------------------------------------ Exercício 5-4 No circuito abaixo: a) Determinar o valor de 2R para que seja transferida, para ele, a potência máxima. 41 b) Determinar o valor dessa potência máxima. v20 Ω10 Ω10 2R=1E Solução: Aplicando-se sucessivamente a transformação de Thevenin-Norton resulta:Ω10 2RΩ10 AI 2= Ω5 2R⇒ Ω5 2R⇒ SR = Ω = Ω = 10 20 10 1 vEI A2= =×=Ω×= vAIE 5252 v10= Após as transformações tem-se a equivalência: vE 102 = e Ω= 5SR Portanto: a) Ω== 52 SRR b) ( ) W R E P S MAXC 554 10 4 2 2 = × == ----------------------------------------------------------------------------------------------- 42 6 – CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA Comparação entre tensão e corrente contínuas com tensão e corrente alternadas Característica da tensão e da corrente contínuas Quando a tensão ou a corrente, medidas em qualquer ponto de um circuito, não muda conforme o tempo passa, dizemos que essa tensão e essa corrente são contínuas. Vamos exemplificar utilizando o circuito mostrado na fig. 6-1. Calculando a corrente I e a tensão V, resultam, respectivamente, I = 2 ampere e V = 10 volt. Nota-se que a tensão V é positiva em relação a terra. Neste caso, a corrente elétrica I, por se dirigir do circuito para a terra é, por convenção, também positiva. + − Ω1 Ω5 volt12 voltV 10=AI 2= + − I Fig, 6-1 Se medíssemos essas grandezas em diversos instantes e construíssemos gráficos dos valores medidos, esses gráficos seriam aqueles mostrados na fig. 6-2. tempo I 0 volt10+ volt0 tempo0 V ampere2 ampere0 Fig, 6-2 Vemos que o valor da tensão e o da corrente são sempre os mesmos, qualquer que seja o instante em que a medida foi feita. 43 A fig. 6-3 mostra a situação em que a bateria tem seu pólo positivo conectado ao plano terra. + − Ω1 Ω5 volt12 voltV 10−=AI 2−= + − Fig. 6-3 Nota-se que a tensão V é negativa em relação à terra. Neste caso, a corrente elétrica I, por se dirigir da terra para o circuito é, por convenção, também negativa.. Se medíssemos essas grandezas em diversos instantes e construíssemos gráficos dos valores medidos, esses gráficos seriam aqueles mostrados na fig. 6-4.. tempo V volt10 volt0 tempoampere0 ampere2 I Fig. 6-4 Uma fonte de alimentação que possui força eletromotriz constante produz, em qualquer ponto do circuito, tensões e correntes constantes, que são, também chamadas de tensões e correntes contínuas. Um exemplo de fonte de tensão e corrente contínuas é a bateria usada nos automóveis. Sua fem é igual a 12 volt. Característica da tensão e da corrente alternadas. A tensão alternada varia à medida que o tempo passa. Se uma tensão deste tipo fosse medida ao longo do tempo teríamos um gráfico do tipo mostrado na fig. 6-5. Este gráfico se chama curva de variação da tensão alternada. Pode-se notar que a tensão alternada varia senoidalmente ao longo do tempo. 44 0 PERÍODO volt10+ volt10− TENSÃO A B Fig. 6-5 Podemos observar que essa tensão muda, de valor positivo para negativo e vice versa, periodicamente. Neste exemplo, a tensão, atinge os valores extremos de + 10 volt e -10 volt. Este valor extremo é chamado de amplitude da tensão elétrica. Portanto, a tensão mostrada no gráfico da fig. 6-5 possui uma amplitude de 10 volt. Na fig. 6-5 está, também, assinalada a duração de um período da tensão. Um período é o intervalo de tempo entre dois pontos da curva de mesma situação. Os pontos A e B são pontos em que a tensão tem valor zero. Além disto eles estão situados em trechos da curva que possuem a mesma inclinação. Este período é, também, chamado de ciclo da tensão alternada. A quantidade de ciclos que cabem em um segundo é chamada de freqüência. Matematicamente, a freqüência vem a ser o inverso da duração do período. Assim, por exemplo, se o período durar 1 milésimo de segundo, isto significa que em um segundo caberão mil períodos, ou seja, tem-se mil períodos ou ciclos por segundo: segundoperíodo 001,0= segundociclos período freqüência /1000 001,0 11 === Os pinos de uma tomada elétrica doméstica são equivalentes aos terminais de uma fonte de alimentação cuja tensão fornecida é alternada. Sua força eletromotriz possui uma amplitude da ordem de 156 volt e uma freqüência de 60 ciclos por segundo. Desde a década de 1960 a unidade de freqüência passou a se chamar Hertz, em homenagem ao cientista alemão que, nas últimas décadas do século 19, fez importantes descobertas sobre a irradiação de sinais elétricos. Portanto, o correto é dizer que a freqüência da tensão alternada, fornecida pela rede elétrica, tem o valor de 60 Hertz. Determinação de correntes e tensões em um circuito elétrico Quando o circuito elétrico possui apenas resistências, os cálculos de tensões e correntes, presentes nesse circuito, a cada instante, seguem as mesmas leis de Ohm e de Kirchhoff que utilizamos para o cálculo das tensões e correntes contínuas. 45 Exemplo 6-1 Seja o circuito da fig. 6-6. Neste circuito tem-se uma fonte de alimentação de tensão alternada, cuja força eletromotriz foi designada pelo símbolo e. Esta fonte possui uma resistência interna Ω= 3SR e alimenta uma resistência externa de carga Ω= 7CR . i Ω= 3SR Ω= 7CR e Cv Fig. 6-6 Em qualquer instante em que se observasse as tensões e correntes, nesse circuito, seus valores numéricos obedeceriam as equações: CS RR ei + = 6-1 CC Riv ×= 6-2 Vamos supor que a amplitude da fem é vE 20= . Neste caso a amplitude da corrente será: A v RR EI CS 2 73 20 = Ω+Ω = + = A amplitude da tensão, no resistor CR , fica: vARIV CC 1472 =Ω×=×= A fig. 6-7 mostra como varia no tempo esses parâmetros. Quando o valor da corrente elétrica é negativo significa que ela circula em sentido contrário da corrente cujo valor é positivo. Podemos concluir que o circuito elétrico não muda a forma nem a freqüência das grandezas elétricas. Muda apenas seus valores numéricos instantâneos. 46 volt20+ volt20− volt0 tempo e 0 volt14+ volt14− tempo 0 Cv ampere2+ ampere2− ampere0 tempo 0 volt0 i Fig. 6-7 Potência elétrica instantânea Vamos supor que em um determinado instante tem-se, sobre um resistor R, uma tensão de v volt e uma corrente de i ampere. Neste caso, a potência elétrica, naquele instante, é dada pela expressão: ivPinst ×= 6-3 Como, no resistor, se tem a tensão instantânea de valor iRv ×= , sua substituição em 6-3 leva à fórmula alternativa: 2iRPinst×= 6-4 Da mesma forma, como a corrente instantânea, no resistor, tem o valor R vi = , a substituição em 6-3 leva a outra fórmula alternativa: R vPinst 2 = 6-5 47 ------------------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 6-1 Tomando como referência o circuito do exemplo 6-6, vamos supor que no instante 1t tivéssemos, no resistor Ω= 7CR , a corrente Ai 1= . Neste caso resulta que, naquele instante, se tem a tensão vRiv CC 771 =×=×= , Ver figura abaixo. tempo 0 Cv ampere2+ ampere2− ampere0 tempo 0 i ampere1+ volt7+ 1t 1t volt14+ volt14− volt0 Vamos determinar a potência, sobre a resistência CR , naquele instante. Usearemos as três fórmulas alternativas. a) Fórmula 6-3 ivP Cinst ×= = Watt717 =× b) Fórmula 6-4 2iRP Cinst ×= = Watt717 2 =× c) Fórmula 6-5 C C inst R v P 2 = = Watt7 7 72 = --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 48 Análise matemática das tensões e correntes alternadas: senoide e cosenoide Matematicamente, o argumento das funções seno e coseno só pode ser ângulo, como é mostrado na fig. 6-8. Nessas figuras adotamos a convenção em que os ângulos são positivos e crescentes. Esses ângulos são chamados de fase dessas funções. 30 360330 0 240 270 300 180150120 210 9060 1,0 0,87 0,50 0,0 -1,0 -0,87 -0,50 θsen 30 3603300 240 270 300 180150120 210 9060 1,0 0,87 0,50 0,0 -1,0 -0,87 -0,50 θcos (a) (b) θ ][graus θ ][graus Fig. 6-8 Na fig. 6-8a. está mostrado um período da função θsen , onde θ é a fase em graus. Como se vê, para o valor graus0=θ , o valor de θsen é igual a zero. Para graus90=θ , esta função atinge o valor máximo que é 1. Na fig. 6-6.b mostramos um período da função θcos . Repare-se que para o valor graus0=θ , o valor de θcos é igual a 1. Para graus90=θ , esta função adquire o valor zero. Costuma-se dizer que existe uma diferença de fase de 90 graus entre o seno e o coseno. Na engenharia elétrica, adota-se a unidade de fase radiano. A razão principal para isto é que a unidade radiano é compatível com as operações matemáticas de diferenciação e integração usadas, freqüentemente, na análise científica das propriedades das correntes 49 e tensões em circuitos elétricos. Radiano é igual à divisão do comprimento de um arco de uma circunferência pelo raio dessa circunferência. As tabelas 6-1.a e 6-1.b mostram, as correspondências, em radiano, para diversos valores, em grau, da fase θ . Para qualquer outro valor, de ângulo em graus, a conversão para radiano pode ser determinada pela fórmula: 180 0 piθθ ×=rd Tabela 6-1.a Grau 0 30 45 60 90 120 135 150 180 Radiano 0 6 pi 4 pi 3 pi 2 pi 3 2 pi 4 3pi 5 6 pi pi Tabela 6-1.b Grau 210 225 240 270 300 315 330 360 Radiano 7 6 pi 5 4 pi 4 3 pi 3 2 pi 3 5 pi 4 7 pi 6 11pi pi2 Poderíamos dizer, por exemplo, que quando a fase é 6 pi rd (30 graus), o valor do seno é 0,5 e o coseno vale 0,866. Mais uma vez, observando a fig. 6-8, notamos que um período do seno ou do coseno corresponde a uma variação de fase de 360 graus ou pi2 radianos. Tensões e correntes alternadas As tensões e correntes alternadas tanto podem ser representadas, matematicamente, pela função seno ou pela função coseno. Entretanto, principalmente na eletrônica, usa-se, por convenção, a função coseno. Sinais elétricos alternados Os sinais elétricos alternados são função da grandeza tempo em vez da grandeza ângulo. Para expressá-los matematicamente é necessário fazer a correspondência entre tempo e ângulo. A fig. 6-9 fornece a ferramenta para determinar essa correspondência. Podemos notar que um período do sinal, de T segundos , corresponde ao ângulo de pi2 radianos. Um tempo t arbitrário corresponderá a um específico ângulo θ , que pode ser calculado pela regra de três: segT ⇒ rdpi2 segt ⇒ rdθ Resulta: 50 segt segT rd rd ×= piθ 2 ou, simplesmente, t T ×= piθ 2 6-6 Na expressão 6-6, as grandezas t e T devem ser dadas em segundos. O ângulo θ é obtido na unidade radiano. (a) 2 T 4 T 8 3T T 8 5 T 4 3T 8 7 T8 T t ( )tS 0 1,0 0,707 0,0 -1,0 θ ][ radianos 4 pi pi2 4 7 pi - 0,707 ângulo 2 pi 4 3pi 4 5 pi 2 3pi θcos pi 0 1,0 0,707 0,0 -1,0 - 0,707 [segundos tempo (b) Fig. 6-9 Podemos concluir que função mostrada na fig. 6-9.b obedece a expressão matemática: ( ) t T tS pi2cos= 6-7 Fase do sinal alternado 51 É o valor do ângulo θ em um determinado instante t. ---------------------------------------------------------------------------------------- Exercício 6-2 No sinal representado na fig. 6-9.b, tem-se T = 2 s. a) Determinar a fase no instante t = 0,25 s. b) Determinar o valor de S(t) naquele instante. Solução: a) Pela expressão 6-6, tem-se: t T ×= piθ 2 = rd785,025,025,0 2 2 ==× pi pi b) Pela expressão 6-7 tem-se: ( ) t T tS pi2cos= ( )rd785,0coscos == θ = 0,707 -------------------------------------------------------------------------------------- Freqüência do sinal alternado Vimos que a freqüência de um sinal alternado é a quantidade de períodos que acontece a cada segundo. O valor dessa freqüência é igual ao inverso do valor do período. Por exemplo: Se o período for igual a um milésimo de segundo, significa que em um segundo estão presentes 1000 períodos. Neste caso: Período: T = 0,001 seg Freqüência: 1000 001,0 1 ==f períodos por segundo ou f = 1000 ciclos por segundo ou f = 1000 Hertz Portanto: T f 1= 6-8 Neste caso, a expressão 6-7 toma a forma: ( ) fttS pi2cos= 6-9 52 Freqüência angular A fig. 6-7.a mostra que um ciclo corresponde a uma variação angular de pi2 radianos. Portanto, em nosso exemplo, poderíamos dizer que a freqüência angular é 10002 ×pi radianos por segundo O símbolo matemático que representa a freqüência angular, é a letra grega ω (ômega). Portanto:
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