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1 UNIVERSIDADE PAULISTA ICET – INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA CURSO: ENGENHARIA ELÉTRICA - ELETRÔNICA DISCIPLINA: CIRCUITOS ELÉTRICOS PROFº: ADEMIR A. SANTOS Parte 1 BIPOLOS ELÉTRICOS CIRCUITOS ELÉTRICOS SÃO PAULO, 2014 2 SUMÁRIO 1 – Introdução Bipolos Elétricos, Tensão e Potência 3 2 - Circuito Elétrico 5 3 – Geradores e Receptores 9 3.1 – Geradores de Tensão 10 3.2 – Associação de Geradores 13 3.3 – Máxima Transferência de Potência 15 4 – Leis Gerais dos Circuitos 18 4.1 – Lei de Ohm generalizada 18 4.2 – Leis de Kirchhoff 25 4.3 - Método da Superposição 29 4.4 - Método de Thévenin 32 4.5 - Método de Norton 35 3 1 – Introdução Bipolos Elétricos, Tensão e Potência Um bipolo elétrico é um dispositivo com dois terminais acessíveis através dos quais pode fluir uma corrente elétrica e que interligados a outros bipolos formarão um circuito elétrico. Em qualquer instante a corrente que entra por um dos terminais deve ser igual a que sai pelo outro terminal. Considere um bipolo que é atravessado por uma corrente i(t). Durante o intervalo de tempo dt o bipolo é atravessado pela carga elétrica dq(t) = i(t) dt . (1) A passagem desta carga transfere para o bipolo uma energia dw, relacionada à carga por: dw(t) = v(t) dq(t) . (2) A grandeza v(t) é a tensão elétrica ou voltagem entre os terminais do bipolo: v(t) = dw(t) / dq(t) volts. (3) A Eq. (3) mostra que 1 volt = 1 Joule/Coulomb . Então a voltagem ou diferença de potencial é a energia necessária para mover uma carga unitária em um percurso, medida em volts (V). Ou simplesmente: é o trabalho necessário para mover uma carga unitária ao longo de um percurso. I(t) I(t) 4 A tensão é medida por meio de voltímetros , constituído por um aparelho indicador e dois fios condutores (pontas de prova) que o interligam aos terminais do bipolo. Os terminais do voltímetro não são intercambiáveis, devendo ser distinguidos pelas marcas “+” e “-”. Se num dado instante a indicação do aparelho for positiva, podemos afirmar que o terminal “+” está a um potencial mais elevado que o terminal “-”. Um voltímetro ideal não altera o comportamento dos circuitos em que for ligado. Por outro lado, os voltímetros reais sempre modificam o circuito em que forem ligados. Cabe ao usuário certificar-se que essa modificação é desprezível. Duas variáveis elétricas foram associadas aos dipolos: tensão e corrente. Ao medir essas grandezas podemos associar o amperímetro e o voltímetro de duas maneiras distintas, como indicado pelas figuras a seguir. 5 2 - Circuito Elétrico Podemos definir um circuito elétrico como sendo o caminho fechado por onde circula a corrente elétrica conforme figura abaixo: Com o objetivo de criar efeitos desejados, tais como calor, luz, som, os circuitos elétricos podem assumir as mais diversas formas. O mais simples circuito elétrico que se pode montar será constituído necessariamente de 3 componentes: Fonte Geradora – para existência da corrente elétrica todo circuito necessita de uma fonte geradora que forneça um valor de tensão. Carga – é o componente do circuito responsável pela transformação da energia elétrica fornecida pela fonte geradora em outra forma de energia ( mecânica, luminosa, térmica ), também denominada de receptor ou consumidor de energia elétrica. Como exemplo de cargas temos: - Motor – transforma energia elétrica em mecânica (visualizada pelo movimento do eixo). - Lâmpada - transforma energia elétrica em luminosa (e térmica pois também produz calor). - Micro System – transforma energia elétrica em sonora. Condutores - estes constituem o elo de ligação entre a fonte geradora e a carga, são o meio de transporte para a corrente elétrica. 6 Abaixo temos o exemplo de um circuito elétrico simples formado pelos 3 componente citados anteriormente. Quando conectamos uma carga, (lâmpada ), a uma fonte geradora, (pilha), por meio de condutores temos um circuito elétrico. Abaixo temos este circuito, assim como a representação do comportamento dos elétrons em excesso no pólo negativo da pilha movimentam-se através do condutor e do filamento da lâmpada, em direção ao pólo positivo da pilha. A lâmpada se manterá acessa enquanto a pilha tiver condições de manter um excesso de elétrons no pólo negativo e uma falta de elétrons no pólo positivo. Simbologia de componentes utilizados em circuitos elétricos 7 Não é comum, nem tão pouco conveniente desenhar os componentes em sua forma real, a cada vez que desenhamos um circuito elétrico. Por esta razão criou-se a simbologia, de forma que cada componente é representado por um símbolo toda a vez que se tiver de desenhar um circuito elétrico. A representação gráfica de um circuito elétrico através da simbologia é denominada de “esquema “ou “diagrama elétrico “ Portanto o circuito elétrico de nosso exemplo anterior se apresenta conforme o esquema da figura abaixo. Existe ainda nos circuitos elétricos um outro componente adicional muito importante denominado Interruptor ou Chave . Os interruptores ou chaves são incluídos nos circuitos elétricos com a função de comandar o seu funcionamento. As figuras a seguir demonstram um circuito elétrico com este componente adicional e seu respectivo esquema. O sentido da corrente em um circuito elétrico 8 A eletricidade já era utilizada para iluminação, acionamento de motores e outras aplicações. Nesta época, antes de se compreender de forma mais científica a natureza do fluxo de elétrons, convencionou-se adotar que a corrente elétrica se constituía de um movimento de cargas elétricas que fluía do pólo positivo para o pólo negativo da fonte geradora. Com o aprofundamento dos estudos científicos se verificou, mais tarde, que nos condutores sólidos a corrente elétrica se constitui de elétrons em movimento do pólo negativo para o pólo positivo. Nos dias atuais algumas literaturas tratam as informações sobre o sentido da corrente elétrica adotando o sentido convencional, enquanto outros autores preferem adotar o sentido real ou sentido eletrônico. Chamamos de bons condutores quanto mais baixa for sua resistência elétrica. Os materiais isolantes apresentam poucos elétrons livres. 9 3 – Geradores e Receptores Quando iniciamos nosso estudo sobre circuitos elétricos, precisamos conhecer o comportamento dos elementos que compõem este circuito, assim como algumas leis aplicadas aos circuitos ,que nos ajudarão a entender o comportamento da tensão e da corrente elétrica no circuito elétrico. Gerador Elétrico - é o aparelho que realiza a transformação de uma forma de energia qualquer em energia elétrica e fornece esta energia ao circuito que estiver acoplado a ele. Nestes circuitos temos as forças eletromotrizes ( F.E.M ) Abaixo temos alguns exemplos de geradores: Receptor Elétrico - são aparelhos capazes de receber a energia elétrica e transformá-la em outras formas de energia que não seja exclusivamente a energia térmica, ligados a um circuito onde exista um ou mais geradores. Nestes circuitos temos as forças contra - eletromotrizes( F.C.E.M ) A seguir temos alguns exemplos de receptores: 10 3.1 – Geradores de Tensão A finalidade principal dos geradores é de fornecer energia a qualquer equipamento. Suas principais características estão em: - Tensão de fornecimento - Resistência interna Vamos entender o que vem a ser a resistência interna de um gerador. As pilhas são ótimos exemplos de geradores e as conclusões e considerações sobre elas, serve para qualquer tipo de gerador de tensão. As pilhas constituem-se em 3 partes básicas, ( eletrólito, placas e terminais ) , sendo que cada uma destas partes apresenta uma resistência elétrica. Veja figura abaixo: Desta forma uma pilha pode ser representada como uma fonte de tensão em série com as resistências dos elementos, a soma destas resistências é denominada de resistência interna 11 Esta resistência interna causa um efeito na tensão de saída do gerador. Vamos estudar este efeito melhor. As pilhas geram internamente uma força eletromotriz, possuem uma resistência interna e tem a capacidade de fornecer corrente elétrica ao circuito. Quando a pilha esta desligada do circuito, conseqüentemente não existe corrente elétrica no circuito, nem queda de tensão na resistência interna, logo ao conectarmos o voltímetro aos terminais da pilha este estará indicando o valor da força eletromotriz gerada E, veja fig abaixo: 12 Quando conectamos uma carga aos terminais das pilhas ocorrerá a circulação de corrente elétrica no circuito e por conseqüência na resistência interna, provocando nesta resistência uma queda de tensão VRi = Ri x I. Logo a tensão presente nos terminais de uma pilha é igual a força eletromotriz gerada menos a queda de tensão em sua resistência interna. A letra E representa a tensão de saída do gerador quando não houver carga ligada A letra V representa a tensão de saída do gerador quando houver carga ligada (fornecendo corrente). É comum ouvir dizer que acabou a força da pilha , quando por exemplo não conseguimos mais escutar música no rádio, porém na verdade a força eletromotriz gerada pela pilha não diminui, o que ocorre e um aumento da resistência interna da pilha em função do desgaste de seus elementos químicos. Vri é a queda de tensão que ocorre no interior da pilha quando esta fornece corrente elétrica à carga. Portanto é bom saber que a diminuição da tensão de uma pilha com carga ao longo do tempo deve-se ao aumento de sua resistência interna. V = E – VRi 13 3.2 – Associação de Geradores Consiste em associar 2 ou mais geradores em série ou em paralelo. Estas associações permite obter maiores níveis de tensão ou de fornecimento de corrente elétrica. Veja as associações abaixo: Associação Série de Geradores Quando necessitamos alimentar um circuito com uma tensão maior do que a fornecida por uma pilha , associamos várias pilhas em série para fornecer esta tensão desejada. Quando ligamos as pilhas em série, a força eletromotriz da associação será a somatória das forças eletromotrizes de cada pilha. Et = E1 + E2 + E3 + E4 Para haver a soma das forças eletromotrizes é necessário que o pólo positivo de uma pilha esteja ligado ao pólo negativo da pilha imediatamente seguinte. Portanto desta forma poderemos obter vários níveis de tensão, 3, 4,5, 6, 9V, permitindo alimentar circuitos como por exemplo rádios portáteis , lanternas, brinquedos eletrônicos. Quanto a corrente elétrica a capacidade deste tipo de associação é a mesma de uma pilha, pois a força eletromotriz total é igual a soma das forças eletromotrizes individuais e a resistência interna total é a soma das resistências individuais . A figura ao lado mostra a associação de 4 pilhas em série 14 Como quadro resumo das características de uma associação série de geradores temos: Associação Paralela de Geradores Quando necessitamos alimentar um circuito que requer maior capacidade de fornecimento de corrente elétrica, associamos várias pilhas em paralelo para fornecer esta corrente desejada, tomando o cuidado de conectar todos os pólos positivos entre si e todos os pólos negativos. Quando ligamos as pilhas em paralelo, a força eletromotriz da associação será igual a força eletromotriz de cada pilha. Et = E1 = E2 = E3 Só será permitido associar geradores em paralelo com a mesma força eletromotriz. A resistência interna total neste tipo de associação será sempre menor que a menor das resistências internas . Pois teremos : - o pólo positivo de um gerador deve ser ligado ao pólo negativo do gerador imediatamente seguinte. - a força eletromotriz total é igual a soma das forças eletromotrizes individuais. - a resistência interna total é igual a soma das resistências internas individuais. - a capacidade de fornecer corrente é a mesma que cada elemento pode fornecer individualmente. A figura ao lado mostra a associação de 3 pilhas em paralelo 15 Quanto a corrente elétrica a capacidade deste tipo de associação é a soma da corrente elétrica que cada pilha pode fornecer , a capacidade aumenta através da soma das capacidades individuais. Como quadro resumo das características de uma associação paralela de geradores temos: 3.3 – Máxima Transferência de Potência Em princípio quando conectamos uma carga a um gerador , desejamos que toda a energia fornecida pelo gerador fosse transformada em trabalho útil na carga, porém na prática isso não é possível pois existe as perdas internas do gerador decorrente de sua resistência interna. Perdas de Potência no Interior do gerador Quando conectamos uma carga ao gerador , este fornece uma corrente que circulará por sua resistência interna e pela carga. A corrente que passa por sua resistência interna provoca uma dissipação de potência em forma de calor e esta potência terá seu valor expresso conforme fórmula a seguir: - o pólo positivo de um gerador deve ser ligado ao pólo positivo do outro gerador. - o pólo negativo de um gerador deve ser ligado ao pólo negativo do outro gerador - a força eletromotriz da associação é igual a força eletromotriz de um dos geradores. - a resistência interna total é menor que a menor das resistências internas individuais. - a capacidade de fornecer corrente é igual a soma das capacidades individuais. 16 Potência desenvolvida na carga A mesma corrente que passa na resistência interna passará pela resistência de carga, provocando nesta uma dissipação de potência . As expressões utilizadas para determinar esta potência, assim como a corrente elétrica estão deduzidas a seguir: Este trabalho, energia dissipada sob forma de calor no interior do gerador não é transferida para o exterior, caracterizando-se como PERDAS. A potência dissipada na carga é desenvolvida no exterior do gerador , resultando em trabalho útil 17 Das equações acima podemos deduzir que a potência de carga depende em grande parte da resistência de carga. Potência máxima desenvolvida na carga A seguir veremos um exemplo onde poderemos observar onde se dá a máxima transferênciade potência do gerador para a carga . Esta potência na carga será a máxima quando o produto I 2 x R for máximo. Vamos ao exemplo: Para se obter a máxima transferência de potência de gerador de 12V e resistência interna de 100 Ω para a carga , qual deve ser o valor resistência da carga ? Para o exemplo foi montada uma tabela conforme abaixo e foram obtidos os seguintes valores : 18 Analisando a tabela podemos concluir que a medida que aumentávamos o valor da resistência de carga , a potência na carga também aumentava, isto ocorre até que o valor da resistência de carga se iguala a resistência interna do gerador , a partir deste momento quando a resistência de carga se torna maior que a resistência interna do gerador, a potência na carga começa a diminuir. 4 – Leis Gerais dos Circuitos 4.1 – Lei de Ohm generalizada Esta lei já vista se aplicava apenas a resistores; recordando , se um resistor de resistência R é percorrido por uma corrente de intensidade I no sentido de A para B, então a (d.d.p) entre A e B vale: Evidentemente alguns circuitos não são formados apenas por resistores. Alguns circuitos podem ter no trecho citado acima entre A e B, além de resistores, um gerador, um receptor, respectivamente com suas ( F.E.M, E, r ) e ( F.C.E.M, E”, r” ), logo a expressão UA – UB = R x i , não pode ser aplicada . Abaixo temos o exemplo de um circuito com estas características: Portanto a máxima transferência de potência se dá quando a resistência de carga é igual a resistência interna do gerador. Observa-se ainda que neste momento a tensão na resistência de carga é a metade da tensão do gerador. 19 Analisando o trecho A e B do circuito acima temos: UA – UB = ( UA – UM ) + ( UM - UN ) + ( UN – UB ) donde tem – se : UA – UB = (R x i ) + ( r x i - E ) + ( E” + r” x i ) donde tem – se : Receptor Gerador Resistor UN - UM = E – r x i UM - UN = r x i – E Reunindo os termos semelhantes temos: Independente o número de resistores, geradores e receptores, ligados em série e presentes entre os pontos entre A e B , esta lei pode ser aplicada e assim enunciada: Os resistores como os receptores recebem energia elétrica do circuito, logo devem ser subtraídos, eles contribuem para o aumento da d.d.p . Os geradores pelo contrário, aliviam a tarefa de manter uma d.d.p elevada entre os terminais do circuito para proporcionar passagem da corrente elétrica, e então suas F.E.M devem ser subtraídas no cálculo da d.d.p. Veja os exemplos a seguir: Seja o trecho AB , percorrido por correntes de intensidade : A ) 8 A ; B ) 1 A e C ) 3 A, aplicando a lei de Ohm generalizada ao circuito, calcule as d.d.p UA – UB = ( R + r + r” ) x i + E” - E A d.d.p entre dois pontos é dada pela soma dos produtos de todas as resistências no trecho pela intensidade de corrente , mais a soma das F.C.E.M dos receptores e menos a soma das F.E.M dos geradores no trecho. 20 A soma das resistências no trecho vale: R = 7Ω + 2 Ω + 1Ω = 10 Ω. A F.E.M = 40V e F.C.E.M = 10V A ) i = 8 A UA – UB = 10 x 8 + 10 – 40 = 50 V B ) i = 1 A UA – UB = 10 x 1 + 10 – 40 = - 20 V C ) i = 3 A UA – UB = 10 x 3 + 10 – 40 = 0 V Dos exemplos acima podemos concluir que: No caso A, para mantermos a corrente elétrica de 8 A, é necessário que se gaste energia, conseguindo fazer com que o potencial de A fique 50V acima do ponto B No caso B, ao contrário resulta numa d.d.p negativa, isto indica que no trecho AB, está cedendo energia para o resto do circuito: uma carga positiva entrando em A sai por B a um potencial 20 vezes maior, e a energia resultante é cedida ao resto do circuito. No caso C, o trecho AB não troca energia com o resto do circuito, pois a d.d.p = 0 e uma carga sai por B ao mesmo potencial que entrou em A. 21 EXERCÏCIOS DE FIXAÇÃO 22 Convém agora estudarmos circuitos mais complexos, compostos de diversos trechos como segue abaixo , ao qual denominamos de “ramo”. Cada ramo do circuito entre os pontos A e B, está associado a uma d.d.p e a uma corrente i . De um modo geral o problema consiste em determinar as correntes nos ramos conhecendo as resistências dos resistores, as F.E.M dos geradores e as F.C.E.M dos receptores . Para enunciarmos as leis para estes circuitos é necessário introduzir duas idéias geométricas acerca dos respectivos esquemas. São idéias de Nó e Malha. Nó é o ponto onde se interseccionam três ou mais ramos do circuito: Se representarmos cada ramo do circuito, por um segmento “malha “, será toda poligonal fechada formada por ramos do circuito: 23 No circuito da figura abaixo existem 2 Nós : ( N e R ) e 3 Malhas ( MNRS, NPQR, MPQS ). Em relação a um Nó as correntes elétricas podem dirigir para ele ou podem afastar-se dele. Cada Malha do circuito deve ser orientada quanto ao sentido da corrente elétrica . Escolhemos um sentido aleatório para percorrer toda a malha. As correntes nos diversos ramos podem ter ou não o mesmo sentido da corrente escolhida para a malha , ficando bem definido então que a corrente do ramo pode ter o mesmo sentido da corrente da malha ou oposto e este. 24 EXERCÏCIOS DE FIXAÇÃO 25 4.2 – Leis de Kirchhoff Existem duas leis dos circuitos elétricos definidas por Kirchhoff, que simplificam muito a resolução dos circuitos: 1ª Lei dos Nós Aplicando o enunciado na lei a figura acima temos: i1 + i3 = i2 + i4 + i5 2ª Lei das Malhas A convenção dos sinais pode ser resumida: Têrmo R x i positivo: sentido de i = sentido da malha negativo: sentido de i = oposto ao da malha Têrmo E positivo: ao percorrer a malha, chega-se ao polo + negativo: ao percorrer a malha, chega-se ao polo – 26 Veja o exemplo abaixo : EXERCÏCIOS DE FIXAÇÃO a) 27 b) c) 28 29 4.3 - Método da Superposição O método da superposição é utilizado somente quando existem mais de um gerador de tensão e/ou corrente no circuito e quando ele é composto apenas por bipolos lineares (resistências, geradores de tensão e geradoresde corrente). Este método está baseado no teorema da superposição de efeitos. Teorema da Superposição de Efeitos - o efeito causado por vários geradores num determinado ramo ou bipolo de um circuito é igual à soma algébrica dos efeitos causados por cada gerador individualmente, quando eliminados os efeitos dos demais. Para se eliminar o efeito (tensão ou corrente) que os geradores causam num bipolo, eles devem ser curto-circuitados (geradores de tensão) ou permanecerem em aberto (geradores de corrente). Embora a análise do circuito seja simples por envolver apenas um gerador de cada vez, ela é trabalhosa por ter que ser repetida várias vezes (igual ao número de geradores envolvidos). Tomaremos como exemplo o circuito abaixo sobre o qual aplicaremos primeiramente o método de Kirchhoff, previamente abordado, e posteriormente aplicaremos o método da superposição. De posse dos resultados discorreremos sobre os mesmos fazendo uma analogia entre os dois métodos aplicados. Relembrando, o método de Kirchhoff trabalha com equações matemáticas estruturadas. Por ser um método matemático, ele torna possível o uso da computação para a resolução de circuitos elétricos. Este método envolve duas regras baseadas nas Leis de Kirchhoff. Regras para o Método de Análise por Kirchhoff 1ª) Adota-se um sentido arbitrário para as correntes nos diversos ramos do circuito e orientam-se as tensões nos bipolos, conforme as suas naturezas (geradores ou receptores); 2ª) Aplica-se a Primeira Lei de Kirchhoff aos nós e a Segunda Lei de Kirchhoff às malhas internas do circuito. Da aplicação dessas regras, chega-se ao sistema de equações que determinará o valor das 30 incógnitas (tensões e correntes). OBSERVAÇÕES: • A solução de um sistema de equações só é possível quando o número de equações é, no mínimo, igual ao número de incógnitas. • Nos circuitos elétricos, o total de equações tiradas dos nós e das malhas é sempre maior que o número de incógnitas, portanto, devem ser utilizadas todas as equações das malhas internas e as equações dos nós necessárias para completar o sistema. Sobre o Sentido das Correntes: • Como o sentido das correntes é escolhido arbitrariamente, um resultado negativo de corrente significa que o sentido adotado inicialmente estava invertido, devendo-se corrigir no circuito o sentido das tensões afetadas. Exemplo: Determinar todas as tensões e correntes do circuito a seguir pelo método de Kirchhoff e posteriormente determinar as correntes I1,I2e I3 pelo método da Superposição. 31 32 4.4 - Método de Thévenin O método de Thévenin é utilizado quando se deseja conhecer a tensão e a corrente num determinado bipolo do circuito, sem a necessidade de calcular as tensões e correntes nos demais bipolos, conforme segue: Teorema de Thévenin - Num circuito formado apenas por bipolos lineares, todos os resistores e geradores que envolvem um determinado bipolo, podem ser substituídos por um gerador de tensão denominado gerador equivalente de Thévenin, composto por ETh e RTh onde: RTh => Resistência Equivalente de Thévenin: é a resistência equivalente vista pelo bipolo de interesse, curto-circuitando-se todos os geradores de tensão e abrindo-se todos os geradores de corrente. ETh => Tensão Equivalente de Thévenin: é a tensão em aberto (em vazio) entre os pontos onde se localiza o bipolo de interesse, devido a todos os demais bipolos do circuito. Como se vê, o circuito elétrico resultante resume-se a um gerador de tensão alimentando o bipolo de interesse, facilitando o cálculo de sua tensão e corrente. Vamos aplicar o método de Thévenin para determinarmos a tensão e a corrente no resistor R3 para o circuito a seguir: 33 34 35 4.5 - Método de Norton Este método é bastante similar ao de Thévenin e também é utilizado quando se deseja conhecer a tensão e a corrente num determinado bipolo do circuito, sem a necessidade de calcular as tensões e correntes nos demais bipolos. Teorema de Norton - num circuito formado apenas por bipolos lineares, todos os resistores e geradores que envolvem um determinado bipolo, podem ser substituídos por um gerador de corrente denominado gerador equivalente de Norton, composto por IN e RN, onde: RN => Resistência Equivalente de Norton: é a resistência equivalente vista pelo bipolo de interesse, curto-circuitando-se todos os geradores de tensão e abrindo-se todos os geradores de corrente. IN => Corrente Equivalente de Norton: é a corrente de curto-circuito entre os pontos onde se localiza o bipolo de interesse, devido a todos os demais bipolos do circuito. Os geradores de Norton e Thevenin são equivalentes entre si, portanto valem as seguintes relações: 36 Exercício: Através do método de Norton determinar a tensão e a corrente no resistor R4. 37
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