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A Lei de Ohm e a Lei de Kirchhoff A.L.F. Sobral – RU 1398300 Centro Universitário Uninter PAP – Pq. Explanada III. – CEP: 72876 - 341 – Valparaiso de Goiás – Goiás - Brasil e-mail: andre.sobral@hotmail.com Resumo O movimento ordenado de portadores de cargas elétricas denomina-se corrente elétrica que ao ser percorrida em uma determinada trajetória, através de condutores ou semicondutores nos coloca diante do conceito conhecido como circuito elétrico. No entanto alguns fatores interferem na livre circulação da corrente elétrica devido a obstáculos oferecidos aos movimentos das cargas. O controle da intensidade de corrente elétrica pode ser adquirido através de resistores que são componentes projetados para oferecerem proposital dificuldade ou como o próprio nome sugere, resistência a passagem da corrente elétrica. Desta forma a associação de resistores requer um estudo baseado em leis cientificamente comprovadas. Palavras chave: Corrente elétrica, Resistência elétrica, Circuito elétrico, Lei dos nós, Lei das malhas. 1-Introdução A disposição básica de um circuito elétrico pode ser entendida inicialmente através de três definições a saber. Diferença de potencial - Força capaz de produzir o deslocamento das cargas elétricas orientando o movimento destas. Fig. 1: Analogia entre um circuito hidráulico e um circuito elétrico. Vemos através da ilustração (fig.1), que a diferença de potencial elétrico se compara a um circuito hidráulico onde o movimento da agua está relacionada a força gravitacional devido a diferença de pressão no sistema. Em um circuito elétrico o potencial elétrico é a força elétrica cuja a unidade é o Volt representado matematicamente pela letra V. Resistência Elétrica – Componente do circuito elétrico que provoca dificuldade a livre passagem das cargas elétricas comparando com um circuito hidráulico proposto na fig.1, vemos que a intensidade da corrente liquida pode ser controlada por meio de uma válvula que controla a vazão. Análogo ao circuito hidráulico podemos controlar a corrente elétrica de forma linear com o uso de resistências elétricas variáveis (potenciômetros) ou através de associações de resistências que combinadas, apresentam valores que se refletem o grau de dificuldade a passagem da corrente, conhecido como resistência ôhmica, cuja a unidade é o ohm representado pela letra grega ômega (Ω) e matematicamente pela letra R. Corrente Elétrica – Finalmente vemos que a corrente elétrica está associada a força que a impulsiona, porém, sua intensidade está condicionada também a resistência oferecida a sua passagem. Diante destas premissas básicas temos que a corrente elétrica está relacionada diretamente ao potencial elétrico aplicado ao circuito e relacionada inversamente a resistência oferecida a sua passagem. Tais proposições são definidas pela Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador, o físico alemão Georg Simon Ohm (1789-1854). Matematicamente vemos que a corrente elétrica é diretamente proporcional ao potencial elétrico (também designado por tensão elétrica ou força eletromotriz – fem.) e inversamente proporcional a resistência elétrica. Estas proposições físicas definem a formula da 1ª Lei de Ohm como sendo: Fig. 2: Formula da 1ª Lei de Ohm. Onde I é a corrente elétrica cuja unidade é o Ampere (A); V é o potencial elétrico sendo sua unidade o Volt (V) e finalmente o R a resistência elétrica sendo sua unidade de medida o ohm (R). Após os conceitos sobre a Lei de Ohm, veremos algumas experiências sobre o comportamento da corrente elétrica ao passar por resistências (ou resistores), que serão associadas em serie e em paralelo ou de forma mista afim de se obter valores distintos de resistências e consequentemente valores diferenciados nas correntes lidas dos circuitos elétricos propostos. Fig. 3: Associação Serie de Resistores. Fig. 4: Associação Paralela de Resistores. Fig. 5: Associação Mista de Resistores. Através do Software MultiSIM Blue veremos as análises nos respectivos experimentos contendo circuitos elétricos nos experimentos de 1 a 5. 2-Procedimento Experimental Nº 01 – LEI DE OHM Ohm, a partir de suas medidas experimentais, chegou à conclusão de que todos os materiais sujeitos a uma diferença de potencial apresentam uma resistência de valor constante à passagem da corrente elétrica. Desta forma, temos a formulação da 1ª Lei de Ohm, onde vemos que em uma resistência elétrica constante, a intensidade da corrente elétrica cresce proporcionalmente ao valor da tensão aplicada, conforme a expressão vista na Fig. 2. Graficamente, para resistores ôhmicos, a primeira Lei de Ohm mostra: Fig. 6: Gráfico da Lei de Ohm para Resistores. O coeficiente angular do gráfico acima, dado por U/i resulta na resistência elétrica, constante para qualquer diferença de potencial. Existe um limite a ser considerado para esta, que é denominada a primeira lei de Ohm. Para tensões muito altas, a resistência acaba não tendo um comportamento linear. Dentro do limite em que a lei de Ohm é válida, ela tem a seguinte forma: “A resistência de um objeto é independente da intensidade ou do sinal da diferença de potencial aplicada” A segunda forma, conhecida como 2ª Lei de Ohm, relaciona a resistência elétrica com as dimensões do objeto e as características do material de que ele é composto. Um material de resistividade ρ, dimensões cilíndricas de comprimento l e área de seção transversal reta S mostrado na figura abaixo. Fig. 7: Relação da resistência com as dimensões do material Análises, concluiram que a resistividade de cada material é constante para qualquer campo elétrico aplicado, e desta forma, poderia obter uma expressão para determinar a resistência elétrica. Esta propriedade, segundo Ohm, é diretamente proporcional à resistividade do material, ao comprimento e inversamente proporcional à área de seção transversal reta do respectivo objeto, e é enunciada como segue: “A resistividade (ou condutividade) de um material é independente da intensidade, direção e sentido do campo elétrico”. Matematicamente, assume a forma: R =ρ.l/S Apenas esta última expressão acima é verdadeiramente condizente com o enunciado da lei de Ohm. Esta lei é válida para certas faixas de temperaturas e de campo elétrico aplicados. Desta forma, os resistores são considerados ôhmicos porque obedecem à lei de Ohm dentro dos limites de tensão aplicados no local do circuito ao qual compõe. Alguns dispositivos à base de semicondutores, como diodos e transistores não são ôhmicos. (HALLIDAY - 2007). Fig. 8: Experiência Nº1 c/ MultiSIM – Lei de Ohm. I Fig. 9: Experiência Nº1 – Valor lido através do MultiSIM Blue (Fig.8). Fig. 10: Experiência Nº1 c/ MultiSIM – Lei de Ohm. Fig. 11: Experiência Nº1 – Valor lido através do MultiSIM Blue (Fig.10). Fig. 12: Experiência Nº1 c/ MultiSIM – Lei de Ohm Fig. 13: Experiência Nº1 – Valor lido através do MultiSIM Blue (Fig.12). Fig. 14: Experiência Nº1 c/ MultiSIM – Lei de Ohm Fig. 15: Experiência Nº1 – Valor lido através do MultiSIM Blue (Fig.14). I (A) V1 (V) R1 (Ω) A Teórica Calculada B Simuladano MultiSIM Blue Fig. 5 10k 500µA 500µA 9 15 10k 1,5mA 1,5mA 11 5 680k 7,352µA 7,35µA 13 15 680k 22,059µA 22,05µA 15 Fig. 16: Tabela da Experiência Nº1 3-Procedimento Experimental Nº 02 – DIVISOR DE TENSÃO Casos mais complexos, para calcular as intensidades de correntes recorremos a alguns procedimentos – definidos pelo físico alemão Gustav Robert Kirchhoff – que denominamos de Regras de Kirchhoff. Nós – são pontos em um circuito elétrico nos quais as correntes se dividem ou se juntam. Malhas – é um percurso fechado qualquer, em um circuito. Segunda regra de Kirchhoff – Regra das Malhas Fazendo-se um percurso fechado qualquer em um circuito, a soma algébrica das variações de potencial deve ser nula. Em um percurso fechado, a energia recebida pelas cargas (nos geradores) é igual à energia perdida (nos resistores e nos receptores). Nestes experimentos, foram analisados os comportamentos de circuitos em série. Os experimentos com a utilização do software MultiSIM Blue, foram: Fig. 17: Experiência Nº2 c/ MultiSIM – Divisor de Tensão Fig. 18 Fig. 19 Fig. 20 Fig.21 Fig. 22: Experiência Nº2 c/ MultiSIM – Divisor de Tensão Fig. 23 Fig. 24 Fig. 25 Fig. 26 Fig. 27: Experiência Nº2 c/ MultiSIM – Divisor de Tensão Fig. 28 Fig. 29 Fig. 30 Fig. 31 Fig. 32: Experiência Nº2 c/ MultiSIM – Divisor de Tensão Fig. 33 Fig. 34 Fig. 35 Fig. 36 Valores coletados no experimento V1 (V) VR1 (V) VR2 (V) VR3 (V) I (A) Fig. 1 100 mV 220 mV 679 mV 100 µA 18; 19; 20; 21. 5 500 mV 1,1V 3,4V 500 µA 23; 24; 25; 26. 15 1,5V 3,3V 10,2 V 1,5 mA 28; 29; 30; 31. 20 2,0V 4,4V 13,6 V 2mA 33; 34; 35; 36. Fig. 37: Tabela da Experiência Nº2 4-Procedimento Experimental Nº 03 – DIVISOR DE CORRENTE Primeira regra de Kirchhoff – Regra dos Nós Em um nó, a soma das correntes que chegam é igual à soma das correntes que saem. Nestes experimentos, foram analisados os comportamentos de circuitos em paralelo. Os experimentos com a utilização do software MultiSIM Blue, foram: Fig. 38: Experiência Nº3 c/ MultiSIM – Divisor de Corrente. Fig. 39 Fig. 40 Fig. 41 Fig. 42: Experiência Nº3 c/ MultiSIM – Divisor de Corrente. Fig. 43 Fig. 44 Fig. 45 Fig. 46: Experiência Nº3 c/ MultiSIM – Divisor de Corrente. Fig. 47 Fig. 48 Fig. 49 Fig. 50: Experiência Nº3 c/ MultiSIM – Divisor de Corrente. Fig. 51 Fig. 52 Fig. 53 Valores coletados no experimento V1 (V) IR1 (A) IR2 (A) IR3 (A) Fig. 1 1mA 454,5µA 147,1µA 39; 40; 41. 5 5mA 2,27mA 735,3µA 43; 44; 45 15 15mA 6,82mA 2,21mA 47; 48; 49 20 20mA 9,09mA 2,94mA 51; 52; 53 Fig. 54: Tabela da Experiência Nº3 5-Procedimento Experimental Nº 04 – FORMAS DE ONDA Componentes de um circuito eletrônico provocam características distintas ao serem percorridos por uma corrente elétrica. Nas experiências a seguir vemos por meio de análise de formas de ondas cujo o instrumento utilizado no Software MultiSIM Blue foi um osciloscópio. Relação entre corrente e tensão – Resistor Fig. 55: Tabela da Experiência Nº4 Vemos no experimento acima que ao utilizarmos uma fonte de tensão cuja a forma de onda é senoidal (senóide em vermelho da Fig.55), temos na corrente que percorre o resistor também uma senóide (em azul na Fig.55). Observamos que as formas de onda nas senóide estão em fase. Relação entre corrente e tensão – Capacitor Também chamado de condensador, o capacitor é um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e consequente energia elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material denominado dielétrico que se trata de uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. A utilização dos dielétricos tem por finalidade colocar as placas do condutor (placas) muito próximas sem o risco de que eles entrem em contato. Qualquer substância que for submetida a uma intensidade muito alta de campo elétrico pode ser tornar condutor, por esse motivo é que o dielétrico é mais utilizado do que o ar como substância isolante, pois se o ar for submetido a um campo elétrico muito alto ele acaba por se tornar condutor. Na experiência a seguir vemos por meio de análise de formas de ondas cujo o instrumento utilizado no Software MultiSIM Blue foi um osciloscópio, onde analisaremos a relação entre a corrente e a tensão que percorre um circuito formado por uma fonte de tensão alternada e cuja a carga é um capacitor. Fig. 56: Tabela da Experiência Nº4 Vemos no experimento acima que ao utilizarmos uma fonte de tensão cuja a forma de onda é senoidal (senóide em vermelho da Fig.56), temos na corrente que percorre o capacitor também uma senóide (em azul na Fig.56). Observamos que as formas de onda nas senóides estão defasadas onde temos a corrente adiantada em relação a tensão. Relação entre corrente e tensão – Indutor O indutor, também conhecido como solenoide ou bobina, é um componente elétrico capaz de armazenar energia em um campo magnético gerado pela corrente que o circula. Essa capacidade é chamada de indutância e é medida em Henrys (H). O indutor é composto por um fio condutor enrolado em forma de espiral. Cada volta da bobina é chamada de espira e a sua quantidade influencia diretamente na intensidade do campo magnético gerado. Indutores são amplamente utilizados em circuitos analógicos e em processamento de sinais. Juntamente com capacitores e outros componentes, formam circuitos ressonantes, os quais podem enfatizar ou atenuar frequências específicas. Na experiência a seguir vemos por meio de análise de formas de ondas cujo o instrumento utilizado no Software MultiSIM Blue foi um osciloscópio, onde analisaremos a relação entre a corrente e a tensão que percorre um circuito formado por uma fonte de tensão alternada e cuja a carga é um indutor. Fig. 57: Tabela da Experiência Nº4 No experimento da Fig.57, acima utilizamos uma fonte de tensão cuja a forma de onda é senoidal (senóide em vermelho da Fig.57), vemos na corrente que percorre o indutor também uma senóide (em azul na Fig.57). Observamos que as formas de onda nas senóides estão defasadas onde temos a corrente agora atrasada em relação a tensão diferentemente do que vimos no circuito utilizando um capacitor. Circuitos RC (Resistor / Capacitor)Na experiência a seguir vemos por meio de análise de formas de ondas cujo o instrumento utilizado no Software MultiSIM Blue também foi um osciloscópio, onde analisaremos a relação entre a tensão de uma fonte cuja a forma de onda é quadrada e o comportamento da tensão de um circuito RC formado pela associação serie de um resistor é um capacitor. Fig. 58: Tabela da Experiência Nº4 No experimento da Fig.58, acima utilizamos uma fonte de tensão cuja a forma de onda é quadrada (em vermelho Fig.58), vemos outra forma de onda em azul que representa o efeito de uma constante de tempo que ocorre no momento em que a tensão da fonte vai do instante 0 ao máximo em um intervalo de tempo praticamente instantâneo. No entanto devido a carga do capacitor que no experimento vemos que está condicionada ao resistor R1 da Fig.58, vemos que a variação da tensão ocorre em um intervalo de tempo maior. 6-Procedimento Experimental Nº 05 – ANÁLISE DE CIRCUITOS Leitura das tensões V1, V2 e a tensão equivalente de Thevenin (VTh) entre os nós A e B. Fig. 59: Tabela da Experiência Nº5 Medição da resistência equivalente de Thevenin (RTh) entre os nós A e B. Fig. 60: Tabela da Experiência Nº5 Medição das correntes de malhas e a corrente equivalente de Norton entre os terminais A e B. Fig. 61: Tabela da Experiência Nº5 Referências [1] HALLIDAY, David, Resnik Robert, Krane, Denneth S. Física 3, volume 2, 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. 384 p. [2] BISQUOLO, Paulo Augusto Resistência elétrica, resistividade e leis de Ohm. Disponível em: (http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700 u46.jhtm). [3] http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisic a/regras-kirchhoff.htm [4] http://www.eletronicadidatica.com.br/com ponentes
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