Unidade 4 Eletricidade Aplicada

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Circuitos Elétricos
Um circuito elétrico é uma coleção de elementos (resistores indutores, capacitores, geradores, etc.) interligados de maneira específica. Esses elementos elétricos possuem dois terminais:
Circuitos precisam ter no mínimo um percurso fechado (malha) para que haja passagem de corrente elétrica. Cada elemento do circuito possui quantidades associadas à ele. 
Corrente Elétrica
Chamamos de corrente elétrica, o movimento ordenado dos elétrons gerado uma diferença de potencial. Eles se movimentam com determinada direção e sentido. Outra definição da corrente elétrica é a quantidade de carga que atravessa uma seção transversal em um dado intervalo de tempo (I = Q / t). A unidade adotada para a intensidade da corrente no S.I. é o Ampère que representa a medida de carga (C) sobre a de tempo (s).
Noção quantitativa de d.d.p
A diferença de potencial entre dois condutores é a razão entre o trabalho para transportar uma carga elétrica positiva de um ponto A até outro B sobre a carga transportada, ou seja:
Va - Vb = Vab = T / q
Assim, a tensão sobre um elemento no circuito é o trabalho necessário para mover uma unidade de carga (1C) através de um terminal para o outro (ponto A para ponto B). Sua unidade no S.I. é o volt (V) que nada mais é que o número de Joules (trabalho) desenvolvido sobre carga (C). Representaremos a voltagem da seguinte forma:
Assim, o terminal A é v volts positivo em relação ao terminal B, com B não necessariamente sendo 0, mas de preferência sim. Quando os elétrons passam de A para B, temos uma queda de tensão. Quando ocorre o contrário, ocorre elevação de tensão. 
LEI DE OHM 
Imagine que você está em um show e pretende se aproximar do palco. Da mesma forma que você encontra dificuldade, esbarrando nas pessoas, os elétrons livres também colidem com átomos do condutor, quando estão se movimentando, perdendo uma parcela de sua energia cinética que é transformada em calor. Aplicar uma tensão faz com que eles recuperem sua energia cinética (velocidade), mas logo baterão de novo e reduzirão novamente. Isso ocorre de forma constante. 
 
Resistência elétrica: À dificuldade citada acima nós damos o nome de resistência elétrica. Quando aplicamos uma determinada tensão U em um condutor qualquer, é estabelecida nele uma corrente elétrica de intensidade I, como já vimos. Para a maior parte dos condutores estas grandezas são diretamente proporcionais (U α I), ou seja, se uma aumenta, a outra também aumenta. Assim, U / I = constante. À essa constante, chamamos de R (resistência). A mesma depende de fatores como a natureza do material. 
Sempre que essa relação for obedecida (proporcionalidade mantida linearmente), o condutor é ôhmico. No S.I, a unidade da resistência é o Ohm (Ω). Exemplo:
A tabela acima, responsável pela curva característica mostrada, nos mostra que o dipolo em estudo (resistor) apresenta uma característica linear (uma reta). Da característica temos que:
 
tg α = ∆V / ∆I (2.6)
 
em que ∆V representa qualquer intervalo de valores de tensão que variem de 0 V a 10 V, e ∆I representa qualquer intervalo de valores de corrente que variem de 0 mA a 100 mA. Veja que substituindo o valor de ∆V = 10 – 6 = 4V e o valor de ∆I = (100 – 60) x 10-3 = 40 x 10-3A = 40 mA, na equação (2.6), tem-se que tg α = 100 V/A. O valor de tg α é constante e igual a 100 V/A (100 Ω) ao longo dos intervalos de ∆V = [0V , 10V] e ∆I = [0 mA , 100 mA]; ele mede, ao longo desta variação de V & I, o valor quantitativo da resistência feita pelo resistor à passagem da corrente elétrica. Logo, é conveniente que se escreva tg α = R.
Nos condutores, a corrente é geralmente proporcional à tensão aplicada: dobrando-se a tensão, dobra-se a corrente; triplicando-se a tensão, triplica-se a corrente, e assim por diante. Portanto, após toda a análise feita, variando-se a diferença de potencial Va – Vb = V através do resistor de resistência R, a corrente através dele varia proporcionalmente segundo a equação (2.7) abaixo:
I = (Va – Vb) / R → I = V / R (2.7)
 
Esta relação é conhecida como Lei de Ohm. A equação (2.7) ainda pode ser escrita como:
 
Va – Vb = R · I → V = R · I (2.8)
 
que é a forma mais conhecida da Lei de Ohm. Segundo a Lei de Ohm, mais especificamente pela equação (2.7), é evidente que, quanto maior a resistência, menor a corrente para a mesma tensão aplicada. Em contrapartida, quanto menor a resistência, maior a corrente para a mesma tensão aplicada.
CONDUTÂNCIA ELÉTRICA
 
Com a ajuda da resistência elétrica, nós podemos ainda definir outra grandeza chamada condutância elétrica (G) que nada mais é que a facilidade que os elétrons (corrente elétrica) têm em passar por um condutor submetido a uma determinada tensão. Assim, a condutância é o inverto da resistência, ou seja:
A unidade da condutância no S.I é o Siemens (S). 1S = 1/Ω = Ω-1
POTÊNCIA ELÉTRICA
 
A potência elétrica é uma grandeza que mede quanto trabalho (conversão de energia de uma forma pra outra) pode ser realizado num determinado período de tempo. Analogamente, imagine que o tanque de gasolina de um automóvel 1.0 tenha capacidade de armazenar 50L de gasolina. Outro automóvel 2.0 também tem tanque com a mesma capacidade. Como o 1.0 é menos possante que o 2.0, num mesmo intervalo de tempo, ele consumirá menos gasolina que o 2.0. Assim, a mesma energia é cedida aos dois (50L), mas o 2.0 gasta mais num mesmo intervalo de tempo. Uma vez que estamos lidando com energia (que é medida em Joules) e tempo (medido em segundos), temos que a unidade de medida da potência no S.I é o J/s, também conhecido como Watt (W). Matematicamente, a potência é equacionada da seguinte forma:
A potência consumida por um sistema ou dispositivo elétrico também pode ser determinada em função dos valores de corrente ou tensão, ou seja:
Substituindo a lei de ohm, temos ainda mais duas formas de representar a potência:
É sempre importante observar a potência nominal (ou suportável) de um resistor que está sendo utilizado para que ele não seja submetido a uma d.d.p. que imponha, através dele, uma corrente maior do que a suportável. Como exemplo, imagine um resistor de 100Ω - 5W. Pela equação P = V² / R, temos que ele deve ser submetido a uma d.d.p. máxima de 22,36V o que equivale a dizer que pode ser atravessado por uma corrente máxima de 0,2236A (o que pode ser encontrado através de P = I².R). Tudo isso se concretiza através da equação P = V.I, afinal 22,36V . 0,2236A = 5W.
 
ENERGIA ELÉTRICA
 
Para que uma potência produza uma conversão de energia em outra, é preciso um intervalo de tempo, como já vimos. Se um motor, por exemplo, que aciona uma grande carga não for usado por determinado tempo, não haverá conversão de energia. Além disso, quanto maior for o tempo usado pelo motor, maior será a energia utilizada. A energia (J) consumida ou fornecida por um sistema é, portanto, determinada por: 
Como a potência é medida em Watts (J/s), a unidade da energia é o watt-segundo também conhecido como Joule (J). Apesar disso, a energia elétrica é o que os consumidores compram das concessionárias e essas concessionárias não usam o joule por se tratar de um valor baixo. Em vez disso, usam o quilowatt-hora (kWh), muito maior e conveniente, mesmo não sendo uma unidade do S.I. É possível converter watts-segundos (J) para kWh da seguinte forma:
RENDIMENTO OU EFICIÊNCIA
 
No estudo da Física, a noção de rendimento está ligada à energia e potência. Toda vez que uma máquina realiza trabalho, parte de sua energia total é dissipada, seja por motivos de falha ou o simples atrito. Apesar dessa energia dissipada não ser perdida, mas sim transformada em outros tipos de energia, a melhor situação que se pode esperar é que os valores absolutos de Wout e Win sejam relativamente próximos um do outro. De acordo com a conservação de energia, Entrada de energia = saída de energia + energia perdida ou armazenada no sistema. Se dividirmos osdois lados da equação por t, teremos:
Como P = W/t, temos a seguinte expressão:
A partir disso, a eficiência (η) de um sistema é determinada pela seguinte equação: