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1 CONCEITOS BÁSICOS DE CIRCUITOS Definições: Carga Elétrica (q) – “C” – É uma partícula que contem características próprias e efeitos próprios; Corrente Elétrica (i) – “A” – É a quantidade de carga elétrica que atravessa a seção reta de um condutor na unidade do tempo; i(t) = dq/dt Tensão Elétrica (e) – “V” – É a diferença de potencial elétrico que possibilita a circulação de carga pelo condutor; Energia Elétrica (w) – “J” – É o produto da carga transportada pela tensão; dw = e(t) dq ∫ dw = ∫e(t) dq w = ∫e(t) i(t) dt w = e(t) i(t) t Potência Elétrica (P) – “W” – É uma grandeza instantânea. É a variação da energia no tempo. É o produto da tensão pela corrente. P(t) = dw/dt = e(t) i(t) dt/dt P(t) = e(t) i(t) Analogia entre os sistemas elétrico e hidráulico: Sistema hidráulico Sistema elétrico H E R 2 FONTES DE TENSÃO E FONTES DE CORRENTE Todos os elementos dos circuitos elétricos foram divididos em dois grupos: a) Ativos (Fontes de tensão e Fontes de corrente); b) Passivos (Resistores, Capacitores e Indutores). As fontes podem ser: 1) Independentes: são as fontes de tensão ou de corrente que fornecem energia fixa ao resto do circuito. Ex: 30 V 10 V 8 A 2) Dependentes ou Controladas: São as fontes de tensão ou de corrente que dependem de valores característicos dentro do circuito, isto é, são funções de grandezas do sistema. Ex: 2ec V 10ib A Os elementos passivos (Resistores, Capacitores e Indutores) serão vistos mais adiante. RESISTÊNCIA ELÉTRICA (LEI DE OHM) Resistência elétrica é a capacidade de um material de se opor à passagem do fluxo de corrente elétrica. Elemento usado: Resistor R Transforma energia elétrica em calor. É um dissipador de energia. 3 Metais (cobre e alumínio, por exemplo) possuem resistência elétrica desprezível. São os condutores. Borracha, água, ar etc. – Possuem alta resistência elétrica. São os isolantes. Madeira, álcool etc. – Não são considerados isolantes nem condutores. São chamados de maus condutores ou maus isolantes. Lei de ohm V = R . I onde: V = tensão em Volts R = resistência em Ohms ( Ω ) I = corrente em Ampères P(t) = V.I = RI 2 = V 2 /R (Watts) W(t) = ∫P(t) dt = ∫ V.I dt = R∫I2 dt = 1/R ∫V2 dt (Joules) Para tensões e correntes constantes: W = V.I.t = R.I 2 .t = 1/R . (V 2 . t) A condutância é o inverso da resistência: G = 1/R = I/V (Siemens ou Mho) (Ʊ) 4 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES SÉRIE e1(t) e2(t) e3(t) R1 R2 R3 e(t) ≡ e(t) i(t) Req i(t) Req = e(t)/i(t) e(t) = e1(t) + e2(t) + e3(t) e(t) = R1 i(t) + R2 i(t) + R3 i(t) = i(t) {R1 + R2 + R3} e(t)/i(t) = R1 + R2 + R3 Req = R1 + R2 + R3 PARALELO i(t) i1(t) i2(t) i3(t) e(t) R1 R2 R3 ≡ e(t) i(t) Req Req = e(t)/i(t) i(t) = i1(t) + i2(t) + i3(t) i(t) = e(t)/R1 + e(t)/R2 + e(t)/R3 = e(t) {1/R1 + 1/R2 + 1/R3} i(t)/e(t) = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 5 Obs: Para dois elementos únicos Req = R1.R2/R1+R2 AS LEIS DE KIRCHHOFF Definições: Nó – É a junção de dois ou mais elementos em um ponto elétrico; Malha – É um caminho fechado de circulação de grandeza. 2 nós, 3 malhas 2 nós, 6 malhas 3 nós, 3 malhas 2 nós, 1 malha 1ª Lei de Kirchhoff “A soma algébrica das correntes em um nó qualquer é igual a zero.” Por convenção, faremos: (negativa) (positiva) 6 Exemplo: i1 i2 i3 A B C 4 nós, 7 malhas i4 i5 i6 D Nó A: -i4 - i2 + i1 = 0 Nó B: + i2 + i3 + i5 = 0 2ª Lei de Kirchhoff “A soma algébrica das tensões em uma malha qualquer é igual a zero.” Por convenção, faremos: + - Sentido Horário Sentido Anti-horário Exemplo: e1 e2 e3 A B C e4 e5 e6 D Malha ABDA: + e4 + e3 + e5 = 0 7 Malha ABCDA: + e2 + e3 - e6 + e4 = 0 Obs: 1. Dois ou mais elementos estão em série quando são atravessados pela mesma corrente; 2. Dois ou mais elementos estão em paralelo quando estão submetidos a mesma tensão; 3. Sempre que uma corrente atravessa um elemento passivo (R, L ou C) num sentido determinado, ocorre uma queda de tensão em sentido oposto. Exercícios: 1. Encontre o valor das tensões desconhecidas no circuito abaixo. Encontre primeiro V1. 10V V2 8V V1 V3 9V 8 2. Encontre o valor das correntes desconhecidas. I2 5A I1 7A 1 2 3A 4A 3A 3. Encontre o valor da tensão e1 no circuito abaixo: 4Ω 1Ω 12V e1 1Ω 2Ω 1Ω 9 4. Encontre o valor da corrente I1 no circuito abaixo: 3Ω 10A I1 1Ω 4Ω 1Ω CIRCUITO DIVISOR DE TENSÃO E CIRCUITO DIVISOR DE CORRENTE a) Circuito Divisor de Tensão R1 Req = R1 + R2 i(t) = V/R1 + R2 V e1(t) R2 e2(t) e2(t) = R2 . i(t) = R2 . V/R1 + R2 i(t) e2(t) = V . R2/R1 + R2 Consequentemente: e1(t) = V . R1/R1 + R2 b) Circuito Divisor de Corrente i1(t) = V/R1 i1(t) i2(t) V = I . Req R1 R2 i1(t) = I . Req/R1 = I . (R1.R2/R1+R2)/R1 I i1(t) = I . R2/R1 + R2 Consequentemente: i2(t) = I . R1/R1 + R2 10 PONTE DE WHEATSTONE Utilizada para a medição, com precisão, de uma resistência. R1 R2 i1 i2 V A G B R3 i3 ix Rx Quando a corrente no galvanômetro G for nula, a ponte estará em equilíbrio. Assim: R1 . Rx = R2 . R3 Rx = (R2 . R3) / R1 Demonstração: No equilíbrio, i1 = i3 equação (I) e i2 = ix equação (II) A 2ª Lei de Kirchhoff nos mostra que: ER1 = ER2 e ER3 = ERx ou i1 . R1 = i2 . R2 equação (III) e i3 . R3 = ix . Rx equação (IV) Substituindo as equações (I) e (II) na equação (IV), temos: i1 . R3 =i2 . Rx Substituindo a equação (III) nesta última, temos: i1 . R3 = (i1 . R1/R2) x Rx Rx = (R2 . R3)/ R1 11 TRANSFORMAÇÃO ∆ - Y Nem todos os elementos dos circuitos podem ser reduzidos pela associação em série ou paralelo. Ex: R1 R2 Rm V A B R3 R4 Obs: Circuito com duas configurações em ∆. A TRANSFORMAÇÃO ∆ - Y a b Rc A B R1 R2 Rb Ra R3 C c Para o circuito em ∆, a resistência equivalente nos terminais a e b (Rab) seria Rc // (Ra + Rb), isto é: Rab = Rc . (Ra + Rb) / Ra + Rb + Rc = R1 + R2 Rbc = Ra . (Rb + Rc) / Ra + Rb + Rc = R2 + R3 Rca = Rb . (Rc + Ra) / Ra + Rb + Rc = R1 + R3 12 Manipulando algebricamente as equações, podemos calcular as resistências R1, R2 e R3 do circuito em Y, ou seja: R1 = (Rb . Rc) / Ra + Rb + Rc R2 = (Rc . Ra) / Ra + Rb + Rc R3 = (Ra . Rb) / Ra + Rb + Rc Analogamente, podemos inverter a transformação para Y - ∆: Ra = (R1 . R2 + R2 . R3 + R3 . R1) / R1 Rb = (R1 . R2 + R2 . R3 + R3 . R1) / R2 Rc = (R1 . R2 + R2 . R3 + R3 . R1) / R3 Ex: Determine a corrente e a potência fornecida pela fonte no circuito abaixo: 5Ω 100Ω 125Ω 25Ω V A B 40Ω 37,5Ω 13 TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO Se o circuito é composto por mais de uma fonte, podemos calcular as grandezas deste circuito considerando cada uma das fontes separadamente e somando algebricamente os resultados parciais. Procedimento: 1. Calcular o valor desejado para cada uma única fonte, colocando as demais em repouso (mortas). Fonte de corrente em repouso: circuito aberto; Fonte de tensão em repouso: curto-circuito; 2. Somar algebricamente os resultados parciais. 14 Ex: Calcule a tensão e0(t) no circuito abaixo: 4Ω 5V e0(t) 6Ω 2A Ex: Calcule a tensão e0(t) no circuito abaixo: 3Ω 4Ω 60V e0(t) 6Ω 24V 2Ω 15 TEOREMA DE THEVENIN E NORTON THEVENIN Circuito Equivalente de Thevenin Req Circuito Elemento Elemento Ativo eoc ≡ eoc Onde: eoc = tensão com o circuito aberto Req = resistência equivalente com o circuito em repouso, vista através dos terminais do elemento. 16 Ex: Calcule a tensão e0(t) pelo Teorema de Thevenin 1Ω 12V 4Ω 1Ω 3Ω e0(t) NORTON Circuito Equivalente de Norton Circuito Elemento Elemento Ativo isc ≡ isc Req Onde: isc = corrente de curto-circuito Req = resistência equivalente com o circuito em repouso, vista através dos terminais do elemento. 17 Ex: Calcule a tensão e0(t) pelo Teorema de Norton 1Ω 12V 4Ω 1Ω 3Ω e0(t) Ex: Calcule a tensão e0(t) pelo Teorema de Thevenin 2Ω e0(t) 4Ω 6V 4Ω 5Ω 2Ω 18 Ex: Calcule a corrente i2(t) por Norton 4Ω 3V i2(t) 6Ω 2A 19 Ex: Calcule a corrente i2(t) por Thevenin 4Ω 3V i2(t) 6Ω 2A TEOREMA DOS NÓS E TEOREMA DAS MALHAS Topologia dos Circuitos Definições: Ramo (b) – É qualquer segmento que contenha um único elemento elétrico. Logo, o número de ramos de um circuito é igual ao número de elementos deste circuito; Nó (n) – É a união de dois ou mais ramos de um circuito; Malha ou Laço (l) – É um caminho fechado de circulação de grandeza; Grafo ou Árvore (G) – É a representação dos ramos de um circuito. 20 Ex: A B C A B C D D TEOREMA DOS NÓS “Há exatamente (n-1) equações nodais independentes definidas pela Lei de Kirchhoff para correntes (1ª Lei de Kirchhoff)”. Ex: Determine todas as correntes e tensões do circuito abaixo: A 2Ω B 5A 4Ω 3Ω 2A 6Ω C 21 22 Ex: Calcule a tensão e0(t) pelo Teorema dos Nós A 2Ω e0(t) 4Ω 6V B C 4Ω 5Ω 2Ω D Obs: Sempre que no circuito houver fonte de tensão, a tensão no nó “imediatamente após” a esta fonte deverá ser acrescida do seu próprio valor. Ex: A 2 V eA = eB + 2 B 23 Ex: Determine o valor da tensão ec(t) no circuito abaixo A 4Ω C 5Ω 2V B ib 1Ω 10ib A ec(t) 2ec V D 24 Ex: Calcule o valor da corrente i0(t) no circuito abaixo pelo Teorema dos Nós A 4Ω B 2Ω C i0(t) 58V 3Ω 10V D Ex: Calcule a tensão no resistor de 6Ω por Nós A 2Ω B 5Ω C i0(t) 40V 6Ω 32A E 3Ω D 25 TEOREMA DAS MALHAS “Há exatamente (b-n) +1 equações de malhas independentes definidas pela Lei de Kirchhoff para tensões (2ª Lei de Kirchhoff)”. Ex: Calcule todas as tensões e correntes do circuito abaixo: A 3Ω B 4Ω C 60V 6Ω 24V E 2Ω D 26 Obs: Sempre que no circuito houver fonte de corrente, a corrente de malha que passa por esta fonte terá o seu próprio valor. Ex: Ex: Calcule a tensão no resistor de 6Ω por Malhas A 2Ω B 5Ω C 40V 6Ω 32A E 3Ω D 27Ex: Calcule a tensão no resistor de 5Ω por Malhas A 5Ω B 3Ω C 2A 1Ω 2Ω 4V D 28 Ex: Determine todas as correntes e tensões do circuito abaixo: A 2Ω B 5A 4Ω 3Ω 2A 6Ω C 29 Ex: Calcule a tensão no resistor de 6Ω por Nós A 2Ω B 5Ω C 40V 6Ω 32A E 3Ω D
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