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www.profafguimaraes.net 1 Prof. A.F.Guimarães Questões Eletricidade 7 – Geradores, Receptores e Capacitores Questão 1 (UFRS) No circuito da figura a seguir, o amperímetro A registra uma corrente i = 0,2 A. Cada um dos três resistores representados na figura tem resistência R = 40 Ω. Qual é a potência dissipada pelo par de resistores associados em paralelo? A( ). 0,8 W; B( ). 1,6 W; C( ). 3,2 W; D( ). 8,0 W; E( ). 16,0 W; Resolução: Como os resistores associados em paralelo são idênticos, a resistência equivalente é dada por: 40 20 . 2eq R = = Ω Assim, a potência dissipada será: 2 220 0,2 0,8 . d eq d d P R i P P W = ⇒ = ⋅ ∴ = Letra “A”. Questão 2 (FUVEST) Um sistema de alimentação de energia de um resistor R = 20 Ω é formado por duas baterias, B1 e B2, interligadas através de fios, com as chaves Ch1 e Ch2, como representado na figura. A bateria B1 fornece energia ao resistor, enquanto a bateria B2 tem a função de recarregar a bateria B1. Inicialmente, com a chave Ch1 fechada (e Ch2 aberta), a bateria B1 fornece corrente ao resistor durante 100 s. Em seguida, para repor toda a energia química que a bateria B1 perdeu, a chave Ch2 fica fechada (e Ch1 aberta), durante um intervalo de tempo T. Em relação a essa operação, determine: a) o valor da corrente I1, em àmperes, que percorre o resistor R, durante o tempo em que a chave Ch1 permanece fechada. b) a carga Q, em C, fornecida pela bateria B1, durante o tempo em que a chave Ch1 permanece fechada. c) o intervalo de tempo T, em s, em que a chave Ch2 permanece fechada. As baterias podem ser representadas pelos modelos a seguir, com: fem 1 = 12 V e r1 = 2Ω e fem 2 = 36 V e r2 = 4Ω. Resolução: a) Durante a chave Ch1 fechada (Ch2 aberta), temos: Ⓐ ε R R R i 36V 12V R Ch1 Ch2 B1 B2 ‐ ‐ r1 fem 1 + _ B1 r2 fem 2 + _ B2 www.profafguimaraes.net 2 1 1 1 1 12 20 2 0,55 . I I R r I A ε= ⇒ =+ + ∴ ≅ b) A carga é dada por: 1 55 .Q I t Q C= ⋅∆ ⇒ ≅ c) Com a chave Ch2 fechada (Ch1 fechada), temos: 2 2 1 2 24 4 . 6 I I A r r ε ε′−= ⇒ = =+ Para determinar o tempo temos: 2 55 4 13,75 . QI t t t s = ⇒∆ =∆ ∴∆ = Questão 3 (MACK) Um circuito elétrico é constituído de um gerador de força eletromotriz ε e resistência interna r, e de um resistor de resistência R variável (figura I). A potência dissipada no resistor em função da corrente i é dada pelo gráfico mostrado na figura 2. Os valores da força eletromotriz ε e da resistência interna r do gerador são, respectivamente: A( ). 50 V, 4 Ω; B( ). 20 V, 2 Ω; C( ). 20 V, 1 Ω; D( ). 25 V, 0,5 Ω; E( ). 15 V, 0,5 Ω. Resolução: O gráfico representa a potência dissipada pela resistência externa R. Mas essa mesma potência advém da potência útil fornecida pelo gerador, que é dada pela expressão: 2.uP i r iε= ⋅ − ⋅ (3.1) Logo, do gráfico, teremos: 10 .cci rr ε ε= ⇒ = (3.2) Utilizando a (3.1) e os dados do gráfico, teremos: 50 5 25 .rε= − (3.3) Substituindo o resultado de (3.2) em (3.3), teremos: 50 50 25 2 20 . r r r Vε = − ⇒ = Ω ∴ = Letra “B”. Questão 4 (MACK‐SP) No circuito esquematizado, a ddp entre os pontos A e B é: A( ). 2,4 V; B( ). 4,8 V; C( ). 1,2 V; D( ). 6,0 V; E( ). zero. Resolução: Para determinarmos a ddp entre os pontos A e B, precisamos previamente determinar a resistência equivalente do circuito. Com a resistência equivalente podemos encontrar a intensidade de r ε i R Figura 1 Figura 2 i(A) P(W) 10 5 0 50 1,2 Ω 6,0 V A 10 Ω 3,0 Ω2,0 Ω 5,0 Ω B www.profafguimaraes.net 3 corrente no gerador. Assim, teremos para a resistência equivalente: Vamos “abrir” o circuito e desenhar todos os resistores que ligam os pontos A e B. 8 12 24 4,8 . 20 5 ⋅ = Ω= Ω Assim, poderemos determinar a intensidade de corrente que percorre o gerador, utilizando a lei de Ohm‐Pouillet. Logo, 6 4,8 1,2 1 . i i R r i A ε= ⇒ =+ + ∴ = De posse do valor da intensidade de corrente, poderemos agora utilizar a equação do gerador e determinar a ddp nos terminais AB. Assim, 6 1,2 1 4,8 . AB AB AB U ri U U V ε= − ⇒ = − ⋅ ∴ = Letra “B”. Questão 5 (ITA) A diferença de potencial entre os terminais de uma bateria é de 8,5 V, quando há uma corrente que a percorre, internamente, do terminal negativo para o positivo, de 3,0 A. Por outro lado, quando a corrente que a percorre internamente for de 2,0 A, indo do terminal positivo para o negativo, a diferença de potencial entre seus terminais é de 11 V. Nessas condições, a resistência interna da bateria, expressa em ohms, e a sua força eletromotriz, expressa em volts, são respectivamente: A( ). 2,0 e 100; B( ). 0,50 e 10; C( ). 0,50 e 12; D( ). 1,5 e 10; E( ). 5,0 e 10. Resolução: Quando a corrente percorre o dispositivo do pólo positivo para o negativo, o dispositivo funciona como um gerador. Assim, teremos: 8,5 3 .U ri rε ε= − ⇒ = − (5.1) Agora, quando a corrente percorre o dispositivo do pólo negativo para o pólo positivo, o 1,2 Ω 6,0 V A 10 Ω 3,0 Ω 2,0 Ω 5,0 Ω B Série Série 1,2 Ω 6,0 V A 8,0 Ω12,0 B B A 1,2 Ω 6,0 V A B 12 Ω 8 Ω Paralelo 1,2 Ω 6,0 V A B 4,8 Ω r ε 3,0 A www.profafguimaraes.net 4 dispositivo funciona como um receptor. Assim, teremos: 11 2 .U ri rε ε= + ⇒ = + (5.2) Dos resultados (5.1) e (5.2), teremos: 2,5 5 0,5 .r r= ⇒ = Ω E para a força eletromotriz, teremos: 11 2 0,5 10 .Vε ε= + ⋅ ⇒ = Letra “B”. Questão 6 (ITA) As duas baterias da figura estão ligadas em oposição. Suas fem e resistências internas são, respectivamente: 18,0 V e 2,00 Ω; 6,00 V e 1,00 Ω, sendo i a corrente no circuito, Vab a tensão Va – Vb e Pd a potência total dissipada, podemos afirmar que: A( ). i = 9,00 A; Vab = ‐10,0 V; Pd = 12,0 W B( ). i = 6,00 A; Vab = 10,0 V; Pd = 96,0 W C( ). i = 4,00 A; Vab = ‐10,0 V; Pd = 16,0 W D( ). i = 4,00 A; Vab = 10,0 V; Pd = 48,0 W E( ). i = 4,00 A; Vab = 24,0 V; Pd = 32,0 W. Resolução: Vamos determinar a intensidade de corrente do circuito: 18 6 4 . 3 i r r ε ε′− −= = = Ω′+ Agora, podemos determinar a ddp entre a e b: 18 2 6 18 2 4 10 . ab ab ab V i ou V i V V = − = + = − ⋅ = A potência total dissipada é dada por: 23 3 16 48 . d d P i P W = ⋅ = ⋅ ∴ = Letra “D”. Questão 7 (MACK) No circuito representado no esquema, a carga final do capacitor de 50 µF, inicialmente neutro, é igual a: A( ). zero; B( ). 1ڄ10‐6 C; C( ). 2ڄ10‐6 C; D( ). 3ڄ10‐6 C; E( ). 4ڄ10‐6 C; Resolução: Esse é um circuito de ponte de Wheatstone.E podemos concluir que esse circuito de ponte se encontra em equilíbrio, como podemos observar da regra: 1 3 2 4 4 3 2 6 12. R R R R⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ = r ε 2,0 A 2,00 Ω 18,0 V 1,00 Ω 6,00 V b a 4 Ω 50µF 6 Ω 2 Ω 3 Ω 10 V ‐ 4 Ω 50µF 6 Ω 2 Ω 3 Ω 10 V ‐ www.profafguimaraes.net 5 Se esse circuito de ponte se encontra em equilíbrio, a ddp nos terminais do capacitor é nula. Logo sua carga final será nula. Letra “A”. Questão 8 (ITA) O circuito representado na figura abaixo é constituído por uma pilha ideal de 1,5 V de força eletromotriz, ligada a um fio condutor PQ homogêneo de secção reta constante. O fio é provido de terminais igualmente espaçados, sendo que entre dois deles se encontra ligado um capacitor de 10 µF em série com um galvanômetro. Com a chave C fechada, é nula a indicação do galvanômetro, portanto, pode‐se afirmar que: A( ). A carga no capacitor é nula. B( ). A carga no capacitor é de 7,5 µC, sendo A a placa positiva. C( ). A carga no capacitor é de 15 µC, sendo que a placa A está a um potencial maior do que a placa B. D( ). A carga no capacitor é de 5,0 µC, sendo a placa A positiva. E( ). A carga no capacitor é bem menor do que 5,0 µC, sendo a placa A positiva com relação a B. Resolução: Como o galvanômetro não acusa corrente, podemos concluir que o capacitor se encontra carregado cuja carga do capacitor será dada por: .Q C U= ⋅ Como o condutor PQ é homogêneo de secção reta constante, e com terminais igualmente espaçados, podemos concluir que a tensão total será dividida em 6 partes iguais. Logo, a tensão entre os terminais “df” será de: 1,52 0,5 . 6 V⋅ = Assim, a carga será de: 0,5 10 5 .Q Cµ= ⋅ = Letra “D”. Questão 9 (MACK) No circuito elétrico esquematizado, os valores da diferença de potencial entre os pontos A e B e da intensidade de corrente i valem, respectivamente: A( ). 2 V e zero; B( ). 1 V e zero; C( ). zero e zero; D( ). 2 V e 1 A; E( ). 2 V e 2 A. Resolução: Assumindo que os capacitores estão totalmente carregados, a intensidade de corrente que percorre a os resistores de 5 Ω, 3 Ω e 9Ω é nula. Então na associação dos capacitores, temos que: 4 6 12.U U U U= + + (9.1) Sendo que em (9.1), temos que: 10 2 .U i′= − (9.2) Sendo que i’ é a intensidade da corrente que percorre o gerador de fem 10 V e resistência interna 2Ω. Para encontrar o valor de i’, vamos encontrar a resistência externa equivalente. Temos dois resistores de 6 Ω em paralelo cuja Q Ⓖ A B a P b c d e f g E1 + C 5 Ω 6µF 6 Ω 2 Ω 3 Ω 10 V 6 Ω 9 Ω 12µF 4µF A B i www.profafguimaraes.net 6 resistência equivalente vale 3 Ω. Agora utilizando a lei de Ohm‐Pouillet, teremos: 10 2 . 3 2 i A′ = =+ ሺ9.3ሻ Agora utilizando (9.2), teremos: 10 2 2 6 .U V= − ⋅ = ሺ9.4ሻ Na associação em série de capacitores, temos que: 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 4 6 12 1 6 2 . 12 eq eq eq eq C C C C C C F C µ = + + = + + = ∴ = ሺ9.5ሻ Então a carga total acumulada será igual a: 2 6 12 .eqQ C U Q Cµ= ⇒ = ⋅ = (9.6) Como na associação em série temos: 4 6 12.Q Q Q Q= = = (9.7) Então, teremos: 6 6 12 6 2 . AB AB AB Q C U U U V = = ∴ = (9.8) Letra “A”. Questão 10 (FATEC) Na figura, a resistência de cada resistor está expressa em ohms. Sabendo que UAB = 100 V, então, as leituras do voltímetro e o amperímetro, considerados ideais, serão dadas respectivamente por: A( ). 40 V e 1,25 A; B( ). 40 V e 2,50 A; C( ). 40 V e 5,00 A; D( ). 20 V e 1,25 A; E( ). 20 V e 2,50 A. Resolução: Previamente, devemos encontrar a resistência equivalente do circuito. Assim teremos: 4 Ω 6 Ω 2 Ω 12 Ω 10 Ω 15 Ω 20 Ω 4 Ω Ⓐ Ⓥ A B 4 Ω 6 Ω 2 Ω 12 Ω 10 Ω 15 Ω 20 Ω 4 Ω Ⓐ Ⓥ A B Série: 10 Ω 10 Ω 2 Ω 12 Ω 10 Ω 15 Ω 20 Ω 4 Ω Ⓐ Ⓥ A B Paralelo: 5 Ω 5 Ω 2 Ω 12 Ω 15 Ω 20 Ω 4 Ω Ⓥ A B Série: 20 Ω www.profafguimaraes.net 7 Como a resistência equivalente do circuito vale 10 Ω, podemos determinar a corrente no circuito: 100 10 . 10 10 ABUi i A= ⇒ = = Como a corrente do circuito passa através do resistor de 4 Ω (com os terminais no voltímetro), a tensão acusada no voltímetro será de: 4 10 40 .V V= ⋅ = Agora, poderemos determinar a corrente acusada no amperímetro. Como as resistências equivalentes para cada associação que resolvemos são iguais, a corrente sempre se divide pela metade. Letra “A”. Questão 11 (IME) No circuito representado a seguir, o amperímetro A, ideal, indica I = 2 A. 20 Ω 2 Ω 12 Ω 20 Ω 4 Ω Ⓥ A B Paralelo: 10 Ω 10 Ω 2 Ω 12 Ω 4 Ω Ⓥ A B Série: 12 Ω A B 12 Ω 12 Ω 4 Ω Ⓥ Paralelo: 6 Ω 6 Ω 4 Ω Ⓥ Série: 10 Ω A B 4 Ω 6 Ω 2 Ω 12 Ω 10 Ω 15 Ω 20 Ω 4 Ω Ⓐ Ⓥ A B 5A 10A 5A 2,5A 2,5A 1,25A 1,25A Ⓐ E1 E2 E3 r1 r2 r3 R1 R2 R3 R5 R4 R I + + + www.profafguimaraes.net 8 Dados: Bateria 1: fem E1 = 9 V; resistência interna r1 = 1,5 Ω; Bateria 2: fem E2 = 3 V; resistência interna r2 = 0,5 Ω; Bateria 3: fem E3 = 12 V; resistência interna r3 = 2,0 Ω; R2 ൌ R3 ൌ 4 Ω; R4 ൌ 12 Ω; R5 ൌ 1 Ω. Determine: aሻ O valor da resistência R; bሻ A quantidade de calor desenvolvida em R5, num intervalo de tempo igual a 10 minutos. Resolução: a) As baterias 1 e 2 estão associadas em série. Sendo assim, a bateria equivalente de 1 e 2 possui fem E12 = 12 V e resistência interna equivalente r12 = 2 Ω. De tal forma que essa associação resulta em uma bateria com a mesma fem E3 e e resistência interna r3. O que temos aqui é uma associação em paralelo da bateria equivalente de 1 e 2 e a bateria 3. Logo, desta associação, teremos uma bateria equivalente dada por: Eeq123 = 12 V e req123 = 1 Ω, que estão associadas em paralelo. A corrente total no circuito então vale 4 A. Os resistores R2 e R3 estão associados em paralelo, logo Req23 = 2 Ω. Que em seguida está associado em série com R1, logo Req123 ൌ 4 Ω. Que por sua vez está associado em paralelo com R4, logo Req1234 ൌ 3 Ω ሺproduto/somaሻ. Esse resistor equivalente está associado em série com R5, logo Req12345 ൌ 4 Ω. Da lei de Ohm‐Pouillet, temos: 123 123 124 1 2 . eq eq eq eq eq E i R r R R = ⇒ =+ + ∴ = Ω Esse é o valor da resistência externa equivalente do circuito. Mas a resistência externa equivalente do circuito é dada por: 12345 12345 .eqeqeq R R R R R ⋅= + Logo, R = 4 Ω. b) A corrente que passa no resistor R5 vale 2 A. Assim, a potência dissipada vale: 2 5 5 5 5 4 .D DP R i P W= ⇒ = Assim, e 10 min, a quantidade de calor desenvolvida por esse resistor é dada por: 5 4 600 2400 DQ P t Q J =ℑ= ⋅∆ = ⋅ = Cerca de 571,4 cal. Questão 12 (FUVEST) No circuito da figura a seguir, o componente D, ligado entre os pontos A e B, é um diodo. Esse dispositivo se comporta, idealmente, como uma chave controlada pela diferença de potencial entre seus terminais. Sejam VA e VB as tensões dos pontos A e B, respectivamente. Se VB<VA, o diodo se comporta como uma chave aberta, não deixando fluir nenhuma corrente através dele, e se VBVA, o diodo se comporta como uma chave fechada, de resistência tão pequena que pode ser desprezada, ligando o ponto B ao ponto A. O resistor R tem uma resistência variável de 0 a 2 Ω. Nesse circuito, determine o valor da: a) Corrente i através do resistor R, quando sua resistência é de 2 Ω. b) Corrente i0 através do resistor R, quando a sua resistência é zero. c) Resistência R para a qual o diodo passa do estado de condução para o de não‐condução e vice‐versa. Resolução: Vamos resolver de duas formas. 2 Ω 1 Ω 20 V 8 V A B D R i www.profafguimaraes.net 9 1ª Forma: a) Vamos utilizar as leis Kirchhoff para analisar esse circuito. Em A, temos: 1 2.i i i= + (12.1) Para a malha α, temos: ( )120 2 8 0.A Bi V V− − − − = (12.2) Se VA>VB. Mas se isso ocorre, a intensidade de corrente i2 = 0 (o diodo é uma chave aberta). Então, do resultado (12.1), podemos concluir que i = i1. Para a malha β, temos: ( ) ( ) 1 1 8 2 0, 8 3 0. A B A B V V i i i i V V i + − − − = = + − − = (12.3) Agora, somando os resultados (12.2) e (12.3) teremos: 1 120 5 0 4 .i i i A− = ∴ = = (12.4) Mas, se VAൌVB, o diodo funciona como uma chave fechada, ou seja, a intensidade i2 não será nula. Assim, teremos para a malha α: 1 120 2 8 0 6 .i i A− − = ⇒ = (12.5) E para a malha β, teremos: ( )1 28 3 0.i i− + = (12.6) Então, de (12.5), teremos para (12.6): 2 2 8 18 3 0 10 . 3 i i A − − = ∴ =− Esse resultado mostra que devemos inverter o sentido da corrente 2 (i2). Porém, se assim o fizermos, estaríamos permitindo que o diodo conduzisse uma corrente de A para B. E é justamente isso que ele não permite (VBVA). Portanto, a corrente no resistor R é dada por (12.4). b) Se R = 0, teremos: Para a malha α: ( )120 2 8 0.A Bi V V− − − − = (12.7) Se VA>VB. Mas se isso ocorre, a intensidade de corrente i2 = 0 (o diodo é uma chave aberta). Então, do resultado (12.1), podemos concluir que i = i1. Para a malha β: ( ) 1 18 0, .A BV V i i i+ − − = = (12.8) Somando os resultados (12.7) e (12.8), teremos: 1 1 2020 3 0 3 i i A− = ⇒ = (12.9) Utilizando a o resultado (12.8), teremos: ( ) ( ) 208 0 3 4 . 3 A B A B V V V V V + − − = ∴ − =− (12.10) Mas se VA>VB ֜ VA – VB > 0. Portanto, o resultado (12.9) não está correto. Assim, devemos considerar VAൌVB. E o diodo deve funcionar como uma chave fechada, ou seja, a intensidade i2 não será nula. Então, utilizando (12.6), com R = 0, teremos: R 2 Ω 1 Ω 20 V 8 V A B D i i1 i2 α β www.profafguimaraes.net 10 ( )1 2 1 28 0, . 8 . i i i i i i A − + = = + ∴ = (12.11) c) Utilizando os resultados (12.5) e (12.6), para VA = VB, teremos: ( )( ) ( ) 2 2 2 8 1 6 0 86 1 8 6. 1 R i i R i R − + + = + = + = −+ (12.12) Para o diodo conduzir corrente, i2 0. Assim, teremos, para (12.12): ( )8 6 0 8 6 1 1 4 1 3 1 . 3 R R R R − ≥ ⇒ ≥ ++ ≥ + ∴ ≤ Ω 2ª Forma: a) Se o diodo não conduz, podemos concluir que a ddp nos terminais da parte central que contém o diodo é nula. Assim, 20 5 4 .i i A= ⇒ = Se o diodo estiver conduzindo corrente, podemos concluir que a ddp da parte central que contém o diodo vale 8 V. Assim, teremos: 20 2 8 6 .i i A′ ′− = ⇒ = Essa é a intensidade de corrente que percorre a malha da esquerda. Para a malha da direita, temos: 88 3 . 3 i i A= ⇒ = Mas no nó A, temos que: 8 6 3 10 . 3 i i i i i A ′ ′′ ′′= + ⇒ = + ′′ =− Onde i’’ é a intensidade da corrente que percorre o diodo. Mas o sinal negativo sugere que essa corrente deve percorrer o trecho do diodo de A para B. O que não é possível pela própria condição para o diodo possa conduzir corrente elétrica. Portanto, a corrente que percorre o resistor R (2Ω) só pode ser a de 4A. b) Se R = 0, temos que: Se o diodo não conduz, podemos concluir que: 0 0 2020 3 . 3 i i A= ⇒ = Mas, para que a ddp seja nula nesse trecho, teremos que VA – VB = ‐8 V. O que remete a VB > VA. Então o diodo na verdade conduz uma corrente elétrica. E se o diodo conduz, a ddp na parte central deve valer 8V. Desta forma, teremos, para a malha da esquerda: 0 8 .i A= c) Neste caso, para o diodo conduzir corrente, a parte central possui uma ddp igual a 8V. Assim, ( )( )8 1 , 6 8 6 1 R i i i A i R ′ ′′ ′= + + = ′′ = −+ E como i’’ 0, podemos concluir que: 1 . 3 R≤ Ω
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