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Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil Leis de Kirchhoff As Leis de Kirchhoff permitem determinar os valores de corrente e tensão em um circuito elétrico. As Leis de Kirchhoff são empregadas em circuitos elétricos mais complexos, como por exemplo circuitos com mais de uma fonte de resistores estando em série ou em paralelo. As Leis de Kirchhoff permitem determinar os valores de corrente e tensão em um circuito elétrico. Para estudarmos as Leis de Kirchhoff, vamos inicialmente definirmos o que vem a ser Ramo, Nó e Malha. a) Ramo Qualquer parte de um circuito elétrico, composta por um ou mais dispositivos ligados em série é denominada de ramo. Ramo R4 R6 R7E2 R5 E3 b) Nó Qualquer ponto de um circuito elétrico no qual há a conexão de três ou mais ramos é denominado nó. R4 R6 R7E2 R5 E3 Nó Nó Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil c) Malha Qualquer parte de um circuito elétrico cujos ramos formam um caminho fechado para a corrente é denominada malha. R3 R1 E1 E2R2 R4 Malha Interna Malha Interna Malha Externa 1ª Lei de Kirchhoff: “A soma das correntes elétricas que entra num determinado nó é igual à soma das correntes elétricas que sai desse mesmo nó.” Esta lei também é conhecida como Lei dos Nós. A I2 I1 I3 I4 I5 I6 I1 + I4 + I5 = I2 + I3 + I6 2ª Lei de Kirchhoff: “A soma das tensões elétricas em uma malha qualquer, num determinado sentido, é sempre igual à soma das tensões elétricas dessa mesma malha no sentido oposto.” Esta lei também é conhecida como Lei das Malhas. Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil E1 E3 R1 R2 R3 E2 V3 V2 V1 I Arbitrária E2 + E3 – V2 – V3 – E1 – V1 = 0 ou E2 + E3 = V2 + V3 + E1 + V1 Procedimentos para determinação dos valores de corrente e tensão através das Leis de Kirchhoff: a) Determinamos inicialmente, quantas correntes diferentes há no circuito analisado (correntes de ramo); E1 R1 R2 E2 E1 R1 R2 E2 I1 (Uma corrente) R5 R4 I1 I2 I3 (Três correntes) E1 R1 R2 E2 R5 R4 I1 I3 I2 (Cinco correntes) E2 R3 I5 I4 b) Adotamos um sentido qualquer para cada uma das correntes do circuito; c) Por meio das correntes adotadas no item anterior, determinamos, consequentemente, o sentido de cada tensão elétrica do circuito (só para elementos passivos, isto é, receptores = resistores, etc.); d) Aplicamos a 1ª Lei de Kirchhoff n vezes, sendo n o número de nós do circuito menos um; e) Aplicamos a 2ª Lei de Kirchhoff m vezes, sendo m o número de malhas internas do circuito; f) Resolvemos o sistema de equações, determinando o valor de todas as correntes; Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil g) Todas as correntes que resultarem num valor negativo significam que o seu sentido é contrário ao adotado, e, consequentemente, altera-se também o sentido das tensões atingidas por essas mesmas correntes; h) Determinamos o valor de cada uma das tensões do circuito; i) Após todos os cálculos, verificamos em cada nó se a 1ª Lei de Kirchhoff está sendo obedecida e se para qualquer malha a 2ª Lei de Kirchhoff está sendo cumprida. Se não estiver, refaça a análise das equações e os cálculos, porque há algum erro; se estiver tudo correto, a análise do circuito chegou ao fim. Exemplo de aplicação do método: Para o circuito a seguir, determine as intensidades das correntes em todos os ramos. 10V 3,5V I1 I2 I3 2Ω 3Ω 4Ω 1Ω 14V 13V b a Malha 1 Malha 2 Solução: Aplicando os procedimentos temos no circuito acima as correntes fictícias I1, I2 e I3 (três ramos) e duas malhas internas (malha 1 e malha 2) e dois nós (a e b). Como temos três incógnitas, necessitamos de três equações para determinarmos as correntes do circuito. A primeira equação é obtida aplicando a 1ª Lei de Kirchhoff (Lei dos Nós), adotando o nó (a) como o nó principal, temos: I3 = I1 + I2 Equação (1) Aplicando a 2ª Lei de Kirchhoff (Lei das Malhas), nas malhas 1 e 2, adotando o sentido horário (é arbitrário) com sendo o sentido de circulação da corrente, temos: Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil Equação da Malha 1: 10V 3,5V V2 2Ω 3Ω 4Ω 1Ω 14V 13V Malha 1 Malha 2 Sentido horário V1 a b I1 I2 I3 A soma das tensões em um sentido mais a soma das tensões em outro sentido é igual à zero: V2 – 13 + 10 – V1 = 0 V1 = 2 x I1 (1ª Lei de Ohm) V2 = 3 x I2 (1ª Lei de Ohm) 3 x I2 – 2 x I1 = 3 3 x I2 – 2 x I1 = 3 Equação (2) Equação da Malha 2: 10V 3,5V V2 2Ω 3Ω 4Ω 1Ω 14V 13V Malha 1 Malha 2 a b I1 I2 V3 V4 I3 Sentido horário A soma das tensões em um sentido mais a soma das tensões em outro sentido é igual à zero: Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil 14 – V3 – 3,5 – V4 + 13 – V2 = 0 V2 – V3 – V4 = 23,5 V2 = 3 x I2 (1ª Lei de Ohm) V3 = 4 x I3 (1ª Lei de Ohm) V4 = 1 x I3 (1ª Lei de Ohm) Equação (3)– 3 x I2 – 5 x I3 = – 23,5 Como temos 3 equações e 3 incógnitas, montamos um sistema de 3 equações: I1 + I2 – I3 = 0 (1) – 2 x I1 – 3 x I2 = 23 (2) – 3 x I2 – 5 x I3 = – 23,5 (3) Solução: (Método da substituição) Da equação (1), temos: I1 = I3 – I2 Substituindo o valor de I1 da equação (1), na equação (2), temos: – 2 x (I3 – I2) – 3 x I2 = 3 5 x I2 – 2 x I3 = 3 Equação (4) – 3 x I2 – 5 x I3 = – 23,5 5 x I2 – 2 x I3 = 3 (3) (4) Multiplicando a equação (3) por 5 e a equação (4) por 3, somando os termos membro a membro, temos: – 15 x I2 – 25 x I3 = – 117,5 15 x I2 – 6 x I3 = 9 – 31 x I3 = – 108,5 I3 = 3,5 A Substituindo o valor de I3, na equação (4), temos: 5 x I2 – 2 x 3,5 = 3 Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil 5 x I2 – 2 x 3,5 = 3 I2 = 2 A Da equação (1), temos que: I1 = I3 – I2 = 3,5 – 2 I1 = 1,5 A Obs: podemos resolver o sistema utilizando outros métodos, como a Regra de Cramer, a seguir: Regra de Cramer: Dado o sistema de 3 variáveis: a1 x + b1 y + c1 z = k1 a2 x + b2 y + c2 z = k2 a3 x + b3 y + c3 z = k3 a1 b1 c1 a2 b2 c2 a3 b3 c3 D = D = 0, sistema possível e determínavel Dx = k1 b1 c1 k2 b2 c2 k3 b3 c3 Dy = a1 k1 c1 a2 k2 c2 a3 k3 c3 Dz = a1 b1 k1 a2 b2 k2 a3 b3 k3 e, ,x = Dx D y = Dy D e z = Dz D V = x , y , z Exercícios de fixação: 1) No circuito a seguir, as correntes têm os sentidos indicados. Se a intensidade da corrente I1 é 5A, determine o valor da resistência do resistor R. Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil 60V 14V I1 4Ω 2Ω b a R I I2 Resposta: R = 5Ω 2) No circuito a seguir, determineos valores das correntes indicados, através das Leis de Kirchhoff. 4V 12V 5Ω 10Ω 15Ω 8V a b10Ω I3 I1 I2 Respostas: I1 = 0,65 A I2 = 0,42 A I3 = 0,23 A 3) No circuito a seguir, determine a ddp entre os pontos A e B. 6V 45Ω 60Ω 10Ω 9V A B I2 Resposta: VAB = 2,04 V I1 I3 Circuitos Elétricos: Leis de Kirchhoff – 4ª e 5ª séries – Engenharia Cívil 4) No circuito a seguir, determine a intensidade da corrente em cada ramo. 50V 30Ω 100Ωa b 5Ω 150V 5Ω 40V 10Ω Respostas: I1 = – 2 A I2 = – 6 A I3 = 4 A 5) No circuito a seguir, determine as intensidades das correntes I1 , I2 e I3. 12V a b 10Ω Respostas: I1 = 0,28 A I2 = – 0,15 A I3 = – 0,13 A 6V 22Ω 3V 47Ω I2 I1 I3 Apostila elaborada por: Oswaldo da Silva Lopes Júnior Referências Bibliográficas: – AIUB, José Eduardo; FILONI, Enio: Eletrônica (Eletricidade – Corrente Contínua); 15ª ed. São Paulo, Érica, 2007; – MARKUS, Otávio: Circuitos Elétricos (Corrente Contínua e Corrente Alternada); 9ª ed. São Paulo, Érica, 2014; – RAMALHO, Francisco Junior; FERRARO, Nicolau Gilberto; SOARES, Paulo Antonio de Toledo: Os Fundamentos da Física (Eletricidade); 6ª ed. São Paulo, Editora Moderna, 1995.