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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO - FATEC APONTAMENTOS DE AULA Eletro 1 Oswaldo Tadami Arimura 2 I - ANÁLISE DE CIRCUITOS EM CORRENTE CONTÍNUA 1. Eletrodinâmica Inicialmente faremos um panorama dos conceitos básicos que envolvem a eletricidade. Também, serão retratados conceitos matemáticos de apoio às representações numéricas de suas grandezas físicas. 1.1 Definições iniciais Energia: capacidade de um sistema em realizar um trabalho; Trabalho: energia convertida; Eletricidade: forma de energia. 1.2 Múltiplos e Submúltiplos As grandezas elétricas como corrente elétrica, tensão elétrica, resistência elétrica, entre outras, podem ter valores alto na ordem de milhão, bilhão, trilhão, quando utilizados em cálculos ou impressos em equipamentos e componentes eletroeletrônicos. Também podem ser precedidos de valores extremamente pequenos. Para facilitar a representação e os cálculos são utilizados a simplificação através dos múltiplos e submúltiplos, conforme mostra o quadro abaixo. Fator Prefixo Símbolo 1012 Téra T 109 Giga G 106 Mega M 103 Quilo K 10-3 míli m 10-6 micro µ 10-9 nano n 10-12 pico p 1.3 Átomo Constitui a menor partícula de um elemento químico, sendo composto de um núcleo central contendo prótons e nêutrons. Também faz parte a eletrosfera onde são encontrados os elétrons de massa insignificante em diferentes trajetórias imaginárias. O próton é 1836 vezes mais massivo que o elétron. Todas as substâncias são formadas de átomos. Para se ter uma idéia, eles são tão pequenos que uma cabeça de alfinete pode conter 60 milhões deles Núcleo: protons → cargas positivas neutrons → neutras(sem carga) Eletrosfera: elétrons → cargas negativa Fonte: Infoescola.com 3 Se o núcleo de um átomo tivesse o tamanho de uma esfera com um raio de 3cm, os elétrons mais afastados estariam cerca de 3 km de distância. Modelo de Bohr Órbitas k l m n o p q Elétrons 2 8 18 32 32 18 8 1.4 Materiais Condutor: são materiais que possuem grande quantidade de elétrons livres na última camada orbital fracamente ligados ao núcleo. Quando submetidos a uma diferença de potencia ou agito térmico esses elétrons se desprendem facilmente. o Possuem cerca de 1023 elétrons livres/ cm3 , resistividade de 10-6 a 10-4 ohm.cm e condutividade maior que 104/Ω.m. Isolantes: são materiais que possuem baixa quantidade de elétrons livres na última camada orbital fortemente ligados ao núcleo. Esses elétrons não se desprendem facilmente quando submetidos a um agito térmico ou diferença de potencial. o Possuem cerca de 1023 elétrons livres/ cm3 ,resistividade de 109 a 1025 ohm.cm e condutividade menor que 10-10/Ω.m. Semicondutores: são materiais que possuem cerca de 109 a 1025 elétrons livres/ cm3, condutividade entre 10-10/Ω.m e 104/Ω.m e são utilizados na fabricação de componentes eletrônicos como diodo, transistores, etc. 1.5 Grandezas elétricas 1.4.1 Potencial elétrico É a capacidade que um corpo energizado tem de realizar trabalho ou seja, atrair ou repelir outras cargas eletricas. Para medir essa capacidade, utiliza-se a grandeza potencial elétrico. Para obter o potencial elétrico de um ponto, coloca-se nele uma carga de prova q e mede-se a energia potencial adquirida por ela. Essa energia potencial é proporcional ao valor de q, definida por: q Ep V , onde V é o potencial elétrico Ep a energia potencial e A unidade no S.I. é J/C = V (Volt) q a carga. Cobre: 29 elétrons na última camada Alumínio: 13 elétrons na última camada 4 Um corpo está submetido a um potencial elétrico quando há excesso de cargas positivas ou negativas. ddp corpo com potencial positivo corpo com potencial negativo Para calcular o potencial elétrico devido a uma carga puntiforme Q em ponto P qualquer usa-se a fórmula: d KQ V , onde d distancia em metros da carga até o ponto, K é a constante dielétrica do meio (K = 9. 109 Vm/C no vácuo) Q a carga geradora. Como o potencial é uma quantidade linear, o potencial gerado por várias cargas é a soma algébrica (usa-se o sinal) dos potenciais gerados por cada uma delas como se estivessem sozinhas: 1.5.1 Tensão Elétrica ou Diferença de Potencial (U) É a diferença de potencial elétrico entre dois pontos, ou seja, seria a "força" responsável pela movimentação de elétrons ou o impluso que uma carga tem de ir de um ponto para o outro. Normalmente toma-se um ponto que se considera de tensão zero e mede-se a tensão do resto dos pontos desejados. Unidade: Volt (V) http://pt.wikipedia.org/wiki/Linear http://pt.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9trico http://pt.wikipedia.org/wiki/For%C3%A7a 5 Forma Contínua : caracteriza-se pelo fato de seu valor não se alterar, ou seja, tem sempre o mesmo sentido e intensidade. Conforme mostra a figura abaixo. Representação da fonte de tensão Forma Alternada: caracteriza-se pelo fato de seu valor variar com o tempo apresentando um valor máximo e um valor mínimo. Seu valor de utilização chama-se Tensão Eficaz. representação da fonte de tensão A freqüência no Brasil é de 60 ciclo por segundo ou 60 Hz para a geração da energia em tensão alternada. 1.5.2 Corrente Elétrica (I) O movimento orientado de elétrons num condutor quando submetido a uma ddp ou tensão é denominado de corrente elétrica. A intensidade I da corrente elétrica é definida como a razão entre o módulo da quantidade de carga ΔQ que atravessa certa secção transversal (corte feito ao longo da menor dimensão de um corpo) do condutor em um intervalo de tempo Δt. Δt ΔQ I Considerando uma secção no nosso fio condutor, onde podemos contar a quantidade de elétrons que passam por ela. Cada elétron possui uma quantidade de carga 6 elétrica conhecida como carga elétrica elementar( -1,609 x 10-19 Coulomb). Se multiplicarmos o valor da carga elétrica elementar pelo número de elétrons (n) que passa pela secção transversal teremos a Quantidade total de carga elétrica (Q). Q = n e A intensidade da corrente elétrica será maior quanto mais elétrons passarem pela secção, ou seja, quanto mais cargas passarem no menor intervalo de tempo. Por isso, define-se corrente elétrica como sendo a quantidade de carga elétrica dividida pelo tempo. A unidade de corrente elétrica no sistema internacional é o Couloub por segundo, que é conhecido por Ampère (A). 1.5.2.1 Efeitos da corrente elétrica Efeito Joule: a corrente elétrica ao atravessar um condutor provoca seu aquecimento em razão da energia liberada pela agitação das partículas internas. Quanto maior a corrente, maior é o calor liberado. Ex.: aquecedor, estufa, ferro elétrico, chuveiro, etc. Efeito Magnético: a corrente elétrica ao atravessar um condutor gera um campo magnético ao seu redor. Esse campo é concentrado através das bobinas ou indutores. Ex.: motores, reatores, transformadores, relés, etc. Efeito Luminoso: a corrente elétrica ao atravessar o tubo da lâmpada fluorescente choca-se com os átomos de mercúrio provocando uma radiação. Essa radiação ao atravessar a parede pintada com material fluorescente, provoca a o efeito luminoso visível. Ex.: lâmpadas de descargas. Efeito Fisiológico: a corrente elétrica ao atravessar o corpo humano provoca tetanização,fibrilação muscular, parada cardiorespiratoria, dores e queimaduras. 1.5.3 Resistência Elétrica (R) É a maior ou menor oposição que uma peça de um material condutor oferece ao fluxo de elétrons. Seu valor depende do tipo de material e de sua geometria. Unidade: Ohm (Ω) R = ρ S L Onde: R = resistência em Ω; ρ = resistividade em Ω.m S = seção em mm2 Simbologia Elétrica: Resistor: dispositivo elétrico tem como função oferecer resistência à passagem da corrente elétrica e provocar queda de tensão. 7 1.5.4 Resistividade (ρ ) É a resistência medida entre os terminais de um corpo de prova cúbico com dimensões unitárias. Seu valor varia de acordo com o tipo de material e sua geometria(comprimento e área). Unidade: Ω.m ou m mm 2 Comparação 1mm2 = 10-6 m2 → m mm 2 = m 2 10 6 m = 10-6Ω.m Ω.m = 106 m mm 2 Algumas resistividades: ρ Cu = 1,72 10-8 Ω.m ρ Au = 2,82 10-8 Ω.m ρ Ag = 1,6 10-8 Ω.m ρAu = 2,4 10-8 Ω.m 1.4.6 A condutividade elétrica (σ) É simplesmente o inverso da resistividade. Ou seja, quanto maior a resistividade, menor será a condutividade. σ = 1/ρ Os metais geralmente possuem ótima condutividade, na faixa de 107/Ω.m. Estes são os mais utilizados para as linhas de transmissão de energia elétrica, pois propiciam um menor desperdício. Devido a sua alta condutividade, há menos perdas por aquecimento da rede elétrica. O fenômeno da supercondutividade é observado em alguns materiais e algumas ligas. Neste caso, a resistividade é nula, e a condutividade é infinita. Mas isto só é possível quando a substância encontra-se a baixíssimas temperaturas. 1.5.5 Variação da resistência e da resistividade com a temperatura A variação da resistividade com a temperatura é análoga ao da dilatação dos metais: αm = L L → αR = R R = )( 0 0 R RR 8 No entanto a variação da temperatura altera o estado de agitação das partículas internas, em conseqüência, facilita ou dificulta a movimentação dos elétrons. Assim, a resistividade do material varia da seguinte maneira com a temperatura: ρ = ρo [ 1 + α ( 0 )] ρ – resistividade do material na temperatura ρo - resistividade do material na temperatura o 0 - temperatura do material em oC α – coeficiente de temperatura do material em C 0 1 ou (oC)-1 (.tabelado) Substância Resistividade a 0 o C Alumínio 32 10 -7 0,0036 Cobre 17. 10 -7 0,0040 Níquel 100. 10 -7 0,0050 Prata 16. 10 -7 0,0040 Constantan 500. 10 -7 0,00000 Manganina 420. 10 -7 0,00003 Niquelina 420. 10 -7 0,00023 Carbono -60-000. 10 -7 Desta forma, a variação da resistência acompanha a variação da resistividade com a temperatura. No caso dos metais a resistência aumenta quando a temperatura aumentar. Mas, há certas substâncias cuja resistência diminui à medida que a temperatura aumenta; as principais são o carbono e o telúrio. Fonte: e-fisica R = Ro [ 1 + α ( 0 )] R –resistência do material na temperatura Ro – resistência do material na temperatura o 0 - temperatura do material em oC α – coeficiente de temperatura do material em C 0 1 ou (oC)-1 9 2. Circuito Elétrico É composto por um bloco gerador (bipólo ativo) e outro bloco receptor (bipólo passivo), interligados por condutores elétricos de modo a permitir a existência da corrente elétrica. Gerador (fonte): Transforma outra forma de energia em energia elétrica. Sua função é fornecer energia às cargas elétricas que o atravessam. Industrialmente, os geradores mais comuns são os químicos e os mecânicos. Como receptor A representação elétrica o sentido da corrente elétrica é o mesmo do vetor da tensão. Esta indicação será muito importante na analise de circuitos. Receptor (carga): Transforma energia elétrica em outra forma de energia. O motor elétrico, que transforma energia elétrica em mecânica, além da parcela de energia dissipada sob a forma de calor. Já o resistor é um dispositivo que transforma toda a energia elétrica consumida integralmente em calor. Podemos citar os aquecedores, o ferro elétrico, o chuveiro elétrico, a lâmpada comum e os fios condutores em geral. Percebemos que nas cargas o sentido da corrente é sempre contrario ao do vetor tensão (queda de tensão). 10 3. Lei de Ohm 4. Potência Elétrica (P) Imaginemos uma grande quantidade de cargas ΔQ movimentando-se no interior de um condutor de um potencial Ua para outro Ub. A energia fornecida à ΔQ pela diferença de potencial ou o trabalho realizado sobre ΔQ é: τ = ΔQ (Ua – Ub) sendo: Δt ΔQ I e U = Ua - Ub, temos: τ = U I Δt unidade: 1V.1A.1s = 1 Joule ( 1 J) - no sistema MKS Assim, a potencia elétrica pode ser definida como sendo o trabalho realizado pela corrente elétrica em um determinado intervalo de tempo ou como a razão entre a energia elétrica transformada e o intervalo de tempo dessa transformação. A tensão aplicada em um circuito é proporcional a corrente que circula e a resistência. U = R.I Observe o gráfico ao lado onde a Lei de Ohm mostra que a tensão é diretamente proporcional à corrente; ou seja, para qualquer variação da tensão a corrente varia proporcionalmente para R = cte. Ua Ub 11 ΔtΔt P τ E expressão fundamental unidade: Watt1 segundo 1 Joule 1 P - desta forma, 1 Joule = 1 Watt.segundo (1 J = 1W.s) no sistema MKS ou 1.KWh = 103 W . 3,6 . 103 s = 3,6 106 W.s = 3,6 , 106 J Ainda podemos expressar a unidade de potencia em Cavalo Vapor (CV) e Horse Power (HP). 1 CV = 736 W e 1 HP = 746 W Num sistema de corrente contínua em que I e U se mantenham invariantes durante um dado período, a potência transmitida é também constante e igual ao produto dessas grandezas: Sendo , τ = U I Δt e ΔtΔt P τ E Concluimos que: Como: U = R I → P = RI2 → P = R 2U Fonte Potencia fornecida P = + U I Potência recebida P = - U I Gerador Receptor Receptores Potencia consumida P = + U I Carga P = U I 12 Podemos concluir que potência elétrica é uma grandeza que mede a rapidez com que a energia elétrica é transformada em outra forma de energia. Assim, ela está diretamente relacionada com a energia consumida e energia fornecida pelos bipólos ativos e passivos. Uma das transformações da energia elétrica é em forma de calor (energia térmica), pela propriedade conhecida como efeito Joule. A unidade de calor é caloria (cal) e sua equivalência com as grandezas mecânica ou elétrica, pode ser analisada: 1cal = 4,18 Joules Assim se: 1.KWh = 3,6 , 106 J → X cal 4,18 J → 1 cal temos então que: 1 Kwh = 861,24 Kcal 5. Energia Elétrica (E) É uma forma de energia baseada na geração de diferenças de potencial elétrico entre dois pontos, quepermitem estabelecer uma corrente elétrica entre ambos. Mediante a transformação adequada é possível obter que tal energia mostre-se em outras formas finais de uso direto, em forma de luz, movimento ou calor, segundo os elementos da conservação da energia. Atualmente, a energia elétrica uma das formas de energia mais utilizada pelo homem, graças a sua facilidade de transporte, baixo índice de perda energética durante conversões. Ela é obtida principalmente através de termoelétricas, usinas hidrelétricas, usinas eólicas e usinas termonucleares. Sua utilização chegou a um estado de seviço público de carater essencial, pois está diretamente ligada a segurança, saúde, transporte, educação, industrialização, etc. A energia elétrica consumida por uma instalação ou circuito é em função da potência absorvida em um intervalo de tempo. Nos medidores residenciais de energia do valor consumido é na ordem de kWh. Δt = intervalo de tempo em horas P = potência consumida pelo equipamentos em Watts E = P Δt http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia http://pt.wikipedia.org/wiki/Voltagem http://pt.wikipedia.org/wiki/Electricidade http://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_el%C3%A9trica http://pt.wikipedia.org/wiki/Luz http://pt.wikipedia.org/wiki/Movimento http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor http://pt.wikipedia.org/wiki/Termoel%C3%A9tricas http://pt.wikipedia.org/wiki/Usinas_hidrel%C3%A9tricas http://pt.wikipedia.org/wiki/Usinas_e%C3%B3licas http://pt.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear http://pt.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear 13 6. Rendimento (η) A eficiência representa uma medida segundo a qual os recursos são convertidos em resultados de forma mais econômica. Na física e engenharia, define-se eficiência como sendo a relação entre a energia fornecida a um sistema (seja em termos de calor ou de trabalho) e a energia produzida pelo sistema (normalmente na forma de trabalho). Assim, a eficiência de um sistema elétrico é dada pela relação entre a potência absorvida e a potência entregue ao sistema. 100.η entrada saída P P Alguns equipamentos como motores apresentam dentro das características fornecidas pelos fabricantes o rendimento único. Outros conforme mostra a tabela abaixo, o rendimento é analisado em proporção a potencia que está sendo utilizada. Fonte: WEG http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor http://pt.wikipedia.org/wiki/Trabalho 14 7. Análises das Leis de Kirchoff Antes de analisarmos as leis de Kirchoff , identificaremos algumas definições no desenho do circuito abaixo; Ponto: local do circuito que possui um potencial (A,B,C,D,E,F,G,H); Nó: ponto que conecta três ou mais bipolos, permitindo a divisão de corrente (B,E); Ramo: percurso em dois Nó consecutivo (B,H,E) Malha: percurso fechado em um circuito o Malha 1 (ABHEFG) o Malha 2 (BCDEH) Leis de Kirchoff: NÓ: a soma das correntes que entram no Nó é igual a soma das correntes que saem. Malha: a somatória das tensões em uma malha do circuito é igual a zero. I1 + I2 – I3 = 0 I1 + I2 = I3 ƩUi = 0 U1 – U2 – U3 – U4 – U5 – U6 = 0 U1 = U2 + U3 + U4 + U5 + U6 15 8. Associação de Bipólos Associação Série : A corrente elétrica é a mesma em todos os pontos de um circuito. A tensão varia de acordo com os valores dos bipólos envolvidos. Para a analise do circuito, utilizaremos as regras da soma vetorial. Resistor Equivalente: É o resistor que substitui os resistores R1 , R2 e R3 , produzindo a mesma corrente. Geradores: Para os geradores segue também o mesmo procedimento da soma vetorial. Entretanto, observe sempre suas polaridades para poder inserir os vetores das tensões. Ut = U1 + U2 Ut = U1 – U2 Assim, temos: Ut – U1 – U2 – U3 = 0 Ut = U1 + U2 + U3 Ut = R1I + R2I + R3I Ut = ( R1 + R2 + R3 ) I Req = R1 + R2 + R3 Ut = ( R1 + R2 + R3 ) I Ut = Req I Req Ut I 16 Associação Paralela: a tensão é a mesma em todos os bipólos interligados; pois estão ligados a dois pontos comuns (A e B). As correntes dependem das especificações desses bipólos. U1 = U2 = U3 = U4 = Ut IT = I1 + I2 + I3 + I4 ) 4 R 1 3 R 1 2 R 1 1 R 1 ( t U 4 R t U 3 R t U 2 R t U 1 R t U I T Resistor Equivalente: Substitui os resistores, produzindo a mesma corrente. Para dois resistores diferentes: eq R 1 = 2 R 1 1 R 1 2 R 1 R 2 R 1 R eqR eq R 1 = 4 R 1 3 R 1 2 R 1 1 R 1 Ut = ( R1 + R2 + R3 ) IT Ut = Req IT Req Ut I T 17 Para dois resistores iguais: 2 1 R RR RR eqR 11 11 Associação Mista: a configuração do circuito envolve as duas associações anteriores. E, sua análise deve respeitar a posição individual de cada bipólo, respeitando sua condição de série ou paralelo. 9. Transformação de uma ligação delta de resistores em uma ligação estrela As figuras abaixo representam as respectivas ligações em delta e em estrela de resistores. Conhecidas as resistências da ligação em delta, R1, R2 e R3, queremos determinar os valores das resistências Rx, Ry e Rz da ligação equivalente em estrela. 18 9. Análise de Malhas Simples Dupla Passo a passo o Adotar um sentido para a corrente (horário ou anti-horario); o Colocar os vetores das tensões nos geradores e nas cargas; o Aplicar ƩUi = 0, iniciando por qualquer bipolo em qualquer sentido: U1 – U2 – U3 – U4 – U5 – U6 = 0 U1 – R2 I – U3 – U4 – R5 I – R6 I = 0 U1 – U3 –U4 = (R2 + R5 + R6 ) I o Resolver a equação e determinar a corrente. Caso o valor seja negativo, o sentido adotado esta invertido. Neste caso, desinverta o sentido da corrente e das tensões nas cargas para futuras analises. 19 No caso de malha dupla, deve ser seguido o passo a passo anterior para cada malha isoladamente. Posteriormente, iguala-se as equações finais para determinar as correntes em todos os ramos do circuito. Malha 1 Adotar um sentido para a corrente (horário ou anti-horario); Colocar os vetores das tensões nos geradores e nas cargas; Aplicar ƩUi = 0, iniciando por qualquer bipolo em qualquer sentido: U1 + U6 + U5 - U4 – U3 + U2 = 0 R1 I1 + U6 + U5 - R6 (I1 – I2) – U3 + R2 I1 = 0 (em R6 considera-se as duas correntes) R1 I1 - R6 I1 + R2 I1 + R6 I2 = U3– U6 – U5 (R1 + R6 + R2) I1 – R2 I2 = U3– U6 – U5 → Equação 1 Malha 2 Adotar um sentido para a corrente (horário ou anti-horario); Colocar os vetores das tensões nos geradores e nas cargas; Aplicar ƩUi = 0, iniciando por qualquer bipolo em qualquer sentido: U8 + U7 + U4 – U5 + U9 = 0 U8 + R4 I2 + R6 (I2 – I1) - U5 + R5 I2 = 0 (em R6 considera-se as duas correntes) 20 R4 I2 + R6 I2 – R6 I1 + R5 I2 = U5 – U8 - R6 I1 + (R4 + R6 + R5 ) I2 = U5 – U8 → Equação 2 Para finalizar a analise e obter os valores das correntes, deve-se utilizar qualquer método matemático como o da igualdade das equações, matrizes e determinantes. Referências Bibliográficas EISBERG, Robert RESNICK, Robert. Física Quântica – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Tradução de Paulo Costa Ribeiro, Ênio Costa da Silveira e Marta Feijó Barroso. Rio de Janeiro, 1979 HALLIDAY, David, RESNIK Robert, KRANE, Denneth S. Física 3, volume 2, 5 Ed.Rio de Janeiro: LTC, 2004. KITOR, Glauber Luciano.Condutividade elétrica www.infoescola.com/fisica/condutividade-eletrica/ .25/01/2012. BISQUOLO, Paulo Augusto. O movimento ordenado de elétrons em condutores. Pedagogia & Comunicação http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u35.jhtm&usg. 25/01/2012 E-fisica – ensino de física on line http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/corrente/var_resist_temperatura/25/01/2012 Buritisro.Energia em assentamento http://www.google.com.br/imgres?imgurl. 03/02/2012 AES-Eletropaulo- Definições Básicas . 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