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COLÉGIO SATC Disciplina na modalidade a distância APOSTILA DE ELETRICIDADE II Professora Tutora: Janaína Quarti CRICIÚMA – SC COLÉGIO SATC Diretor Carlos Antônio Ferreira Coordenadora Colégio SATC Izes Ester Machado Beloli Coordenadora Geral Maria da Graça Cabral Orientadora Pedagógica Ana Aliria da Silva Peres Coordenador do Curso Gilberto Fernandes da Silva Professor Conteudista Janaína Quarti Designer Instrucional Patrícia Medeiros Paz Diagramadoras Flavia Giassi Patel Patrícia Medeiros Paz Revisoras Ortográficas Flavia Giassi Patel Patrícia Medeiros Paz Este material é de responsabilidade do autor. O conteúdo está licenciado para o Colégio SATC e a sua reprodução e distribuição autorizada no âmbito dos cursos técnicos/EaD. O conteúdo poderá ser citado em trabalhos acadêmicos e/ou profissionais, desde que identifique a fonte. A cópia total ou parcial sem autorização expressa da Coordenação dos Cursos Técnicos em EaD, constitui crime contra a propriedade intelectual, conforme estipulado na Lei de Direitos Autorais vigente, com sanções previstas no Código Penal. SUMÁRIO APRESENTAÇÃO .................................................................................................... 07 UNIDADE 1: INTRODUÇÃO A ANÁLISE DE CIRCUITOS ...................................... 09 TÓPICO 1: ANÁLISE DE CIRCUITOS ..................................................................... 10 TÓPICO 2: VARIÁVEIS ELÉTRICAS ....................................................................... 10 TÓPICO 3: ELEMENTOS DOS CIRCUITOS ............................................................ 12 TÓPICO 4: LEI DE OHM ........................................................................................... 17 TÓPICO 5: POTÊNCIA ELÉTRICA .......................................................................... 19 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 21 CHECK LIST ............................................................................................................. 23 UNIDADE 2: LEIS DE KIRCHHOFF ......................................................................... 24 TÓPICO 1: DEFINIÇÕES .......................................................................................... 25 TÓPICO 2: LEI DE KIRCHHOFF PARA CORRENTES ............................................ 27 TÓPICO 3: LEI DE KIRCHHOFF PARA TENSÕES ................................................. 30 TÓPICO 4: AS CORRENTES NAS MALHAS ........................................................... 33 TÓPICO 5: TENSÕES NOS NÓS ............................................................................. 35 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 38 CHECK LIST ............................................................................................................. 40 UNIDADE 3: TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO ....................................................... 41 TÓPICO 1: DEFINIÇÃO ............................................................................................ 42 TÓPICO 2: EXEMPLO DE APLICAÇÃO .................................................................. 43 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 50 CHECK LIST ............................................................................................................. 51 UNIDADE 4: TEOREMA DE THÉVENIN .................................................................. 52 TÓPICO 1: TEOREMA DE THÉVENIN ..................................................................... 53 TÓPICO 2: EQUIVALENTE DE THÉVENIN ............................................................. 54 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 58 CHECK LIST ............................................................................................................. 59 UNIDADE 5: TEOREMA DE NORTON .................................................................... 60 TÓPICO 1: TEOREMA DE NORTON ...................................................................... 61 TÓPICO 2: EQUIVALENTE DE NORTON ............................................................... 62 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 66 CHECK LIST ............................................................................................................ 67 UNIDADE 6: CORRENTE ALTERNADA ................................................................. 68 TÓPICO 1: PRINCÍPIOS DA CORRENTE ALTERNADA ....................................... 69 TÓPICO 2: MEDIÇÃO ANGULAR ........................................................................... 71 TÓPICO 3: ONDA SENOIDAL ................................................................................. 72 TÓPICO 4: CORRENTE ALTERNADA .................................................................... 72 TÓPICO 5: FREQUÊNCIA E PERÍODO ................................................................... 72 TÓPICO 6: VALORES CARACTERÍSTICOS DE TENSÃO E CORRENTE CA ...... 73 TÓPICO 7: RELAÇÕES DE FASE ........................................................................... 76 TÓPICO 8: FASORES .............................................................................................. 77 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 81 CHECK LIST ............................................................................................................ 82 UNIDADE 7: CIRCUITOS RESISTIVOS EM CORRENTE ALTERNADA................ 83 TÓPICO 1: RESISTÊNCIA EM CIRCUITOS CA ...................................................... 84 TÓPICO 2: CARACTERÍSTICAS DE TENSÃO E CORRENTE DOS CIRCUITOS RESISTIVOS EM CA ................................................................................................ 84 EXERCÍCIOS ............................................................................................................ 86 CHECK LIST ............................................................................................................ 87 UNIDADE 8: CIRCUITOS INDUTIVOS .................................................................... 88 TÓPICO 1: INDUTORES .......................................................................................... 89 TÓPICO 2: REATÂNICA INDUTIVA ........................................................................ 90 TÓPICO 3: ASSOCIAÇÃO DE INDUTORES ........................................................... 91 TÓPICO 4: CIRCUITOS INDUTIVOS ....................................................................... 92 TÓPICO 5: POTÊNCIA EM CIRCUITOS RL ............................................................ 99 EXERCÍCIOS .......................................................................................................... 101 CHECK LIST .......................................................................................................... 103 UNIDADE 9: CIRCUITOS CAPACITIVOS .............................................................. 104 TÓPICO 1: CAPACITORES .................................................................................... 105 TÓPICO 2: CAPACITÂNCIA ................................................................................... 105 TÓPICO 3: ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES ..................................................... 107 TÓPICO 4: REATÂNCIA CAPACITIVA .................................................................. 108 TÓPICO5: CIRCUITOS CAPACITIVOS ................................................................. 110 EXERCÍCIOS .......................................................................................................... 116 CHECK LIST ........................................................................................................... 117 GABARITO COMENTADO ..................................................................................... 118 REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 140 7 APRESENTAÇÃO Bem-vindo(a) ao componente curricular Eletricidade II do curso Técnico de Eletrotécnica, na modalidade a distância, da SATC. Este material foi desenvolvido para ensinar você a resolver circuitos elétricos de acordo com os métodos de análise existentes. Nosso ponto de partida, Unidade 1, conheceremos alguns dos elementos que compõem um circuito elétrico. Além disso, será possível relembrar alguns conceitos relacionados à Lei de Ohm, incluindo o cálculo de grandezas elétricas em circuitos básicos. Na Unidade 2 iniciaremos nossos estudos sobre análise de circuitos através do estudo das Leis de Kirchhoff. A Unidade 3 refere-se ao estudo do Teorema da Superposição, outro método utilizado para resolução de circuitos complexos, assim como as Leis de Kirchhoff, apresentando como vantagem a análise do circuito sob os efeitos de uma única fonte de cada vez. Nas Unidades 4 e 5 conheceremos os Teoremas de Thévenin e Norton que são utilizados para simplificar circuitos elétricos complexos em circuitos simples. A Unidade 6 possibilitará entender os conceitos relacionados à corrente alternada, os conceitos de frequência, período e representação gráfica das ondas de tensão e corrente CA. E por fim, nas Unidades 7, 8 e 9 estudaremos o comportamento das grandezas elétricas mediante a aplicação de uma corrente alternada em circuitos resistivos, indutivos e capacitivos. A carga horária dessa disciplina é de120 horas/aula, mas você poderá organizar seus momentos de estudos com autonomia, conforme os horários de sua preferência. No entanto, não esqueça que há um prazo limite para a conclusão desse processo. Então fique atento as datas para realizar as avaliações presenciais, as on-line, publicadas pelos professores no Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA), e possíveis trabalhos solicitados pelo educador. Para o estudo dessa apostila você terá auxílio de alguns recursos pedagógicos que facilitarão o seu processo de aprendizagem. Perceba que a margem externa das páginas dos conteúdos são maiores. Elas servem tanto para você fazer anotações durante os seus estudos quanto para o professor incluir informações adicionais importantes. Esse material também dispõe de vários ícones de aprendizagem, os quais destacarão informações relevantes sobre os assuntos que você está estudando. Vejamos quais são eles e os seus respectivos significados: 8 ÍCONES DE APRENDIZAGEM Indica a proposta de aprendizagem para cada unidade da apostila. Mostra quais conteúdos serão estudados em cada unidade da apostila. Apresenta exercícios sobre cada unidade. Apresenta os conteúdos mais relevantes que você deve ter aprendido em cada unidade. Se houver alguma dúvida sobre algum deles, você deve estudar mais antes de entrar nas outras unidades. Apresenta a fonte de pesquisa das figuras e as citações presentes na apostila. Traz perguntas que auxiliam você na reflexão sobre os conteúdos e no sequenciamento dos mesmos. Apresenta curiosidades e informações complementares sobre um conteúdo. Traz endereços da internet ou indicações de livros que possam complementar o seu estudo sobre os conteúdos. Lembre-se também de diariamente verificar se há publicações de aulas no Portal. Pois é por meio delas que os professores passarão a você todas as orientações sobre a disciplina. Ainda é bom lembrar que além do auxílio do professor, você também poderá contar com o acompanhamento de nosso sistema de Tutoria. Você poderá entrar em contato sempre que sentir necessidade, seja pelo email tutoria.ead@satc.edu.br ou pelo telefone (48) 3431 – 7590/ 3431 – 7596. Desejamos um bom desempenho nesse seu novo desafio. E não esqueça: estudar a distância exige bastante organização, empenho e disciplina. Bom estudo! 9 UNIDADE 1 INTRODUÇÃO A ANÁLISE DE CIRCUITOS Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: identificar os elementos de um circuito elétrico; aplicar a Lei de Ohm para resolução de circuitos elétricos; calcular a potência elétrica dissipada por um resistor. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em cinco tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: ANÁLISE DE CIRCUITOS TÓPICO 2: VARIÁVEIS ELÉTRICAS TÓPICO 3: ELEMENTOS DOS CIRCUITOS TÓPICO 4: LEI DE OHM TÓPICO 5: POTÊNCIA ELÉTRICA 10 TÓPICO 1 ANÁLISE DE CIRCUITOS Antes de iniciarmos nossos estudos, vamos relembrar alguns conceitos importantes. Roteiro para análise de circuitos Para resolver um circuito elétrico devemos seguir os seguintes passos: identificar claramente os dados e o que é pedido; simplificar ou redesenhar o circuito; escolher o método de análise mais simples; verificar se a solução encontrada é fisicamente possível. TÓPICO 2 VARIÁVEIS ELÉTRICAS Todo circuito elétrico será composto por variáveis elétricas. Identificar cada variável elétrica é fundamental para compreender o funcionamento de um circuito. Circuito elétrico - modelo matemático de um sistema elétrico real; Análise de circuito - permite prever o comportamento do circuito e de seus componentes. Esta unidade foi elaborada com base no site: http://www.eletrica.ufpr.br/t helma/Capitulo2.pdf 11 Unidades de Base O Sistema Internacional de Unidades (SI) é o sistema de medição mais utilizado no mundo. De acordo com o SI as sete grandezas básicas e fundamentais estão descritas na tabela a seguir. veja na tabela abaixo as unidades base do SI: Grandeza Unidade Símbolo Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Corrente elétrica Ampère A Temperatura Kelvin K Intensidade luminosa Candela cd Unidades Derivadas Úteis na Teoria de Circuitos Além das unidades base do SI, para análise de circuitos são necessárias outras grandezas que são denominadas unidades derivadas. veja na tabela abaixo as unidades derivadas: Esta tabela foi elaborada pela professora Janaina Quarti, com base no SI – Sistema Internacional de Unidades. 12 Grandeza Nome / Símbolo Fórmula dimensional Frequência Hertz (Hz) s-1 Força Newton (N) kg.m/s2 Energia ou trabalho Joule (J) N.m Potência Watt (W) J/s Carga elétrica Coulomb (C) A.s Potêncial elétrico Volt (V) W/A Resistência elétrica Ohm () V/A Condutância elétrica Siemens (S) A/V Capacitância Farad (F) C/V Fluxo magnético Weber (Wb) V.s Indutância Henry (H) Wb/A TÓPICO 3 ELEMENTOS DOS CIRCUITOS Os circuitos podem ter cinco elementos básicos: fontes de tensão; fontes de corrente; resistores; indutores; capacitores. Fontes Ideais de Tensão e Corrente Esta tabela foi elaborada pela professora Janaina Quarti, com base no SI – Sistema Internacional de Unidades.. O que são fontes? 13 Fontes são dispositivos capazes de gerar energia elétrica. Existem duas categorias de fontes: fontes independentes; fontes dependentes (fontes controladas). Fontes Independentes Uma fonte independente ideal é um elemento ativo que fornece uma tensão ou corrente específica que é completamente independente de outros elementos do circuito.Fonte Ideal Independente de Tensão Estabelece uma tensão que não depende das ligações externas, ou seja, v é fixa, independente de i. veja o exemplo a seguir. Note que a fonte de 12 V têm um valor fixo independente do valor da corrente elétrica: Fonte Ideal Independente de Corrente Estabelece uma corrente que não depende das ligações externas, ou seja, i é fixa, independente de v. Esta figura foi elaborada pela professora Janaina Quarti. 14 veja o exemplo a seguir. Note que a fonte de 5 A têm um valor fixo independente da tensão elétrica: Fontes Dependentes ou Controladas Fonte controlada é aquela que estabelece uma tensão ou uma corrente que depende do valor da tensão ou corrente em outro ponto do circuito. Fonte de Tensão Controlada por Tensão Uma fonte de tensão controlada por tensão é um elemento ativo do circuito que é controlado, ou dependente de outra tensão do circuito. Observe a figura abaixo e note que a fonte de tensão v é dependente do valor de v1: Essa figura foi retirada do site: http://www.decom.fee.unica mp.br/~baldini/EA513/Cap3 .pdf Esta figura foi elaborada pela professora Janaina Quarti. 15 Fonte de Tensão Controlada por Corrente Uma fonte de tensão controlada por corrente é um elemento ativo do circuito que é controlado, ou dependente da corrente elétrica em um determinado ponto do circuito. Observe a figura abaixo. Note que a fonte de tensão v é dependente do valor de i1: Fonte de Corrente Controlada por Corrente Uma fonte de corrente controlada por corrente é um elemento ativo do circuito que é controlado, ou dependente da corrente elétrica em um determinado ponto do circuito. Observe a figura a seguir e note que a fonte de corrente i é dependente do valor de i1: Essa figura foi retirada do site: http://www.decom.fee.unica mp.br/~baldini/EA513/Cap3 .pdf 16 Fonte de Corrente Controlada por Tensão Uma fonte de corrente controlada por tensão é um elemento ativo do circuito que é controlado, ou dependente da tensão elétrica em um determinado ponto do circuito. Observe a figura a seguir e note que a fonte de corrente i é dependente do valor de v1. Resistores Os resistores são elementos que possuem resistência elétrica. As figuras dessa página foram retiradas do site: http://www.decom.fee.unica mp.br/~baldini/EA513/Cap3 .pdf 17 Resistência elétrica pode ser definida como a capacidade do material para impedir a circulação da corrente ou especificamente a circulação das cargas elétricas. A figura a seguir representa um condutor elétrico com comprimento l, resistividade ρ e seção transversal S. A resistência elétrica desse condutor pode ser calculada aplicando-se a fórmula: 𝑅 = 𝜌 . 𝑙 𝑆 Onde: R – resistência (Ω) Ρ – resistividade do material (Ω.m) l – comprimento (m) S – seção transversal (m²) a figura abaixo representa um resistor: Resistência Elétrica? Essa figura foi retirada do site: www.google.com.br/search ?q=resistividade&biw=1920 &bih=986&source=lnms&tb m=isch&sa=X&sqi=2&ved= 0CAcQ_AUoAmoVChMIgPj i9eWpyAIVhUOQCh2_aQ m-#imgrc=366gZDjZOLp- qM%3A http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCKDE75bmqcgCFYqCkAodhD4Cvg&url=http://www.infoescola.com/fisica/leis-de-ohm/&psig=AFQjCNGAE540XadwdMyr4dp_4aD_JCHTeg&ust=1444081768388468 18 TÓPICO 4 LEI DE OHM Estabelece uma relação algébrica entre tensão e corrente em um resistor. Num resistor linear é utilizada a convenção passiva, esta lei pode ser escrita da seguinte forma conforme a representado na figura a seguir: uma bateria de 24 V é ligada em uma resistência R, de tal maneira que a corrente elétrica no circuito é de 3,0 A. Qual o valor da resistência elétrica do circuito? De acordo com a Lei de Ohm: 𝑅 = 𝑉 𝐼 Substituindo os valores temos: Esta figura foi elaborada retirada do site: http://pt.scribd.com/doc/378 06595/RESISTOR- Simbolos#scribd Esta figura foi elaborada pela professora Janaina Quarti. 19 𝑅 = 24 3 = 8 Ω. TÓPICO 5 POTÊNCIA ELÉTRICA A potência elétrica é definida como sendo o trabalho realizado pela corrente elétrica. Para calcular a potência dissipada por um resistor basta aplicar a fórmula: calcule a potência dissipada por uma resistência de 3 Ω quando esta é submetida a uma tensão de 12 V. Sendo: 𝑃 = 𝑉 𝑥 𝑖 𝑖 = 𝑉 𝑅 Podemos dizer que: 𝑃 = 𝑉 𝑥 𝑉 𝑅 = 𝑉2 𝑅 Substituindo os valores temos: Esta figura foi elaborada pela professora Janaina Quarti. 20 𝑃 = 122 3 = 48 W Nesse capítulo conhecemos alguns dos elementos que compõem um circuito elétrico. Foi possível relembrar alguns conceitos relacionados à Lei de Ohm para determinar as grandezas elétricas de um circuito básico. 21 EXERCÍCIOS 1. Um chuveiro elétrico é submetido a uma d.d.p de 220 V, sendo percorrido por uma corrente elétrica de intensidade 10A. Então, qual a resistência elétrica do chuveiro? _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 2. Um resistor de resistência equivalente a 10 Ω é percorrido por uma intensidade de corrente elétrica igual a 6 A. Qual a ddp (V) entre os extremos do resistor? _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 3.Um resistor de resistência elétrica R igual a 10 Ω é percorrido por uma intensidade de corrente elétrica equivalente a 5 A. Qual é a potência dissipada (P) pelo resistor? _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 22 4.Uma lâmpada incandescente (de filamento) apresenta em seu rótulo as seguintes especificações: 60 W e 120 V. Determine: a. a corrente elétrica i que deverá circular pela lâmpada se ela for conectada a uma fonte de 120 V. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ b. a resistência elétrica R apresentada pela lâmpada, supondo que ela esteja funcionando de acordo com as especificações. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 23 CHECK LIST Nessa unidade você pôde aprender: um circuito elétrico qualquer pode ser transformado em um modelo matemático; fontes, resistores, capacacitores e indutores são elementos que constituem um circuito elétrico; a Lei de Ohm permite calcular os valores de tensão corrente e resistência de um circuito. 24 UNIDADE 2 LEIS DE KIRCHHOFF Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: identificar em um circuito elétrico, o que são ramos,nós e malhas; aplicar a Lei de Kirchhoff para correntes na resolução de circuitos elétricos; aplicar a Lei de Kirchhff para tensões na resolução de circuitos elétricos. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em cinco tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: DEFINIÇÕES TÓPICO 2: LEI DE KIRCHHOFF PARA CORRENTES TÓPICO 3: LEI DE FIRCHHOFF PARA TENSÕES TÓPICO 4: AS CORRENTES NAS MALHAS TÓPICO 5: TENSÕES NOS NÓS Esta unidade foi elaborada com base na obra Eletricidade Básica de Milton Gussow. 25 TÓPICO 1 DEFINIÇÕES As leis de Kirchhoff envolvem conceitos básicos para a resolução e análise de circuitos elétricos, tanto em corrente contínua como em alternada. Antes de apresentar essas leis, vejamos algumas definições relacionadas aos circuitos elétricos. Ramo É qualquer parte de um circuito elétrico composta por um ou mais dispositivos ligados em série. Note na figura a seguir que o ramo identificado possui um resistor R5 em série com uma fonte de tensão E3: É qualquer ponto de um circuito elétrico no qual há a conexão de três ou mais ramos. A figura a seguir apresenta dois nós, ou seja, dois pontos onde há conesão de três ramos: As figuras dos Tópicos 1 e 2 desta Unidade foram retiradas do site: http://www.google.com.br/url ?url=http://lapolli.pro.br/escol as/anhembi/elemec/teoria/un idade5.pptx&rct=j&frm=1&q= &esrc=s&sa=U&ei=ICj3U9_ RDKzKsQTKzoCABA&ved= 0CCAQFjAC&usg=AFQjCN ER0FXrvKGzfU25BEHDka4 pCnupUA. Nó 26 Malha É qualquer parte de um circuito elétrico cujos ramos formam um caminho fechado para a corrente. Veja a seguir um exemplo de malha: no circuito abaixo, identifique os seus nós, ramos e malhas: Nós Podemos verificar que os pontos C e G do circuito são nós, ou seja, possuem conexão de três ramos: 27 Ramos Notamos que nos três casos identificados temos um ou mais elementos ligados em série: Malhas Podemos verificar que o circuito dispõe de duas malhas internas (1 e 2) e uma malha externa (3). TÓPICO 2 LEI DE KIRCHHOFF PARA CORRENTES Definindo arbitrariamente as correntes que chegam ao nó como positivas e as que saem do nó como negativas, a lei de Kirchhoff para correntes pode ser enunciada como segue: 28 a soma algébrica das correntes em um nó é igual a zero; a soma das correntes que chegam a um nó é igual à soma das correntes que saem desse nó. Observe atentamente o circuito abaixo: Note que é possível identificar um nó no circuito. Nesse nó podemos observar correntes entrando e saindo do nó. As correntes que chegam no nó são positivas (+) e as correntes que saem do nó são negativas. no circuito abaixo são conhecidos os valores I1, I2 e I4. Determinar I3, I5 e I6: Correntes que chegam e correntes que saem de nó, como assim? 29 Solução Analisando o circuito, verificamos que ele possui quatro nós, conforme representado pelas Letras A, B, C e D na figura abaixo: A Lei de Kirchhoff para correntes diz que: a soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem do nó. Aplicando a LKC no nó B teremos: I2 = I5 + I4 Substituindo os valores indicados teremos: I2 = I5 + I4 6 = I5 + 3 30 Resolvendo a equação: 6 – 3 = I5 I5 = 3 A Agora é possível aplicar a LKC no nó A: I5 = I1 + I6 Se substituirmos os valores indicados: I5 = I1 + I6 3 = 2 + I6 3 – 2 = I6 I6 = 1 A Em seguida, aplica-se a LKC no nó D: I6 + I4 = I3 Se substituirmos os valores indicados: 1 + 3 = I3 I3 = 4 A. TÓPICO 3 LEI DE KIRCHHOFF PARA TENSÕES Antes de enunciar a lei de Kirchhoff para tensões, é necessário analisar um outro comportamento possível para as fontes de tensão num circuito elétrico. Num circuito elétrico formado por mais de uma fonte de alimentação, é possível que em alguma fonte a corrente entre pelo 31 polo positivo e saia pelo polo negativo. Nesse caso, ao invés de elevar o potencial do circuito a fonte estaria provocando a sua queda, isto é, ao invés de gerador, ela estaria funcionando como um receptor ativo. Vejamos agora o que é a lei de Kirchhoff para tensões. Adotando um sentido arbitráriode corrente para a análise de uma malha, e considerando as tensões que elevam o potencial do circuito como positivas (geradores) e as tensões que causam queda de potencial como negativas(receptores passivos e ativos). A lei de Kirchhoff para tensões pode ser enunciada como segue: a soma algébrica das tensões em uma malha é zero; a soma das tensões que elevam o potencial do circuito é igual à soma das tensões que causam a queda de potencial. no circuito abaixo, são conhecidos os valores E1, E2 e E3, V3 e V4. Determine V1 e V2: Esta figura foi retirada do site http://www.google.com .br/url?url=http://lapolli. pro.br/escolas/anhemb i/elemec/teoria/unidad e5.pptx&rct=j&frm=1& q=&esrc=s&sa=U&ei=I Cj3U9_RDKzKsQTKzo CABA&ved=0CCAQFj AC&usg=AFQjCNER0 FXrvKGzfU25BEHDka 4pCnupUA Esta figura foi retirada do site http://www.google.com .br/url?url=http://lapolli. pro.br/escolas/anhemb i/elemec/teoria/unidad e5.pptx&rct=j&frm=1& q=&esrc=s&sa=U&ei=I Cj3U9_RDKzKsQTKzo CABA&ved=0CCAQFj AC&usg=AFQjCNER0 FXrvKGzfU25BEHDka 4pCnupUA 32 Solução Para encontrarmos os valores de V1 e V2 vamos aplicar a Lei de kirchhoff para tensões LKT que diz: a soma algébrica das tensões em uma malha é igual a zero. Vamos, inicialmente, aplicar a LKT na malha 2, partindo do nó A em direção ao nó B. Para isso adotamos um sentido para corrente, o sentido foi arbitrário. Logo teremos: Malha 2 Vamos discutir aqui os sinais utilizados: + V3 = o sinal positivo foi utilizado porque o sentido da corrente arbitrado é o mesmo indicado; - E2 = devemos utilizar o sinal de saída da fonte; O traço maior da fonte indica o polo positivo e o traço menor o polo negativo. Como a saída da corrente é no polo negativo, utiliza-se o sinal negativo; + V4 = o sinal positivo foi utilizado porque o sentido da corrente arbitrado é o mesmo indicado; + V3 - E2 + V4 + V2 = 0 33 + V2 = o sinal positivo foi utilizado porque o sentido da corrente arbitrado é o mesmo indicado. Substituindo os valores na equação teremos: + V3 - E2 + V4 + V2 = 0 + 5 – 20 + 8 + V2 = 0 V2 = 7 V Agora aplicamos a LKT na malha 1, partindo do nó A: - V2 – V1 + E1 = 0 Substituindo teremos: - 7 – V1 + 10 = 0 V1 = 3 V. TÓPICO 4 AS CORRENTES NAS MALHAS As leis de Kirchhoff podem ser simplificadas por meio de um método que utiliza as correntes nas malhas. Uma malha é qualquer percurso fechado de um circuito. Não se leva em conta se o percurso contém ou não uma fonte de tensão. Ao se resolver um circuito utilizando as correntes nas malhas, precisamos escolher previamente quais os percursos que formarão as malhas. A seguir, designamos para cada malha a sua respectiva corrente de malha. Por conveniência, as correntes nas malhas são geralmente indicadas no sentido horário. Este sentido é arbitrário, mas o horário é o mais usado. As equações resultantes determinam as correntes de malha desconhecidas. A partir dessas correntes, pode-se calcular a corrente ou a tensão de qualquer resistor. 34 Na figura a seguir, há um circuito com duas malhas (1 e 2). A malha 1 é formada pelo percurso abcda e a malha 2 é formada pelo trajeto adefa. São conhecidas todas as resistências e todas as fontes de tensão. O procedimento para se determinar as correntes das malhas I1 e I2 é o seguinte: 1. após escolher as malhas, indicar as correntes das malhas I1 e I2 no sentido horário. Indicara polaridade da tensão através de cada resistor, de acordo com o sentido adotado para a corrente. Lembre-se de que o fluxo convencional da corrente num resistor produz uma polaridade positiva na qual a corrente entra; 2. aplique a lei de Kirchhoff para a tensão, Σ V = 0, ao longo de cada malha. Percorra cada malha no sentido da corrente da malha. Observe que há duas correntes diferentes (I1 e I2) fluindo em sentidos opostos através do mesmo resistor, R2, que é comum a ambas as malhas. Por esse motivo aparecem dois conjuntos de polaridades para R2. Percorra a malha 1 no sentido abcda; + VA – I1R1 – I1R2 + I2R2 = 0 + VA – I1. (R1 + R2) + I2R2 = 0 + I1( R1 + R2) – I2R2 = VA (1) Esta figura foi retirada do site http://www.dca.ufrn.br/~b runo/downloads/kirchhof 35 Observe que na primeira expressão I2R2 é + (positivo), pois passamos por uma queda de tensão do – (negativo) para o +. Percorra a malha 2 no sentido adefa: – I2R2 + I1R2 – I2R3 – VB = 0 +I1R2 – I2. (R2 + R3) = VB calcule I1 e I2 resolvendo as Eqs. (1) e (2) simultaneamente; quando as correntes das malhas forem conhecidas, calcule todas as quedas de tensão, através dos resistores, utilizando a lei de Ohm; verifique a solução das correntes das malhas percorrendo a malha abcdefa. VA – I1R1 – I2R3 – VB = 0 TÓPICO 5 TENSÕES NOS NÓS Um outro método para se resolver um circuito com correntes de malhas utiliza as quedas de tensão para determinar as correntes num dado nó. Escreve-se, então, as equações dos nós para as correntes, de modo a satisfazer a lei de Kirchhoff para a corrente. Resolvendo as equações dos nós, podemos calcular as tensões desconhecidas nos nós. Um nó é uma conexão comum a dois ou mais componentes. Um nó principal possui três conexoes ou mais. A cada nó, num circuito, se associa uma letra ou um número. A, B, G e N são nós principais ou junções. Uma tensão de nó é a tensão de um dado nó com relação a um determinado nó chamado de nó de referência. 36 Escolha o nó G ligado ao terra do chassi como o nó de referência. Então, VAG é a tensão entre os nós A e G; VBG é a tensão entre os nós B e G; e VNG é a tensão entre os nós N e G. Como a tensão do nó é sempre determinada em relação a um determindo nó de referência, a notação VA, VB e VN é usada para substituir VAG, VBG e VNG, respectivamente. Com exeção do nó de referência, pode-se escrever equações que usam LKC em cada nó principal. Logo, o número de equações necessárias é igual ao número de nós principais menos 1. Como o circuito contém dois nós principais (N e G), precisamos escrever somente uma equação para o nó N, a fim de poder calcular todas as quedas de tensão e as correntes do circuito. Admita que as correntes nos ramos I1 e I2 entrem no nó N, e I3 saia do nó N. A escolha do sentido das correntes é arbitrária. Da LKC: Σ I = 0 I1 + I2 – I3 = 0 I3 = I1 + I2 (1) Pela lei de Ohm: 2 3 R VN I 1 1 R VNVA I Esta figura foi retirada do site: http://www.dca.ufrn.br/~b runo/downloads/kirchhof 37 3 2 R VNVB I Substituindo estas expressões na equação (1): 312 R VNVB R VNVA R VN (2) Se VA, VB, R1, R2 e R3 forem conhecidos, VN pode ser calculado a partir da equação 2. Assim, podem ser determinadas todas as quedas de tensão e as correntes do circuito. O estudo das Leis de Kirchhoff torna possível a resolução de circuitos elétricos complexos com mais de uma fonte, conforme verificamos ao longo dessa unidade. Essas leis porém, não são os únicos métodos de análise de circuitos existentes. Nas próximas unidades estaremos conhecendo outros métodos que podem ser utilizados para esse tipo de circuito elétrico. 38 EXERCÍCIOS 1. Para o circuito abaixo, determine a quantidade de ramos, nós e malhas e represente-os no circuito: 2. Aplicando a Lei de Kirchhoff para tensões, encontre os valores de I1 e I2. Depois determine o valor da corrente no resistor de 2 ohms. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 39 3. Utilizando o mesmo circuito da questão anterior, aplique a Lei de Kirchhoff para correntes para determinar os valores de I1, I2 e I3. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 40 CHECK LIST Nessa unidade você pôde aprender: circuitos elétricos com maior complexidade incluindo mais de uma fonte podem ser resolvidos utilizando-se as Leis de Kirchhoff; as leis de Kirchhoff se dividem em Lei de Kirchhoff para correntes (LKC) e Lei de Kirchhoff para Tensões (LKT); é possível resolver um circuito elétrico aplicando-se qualquer uma das Leis de Kirchhoff. 41 UNIDADE 3 TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: identificar o teorema da superposição; aplicar o teorema da superposição para determinar os valores de tensão, corrente e potência em diferentes pontos do circuito. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em dois tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: DEFINIÇÃO TÓPICO 2: EXEMPLO DE APLICAÇÃO 42 TÓPICO 1 DEFINIÇÃO O teorema da superposição afirma que, numa rede com duas ou mais fontes, a corrente ou a tensão para qualquer componente é a soma algébrica dos efeitos produzidos por cada fonte atuando independentemente. A fim de se usar uma fonte de cada vez, todas as outras fontes são retiradas do circuito. Ao se retirar uma fonte de tensão, faz-se no seu lugar um curto-circuito em seu lugar.Quando se retira uma fonte de corrente, ela é substituída por um circuito aberto. A figura abaixo representa uma fonte de tensão sendo substituída por um curto-circuito e uma fonte de corrente sendo substituída por um circuito aberto. Veja: A fim de superpor correntes e tensões, todos os componentes precisam ser lineares e bilaterais. Por linear entende-se que a corrente é proporcional a tensão aplicada, isto é, a tensão e a corrente obedecem a lei de Ohm, I = V/R. Então, as correntes calculadas para diferentes fontes de tensão podem ser superpostas, isto é, somadas algebricamente. Esta figura foi retirada do site: http://www.eletrica.ufpr.b r/thelma/Capitulo6.pdf Mais o que são componentes lineares e bilaterais? Esta unidade foi elabora com base na Obra Eletricidade Básica de Milton Gussow. 43 Por bilateral entende-se que a corrente deve ter o mesmo valor nas polaridades opostas da fonte de tensão. Então, os valores em sentidos opostos de corrente podem ser somados algebricamente. TÓPICO 2 EXEMPLO DE APLICAÇÃO A seguir veremos um exemplo de como aplicar o teorema da superposição em um circuito elétrico. Observe o circuito abaixo: Note que o circuito é composto por duas fontes de tensão. Para esse circuito deve-se calcular os valores das correntes I1, I2 e I3. De acordo com o teorema da superposição: calcule as correntes produzidas somente pela fonte de tensão V1; calcule as corrente produzidas somente pela fonte de tensão V2; some algebricamente as correntes individuais para determinar as correntes produzidas pelas duas fontesV1 e V2. utilizando o teorema da superposição, determine a intensidade da corrente elétrica no resistor R: Esta figura foi elaborada pela professora Janaina Quarti. I1 = I1, V1 + I1, V2 I2 = I2, V1 + I2, V2 I1 = I3, V1 + I3, V2 44 Resolução Inicialmente, elimina-se a fonte de tensão E2. Para isso deve-se fechar um curto no ponto onde está a fonte, conforme ilustrado abaixo: Para determinar a corrente elétrica que circula no resistor R, em consequência da aplicação da tensão da fonte E1, é necessário calcular a corrente total. De acordo com a Lei de Ohm: Calculando a resistência equivalente: Esta figura foi retirada do site: file:///C:/Users/Documentos /Downloads/Aula_1_Teore mas_da_An%C3%A1lise_d e_Circuitos[1]%20(1).pdf 𝐼𝑡 = 𝐸1 𝑅𝑒𝑞 45 Os resistores R e R2 estão associados em paralelo, logo: 𝑅𝑒𝑞 = 1 𝑥 0,2 1+0,2 = 0,167 Ω. Redesenhando o circuito teremos: 𝐼 = 20 0,5 + 0,167 = 29,98 𝐴 29,98 A 46 Sendo a corrente total igual a 29,98 A, é possível calcular a corrente no resistor R aplicando-se a fórmula do divisor de corrente: 𝐼𝑅 = 𝐼𝑇 𝑥 𝑟2 𝑅 + 𝑟2 Substituindo os valores teremos: 𝐼𝑅 = 29,98 𝑥 0,2 1 + 0,2 = 5 𝐴 Agora é necessário calcular a corrente produzida pela fonte E2. Para isso, retornar-se ao circuito original e elimina-se a fonte E1. Observe: Para determinar a corrente elétrica que circula no resistor R em consequência da aplicação da tensão da fonte E2, é necessário calcularmos a corrente total: A corrente elétrica, no resistor R em consequência da fonte de tensão E1 é igual a 5 A. 47 𝐼𝑡 = 𝐸2 𝑅𝑒𝑞 Calculando a resistência equivalente: Os resistores R e r1 estão associados em paralelo, logo: 𝑅𝑒𝑞 = 1 𝑥 0,5 1 + 0,5 = 0,33 Ω Redesenhando o circuito: 𝐼 = 10 0,33 + 0,2 = 18,87 𝐴 48 Sendo a corrente total igual a 18,87 A, é possível calcular a corrente no resistor R aplicando-se a fórmula do divisor de corrente: 𝐼𝑅 = 𝐼𝑇 𝑥 𝑟1 𝑅 + 𝑟1 𝐼𝑅 = 18,87 𝑥 0,5 1 + 0,5 = 6,27 𝐴 A corrente elétrica, no resistor R em consequência da fonte de tensão E2 é igual a 6,27 A. A corrente resultante será a soma algébrica das correntes produzidas pelas fontes: Visto que as duas correntes estão entrando no mesmo sentido no resistor a corrente total será 5 + 6,27 = 11,27 A. Nessa unidade verificamos que o Teorema da Superposição também pode ser utilizado para resolução de 18,87 A 49 circuitos complexos, assim como as Leis de Kirchhoff, apresentando como vantagem a análise do circuito sob os efeitos de uma única fonte de cada vez. 50 EXERCÍCIOS 1. Para o circuito abaixo, utilize o método da Superposição para calcular as correntes nos resistores. Encontre o valor de IR1 (corrente no resistor R1) e IR2 (corrente no resistor R2). ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2. Para o circuito ilustrado abaixo, calcule a corrente elétrica e a tensão no resistor utilizando o Teorema da Superposição. ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 51 CHECK LIST Nessa unidade você pôde aprender: circuitos elétricos que contenham mais de uma fonte de tensão e/ou corrente podem ser resolvidos utilizando-se o teorema da superposição; em um circuito elétrico com duas ou mais fontes, a corrente ou a tensão para qualquer componente é a soma algébrica dos efeitos produzidos por cada fonte atuando independentemente. 52 UNIDADE 4 TEOREMA DE THÉVENIN Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: aplicar o Teorema de Thévenin para resolver circuitos elétricos. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em dois tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: TEOREMA DE THÉVENIN TÓPICO 2: EQUIVALENTE DE THÉVENIN 53 TÓPICO 1 TEOREMA DE THÉVENIN O teorema de Thévenin afirma que, do ponto de vista de qualquer par de terminais, um circuito linear pode sempre ser substituído por uma fonte de tensão com resistência interna. Quando o objetivo da análise de um circuito se resume a identificar a corrente, a tensão ou a potência a jusante de um par de terminais, então o teorema de Thévenin indica que todo o circuito a montante pode ser reduzido a dois elementos apenas, constituindo globalmente uma fonte de tensão com resistência interna. O conjunto de componentes vTh e RTh é designado por equivalente de Thévenin do circuito. Note na figura abaixo que nos dois casos o circuito elétrico foi simplificado e substituído por uma fonte de tensão em série com uma resistência: Mas por que Teorema de Thévenin? Para saber mais sobre Léon Charles Thévenin acesse o site: http://pt.wikipedia.org/wiki/L %C3%A9on_Charles_Th% C3%A9venin Esta figura foi retirada do site: http://www.ufrgs.br/eng040 30/Aulas/teoria/cap_06/the venin.htm Esta unidade foi elaborada com base no site: https://itligado.files.wordpre ss.com/2013/04/3- thevenin-norton-exercicios- 1.pdf 54 A esta configuração chamamos de Equivalente de Thévenin em homenagem a Léon Charles Thévenin (30 de março de 1857- 21 de setembro de 1926). Thévenin foi um engenheiro telegrafistafrancês que estendeu a Lei de Ohm à análise de circuitos elétricos complexos. O teorema que leva o seu nome é muito útil para reduzirmos circuitos maiores a um circuito equivalente com apenas dois elementos a partir de um determinado ponto, onde se deseja, por exemplo, saber as grandezas elétricas como tensão, corrente ou potência. A metodologia de cálculo do equivalente de Thévenin difere consoante o tipo de fontes em presença no circuito. É comum distinguirem-se circuitos com fontes independentes; circuitos com fontes independentes e dependentes; e circuitos com fontes dependentes. Focalizaremos nossos estudos nos circuitos com fontes independentes. TÓPICO 2 EQUIVALENTE DE THÉVENIN O cálculo do Equivalente de Thévenin baseia-se no Teorema da superposição quando o circuito a ser reduzido é separado do circuito a ser estudado e as análises de circuito aberto e em curto-circuito são aplicadas para se conseguir as relações que permitam a redução desejada. O Equivalente de Thévenin pode ser construído a partir de quatro etapas: retira-se a carga do circuito. A carga é a resistência entre os pontos a e b; coloca-se a(s) fonte(s) de tensão em curto-circuito, ou circuito aberto caso sejam fontes de corrente; calcula-se o valor de RTh, ou seja, a resistência equivalente do circuito após a retirada da(s) fonte(s); http://pt.wikipedia.org/wiki/30_de_mar%C3%A7o http://pt.wikipedia.org/wiki/30_de_mar%C3%A7o http://pt.wikipedia.org/wiki/1857 http://pt.wikipedia.org/wiki/21_de_Setembro http://pt.wikipedia.org/wiki/1926 http://pt.wikipedia.org/wiki/Tel%C3%A9grafo http://pt.wikipedia.org/wiki/Tel%C3%A9grafo http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9trico http://pt.wikipedia.org/wiki/Teorema_da_superposi%C3%A7%C3%A3o 55 insirir a(s) fonte(s) de tensão (ou corrente) e encontrar o valor de VTh, ou seja, a queda de tensão entre os pontos a e b. O equivalente de Thevenin consiste em transformar o circuito em uma fonte de tensãoVTh em série com uma resistência RTh. Note o exemplo abaixo. obtenha o equivalente de Thévenin para o circuito abaixo, considerando-se R3 a carga do circuito: Solução Para a solução do problema, vamos realizar um passo a passo: retira-se a carga do circuito. A carga é o resistor R3; 56 em seguida, coloca-se a fonte de tensão em curto- circuito: calcula-se o valor de RTh, ou seja, a resistência equivalente do circuito após a retirada da fonte. Visto que os dois resistores estão em paralelo: 𝑅𝑇ℎ = 𝑅1 𝑥 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 depois é necessário inserir a fonte de tensão e encontrar o valor de VTh, ou seja, a queda de tensão entre os pontos a e b: Aplicando a fórmula do divisor de tensão: 57 𝑉𝑇ℎ = 𝐸 𝑥 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 Circuito equivalente de Thévenin: Conforme você pode observar, o Teorema de Thévenin é utilizado para simplificar um circuito elétrico complexo a um circuito simples, chamado equivalente de Thévenin. Ele possibilita resolver circuitos que possuem uma carga RL que pode variar ao longo do tempo, tornando assim os cálculos mais simples e rápidos. 58 EXERCÍCIOS 1. Encontre o valor da Resistência de Thévenin RTh para o circuito abaixo. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 2. Encontre o equivalente de Thévenin para o circuito abaixo, considerando-se que a carga é o resistor R2. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 59 CHECK LIST Nessa unidade você pôde aprender: o teorema de Thévenin estabelece que qualquer circuito linear visto de um ponto, pode ser representado por uma fonte de tensão em série com uma resistência; circuitos elétricos complexos com cargas variáveis podem ser simplificados utilizando-se o equivalente de Thévenin. 60 UNIDADE 5 TEOREMA DE NORTON Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: identificar o Teorema de Norton; aplicar o Teorema de Norton para resolver circuitos elétricos. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em dois tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: TEOREMA DE NORTON TÓPICO 2: EQUIVALENTE DE NORTON 61 TÓPICO 1 TEOREMA DE NORTON O teorema de Norton é usado para simplificar uma rede em termos de correntes em vez de tensões. Para a análise de correntes, esse teorema pode ser usado para reduzir uma rede a um circuito simples em paralelo com uma fonte de corrente, que fornece uma corrente de linha total que pode ser subdividida em ramos paralelos. O símbolo para a fonte de corrente é um círculo com uma seta dentro, o qual indica o sentido da corrente. Este sentido deve ser o mesmo que o da corrente produzida pela polaridade da fonte de tensão correspondente. O teorema de Norton afirma que qualquer rede ligada a uma carga pode ser substituída por uma única fonte de corrente IN em paralelo com uma única resistência RN. IN é igual à corrente de curto-circuito através dos terminais ab (a corrente que a rede produziria através de a e b com um curto-circuito entre estes dois terminais). RN é a resistência nos terminais a e b, olhando por trás, a partir dos terminais abertos ab. O valor desse resistor único é o mesmo para os dois circuitos equivalentes: Norton e Thevenin. TÓPICO 2 Lembre-se de que uma fonte produz um fluxo de corrente que sai do terminal positivo. Esta unidade foi elaborada com base no site: https://itligado.files.wordpre ss.com/2013/04/3- thevenin-norton-exercicios- 1.pdf 62 EQUIVALENTE DE NORTON O Equivalente de Norton consiste em reduzir um circuito elétrico complexo a um circuito mais simples, composto por uma fonte de corrente em paralelo com uma resistência, conforme ilustrado na figura abaixo: Para a obtenção do equivalente de Norton deve-se: retira-se a carga do circuito. A carga é a resistência entre os pontos a e b; substituir a(s) fonte(s) de tensão por um curto-circuito e a(s) fonte(s) de corrente por um circuito aberto; determinar a resistência total entre os terminais a e b. O valor encontrado é a resistência de Norton: RN; insirir novamente a(s) fonte(s) no circuito; curto circuitam-se os terminais da carga e determina- se a corrente de curto-circuito ou corrente de Norton: IN. O que é o Equivalente de Norton? 63 obtenha o equivalente de Norton para o circuito abaixo, considerando-se R3 a carga do circuito. Solução Retira-se a carga do circuito. A carga é o resistor R3. Veja: Coloca-se a fonte de tensão em curto-circuito: 64 Calcula-se o valor de RN, ou seja, a resistência equivalente do circuito após a retirada da fonte. Visto que os dois resistores estão em paralelo: 𝑅𝑁 = 𝑅1 𝑥 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 Insirir novamente a fonte no circuito: Curto circuitam-se os terminais da carga e determina- se a corrente de curto-circuito ou corrente de Norton: IN. Visto que temos um curto em paralelo com o resistor R2, a corrente vai circular por R1 e pelo curto: 𝐼𝑁 = 𝐸 𝑅1 65 Veja o circuito Equivalente de Norton: Conforme você pode observar, o Teorema de Norton, assim como o Teorema de Thévenin é utilizado para simplificar um circuito elétrico complexo a um circuito simples, chamado equivalente de Norton e que possibilita resolver circuitos que possuem uma carga RL que pode variar ao longo do tempo, tornando assim os cálculos mais simples e rápidos. 66 EXERCÍCIOS 1. Encontre o equivalente de Norton para o circuito a seguir: _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 2. Observe o circuito abaixo e em seguida calcule a tensão na carga usando o teorema de Norton. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ ____________________________________________________ 67 CHECK LIST Nessa unidade você pôde aprender: que o teorema de Norton estabelece que qualquer circuito linear visto de um ponto pode ser representado por uma fonte de corrente em paralelo com uma resistência; circuitos elétricos complexos com cargas variáveis podem ser simplificados utilizando-se o equivalente de Norton. 68 UNIDADE 6 CORRENTE ALTERNADA Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: identificar os princípios da corrente alternada; identificar como é gerada a energia elétrica que utilizamos; calcular valores característicos de tensão e corrente alternada. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em oito tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: PRINCÍPIOS DA CORRENTE ALTERNADA TÓPICO 2: MEDIÇÃO ANGULAR TÓPICO 3: ONDA SENOIDAL TÓPICO 4: CORRENTE ALTERNADA TÓPICO 5: FREQUÊNCIA E PERÍODO TÓPICO 6: VALORES CARACTERÍSTICOS DE TENSÃO E CORRENTE CA TÓPICO 7: RELAÇÕES DE FASE TÓPICO 8: FASORES 69 TÓPICO 1 PRINCÍPIOS DA CORRENTE ALTERNADA Uma tensão CA é aquela cujo módulo varia continuamente e cuja polaridade é invertidaperiodicamente. O eixo zero é uma linha horizontal que passa pelo centro. As variações verticais na onda de tensão mostram a variação do módulo. As tensões acima do eixo horizontal tem polaridade positiva (+), enquanto as tensões abaixo do eixo horizontal tem polaridade negativa. a figura a seguir representa uma onde de tensão alternada. Uma tensão CA pode ser produzida por um gerador, chamado alternador. No gerador simplificado da figura a seguir, a espira condutora gira através do campo magnético e intercepta linhas de força para gerar uma tensão CA induzida através de seus terminais. Uma rotação completa da espira é chamada de ciclo. Veja: As figuras do Tópico 1 desta Unidade foram retiradas da Obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. Esta unidade foi elaborada com base na obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 70 Uma espira girando num campo magnético produz uma tensão CA. Analise a posição da espira em cada quarto de volta durante um ciclo completo na figura abaixo: Posição A: a espira gira paralelamente ao fluxo magnético e, consequentemente, não intercepta nenhuma linha de força. A tensão induzida é igual a zero; Posição B: a espira intercepta o campo num ângulo de 90º, produzindo uma tensão máxima; Posição C: o condutor está novamente paralelo ao campo e não pode interceptar o fluxo; A onda ca de A a C constitui um meio ciclo de rotação. 71 Posição D: a espira intercepta o fluxo, gerando novamente uma tensão máxima com polaridade negativa. A espira completa um quarto de volta do ciclo retornando à posição A, ponto de partida do ciclo. O ciclo de valores de tensão se repete à medida que a espira continua a girar. Um ciclo inclui as variações entre dois pontos sucessivos que apresentam o mesmo valor e variam no mesmo sentido. TÓPICO 2 MEDIÇÃO ANGULAR Pelo fato de os ciclos de tensão corresponderem à rotação da espira em torno de um círculo, os trechos desse círculo são expressos em ângulos. O círculo completo vale 360º; meio círculo vale 180º e um quarto de volta vale 90º. Os graus são expressos em radianos (rad). Um radiano é igual a 57,3º. Um círculo completo tem 2π rad, portanto: Num gerador de dois polos, a rotação da bobina da armadura ao longo de 360º geométricos (1 rotação) gera sempre 1 ciclo (360º) de tensão CA. Mas num gerador de quatro polos, uma rotação da armadura de somente 180 graus geométricos gera 1 ciclo CA ou 180 graus elétricos. Portanto, a graduação que aparece ao longo do eixo horizontal de uma tensão CA ou de uma corrente CA se refere aos graus elétricos e não aos graus geométricos. TÓPICO 3 ONDA SENOIDAL 360º = 2π rad 72 A forma de onda da tensão é chamada senoidal. O valor instantâneo da tensão em qualquer ponto da onda senoidal é dado pela equação: Onde: v = valor instantâneo da tensão, em Volts; VM = valor máximo da tensão, em Volts; θ = ângulo de rotação, em graus. TÓPICO 4 CORRENTE ALTERNADA Quando uma onda senoidal de tensão alternada é ligada aos terminais de uma resistência de carga, a corrente que passa pelo circuito também é uma onda senoidal. TÓPICO 5 FREQUÊNCIA E PERÍODO O número de ciclos por segundo é chamado de frequência, a qual é representada pelo símbolo f e dada em hertz (Hz). Um ciclo por segundo é igual a um hertz. Portanto, 60 ciclos por segundo são iguais a 60 Hz. O intervalo de tempo para que um ciclo se complete é chamado de período. É representado pelo símbolo T e expresso em segundos (s). observe na figura a seguir. Nela podemos observar a representação do período de uma onde de tensão ou de corrente. v = VM sen θ 73 Relação entre frequência e período: TÓPICO 6 VALORES CARACTERÍSTICOS DE TENSÃO E CORRENTE CA Uma onda senoidal possui vários valores instantâneos ao longo de um ciclo. É conveniente especificar os módulos para efeitos de comparação de uma onda com outra. Valor de pico, valor médio, valor quadrático médio ou rms, ou valor eficaz. Estes valores aplicam-se tanto à corrente como à tensão. Esta figura foi retirada da Obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. (Hz) Quanto mais elevada a frequência, menor o período. 74 veja na figura abaixo os valores de amplitude para uma onda senoidal CA: Valor de Pico É o valor máximo VM ou IM. É aplicado tanto ao pico positivo quanto ao negativo. O Valor de pico-a-pico também pode ser especificado e correspondente ao dobro do valor de pico quando os picos positivos e negativos são simétricos. VM refere-se ao valor máximo, ou valor de pico de uma onda de tensão alternada e IM refere-se ao valor máximo, ou valor de pico de uma onda de corrente. Valor Médio É o cociente entre a área e o tempo, sendo considerada a área contida entre a forma de onda correspondente e o eixo do Esta figura foi retirada da Obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. VM e IM? 75 tempo, num intervalo de tempo igual a um período. Áreas acima do eixo do tempo são (+) e abaixo são (-). As áreas devem ser somadas algebricamente para a obtenção da área total entre a forma de onda e o eixo de tempo para um período. O valor médio é sempre considerado como calculado num período, salvo dito em contrário. O valor médio de uma senóide é zero (num período as áreas (-) e (+) cancelam-se). Para algumas aplicações é utilizado o valor médio num semi-ciclo positivo = 0,637 Vpico. Valor Eficaz Corresponde à mesma quantidade de corrente ou tensão contínua capaz de produzir a mesma potência de aquecimento. Uma tensão alternada com um valor eficaz de 115 V tem exatamente a mesma eficiência no aquecimento do filamento de uma lâmpada de incandescência que os 115 V provenientes de uma fonte de tensão cc fixa. É usado na especificação de eletrodomésticos, por exemplo. Um secador de 220 V é o seu valor eficaz. Contrariamente, todas as medidas das tensões e correntes senoidais são em valor eficaz. uma tensão de alimentação de 220 V tem um valor eficaz de 220 V. Assim, o seu valor de pico é de Vpico= 1,41. Veficaz= 310 V. TÓPICO 7 RELAÇÕES DE FASE O ângulo de fase entre duas formas de onda da mesma frequência é a diferença angular num dado instante. 76 o ângulo de fase entre as ondas B e A da figura abaixo é de 90º. Considere o instante para 0º < t < 90º: onda B começa com o seu valor máximo e cai para zero em 90º; onda A começa em zero e cresce até o seu valor máximo em 90º; onda B atinge o seu valor máximo 90º à frente da onda A; onda B está adiantada relativamente à onda A de 90º; as ondas B e A estão defasadas de 90º. Este ângulo de fase de 90º entre as ondas B e A é mantido durante o ciclo completo e todos os ciclos sucessivos. Em qualquer instante, a onda B passa pelo valor que a onda A terá, 90º mais tarde. A diferença de fases entre duas ondas senoidais pode ser encontrada pela diferença entre os ângulos de fase das duas, Esta figura foi retirada da Obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 77 considerando que ambas tenham a forma seno ou cosseno e que as amplitudes tenham o mesmo sinal – ambas positivas ou negativas. Além disso, as duas ondas devem ter a mesma frequência. analise a figura abaixo: Veja que vA está adiantada de 30º em relação a vB ou vB está atrasada de 30º em relação a vA. TÓPICO 8 FASORES Na comparação de ângulos de fase ou simplesmente fases de correntes e tensões alternadas, é mais conveniente a utilização de diagrama de fasores correspondentes às formas de onda da tensão e da corrente. Um fasor é uma entidadecom módulo e sentido. Os termos fasor e vetor são usados para representar quantidades que possuem um sentido. Entretanto, o fasor varia com o tempo, enquanto o vetor tem sentido no espaço. Esta figura foi retirada da Obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 78 O comprimento da seta que representa o fasor num diagrama indica o módulo da tensão alternada. O ângulo que a seta forma com o eixo horizontal indica o ângulo de fase. Escolhe-se uma forma de onda como referência. Então, a segunda forma de onda pode ser comparada com a de referência através do ângulo entre as setas que representam os fasores. Por exemplo, o fasor VA representa a onda de tensão A com um ângulo de fase de 0º. O fasor VB é vertical para mostrar o ângulo de fase de 90º com relação ao fasor VA, que serve de referência. Como os ângulos de avanço de fase estão representados no sentido anti-horário a partir do fasor de referência, VB esta adiante de VA de 90º. Quando duas ondas estão em fase, o ângulo de fase é zero. As amplitudes se somam como você pode observar na figura abaixo: Todas as figuras deste Tópico foram retiradas da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 79 Quando as duas ondas estão exatamente fora de fase, o ângulo de fase é de 180º. Suas amplitudes são opostas. Valores iguais de fases opostas se cancelam. Observe: qual o ângulo de fase entre as ondas A e B? Faça o diagrama de fasores primeiro com a onda A como referência e depois com a onda B como referência: ângulo de fase é a distância angular entre pontos correspondentes nas ondas A e B; os pontos correspondentes mais convenientes são os pontos de máximo, dos mínimos e dos zeros de cada onda; no cruzamento dos zeros no eixo horizontal, θ = 30º. Onda A como referência: 80 Onda B como referência: O estudo dessa unidade possibilitou entender os conceitos relacionados à corrente alternada, os conceitos de frequência e período e representação gráfica das ondas de tensão e corrente CA. Os conteúdos estudados nessa unidade serão fundamentais para o estudo das unidades seguintes. EXERCÍCIOS 1. Uma tensão CA é aquela cujo módulo varia continuamente e cuja polaridade é invertida periodicamente. O eixo zero é uma linha horizontal que passa pelo centro. As variações verticais na onda de 81 tensão mostram as variações do módulo. Calcule as grandezas que estão faltando na tabela abaixo. Valor de Pico Valor RMS Valor Médio Ângulo de Fase Valor instantâneo 45 A 45⁰ 220 V 60⁰ 10 A 30⁰ 200 V 60⁰ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 2. Qual o período de uma onda CA que tem uma frequência de 50 Hz? _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ 82 CHECK LIST Nessa unidade você pôde aprender: uma tensão CA é aquela cujo módulo varia continuamente e cuja polaridade é invertida periodicamente; uma onda senoidal possui valores característicos em relação ao tempo e podem ser facilmente calculados; ângulo de fase é a distância angular entre pontos correspondentes de ondas distintas; quando duas ondas de corrente alternada estão em fase, o ângulo de defasagem entre elas é igual a zero. 83 UNIDADE 7 CIRCUITOS RESISTIVOS EM CORRENTE ALTERNADA Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: calcular as grandezas elétricas nos circuitos resistivos em corrente alternada; identificar as características das grandezas elétricas nos resistores quando da aplicação de corrente alternada. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em dois tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: RESISTÊNCIA EM CIRCUITOS CA TÓPICO 2: CARACTERÍSTICAS DE TENSÃO E CORRENTE DOS CIRCUITOS RESISTIVOS EM CA 84 TÓPICO 1 RESISTÊNCIA EM CIRCUITOS CA Assim como nos circuitos alimentados em corrente contínua, os circuitos resistivos em corrente alternada podem ser resolvidos utilizando-se a Lei de Ohm. 𝑅 = 𝑉 𝐼 Onde: R é a resistência elétrica em ohms (Ω); V é a diferença de potencial, ou a tensão elétrica em Volts (V); I é a corrente elétrica em Ampéres (A). TÓPICO 2 CARACTERÍSTICAS DE TENSÃO E CORRENTE DOS CIRCUITOS RESISTIVOS EM CA Num circuito CA somente com resistência, as variações na corrente ocorrem em fase com a tensão aplicada. Esta relação entre V e I em fase significa que esse circuito CA pode ser analisado pelos mesmos métodos usados para circuitos CC. Os cálculos nos circuitos CA são geralmente em valores rms, a menos que seja feita alguma observação. para o circuito série, calcule a corrente elétrica e a potência dissipada pelo resistor: 85 I = V/R = 110/10 = 11 A. A potência rms dissipada é P = I² R = 11² (10) = 1.210 W. Entendemos nessa unidade o comportamento das grandezas elétricas mediante a aplicação de uma tensão alternada. Aprendemos que a tensão e a corrente estão sempre em fase, ou seja, o ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente é igual a zero. Nas próximas unidades veremos o comportamento de outros elementos que compõem um circuito elétrico. Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 86 EXERCÍCIOS 1. Um circuito alimentado em 100 V – 60 Hz alimenta duas resistências em paralelo (R1 = 20 ohms e R2 = 50 ohms. Com base nesses dados calcule: a. a corrente elétrica em cada resistência; b. a corrente total; c. a tensão em cada resistência; d. as potências ativa, reativa e aparente do circuito; e. desenhe o diagrama de fasores representando tensão e corrente. 87 CHECK LIST Nessa unidade você pôde aprender: a lei de Ohm pode ser aplicada em circuitos de corrente alternada; nos circuitos CA somente com resistências, as variações na corrente ocorrem em fase com a tensão aplicada. 88 UNIDADE 8 CIRCUITOS INDUTIVOS Objetivos de Aprendizagem Ao final desta unidade você deverá: calcular as grandezas elétricas nos circuitos indutivos; identificar as características das grandezas elétricas nos indutores quando há aplicação de corrente alternada. Plano de Estudos Esta unidade está dividida em cinco tópicos, organizados de modo a facilitar sua compreensão dos conteúdos. TÓPICO 1: INDUTORES TÓPICO 2: REATÂNICA INDUTIVA TÓPICO 3: ASSOCIAÇÃO DE INDUTORES TÓPICO 4: CIRCUITOS INDUTIVOS TÓPICO 5: POTÊNCIA EM CIRCUITOS RL 89 TÓPICO 1 INDUTORES Basicamente, o indutor é um dispositivo de dois terminais, composto de um fio condutor enrolado em espiral. O comportamento dos indutores se baseia em fenômenos associados a campos magnéticos. A aplicação de uma corrente variável no indutor produz um campo magnético variável no seu redor. Um campo magnético variável induz uma tensão nos terminais do indutor e essa tensão é proporcional à taxa devariação de corrente que o atravessa. Matematicamente: Onde: L = indutância, H; vL = tensão induzida através da bobina, V; Esta figura foi retirada do site: http://www.ceunes.ufes.br/ downloads/2/helderrocha- 8- AulaDeCircuitosEletricos1- Indutores.pdf Esta unidade foi elaborada com base na obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 90 Δi/Δt = taxa de variação da corrente, A/s. TÓPICO 2 REATÂNICA INDUTIVA A reatância indutiva XL é a oposição à corrente ca devido à indutância do circuito. A unidade da reatância indutiva é o ohm. A fórmula para a reatância indutiva é: Onde: XL = reatância indutiva, Ω; f = frequência, Hz; L = indutância, H; Num circuito formado apenas por indutância, pode-se aplicar a lei de Ohm para calcular a corrente e a tensão, bastando para isso substituir XL por R: Onde: IL = corrente por meio da indutância, A; VL = tensão através da indutância, V; XL = reatância indutiva, Ω. 91 TÓPICO 3 ASSOCIAÇÃO DE INDUTORES Indutores em Série Os indutores em série se associam como resistores em série. veja a seguir a figura de indutores em série: A indutância total LT será a soma das indutâncias individuais. Indutores em Paralelo Os indutores em paralelo se associam como resistores em paralelo. veja a seguir a figura de indutores em paralelo: Esta figura foi retirada do site: http://www.ceunes.ufes.br/ downloads/2/helderrocha- 8- AulaDeCircuitosEletricos1- Indutores.pdf Leq = L1 + L2 + L3 + ... + Ln 92 A indutância total de duas bobinas em paralelo é dada por: Para n bobinas associadas em paralelo: TÓPICO 4 CIRCUITOS INDUTIVOS Somente Indutância Se em uma tensão CA, v for aplicada a um circuito que tenha somente indutância, a corrente CA resultante que passa pela indutância iL, estará atrasada com relação à tensão da indutância, vL de 90º, com você pode verificar na figura abaixo: Esta figura foi retirada do site: http://www.ceunes.ufes.br/ downloads/2/helderrocha- 8- AulaDeCircuitosEletricos1- Indutores.pdf 93 RL em Série Quando uma bobina tem uma resistência em série, a corrente I é limitada tanto por XL quanto por R. Para associar duas formas de onda fora de fase, somamos seus fasores equivalentes. O método consiste em se acrescentar a extremidade de um fasor à ponta da seta do outro, utilizando o ângulo para identificar a fase relativa. A soma dos fasores produz um fasor resultante que parte da base de um fasor e vai até a extremidade da seta do outro. Como os fasores VR e VL formam um ângulo reto, o fasor resultante é a hipotenusa de um triângulo retângulo. Pode-se, então, calcular a tensão total através da equação: Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 94 Veja a seguir o triângulo retângulo: O ângulo de fase θ entre VT e VR é: VR VL tg Como VR está em fase com I, θ também é o ângulo de fase entre VT e I, onde I está atrasado em relação a VT. um circuito CA com RL em série tem uma corrente de 1 A de pico com R = 50 Ω e XL = 50 Ω. Calcule: a. VR, VL, VT e θ; b. faça o diagrama de fasores entre VT e I; c. faça o diagrama de tempo de i, vR, vLe VT. Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 95 Solução a. VR = IR = 1.50 = 50 V de pico; VL = I XL = 1.50 = 50 V de pico 22 VLVRVT = 22 5050 VT = 70,7 V de pico 1 50 50 arctgarctg VR VL arctg = 45º b. Num circuito série, como I é a mesma em R e em XL, é conveniente representar I como o fasor de referência em 0º. c. note que utilizamos como referência a corrente elétrica i. A tensão no resistor vR está em fase com a corrente i. A tensão no indutor vLestá na frente de i em 90º. A tensão total vT está na frente de i em 45º. Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 96 Impedância RL em série A resultante da adição dos fasores R e XL é chamada de impedância. O símbolo que representa a impedância é o Z. A impedância é a reação total ao fluxo de corrente, expressa em ohms: RL Paralelo Para circuitos em paralelo contendo R e XL (figura abaixo), a mesma tensão aplicada VT passa através de R e de XL, pois ambas estão em paralelo com VT. Não há diferença de fase Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. Esta figura foi 97 entre as tensões. Portanto, VT será usado como fasor de referência. A corrente no ramo resistivo IR = VT/R está em fase com VT. A corrente no ramo indutivo IL = VT/XL está atrasada em relação a VT de 90º porque a corrente numa indutância está atrasada em relação à tensão através dela de 90º. O fasor soma de IR e IL é igual à corrente total da linha IT. Observe: 22 ILIRIT IR IL tg um circuito CA com RL paralelo tem uma tensão de pico de 100 V aplicada através de R = 20 Ω e XL = 20 Ω. Calcule: a. IR, IL, IT e θ; b. faça o diagrama de fasores entre VT e IT; Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 98 c. faça o diagrama de tempo de vT, iR, iL e iT. Solução a. 20 100 R VT IR = 5 A de pico 20 100 XL VT IL = 5 A de pico 2222 55 ILIRIT = 7,07 A de pico )1() 5 5 ( arctgarctg = -45º. b. Como VT é o mesmo através de todo o circuito em paralelo, VT aparece como o fasor de referência em 0º. IT está atrás de VT de 45º. c. note que utilizamos como referência a tensão totalvT. A corrente no resistor iR está em fase com a tensão vT. A corrente no indutor iLestáatrás de vT em 90º. A corrente total iT está atrás de vT em 45º. Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 99 Impedância em RL Paralelo Para o cálculo da impedância total em paralelo utiliza-se a equação: TÓPICO 5 POTÊNCIA EM CIRCUITOS RL Num circuito CA com reatância indutiva, a corrente de linha I segue atrás da tensão aplicada V. A potência real P é igual à tensão multiplicada somente por aquela parte da corrente da linha que está em fase com a tensão. Portanto, Esta figura foi retirada da obra Eletricidade Básica de Milton Gusso W. 100 Onde θ é o ângulo de fase entre V e I e cos θ é o fator de potência do circuito. Além disso: Onde R é a componente resistiva total do circuito. A potência reativa Q em (VAR), é expressa da seguinte forma: A potência aparente S é o produto de V x I. A unidade é o (VA). Na forma da equação: Em todas as fórmulas de potência, V e I são dados por valores de rms (eficazes). Nessa unidade aprendemos sobre os circuitos indutivos. Entendemos qual é o comportamento da tensão e da corrente mediante a indutância, característica dos indutores. A próxima unidade tratará de outro elemento fundamental dos circuitos elétricos, o capacitor. Potência reativa Q = VI sen θ Potência aparente S = VI Potência real P = I² R, W 101 EXERCÍCIOS 1. Uma bobina de reatância com resistência desprezível serve para limitar a corrente através dela em 50 mA, ao ser aplicada aos seus terminais uma tensão CA de 25 V em 400 kHz. Calcule a sua indutância. _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________
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