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CEMI – Centro de Ensino Médio Brasília 2010 FUNDAMENTOS DE Eletrônica Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 1 Índice 1) Introdução 2 2) Noções matemáticas 2 3) História da Eletricidade 4 4) Lei de OHM 7 5) Associação de Resistores 10 6) Lei de KIRCHHOFF 18 7) Divisor de Tensão 23 8) Divisor de Corrente 26 9) Potência e Energia 27 10) Capacitor 30 11) Indutor 36 12) Semicondutores 39 13) Corrente alternada 45 14) Corrente Alternada (C.A.) 52 15) Circuitos reais 56 16) Transistores 62 17) Polarização de Transistores 67 "TUDO POSSO NAQUELE QUE ME FORTALECE!" Fl. 4:13 Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 2 1 – Introdução No decurso desta disciplina iremos abordar noções fundamentais de eletricidade/eletrônica que, futuramente, serão úteis para novas disciplinas como é o caso das relacionadas a informática. Abordaremos, inicialmente, os temas a nível teóricos analisando leis, definições e deduções, partindo posteriormente para a componente prática, onde constataremos os conceitos adquiridos. No decorrer dos vários temas teremos ainda uma terceira componente, teórico-prática, onde resolveremos exercícios para uma melhor compreensão destes. Este manual foi realizado com vista a ser uma fonte de informação na disciplina e, posteriormente como meio de consulta sempre que o cotidiano o exija. A principal preocupação foi por um lado, abordar cada tema de um modo simples e intuitivo, por outro não os simplificar demasiado, de forma a que as análises destes não sejam unicamente superficiais, fugindo á linha dos objetivos propostos. Este apertado caminho nem sempre foi fácil de alcançar. Einstein disse uma vez: “ Façam as coisas tão simples quanto possível, mas não mais simples.” Votos de um excelente sucesso! 2 – Noções matemáticas 2.1. Notação científica Em ciência é usual escrever números muito grandes ou muito pequenos, quer quando utilizamos determinadas constantes, quer quando efetuamos cálculos numéricos. Por este motivo, é útil e recomendável a utilização da notação cientifica. REGRA A forma padrão para a notação científica é : 𝒂 × 𝟏𝟎𝒏 onde a é um número maior ou igual a 1 e menor que 10, e n é um número inteiro. Exemplos 2.2. Múltiplos e submúltiplos Em engenharia torna-se imprescindível a utilização dos múltiplos e dos submúltiplos das unidades utilizadas, assim teremos: Múltiplos e submúltiplos Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 3 Exercícios: 1) Escreva os seguintes números em notação científica: a) 12348 b) 78340000000 c) 0,00634 d) 0,00008734 e) 0,0000000475 f) 0,00000000000578 2) Reescreva os números acima utilizando as letras respectivas as potências de 10 na notação científica. 2.3. Trigonometria As razões trigonométricas nos serão úteis ao longo da disciplina, uma vez que, iremos ter necessidade de utilizar o seno e o cosseno de um ângulo para cálculo de grandezas eletromagnéticas e elétricas. Exemplos No triângulo Δ [ABC] retângulo em B, tem-se AB = 5 cm, BC = 12 cm e AC = 13 cm. Pretende-se calcular o sen , cos e tg . Triângulo [ABC] retângulo em B 2.4. Sistemas de equações No desenrolar da disciplina iremos utilizar sistemas de equações para a determinação de grandeza elétricas. Tomemos como exemplo o seguinte sistema de 3 equações com 3 incógnitas, I1 , I2 e I3. Resolvendo o sistema, começamos por substituir I2 na 2.ª e 3.ª equações pelo valor da 1.ª equação: Utilizando o método da adição, multiplicamos ambos os termos da 2.ª equação por 4 e os da 3.ª equação por 5, teremos: Substituindo o valor de I3 na 3.ª equação, virá: Finalmente, substituindo na 1.ª equação os valores de I1 e I3: As soluções s sistemas são : Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 4 3 – História da Eletricidade A história da eletricidade foi marcada pela evolução técnica e pelos desenvolvimentos científicos, estendendo-se a variados campos da ciência e a inúmeras aplicações de ordem prática. Faremos aqui uma pequena abordagem a essa história, rica de acontecimentos e descobertas, desde os seus primórdios na antiguidade grega até ao princípio do século XX. A palavra Eletricidade provém do latim electricus, que significa literalmente “produzido pelo âmbar por fricção”. O filósofo, astrónomo e matemático grego Tales de Mileto (634 a.C. - 548 a.C.), ao esfregar um pedaço de âmbar numa pele de carneiro, observa que este atrai pedaços de palha, testemunhando uma manifestação de electricidade estática. O âmbar é uma resina fóssil, de uma espécie de pinheiro já desaparecida Teofrasto de Ereso (séc. 3 a.C.), outro filósofo grego, descobre que diversos materiais diferentes dos utilizados por Tales de Mileto possuíam as mesmas características. No início do primeiro milénio, Seneca Lucio Anneo (nasceu em Cordova, Itália, em 5 a.C., morreu em Roma em 65 d.C.), um escritor e filósofo latino distingue três tipos de raios, nomeadamente: "raios que incendeiam, os que destroem e o que não destroem". Em 1600, William Gilbert dedica-se ao estudo destes fenômenos e verifica que outros corpos possuem a mesma propriedade do âmbar. Designa-os com o nome latino “electrica”. Mais tarde publica a obra que o irá imortalizar – “De Magnete” A partir do século XVII, começam estudos para uma melhor percepção do fenômeno da eletricidade, nomeadamente a eletrificação por atrito demonstrada por uma máquina inventada por Otto von Guericke em 1672. Os marcos na história da descoberta e controlo da eletricidade começam por volta de 1729 com a descoberta por Stephen Gray da condução da eletricidade, distinguindo entre condutores e isolantes elétricos, bem como da indução eletrostática. Em 1733, Charles François de Cisternay du Fay e o padre Nollet distinguem duas espécies de eletricidade (a vítrea e a resinosa) e enunciam o princípio da atração e repulsão das cargas elétrica. Em Outubro de 1745, o holandês Ewald Georg von Kleist descobre que a eletricidade é controlável e inventa a garrafa de Leiden (as primeiras experiências tomam lugar em Leiden, Holanda), a percussora do condensador. O condensador é descoberto independentemente por Ewald Georg von Kleist e por Pieter von Musschenbroek. O condensador consistia numa máquina com a capacidade para armazenar cargas elétricas e era constituído por dois corpos condutores separados por um isolante fino. A garrafa de Leiden Em 1750, Benjamin Franklin descobre que os relâmpagos são o mesmo que descargas elétricas e propõe a idéia de pára-raios que afastariam os raios das habitações, tornando estas mais seguras e menos sujeitas a fogos. Em 1752, Franklin apresenta os resultados da sua experiência com "papagaios de seda" à Royal Society. Por influência de Franklin, um dos seus grandes apoiantes nas pesquisas sobre eletricidade, Joseph Priestley publica em 1767 uma obra com o título „The History and Present State of Electricity‟ onde faz uma compilação das teorias da época, que vai levá-lo a entrar para a Royal Society. Charles Augustin de Coulomb publica em 1785, estudos sobre medição das forças de atração e repulsão entre dois corpos eletrizados (Lei de Coulomb), inventando aquilo que veio a ficar conhecido por balança de Coulomb. Em 1788, James Watt constrói a primeira máquina a vapor, importante invento impulsionadorda 1ª Revolução Industrial. Em sua honra, foi dado o seu nome à unidade de potência elétrica - watt [W]. Em 1799, é fundado o Royal Institution of Great Britain que vem apoiar o campo de investigação da eletricidade e magnetismo. Nesse mesmo ano Alessandro Volta prova que a eletricidade pode ser produzida utilizando metais com diferentes polaridades separados por uma solução salina. Volta utilizou discos de cobre e zinco separados por feltro embebido em ácido sulfúrico para produzir este efeito. Alessandro Volta ajuda a explicar a experiência de Luigi Aloisio Galvani em 1786, colocando entre dois metais a perna de uma rã morta produzindo contrações nesta. Ao agregar estes discos uns por cima dos outros, Volta cria a primeira Pilha Elétrica, a primeira forma Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 5 controlada de eletricidade contínua e estável. Em sua honra, foi dado o seu nome à unidade de medida de potencial elétrico - volt [V]. Pilha de Volta Em 1802, Humphry Davy experimenta no campo da eletrólise e separa o sódio e o potássio. Dez anos mais tarde, Joseph Baptiste Fourier apresenta a sua teoria sobre a condução do calor através de corpos sólidos. Em 1815, a refração da luz é explicada por Augustin-Jean Fresnel que estabelece também a teoria da luz polarizada. Em 1819, Hans Christian Oersted detecta e investiga a relação entre a eletricidade e o magnetismo (electromagnetismo). André Marie Ampère desenvolve em 1820 o estudo e estabelece as leis do eletromagnetismo. Em sua honra, foi atribuído o seu nome à unidade de medida de intensidade de corrente elétrica - ampère [A]. Também em 1820, Pierre Simon Laplace, que desenvolveu uma importante atividade científica em variados domínios, formula o cálculo da força magnética. Neste mesmo ano, Jean Baptiste Biot enceta estudos que viriam a resultar na Lei de Biot-Savart sobre campos magnéticos. Em 1827, Joseph Henry começa uma série de experiências eletromagnéticas e descobre o conceito de indução elétrica, construindo o primeiro motor elétrico. No mesmo ano, Georg Simon Ohm, ao trabalhar no campo da corrente elétrica desenvolveu a primeira teoria matemática da condução elétrica nos circuitos. O trabalho não recebeu o merecido reconhecimento na sua época, tendo a famosa Lei de Ohm permanecido desconhecida até 1841, ano em que recebeu a medalha Conpely da Royal Britannica. Em sua honra, o seu nome foi atribuído à unidade de resistência elétrica - ohm [Ω]. George Green publica em 1828 a sua obra mais importante intitulada „Experiência de aplicação da análise matemática à teoria da eletricidade e ao magnetismo‟ que resultou de um estudo mais aprofundado do trabalho desenvolvido por Poisson. Em 1831, Michael Faraday descobre o fenômeno da indução eletromagnética, e explica ser necessária uma alteração no campo magnético para criar corrente pois a sua mera existência não é suficiente. Faraday descobre que a variação na intensidade de uma corrente elétrica que percorre um circuito fechado, induz uma corrente numa bobine próxima. É também observada uma corrente induzida ao introduzir-se um imã nessa bobine. Estes resultados tiveram uma rápida aplicação na geração de corrente elétrica. Em 1834, Karl Friederich Gauss, um dos mais notáveis matemáticos de todos os tempos, produz com o contributo de Wilhelm Eduard Weber e a partir de estudos matemáticos, o primeiro telégrafo eletromagnético bem sucedido. Antigo aluno e amigo pessoal de Laplace, Siméon-Denis Poisson publica em 1835 uma obra sobre termodinâmica onde expõe a sua teoria matemática do calor e na qual aparece pela primeira vez a integral que leva o seu nome. Em 1838, Samuel Finley Breese Morse conclui o seu invento do telégrafo, que passou a ser adaptado industrialmente. Cinco anos mais tarde, James Prescott Joule determina o equivalente mecânico do calor expressando o seu convencimento de que sempre que se emprega uma força mecânica se obtém um equivalente exato em calor. Em 1852, Gabriel Stokes dá a primeira explicação sobre o fenômeno da fluorescência observando o efeito da luz ultravioleta sobre o quartzo. William Thompson (Lord Kelvin), cujos estudos científicos foram influenciados por Joule, inventa em 1858 um instrumento destinado a medir pequenas correntes elétricas, o galvanômetro. Havia também já apresentado anteriormente um trabalho sobre termodinâmica onde estabelecia o principio da dissipação da energia. No ano seguinte, Gustav Robert Kirchhoff realiza análises espectrais da luz que viriam a formar a base da interpretação do raio luminoso e da teoria quântica. Em 1860, Antonio Pacinotti constrói a primeira máquina de corrente contínua com enrolamento fechado em anel e nove anos mais tarde Zénobe Gramme apresenta a sua máquina dínamo-eléctrico, aproveitando o enrolamento em anel. Na Gare du Nord em Paris, é instalado em 1875 um gerador para abastecer as lâmpadas da estação. Foram fabricadas máquinas a vapor para movimentar os geradores, incentivando quer a invenção de turbinas a vapor quer a utilização de energia hidrelétrica. A primeira central hidrelétrica é instalada nas cataratas do Niagara em 1886. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 6 A distribuição de eletricidade é feita inicialmente em condutores de ferro, seguindo-se o cobre e posteriormente, em 1850, fios isolados por uma goma vulcanizada. Em 1873, é realizada pela primeira vez a reversibilidade das máquinas elétricas, através de duas máquinas Gramme a funcionar, uma como geradora e a outra como motora. Neste mesmo ano é publicado o Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo por James Clerk Maxwell. Este tratado, juntamente com as experiências levadas a efeito por Heinrich Rudolph Hertz em 1885 sobre as propriedades das ondas eletromagnéticas geradas por uma bobine de indução, demonstram que as ondas de rádio e luz são ambas eletromagnéticas, diferindo estas duas apenas na sua frequência. Três anos mais tarde, em 1876, Alexandre Graham Bell patenteia o primeiro telefone com utilização prática. Thomas Alvas Edison faz, em 1879, uma demonstração pública da sua lâmpada da incandescência, pondo fim à iluminação tradicional (por chama de azeite, gás, etc.), que foi rapidamente substituída pela de origem elétrica. No mesmo ano, Ernst Werner Von Siemens põe a circular o primeiro comboio movido a energia elétrica na exposição de Berlim. Na década subsequente ensaiam-se os primeiros transportes de energia elétrica em corrente contínua. Máquinas elétricas como o alternador, o transformador e o motor assíncrono são desenvolvidas ao ser estabelecida a supremacia da corrente alterna sobre a corrente contínua. É instalado o primeiro serviço público de carros elétricos em Berlim em 1881 e construída a primeira rede de distribuição elétrica em corrente contínua em Godalming, Inglaterra. Por esta altura, ficou célebre uma polêmica que viria a ser conhecida pela „guerra das correntes‟, com Edison por um lado, a liderar os defensores da corrente contínua e Nikola Tesla, criador da corrente alterna, a defender as virtudes desta nova modalidade de corrente, contando para isso com o importante apoio de George Westinghouse. Antigo aluno de Maxwell, John Henry Poynting estabelece em 1884 a equação que determina o valor do fluxo da energia eletromagnética, conhecida por vetor de Poynting. Em 1887, Albert Abraham Michelson realiza com o seu colega Edward Williams Morley a denominada experiência Michelson- Morley para estudar o movimento da Terra através do éter, meio que se julgava necessário para a propagação da luz e que existiria no espaço, utilizando para isso um instrumento inventado por si, o interferômetro. Em 1892, Charles Proteus Steinmetz descobriua histerese magnética, que descreve a dissipação de energia ocorrida num sistema, quando submetido a uma força magnética alternada. Desenvolveu as teorias no âmbito da corrente alterna que tornaram possível a expansão da indústria nos Estados Unidos da América. Um ano depois, George Francis Fitzgerald e Hendrik Antoon Lorentz ao estudarem os resultados da experiência de Michelson-Morley, descobrem as contrações de Lorentz-Fitzgerald, fenômeno que ocorre nos corpos em movimento à medida que estes são submetidos a um acréscimo de velocidade. O russo Alexander Stepanovich Popov constrói em 1895, um aparelho que podia detectar ondas de rádio e ser utilizado como receptor de sinais, nascendo assim a primeira antena. Ainda no mesmo ano, John William Strutt (Lord Rayleigh) descobre o gás Argon existente no ar na percentagem de 1% e que é utilizado no enchimento de lâmpadas elétricas. Em 1897, Joseph Jone Thompson descobre o elétron, partícula de carga negativa presente no átomo. Guglielmo Marchese Marconi aproveita estas idéias para dez anos mais tarde utilizar ondas de rádio no seu telégrafo sem fio. Em 1901 é transmitida a primeira mensagem de rádio através do Oceano Atlântico. Oliver Heaviside prevê em 1902, a existência de uma camada ionizada da atmosfera, também conhecida por ionosfera, que permitia a transmissão de sinais de rádio à volta do mundo e sem a qual, de outro modo se perderiam no espaço. Albert Einstein, um dos mais célebres físicos da História, apresenta em 1905 a sua teoria especial da relatividade que abriria novos caminhos para o desenvolvimento da física. Em 1907, Ernest Rutherford, Niels Bohr e James Chadwick estabelecem a atual definição de estrutura do átomo, até então considerada a mais pequena porção de matéria não divisível. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 7 4 – Lei de OHM 4.1 – Primeira lei de ohm Você já sabe que uma corrente elétrica é uma movimentação de elétrons. Esses elétrons quando se deslocarem pelo interior do condutor se chocarão contra os átomos, isto é, ao se movimentarem os elétrons sofrerão uma oposição (resistência) ao seu movimento. A medida desta oposição é dada pela resistência elétrica do condutor (R). O valor da resistência depende das dimensões do condutor e do material de que é feito. A resistência elétrica pode ser calculada se a tensão aplicada (U) e a intensidade da corrente (I) forem conhecidas, sendo calculada pela 1ª Lei de OHM: 𝑈 = 𝑅 ∙ 𝐼 Esta expressão é conhecida por 1a Lei de OHM, na qual U é especificado em Volts (V), I em Ampères (A) e a resistência R será dada em OHMS (Ω). Se por exemplo a tensão aplicada no condutor for igual a 2V e a corrente resultante for igual a 1A, significa que a resistência do condutor será de: 𝑅 = 2 𝑉 1 𝐴 → 2 𝑉 𝐴 → 2Ω Observe que a resistência do condutor é constante, isto é, se a tensão aplicada mudar para 10V a relação entre a tensão e a corrente deverá será mesma (2Ω) e para isso a corrente deverá ter intensidade de: I= U/R = 10V/2Ω = 5A. Exemplo1 Qual a intensidade da corrente em um condutor que tem resistência de 1000Ω se a tensão aplicada for de: a)2V b)100V c)50mV Resposta: Para cada caso deveremos especificar U em Volts (V) e R em OHMS(Ω) a) I= 2V/1000Ω = 0,002A = 2mA b) I= 100V/1000Ω = 0,1A = 100mA c) I= 50mV/1000Ω = 50.10 -3 V/1000Ω = 50.10 –3 /10 3 Ω = 50.10 –6 A = 50µA Exemplo2: Qual deve ser a tensão em um condutor de 10KΩ de resistência para a corrente tenha intensidade de: a)2mA b)0,05A d)20mA Resposta: Para determinar a tensão dado a resistência e a corrente usamos a primeira Lei de OHM na forma: U = R.I se R é em OHMS e I é em AMPÈRES, a tensão U será obtida em VOLTS a) U = 10.10 3 x 2.10 –3 = 20V b) U = 10.10 3 x 5.10 –3 = 50.10 1 =500V c) U = 10.10 3 x 20.10 –6 = 200.10 –3 V => 200mV = 0,2V 4.2 – Condutância (G) Dado um condutor de resistência elétrica R, definimos a sua condutância como sendo: G = 1/R a condutância é o inverso da resistência e portanto R = 1/G. Quanto maior a resistência menor a condutância.Quanto maior a condutância menor a resistência. A unidade de condutância é chamada de Siemens (S), 1S é a condutância de um condutor que tem uma resistência de 1Ω. Se a resistência é de 2Ω então a condutância será de 0,5S (não esqueça um é o inverso do outro !!!). E se a condutância fosse de 2S, qual seria a resistência? Fácil! Como R=1/G, então R = 1/2S = 0,5 Ω. Na prática costumamos usar mais resistência para caracterizar a capacidade de um material de conduzir bem ou não a corrente, mas existem algumas situações onde usamos condutância. Unidade alternativa de condutância: mho Exercícios: ( 1 ) Qual o valor da tensão (em Volts) aplicada em um resistor de 100 Ohms se a corrente que o percorre tem intensidade de 200mA? ( 2 ) Determine a intensidade da corrente que percorre um circuito com um resistor de 20Ω que é submetido a uma tensão de 2V? ( 3 ) Calcule a corrente em cada caso abaixo: ( 4 ) A resistência de um condutor é 25K Ohm. Calcular: a) A sua condutância b) Corrente que percorre o condutor se a tensão aplicada for 10V. ( 5 ) Calcule o valor de R em cada caso abaixo: ( 6 ) Um chuveiro elétrico é submetido a uma ddp de 220V, sendo percorrido por uma corrente elétrica de 10A. Qual é a resistência elétrica do chuveiro? Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 8 ( 7 ) Calcule o valor da fonte em cada caso abaixo: ( 8 ) Determine a ddp que deve ser aplicada a um resistor de resistência 6Ω para ser atravessado por uma corrente elétrica de 2A. ( 9 ) Uma lâmpada incandescente é submetida a uma ddp de 110V, sendo percorrida por uma corrente elétrica de 5,5A. Qual é, nessas condições, o valor da resistência elétrica do filamento da lâmpada. ( 10 ) Nos extremos de um resistor de 200 Ω , aplica-se uma ddp de 100V. Qual a corrente elétrica que percorre o resistor? ( 11 ) Um resistor ôhmico, quando submetido a uma ddp de 20V, é percorrido por uma corrente elétrica de 4 A. Para que o resistor seja percorrido por uma corrente elétrica de 3A, que ddp deve ser aplicada a ele? 4.3 – Segunda lei de ohm A resistência de um condutor depende de suas dimensões (área da secção e comprimento) e do material de que é feito. Dado um condutor de área de secção transversal constante S, homogêneo (mesmo material em todos os pontos) e de comprimento L. Condutor de comprimento L e área de secção transversal A A resistência R do condutor é calculada por: 𝑅 = 𝜌 × 𝐿 𝐴 onde ρ é uma constante característica do material chamada de resistividade ou resistência especifica e cuja unidade é o Ωm. Da expressão acima concluímos que a resistência de um condutor dobra de valor de o seu comprimento dobrar. Se a secção de um fio dobrar de valor a sua resistência diminui pela metade. A tabela abaixo conclui que se trocarmos um fio de alumínio por um de prata com as mesmas dimensões, o fio de prata terá resistência menor. A seguir uma tabela com alguns materiais condutores e a resistividade. Exercícios ( 1 ) Assinale verdadeiro (V) ou Falso (F) para cada afirmativa: a) Se o comprimento de um fio dobrar a sua resistência dobra de valor. b) Se o diâmetro de um fio dobrar a sua resistência cai pela metade. c) Um NTC é um componente cuja resistência aumenta se a temperatura aumentar d) Dois condutores, um de cobre e outro de alumínio, tem as mesmas dimensões. O condutor de cobre terá resistência maior do que o de alumínio e) Quando uma lâmpada acende a resistência do seu filamento diminui de 10 vezes. ( 2 ) Um condutor de alumínio tem 300m de comprimento e 2mm de diâmetro. Calcule a sua resistência elétrica. ( 3 ) Considerem-se dois fioscondutores do mesmo material: o primeiro com diâmetro igual a 0,6 mm, comprimento 6 m e resistência 12Ω e o segundo com diâmetro igual a 0,4 mm, comprimento igual a 4 m e resistência igual a xΩ. Com base nessas informações, conclui-se que x é igual a: a) 6 b) 8 c) 10 d) 12 e) 18 ( 4 ) Entre diversos resistores de mesmo material, apresenta resistência maior aquele que for: a) curto e fino; b) longo e grosso; c) curto e grosso; d) longo e fino; e) revestido de bom isolamento Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 9 ( 5 ) Um fio de cobre tem 1 km de comprimento e 20mm² de secção. Entre as extremidades do fio é aplicada uma tensão de 12 v. Calcule a intensidade da corrente que o percorre. ( 6 ) Sabe-se que a resistência elétrica de um fio cilíndrico é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à área de sua secção reta. a) O que acontece com a resistência do fio quando triplicamos o seu comprimento, mantendo constante a área de sua secção transversal? b) O que acontece com a resistência do fio quando duplicamos o seu raio, mantendo constante o seu comprimento? ( 7 ) Considere duas lâmpadas, A e B, idênticas a não ser pelo fato de que o filamento de B é mais grosso que o filamento de A. Se cada uma estiver sujeita a uma ddp de 110 volts: a) A será a mais brilhante, pois tem a maior resistência. b) B será a mais brilhante, pois tem a maior resistência. c) A será a mais brilhante, pois tem a menor resistência. d) B será a mais brilhante, pois tem a menor resistência. e) ambas terão o mesmo brilho. ( 8 ) A supercondutividade foi descoberta em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), um dos pioneiros no desenvolvimento de técnicas para o resfriamento de materiais, até temperaturas próximas ao chamado zero absoluto. O físico holandês, pesquisando a resistividade elétrica no mercúrio, percebeu que este material perdia de forma completa e abrupta a sua resistência ao ser resfriado abaixo de 4 K. Relacionando o texto acima, julgue os itens em certo ou errado: a) Num condutor ideal a sua resistência é nula. b) Em um resistor, a energia elétrica não é totalmente dissipada. c) A resistividade elétrica de um material varia com a temperatura. d) Quando duplicamos o comprimento de um fio a resistência deste também duplica. e) Quando triplicamos o raio de um fio a resistência deste também tripica. ( 9 ) Qual deve ser o comprimento de um fio de alumínio de 4mm de diâmetro, para que ele apresente uma resistência de 1 Ω ? ( 10 ) Se um resistor de cobre tiver o seu comprimento e o seu diâmetro duplicados, a resistência: a) é multiplicada por quatro; b) permanece a mesma; c) é dividida por dois; d) é multiplicada por dois; e) é dividida por quatro; ( 11 ) Considere o reostato abaixo e os dados seguintes: a) Qual é o valor aproximado da resistência de cada espira do reostato? b) Qual a resistência total R12 do reostato? c) Qual a resistência R13 , estando o cursor no ponto médio do reostato? ( 12 ) A figura mostra um cabo telefônico. Formado por dois fios, esse cabo tem comprimento de 360 m. Constatou-se que, em algum ponto ao longo do comprimento desse cabo, os fios fizeram contato elétrico entre si, ocasionando um curto-circuito. Para descobrir o ponto que causa o curto-circuito, um técnico mede as resistências entre as extremidades P e Q, encontrando 20,0 Ω, e entre as extremidades R e S, encontrando 80,0 Ω. Com base nesses dados, calcule a distância, em metro, das extremidades PQ até o ponto que causa o curto-circuito. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 10 5 – Associação de Resistores Em muitos casos práticos tem-se a necessidade de uma resistência maior do que a fornecida por um único resistor. Em outros casos, um resistor não suporta a intensidade da corrente que deve atravessá-lo. Nessas situações utilizam- se vários resistores associados entre si. Uma forma de se obter uma resistência de um determinado valor é se associando resistências, de duas formas: em série e em paralelo. O resistor equivalente de uma associação é o resistor que produz o mesmo efeito que a associação, ou seja, submetido à mesma ddp da associação, deixa passar corrente de mesma intensidade. 5.1 – Associação em Série: Na associação em série, o resultado total (RT) será igual a soma de todas as resistências empregadas: 5.2 – Associação em Paralelo: Quando associamos resistências em paralelo, o resultado não será a soma total, mas sim a soma através da seguinte fórmula: Exercícios ( 1 ) Uma associação de resistores em série tem resistência equivalente igual a R. Acrescentando-se mais um resistor em série à associação, a nova resistência equivalente: a) Será certamente maior que R; b) Será certamente menor que R; c) Será certamente igual a R; d) Poderá ser menor ou maior que R, dependendo do valor da resistência acrescentada. ( 2 ) 10 resistores de 100 Ohms são associados em serie. O valor da resistência equivalente é: a) 10 Ohms b) 100 Ohms c) 1000 Ohms d) NDA ( 3 ) A corrente no circuito a seguir vale: ( 4 ) Três lâmpadas idênticas L1, L2 e L3, estão acesas, alimentadas por uma bateria. Verificou-se experimentalmente que, quando L1 queima, L2 e L3 se apagam, e quando L2 queima, L1 e L3 permanecem acessas. Faça o esquema desse circuito, evidenciando os tipos de ligação entre as lâmpadas. ( 5 ) Na associação de resistores da figura abaixo, os valores de i e R são respectivamente: a) 8A e 5Ω b) 5A e 8Ω c) 1,6A e 5Ω d) 2,5A e 2Ω e) 80A e 160Ω ( 6 ) Associam-se em série dois resistores, sendo R1=10 Ω e R2=15 Ω . A ddp entre os extremos da associação é de 100V. Determine: a) a resistência equivalente da associação; b) a corrente que atravessa os resistores; c) a ddp em cada resistor. ( 7 ) Na associação de resistores da figura abaixo, os valores de i e R são, respectivamente: a) 8 A e 5 Ω b) 16 A e 5 Ω c) 4 A e 2,5 Ω d) 2 A e 2,5 Ω e) 1 A e 10 Ω Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 11 ( 8 ) A corrente indicada pelo amperímetro vale: ( 9 ) Considere a associação em série de resistores esquematizada abaixo. Determine: a) resistência equivalente; b) corrente elétrica i; c) ddp em cada resistor. ( 10 ) A intensidade da corrente que atravessa os resistores da figura abaixo vale 500mA. Calcule: a) a resistência equivalente; b) a ddp em cada resistor; c) a ddp total. ( 11 ) Um fogão elétrico contém duas resistências iguais de 50 Ω. Determine a resistência equivalente da associação quando essas resistências forem associadas em série. ( 12 ) Determine a intensidade da corrente que atravessa o resistor R2 da figura quando a tensão entre os pontos A e B for igual a V e as resistências R1; R2 e R3 forem iguais a R a) V/R b) V/3R c) 3V/R d) 2V/3R e) nenhuma das anteriores ( 13 ) Duas resistências R1 = 1 Ω e R2 = 2 Ω estão ligadas em série a uma bateria de 12 V. Calcule: a) a resistência equivalente; b) a corrente total do circuito. ( 14 ) Calcule o resistor equivalente da associação representada pela figura abaixo. ( 15 ) Na associação representada abaixo, a resistência do resistor equivalente do circuito vale 2710 Ω. Calcule o valor da resistência R1. ( 16 ) No circuito elétrico abaixo esquematizado, R representa resistências em ohms e V a tensão em volts, estabelecida por um gerador ideal. Determine, em função de V e R, a expressão que permite calcular a corrente indicada I, quando: a) a chave S estiver aberta. b) a chave S estiver fechada. ( 17 ) Duas resistências R1 = 2 Ω e R2 = 3 Ω estão ligadas em paralelo a uma bateria de 12 V. Calcule: a) a resistênciaequivalente da associação; b) as correntes i1 e i2; c) a corrente total do circuito. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 12 ( 18 ) Entre os pontos A e B, é aplicada uma diferença de potencial de 30 V. A intensidade da corrente elétrica no resistor de 10Ω é: a) 1,0 A b) 1,5 A c) 2,0 A d) 2,5 A e) 3,0 A ( 19 ) Dispondo de pedaços de fios e 3 resistores de mesma resistência, foram montadas as conexões apresentadas abaixo. Dentre essas, aquela que apresenta a maior resistência elétrica entre seus terminais é: ( 20 ) Entre os pontos A e B do trecho do circuito elétrico abaixo, a ddp é 80 V. A potência dissipada pelo resistor de resistência 4Ω é: a) 4 Ω b) 12 Ω c) 18 Ω d) 27 Ω e) 36 Ω ( 21 ) No circuito abaixo, F1 é um fusível de resistência de 0,30Ω, que suporta uma corrente máxima de 5,0 A, e F2 é um fusível de resistência de 0,60 Ω, que suporta uma corrente máxima de 2,0 A. Determine o maior valor da tensão E, de modo a não queimar nenhum fusível. ( 22 ) Um eletricista dispões de 4 lâmpadas para iluminar uma sala. Qual das opções abaixo, que ilustram a ligação das lâmpadas à caixa de força do imóvel, fornecerá maior quantidade de luz à sala? ( 23 ) Considerando o esquema e os valores nele indicados, o valor absoluto da diferença de potencial entre os pontos X e Y, em volt, é igual a: a) 10; b) 20; c) 50; d) 90; e) 154 ( 24 ) UnB/DF – Um material é denominado supercondutor quando abaixo de uma certa temperatura, chamada de temperatura crítica (Tc), passa a ter resistência nula, característica que justifica o nome do material. Considere que, no circuito a seguir esquematizado, o resistor R seja feito de uma material supercondutor cuja temperatura crítica seja Tc = 2,0°C. O valor da resistência R, para temperaturas acima de Tc, é igual a 20 Ω. A lâmpada L, colocada no circuito para indicar a circulação de corrente, possui resistência interna de 2,0 Ω. Calcule, em ampère, a corrente elétrica do circuito, a uma temperatura ambiente de 25°C. Desconsidere a parte fracionária do seu resultado, caso exista. ( 25 ) Numa indústria de confecções, abastecida por uma rede de 220 V, é utilizado um fusível de 50 A para controlar a entrada de corrente. Nessa indústria, existem 100 máquinas de costura, todas ligadas em paralelo. Se a resistência equivalente de cada máquina é de 330 Ω, qual o número máximo que pode funcionar simultaneamente? Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 13 ( 26 ) UnB/DF – Uma leitora de CD utiliza-se de um feixe laser. A luz do laser refletida no CD é captada por um detector que converte a intensidade luminosa em sinal elétrico, que será processado posteriormente por circuitos eletrônicos. Existem vários tipos de detectores que podem ser utilizados para fazer essa conversão, entre eles o fotorresistor. Na ausência de luz, esse dispositivo funciona como um resistor comum, mas, quando iluminado, a sua resistividade diminui. Considere que um fotorresistor seja utilizado para detectar a luz refletida no CD e que ele seja conectado em série a um resistor comum e a uma bateria, conforme esquematizado na figura. Nesse circuito, considere ainda que Vcc = 10 V, R2 = 250 Ω e que o comportamento da resistência R1 do fotorresistor, em função da intensidade luminosa a que ele é exposto, seja descrito pelo gráfico apresentado acima. Com base nessas informações, julgue os itens a seguir. a) ( ) Considerando que a resistência R1, em função da intensidade luminosa x, seja dada por R1(x) = 5.000e-λx, em que λ é um número real positivo, conclui-se que, quanto maior for a intensidade luminosa, mais o fotorresistor se aproxima de um condutor ideal. b) ( ) Na ausência de luz, a tensão de saída V0 é igual a 5,0 V. c) ( ) No circuito ilustrado na figura acima, o valor de V0 é máximo quando a intensidade de luz é mínima. d) ( ) Sabendo que a resistência de um condutor qualquer é dado por , em que ρ é a resistividade elétrica, L é o comprimento do condutor e A é a área efetiva atravessada pela corrente elétrica, conclui-se que, se todas as dimensões do fotorresistor forem reduzidas à metade, então a sua resistência será reduzida à metade. e) ( ) Considerando que um circuito eletrônico digital interpreta como 1 uma tensão acima de 2,5 V, então é necessária uma intensidade de luz inferior a 10 W/cm2 incidindo sobre o fotorresistor para que a saída V0 seja interpretada como igual a 1. ( 27 ) UNICAMP/SP – Fios de cobre de seção transversal de área 1,3×10–6 m2 são utilizados na alimentação de um chuveiro situado a 200 m da entrada de energia elétrica, onde a tensão é de 220 V. A intensidade da corrente estabelecida no chuveiro é 10 A e a resistividade do cobre vale 1,7×10–8 Ω m. a) Calcular a tensão recebida pelo chuveiro. b) Qual deveria ser a área da seção transversal dos fios para que o chuveiro recebesse 200 V? Considere constante a resistência do chuveiro. ( 28 ) Duas resistências R1 (fixa) e R2 (variável – reostato) são ligadas a uma bateria de resistência interna nula, conforme a figura. Aumentando-se o valor da resistência R2, julgue os itens a seguir. a) A resistência total aumenta. b) A corrente em R1 aumenta. c) A corrente que a bateria fornece diminui. ( 29 ) Calcule a corrente, em ampères, que passa pela resistência R3, sabendo-se que V = 30V, R1 = 1,0Ω, R2 = 4,0Ω e R3 = 6,0Ω. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 14 ( 30 ) O circuito elétrico esquematizado abaixo é constituído de um gerador de f.e.m. E = 40 V e uma resistência interna r = 1,0 Ω e de quatro resistores de resistências 3,0 Ω, 10 Ω, 20 Ω e 60 Ω. Calcule, em ampères, a corrente elétrica no resistor de 10 Ω, multiplique o valor encontrado por 10 e despreze a parte fracionária caso exista. ( 31 ) No circuito esquematizado, em que a corrente elétrica i = 2,0 A, a força eletromotriz E vale: a) 60 V. b) 120 V. c) 30 V. d) 180 V. e) 90 V. ( 32 ) Na figura abaixo se tem uma associação de resistores de resistências iguais a 1,0 Ω cada e que se estende indefinidamente. Qual a resistência equivalente entre A e B? ( 33 ) No circuito elétrico abaixo esquematizado, R representa resistências em ohms e V a tensão em volts, estabelecida por um gerador ideal. Determine, em ampères, sabendo que V = 240 V e R = 8,0 Ω, a corrente indicada I, quando: a) a chave S estiver aberta; b) a chave S estiver fechada. ( 34 ) A figura a seguir apresenta a instalação do som de um automóvel. O som tem dois canais que serão ligados, cada um, a dois alto-falantes. A impedância de saída de cada canal é de 8,0 Ω. A impedância é uma espécie de resistência e segue as mesmas regras da associação de resistores em série e em paralelo. A qualidade do som será melhor se a impedância de saída de cada canal for igual à impedância da associação de alto-falantes ligada a ele. Considerando essas informações, escolha a alternativa correta. a) A ligação (A) está correta se os quatro alto-falantes forem de 8,0Ω. b) A ligação (B) está correta se os quatro alto-falantes forem de 16Ω. c) A ligação (C) está correta se os quatro alto-falantes forem de 8,0Ω. d) A ligação (D) está correta se os quatro alto-falantes forem de 8,0Ω. e) A ligação (A) está correta se os quatro alto-falantes forem de 32Ω. ( 35 ) No circuito esquematizado a seguir todos os resistores têm resistência de 150 Ω e uma corrente i = 10 mA percorre o ramo do circuito indicado. Nessas circunstâncias, a diferença de potencial entre os extremos M e N do circuito vale, aproximadamente: a) 6,0 V. b) 12 V. c) 18 V. d) 24 V. e) 30 V. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 15 ( 36 ) Na figura,temos um circuito em que R1 e R2 são resistores fixos e R3 é um resistor variável (reostato). A f.e.m. é de 1,2 V. Os valores de R1 e R2 são, respectivamente, 2,0 Ω e 3,0 Ω, enquanto o de R3 pode variar de 0,0 Ω a 6,0 Ω. Entre que valores a diferença de potencial entre A e B pode variar? Justifique. ( 37 ) Observe o circuito ilustrado pela figura, onde os amperímetros A1, A2 e A3 são ideais. Com base nas informações contidas nele, julgue os itens que se seguem. a) Os resistores indicados na figura estão associados em série. b) O amperímetro A1 assinala 10 A. c) O amperímetro A2 assinala 4,0 A. d) O amperímetro A3 assinala 6,0 A. e) Há no circuito dois resistores em curto- circuito. ( 38 ) Entre os pontos 1 e 2 da figura a seguir, é mantida uma diferença de potencial de 220 V. O cursor C pode mover-se entre os pontos 3 e 4. A corrente elétrica que percorre a lâmpada é de 0,50 A. A resistência elétrica da lâmpada (RL) é de 400 Ω. Observando os dados e as condições impostas pela figura e pelo enunciado, julgue os itens que se seguem. a) A d.d.p. entre os pontos aterrados 2 e 3 é nula. Inclusive se tais pontos fossem unidos, em nada modificaria o funcionamento do circuito. b) O cursor C divide a resistência elétrica de 200 Ω em duas partes iguais a 100 Ω. c) A corrente elétrica entre os pontos 1 e C é de 1,375 A. d) Para que o circuito exista é necessário que em um outro ponto do mesmo há um terceiro aterramento. e) A d.d.p. entre os pontos 4 e 2 é de 200 V. ( 39 ) Para um teste de controle, foram introduzidos três amperímetros ideais (A1, A2 e A3) em um trecho de um circuito, entre M e N, por onde passa uma corrente elétrica total I4 = 14 A (indicada pelo amperímetro A4). Nesse trecho, encontram-se cinco lâmpadas, interligadas como na figura, cada uma delas com resistência elétrica invariável R. Nessas condições, os amperímetros A1, A2 e A3 indicarão, respectivamente, correntes I1, I2 e I3. Julgue os itens que se seguem referentes ao texto e ao esquema correspondente. a) Conservando a tensão elétrica entre os pontos M e N, a única corrente elétrica que se modificaria, caso fosse posta uma outra lâmpada entre A4 e N, seria I4. b) Há três lâmpadas em paralelo entre si. c) I1 = 2,0 A; I2 = 4,0 A e I3 = 8,0 A d) A1 e A2 estão em série. e) I1 = 8,0 A; I2 = 4,0 A e I3 = 2,0 A ( 40 ) Dado o circuito ao lado, em que ε = 62 V, R1 = 3,0 Ω, R2 = R3 = 2,0 Ω, R4 = 5,0 Ω, calcule, em ampères, a corrente elétrica que passa pela resistência R2. ( 41 ) Na figura a seguir, cada uma das 12 resistências vale 1 Ohm. Qual é a resistência entre os pontos A e B? Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 16 ( 42 ) Na figura a seguir, cada uma das 12 resistências vale 1 Ohm. Qual é a resistência entre os pontos A e B? ( 43 ) UnB/DF – A tensão elétrica em uma tomada doméstica comum, ou a diferença de potencial entre os seus terminais, é uma função senoidal do tempo, sendo, portanto, alternada. Dessa forma,a tensão v(t) na tomada, em volts, é uma senóide, podendo ser expressa por , em que ω é a freqüência angular. T é o tempo, α é o ângulo de defasagem com relação à referência angular – ou, simplesmente, ângulo fase – e Ve é denominado valor eficaz da senóide v(t). Quando se diz que a tensão em uma tomada é de 220 V, está-se dizendo que Ve = 220V; e quando se diz que a tensão de um equipamento é de 220 V, isso significa que ele deve ser conectado a uma tomada cuja tensão eficaz seja igual a 220 V. Ao se ligar um equipamento elétrico a essa tomada, a tensão v(t) produz uma corrente elétrica senoidal i(t), em ampères, que pode ser expressa por , em que Ie é o valor eficaz da senóide i(t) e β é o ângulo de fase. Para os resistores, tem-se, sempre, α = β. Demonstra-se que a potência elétrica P, em watts, consumida pelo equipamento com tensão v(t) e corrente i(t) é calculada pela expressão: Considere que a tomada tenha tensão e alimente o circuito elétrico representado na figura abaixo pelos pontos B e C, constituído dos seguintes equipamentos: um chuveiro elétrico, que é um resistor que consome 4400 W quando alimentado em 220 V; duas lâmpadas em série, sendo cada uma um resistor de 110 Ω; e um equipamento desconhecido, de 220 V, representado pelo retângulo. No circuito ampères e o círculo contendo a letra A representa um amperímetro ideal, instrumento que mede o valor eficaz da corrente elétrica que passa por ele sem interferir no funcionamento do circuito. Com base na situação apresentada, julgue os itens que se seguem. a) A resistência do chuveiro é igual a 20 Ω. b) Em ampères, i2(t) = 2 .cos (ω.t + π/2). c) As lâmpadas consomem, juntas, menos de 200 W. d) O amperímetro mede a corrente elétrica no chuveiro, pois são dois dispositivos conectados em paralelo. e) Se um medidor ideal de valor eficaz de tensão fosse conectado entre os pontos B e E, ele mediria uma tensão igual a 110 V, pois a tensão entre os pontos B e D é nula e a tensão entre os pontos D e E é igual a 110. 2 .cos (ω.t + π/2) V. ( 44 ) Considere o circuito abaixo e determine: a) A resistência equivalente; b) A corrente I fornecida pela fonte E ao circuito; c) A queda de tensão provocada por cada circuito. ( 45 ) Considere o circuito abaixo e determine: a) A resistência equivalente; b) A corrente I fornecida pela fonte E ao circuito; c) A corrente que passa por cada resistor. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 17 ( 46 ) Calcule o resistor equivalente de cada circuito abaixo: ( 47 ) Considere o circuito abaixo: a) A resistência equivalente entre A e B; b) A resistência equivalente entre C e D; ( 48 ) Considere o circuito abaixo e determine: a) A tensão E da fonte; b) A resistência equivalente; c) O valor aproximado de R4. ( 49 ) Determine a tensão, a corrente e a potência em cada resistor da rede resistiva ao lado. ( 50 ) Determine a tensão e a corrente no resistor R4 do circuito abaixo. ( 51 ) No circuito abaixo, determine a potência dissipada pelo resistor R5, sabendo que I2=120mA. ( 52 ) O circuito ao lado mostra uma malha quadrada que se estende no plano infinitamente. Cada resistência vale 1 ohm. O ponto A está ligado ao terminal positivo de uma bateria. O potencial elétrico no infinito é zero. Qual é a resistência equivalente entre os pontos A e B dessa malha? Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 18 6 – Lei de KIRCHHOFF Antes de enunciar as leis de Kirchhoff é necessário darmos algumas definições em um circuito: 6.1 – Definições Ramo é todo trecho de circuito constituído com dois ou mais bipolos ligados em serie. A figura mostra alguns exemplos de ramos. Nó é a intersecção de dois ou mais ramos. A figura abaixo mostra alguns exemplos de nós. Malha é toda poligonal fechada cujos lados são constituídos de ramos. A figura mostra um circuito com varias malhas . Malha 1: Caminho ABGEFA Malha 2: Caminho BCDEGB mas temos também a malha externa Malha 3 : ABCDEFA 6.2 – 1ª lei de kirchhoff ou lei dos nós Enunciado: "A soma das correntes que chegam a um nó deve ser igual à soma das correntes que dele saem". Essa lei já usamos de forma bem intuitiva quando estudamos o circuito paralelo, lembra? Senão vejamos um exemplo: Observe que a equação do nó A é a mesma do nó B, isto é: 6.3 – 2ª lei de kirchhoff ou lei dos nós Enunciado : " A soma das tensões orientadas no sentido horário em uma malha deve ser igual à soma das tensões orientadas no sentido anti - horário na mesma malha ". Essa lei já foi usada quando estudamos o circuito série (divisor de tensão)!! Na figura a cima temos uma malha. Quais as tensões com orientação horária? SomenteUT, todas as outras tem orientação anti-horaria.e de acordo com a 2ª Lei de Kirchhoff podemos escrever: UT=U1+U2+U3 Não entendeu? Lembra da convenção de bipolo receptor e bipolo gerador como eram orientadas as tensões e correntes? Vamos Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 19 representar novamente o circuito da figura a baixo considerando as orientações das tensões e correntes através de setas. Equação da malha: UT = U1 + U2 + U3 De acordo com a 2ª Lei de Kirchhoff: Soma das tensões horárias: UT é igual à Soma das tensões anti horárias: U1+U2+U3, isto é UT = U1 + U2 +U3 que é a equação vista quando estudamos o circuito serie. Sequência de procedimentos: 1º Arbitrar, no esquema, os sentidos das correntes. 2º Aplicar a lei dos nós, a “todos os nós menos um”, ou seja, aos nós distintos. Escreve-se de seguida a(s) equações respectiva(s) (n nós, n-1 equações). 3º Representar os sentidos (das setas) das f.e.m. e f.c.e.m (de - para +). 4º Definir o número de malhas independentes e escolhe-se um sentido (arbitrário) para a circulação em cada uma delas. 5º Aplica-se a lei das malhas a cada malha (n malhas, n equações). 6º Definir um sistema de tantas equações quantas as incógnitas. 7º Criticar aos valores obtidos. Exercícios Resolvidos I) No circuito calcule o sentido e a intensidade da corrente no ramo AO. Respostas: Observe que consideramos uma orientação arbitraria da corrente no trecho AO simplesmente para que possamos montar a equação do nó O. Correntes que chegam: IA+2 Correntes que saem: 3,5+4 portanto a equação do nó O é: IA+2= 3,5+4 ou IA = 7,5 -2 =5,5ª II) No circuito calcule o sentido e a intensidade da corrente no ramo AO. Respostas: Neste caso observe como fica a equação do nó O Correntes que chegam: IA+2+3,5+4 Correntes que saem:0 (zero) Portanto a equação do nó fica: IA+2+3,5+4=0 ou IA=-9,5A o valor negativo diz que a corrente no trecho AO vale 7,5A mas tem sentido contrário ao adotado. Essa conclusão é importante, pois significa que para escrever a equação eu posso orientar o sentido da corrente de forma arbitraria (do jeito que eu quiser) pois no final da resolução saberemos qual o sentido correto. III) Calcule a tensão no resistor. Qual o valor da corrente no resistor e qual o sentido? Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 20 Resposta: Para resolver o circuito precisamos dar uma orientação para a corrente no circuito. Vamos supor que o sentido é anti- horário, como indicado a seguir. Como conseqüência a orientação da tensão no resistor será horária. Observe que a orientação das tensões nos geradores não depende do sentido da corrente !! A equação da malha é: Tensões orientadas no sentido horário E1 +UR ou 12+UR(5 Ohms) Tensões orientadas no sentido anti-horário: E2 ou 2V Resultando a equação: 12+UR = 2 ou UR =2-12 = -10V. Qual o significado do sinal negativo ? Significa que realmente a orientação da corrente é horária e vale: I =10V/5 Ohms = 2ª Exercícios ( 1 ) Determine a intensidade da corrente que circula em cada um dos circuitos abaixo. ( 2 ) No circuito sabemos que: I1=12,5mA de A para B e I3 = 85mA de F para G .Qual o valor de I2 e qual o seu sentido? ( 3 ) No circuito da questão 2 qual o valor da tensão entre os pontos D e C ? ( 4 ) Calcule o valor que deve ter R no circuito para que a corrente seja igual a 0,2A. ( 5 ) No circuito indicado, determine i, R e E' (fcem) ( 6 ) Considere o circuito representado e determine os valores de E, I1 e I2. ( 7 ) Considerando a figura da Malha: ABCDA, da figura abaixo, determinar: a) a ddp entre os pontos A e B ou seja UAB b) a ddp entre os pontos B e C ou seja UBC c) a ddp entre os pontos C e D ou seja UCD d) a ddp entre os pontos D e A ou seja UDA Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 21 ( 8 ) No circuito da figura, as chaves CH1 e CH2 estão abertas e o amperímetro A indica que existe passagem de corrente. Quando as duas chaves estão fechadas, a indicação do amperímetro A não se altera. Determinar: a) o valor da resistência R2; b) a potência dissipada por efeito Joule na resistência R2 quando CH1 e CH2 estão fechadas. Dados: Bateria 1: fem E1= 12V; resistência interna r1= 1Ω; Bateria 2: fem E2= 12V; resistência interna r2 = 1Ω; Resistência do amperímetro A: r3 = 2Ω R1 = 9Ω ( 9 ) Considere o circuito abaixo. Calcule as correntes I1, I2 e I3. ( 10 ) Observe o esquema elétrico abaixo: a) Aplicando as Leis de Kirchhoff, deduza o sistema de equações que nos permite calcular os valores da intensidade da corrente elétrica em todos os ramos. b) Calcule o valor de cada corrente sabendo que: ( 11 ) O esquema elétrico representado apresenta os seguintes valores: E1= 18V, r1= 0,1Ω, E2= 12V, r2= 0,08Ω, R1= 4Ω, R2= 5Ω, R3= 3Ω a) Indique o(s) método(s) estudado(s) até aqui que permite(m) calcular as correntes I1, I2 e I3. b) Calcule as correntes, utilizando o(s) método(s) indicado(s) em a). c) Qual dos elementos (E1 e E2) é gerador ou receptor? ( 12 ) Uma carga é alimentada por duas centrais conforme na Figura abaixo. Determine a tensão entre os pontos A e B quando a carga de 1 Ω. ( 13 ) No circuito elétrico determine os nós e ramos. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 22 ( 14 ) No circuito a baixo, são conhecidos os valores de I1, I2 e I4. Determine I3, I5, e I6. ( 15 ) Determine E1, E2, V3 e V4. ( 16 ) Determine E2 e V3. Observe que as polaridades de V1, V2, e V4 não são conhecidas. ( 17 ) ( 18 ) Um estudante calculou a corrente e as tensões nos resistores de um circuito, conforme mostrado abaixo. Porém, ao analisar os resultados, você pode observar algum ou alguns erros. Identifique. ( 19 ) No circuito abaixo foram inseridos voltímetros e amperímetros digitais ideais, com as polaridades indicadas em seus terminais. Os instrumentos estão marcados valores positivos e negativos, dependendo de as ligações no circuito estarem corretas ou não. Descubra que valores devem estar marcados os voltímetros V1, V2 e V3 e o amperímetro A1. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 23 7 – Divisor de Tensão O circuito divisor de tensão nada mais é do que um circuito em série. Esse circuito é chamado dessa forma porque a tensão da fonte se “divide” entre seus resistores. Isso decorre da aplicação da lei das malhas de Kirchhoff no circuito do divisor de tensão: VR1 + VR2 = V. Note que a soma das tensões nos resistores é igual à tensão da fonte, ou seja, ela é “dividida” entre eles. Esse circuito é muito utilizado na eletrônica quando queremos, dentro do mesmo circuito, uma tensão menor do que a da fonte. Essa tensão do divisor pode, por exemplo, servir como uma tensão de referência, que será comparada com outra, para que uma determinada atitude ou decisão possa ser tomada dentro do circuito. 7.1 – Fórmulas A corrente nesse circuito pode ser calculada como: I = V / (R1 + R2). Por ser um circuito série, a corrente é a mesma para todos os elementos. Dessa forma: Tensão em R1: VR1 = R1 x I então VR1 = V x R1 / (R1 + R2). Tensão em R2: VR2 = R2 x I então VR2 = V x R2 / (R1 + R2). Veja que, pelas fórmulas do divisor de tensão, não é necessário o cálculo da corrente do circuito para se obter a tensão nos resistores R1 e R2. Vale ressaltar, que a tensão em cada resistor é diretamente proporcional ao seu valor e, por isso, quanto maior um resistor em relação ao outro, maior será a tensão em seus terminais. Se um dos resistores for muito maior que o outro, a sua tensão será praticamente a tensão da fonte. De forma análoga, se um resistor for muito menor que o outro,a tensão em seus terminais será praticamente nula. Em geral, ao utilizarmos um divisor de tensão, a tensão de “saída” do mesmo (Vs), ou seja, uma sub-tensão da fonte, é retirada do ponto indicado na figura acima. Para se medir essa tensão de saída do divisor, uma ponta do voltímetro deve ser colocada no próprio ponto Vs e a outra ponta do voltímetro no negativo da bateria (o negativo da bateria é considerado como tendo uma tensão de 0 volts, com isso, as outras tensões são medidas tendo esse ponto como referência). Dessa forma, temos que Vs=VR2 (a tensão de saída de um divisor de tensão é a tensão de R2). 7.2 – Divisor de tensão com carga: O divisor de tensão sozinho não tem nenhum efeito prático. Para isso, temos que conectar algum dispositivo em sua saída que “receberá” a tensão que foi dividida. Esse dispositivo pode ser uma lâmpada, um motor, um transistor ou outro elemento qualquer. Podemos simular esse dispositivo ligado na saída do divisor de tensão por intermédio de um resistor, que exigirá a mesma corrente que o dispositivo simulado a uma mesma tensão. Ligando um resistor de carga RL (do inglês Load, que significa carga) ao divisor de tensão, ficamos com o esquema da figura ao lado. Veja que o resistor de carga RL é colocado em paralelo com R2. Dessa forma, a fórmula do cálculo da tensão de saída do divisor fica: A corrente do circuito é calculada por: Tensão de saída do divisor com uma carga RL: Nessa fórmula RL que não existia na fórmula sem a carga RL. Com isso, a tensão de saída de um divisor de tensão sem carga será Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 24 sempre maior que a de um divisor de tensão com carga. Isso mostra que a tensão de saída do divisor de tensão é bastante sensível à colocação de uma carga no circuito. Só para se ter uma idéia, se R1 e R2 tiverem o mesmo valor, juntamente com a carga RL, a tensão de saída sofrerá uma queda de 33 % do seu valor original. Uma forma de minimizarmos o efeito da carga na tensão de saída do divisor é fazermos com que RL seja muito maior que R2. Dessa forma, a associação em paralelo de R2 com RL “tenderá” ao valor de R2 e o último termo do denominador da equação será bastante pequeno, fazendo com que a tensão de saída do divisor praticamente não se altere. Em um raciocínio análogo, se RL for muito pequeno, a resistência equivalente de sua associação com R2 será também muito pequena, o que acarretará uma redução bastante sensível na tensão de saída do divisor. Se a carga RL for fixa, podemos já calcular o divisor de forma a ter sua tensão de saída ajustada para “absorver” o efeito da colocação de RL (fazendo RL >> R2). Entretanto, para uma carga variável, a tensão de saída do divisor certamente irá variar. Exercícios ( 1 ) Supondo um circuito em série com dois resistores, R1 e R2, e uma fonte de tensão com 15volts, sabe-se que a tensão em R2 é de 5 volts. Se o valor de R2 for dobrado, quais serão as novas tensões em R1 e R2? Qual será a relação entre a nova corrente e a anterior? Por ser um circuito em série, elas serão iguais? ( 2 ) Dado que a tensão da fonte é igual a 12volts e R2= 3,3KΩ, calcule R1 de forma que a tensão de saída do divisor de tensão seja igual a 4,95volts. Esse circuito foi montado no laboratório com resistores que tinham uma precisão de 5% e foi medida uma tensão de 4,7volts. Essa tensão está correta? E se os resistores fossem de 1%? ( 3 ) Em uma hidrelétrica é gerada uma tensão de 2KV. Essa tensão deve ser transmitida até um transformador distante 500Km da usina. Sabe-se que o fio utilizado para a transmissão dessa tensão possui uma resistência de 0,0012Ω/m (0,0012 ohms a cada metro). É dado ainda que a resistência do transformador é de 5KΩ. Qual a tensão que chegará aos terminais desse transformador? (para facilitar os cálculos, suponha que tensão transmitida é contínua). ( 4 ) Se um carga RL= 27KΩ for colocada na saída do divisor de tensão calculado no exercício 3, qual será a variação percentual ocorrida na tensão de saída desse divisor após a colocação dessa carga. ( 5 ) No circuito ao lado, calcule as tensões lidas pelos dois voltímetros utilizando apenas as fórmulas do divisor de tensão e associações de resistores em série e paralelo. Dados: R1= 1,25KΩ, R2= 200Ω, R3= 800Ω, R4= 2KΩ, R5= 250Ω, R6= 3KΩ, R7= 600Ω e R8= 400Ω. ( 6 ) No seguinte circuito, com R1= 2KΩ, R2= 3KΩ e R3= 1KΩ, calcule a tensão nos pontos indicados A, B e C. ( 7 ) Projete um divisor de tensão que possua uma tensão de saída igual a 6,8volts para uma tensão da fonte igual a 9volts. ( 8 ) Um rádio AM/FM portátil funciona, em condições normais de operação, com as seguintes especificações: 3V/450mW. Qual deve ser o valor do resistor R2 para que esse rádio opere a partir de uma fonte de 12V, conforme a montagem abaixo? Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 25 ( 9 ) Determine a tensão V2. ( 10 ) Um enfeite de natal é formado por 50 lâmpadas coloridas em série, conforme a figura. Cada lâmpada está especificada para 1,5V / 6mW. Determine o valor do resistor Rs para que o enfeite possa ser alimentado pela rede elétrica de 110V. ( 11 ) Calcule a indicação dos instrumentos e a potência dissipada em cada resistor. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 26 8 – Divisor de Corrente O circuito Divisor de corrente é constituído por dois resistores ligados em paralelo aos terminais de uma fonte de tensão. O objetivo do divisor de corrente é dividir a corrente total entre os resistores R1 e R2. Podemos determinar a relação entre a corrente total (Is) e as correntes nos resistores, I1 e I2 , usando a Lei de Ohm e a Lei de Kirchhoff para correntes. A tensão entre os terminais dos resistores é dada por: Assim acorrente se divide entre os resistores em paralelo de tal forma que a corrente em um dos resistores é igual à corrente total multiplicada pela outra resistência e dividida pela soma dos dois resistores. Exercícios ( 1 ) Determine a corrente que passa em cada resistor no circuito abaixo: ( 2 ) Projete um divisor de corrente que possua uma corrente de saída igual a 50 mA para uma corrente gerada por uma fonte de corrente de 500mA. ( 3 ) Considere o divisor de corrente abaixo, determine I1 e I2. ( 4 ) Determine I1, I2, I3 e I4. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 27 9 – Potência e Energia Trabalho e energia em física são sinônimos. Toda vez que um trabalho é realizado uma certa quantidade de energia é transformada e uma força estará atuando em algum corpo (mesmo que você não veja!!). E não se esqueça: “Nada se faz nada se cria tudo se transforma em energia ou matéria” A energia está sempre sendo transformada. O gênio humano está sempre empenhado em construir dispositivos que possam converter algum tipo de energia em uma energia que nos seja útil. Por exemplo: Aquele banho quentinho no inverno só é possível, porque alguém há muito tempo descobriu como converter algum tipo de energia em energia elétrica, e depois outra descobriu como converter energia elétrica em calor. 9.1 – Trabalho (energia) Como potência e energia (trabalho) são grandezas físicas, necessitamos de unidades para especificá-las adequadamente. Joule(J) é a unidade oficial de energia e trabalho, mas existem outras como a caloria (cal) e o KWh que são mais usadas na prática. É claro que existe uma relação entre elas: 1Cal = 4,18J e 1KWh = 3,6.10 6 J O KWh é a unidade usada para especificar consumo residencial e industrial, mas muitas vezes usamos também a caloria. E = P. Δ t, onde: E = energia (J, KWh), P = potência (W) e Δ t = tempo (h) 9.2 – Potência Watt (W) é a unidade oficial, mas existem outras como o H.P,sendo que 1HP =746W. Potência é definida como sendo o trabalho realizado por unidade de tempo (energia trocada por unidade de tempo), ou matematicamente: 𝑃 = 𝜏 𝑡 onde τ (tau, letra grega) é a quantidade de energia que estará sendo trocada (transformada) e que é igual ao trabalho realizado. Isto é: 1W = 1J/s Exemplo: I) Qual a quantidade de energia consumida num banho de 30min se o chuveiro tem uma potencia de 5000W (5KW)? 9.3 – Efeito joule Os elétrons da corrente elétrica ao se deslocarem pelo interior do condutor se chocam contra os átomos do mesmo aumentando a sua agitação térmica (temperatura). A esse fenômeno da eletricidade chamamos de efeito Joule. Portanto o efeito Joule consiste na transformação da energia elétrica em Calor. Um resistor é um dispositivo que transforma toda a energia elétrica que recebe em calor. Dizemos que ele dissipa toda a energia elétrica em calor, portanto ele aquece. Se as suas dimensões não estão de acordo coma a potência que ele pode dissipar então ele "queimará". Os resistores são construídos de tamanhos diferentes para dissipar potências também diferentes, quanto maior o seu tamanho físico maior a sua capacidade em dissipar calor. Como podemos calcular a potência que um resistor está dissipando? Em primeiro lugar devemos dizer que para qualquer dispositivo da eletricidade (eletrônica), a sua potência elétrica é dada por: P = I ⋅U onde U é a tensão aplicada nos terminais do dispositivo em volts (V) I é a intensidade da corrente que está percorrendo o dispositivo em amperes (A) e P (W) será a potência elétrica do dispositivo. Cabe aqui uma observação importante. Se o dispositivo é receptor P=U.I é potência elétrica consumida, se o dispositivo é um gerador então P=U.I é a potência elétrica fornecida. Para um resistor sabemos que a relação entre tensão ( U ), corrente ( I ) e resistência ( R ) é dada pela lei de Ohm, U=R.I , logo se substituirmos na expressão da potência (1) resulta: ou se substituímos I =U/R na mesma expressão resultará: Qualquer uma dessas três expressões cima permite o cálculo da potência dissipada em um resistor. Exercício ( 1 ) A grandeza de unidade de energia é: a)KWh b)KW por hora c)Watt d)Ohm ( 2 ) A unidade de potência em eletricidade é: a)Joule b)KWh c)Watt d) Ohms Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 28 ( 3 ) Um motor ligado em uma tensão de 100V consome 10A. A sua potência elétrica será: a)100W b)10W c)1000W d)1000KWh ( 4 ) Uma lâmpada tem as especificações 120W/120V. A corrente que ela consome é: a)2A b)12A c)1A d)1Joule ( 5 ) Qual a potência elétrica que o gerador está fornecendo para o circuito? Qual a quantidade de energia elétrica consumida pelo circuito em 30min.? E em 2h? ( 6 ) Num certo carro, o acendedor de cigarros tem potência de 48W. A ddp no sistema elétrico desse carro é 12V. Qual é a resistência elétrica do acendedor de cigarros? ( 7 ) Calcule a corrente que percorre o filamento de uma lâmpada de 120V e 60W. ( 8 ) Um chuveiro tem as especificações 4000W/220V. Qual o consumo de energia de um banho de 15min? Qual o valor da resistência do chuveiro? ( 9 ) Calcule a potencia dissipada na resistência em cada caso e a potência elétrica do gerador. ( 10 ) Um chuveiro tem as especificações: 5400W/220V , calcular: a) Corrente consumida pelo chuveiro; b) Energia consumida (em KWh) durante 1 mês se todos os dias o chuveiro é ligado 30minutos; c) A tarifa do consumo. Considerar 1KWh => R$ 0,30. ( 11 ) Na placa de um motor está escrito 2H.P/380V. Calcule a corrente consumida pelo motor. ( 12 ) As características de um resistor são 220 Ω/0,25W. Qual a máxima tensão que pode ser aplicada ao resistor para que ele não aqueça? ( 13 ) Quando uma lâmpada é ligada a uma tensão de 120V, a corrente que flui pelo filamento da lâmpada vale 1A. Qual a potência da lâmpada? ( 14 ) Em um resistor, de resistência igual a 10 Ω, passa uma corrente com intensidade de 2A. Calcule a potência dissipada no resistor. ( 15 ) De acordo com o fabricante, um determinado resistor de 100 Ω pode dissipar, no máximo, potência de 1 W. Qual é a corrente máxima que pode atravessar esse resistor? ( 16 ) Sob tensão de 10V, um determinado resistor dissipa 5W de potência. Qual é a resistência desse resistor? ( 17 ) O que acontecerá se ligarmos uma lâmpada com as inscrições (60W-110V) na tensão 220V. Por quê? ( 18 ) O que seria um condutor elétrico ideal? Você acha que os fios da instalação de sua casa podem ser considerados condutores ideais? ( 19 ) Como você explica o aquecimento de fios metálicos, quando uma corrente elétrica passa por eles? ( 20 ) Indique a principal transformação de energia que ocorre com o funcionamento de: um chuveiro; um liquidificador; uma lâmpada Incandescente. ( 21 ) Qual é o consumo de energia, durante um mês, em kWh, de um chuveiro de 4000W, que é utilizado meia hora por dia? ( 22 ) Em um ferro elétrico, lê-se a inscrição 600W-120V. Isso significa que, quando o ferro elétrico estiver ligado a uma tensão de 120V, a potência desenvolvida será de 600W. Calcule a energia elétrica (em kWh) consumida em 2h. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 29 ( 23 ) Qual é o consumo de energia, em kWh de uma lâmpada de 60W que fica acesa 5h por dia durante os 30 dias do mês? ( 24 ) Uma torradeira dissipa uma potência de 3000W. Ela é utilizada durante 0,5h. Pede-se: a) a energia elétrica consumida em kWh; b) o custo da operação, considerando o preço do kWh igual a R$ 0,12. ( 25 ) Uma lâmpada de 100W permanece acesa durante 20h. a) Determine a energia elétrica consumida em kWh; b) Determine o custo que essa lâmpada representa considerando o preço do kWh igual a R$ 0,12. ( 26 ) Um ferro elétrico consome uma potência de 1100W quando ligado a uma tensão de 110V. a) Qual a energia consumida (em kWh) em 2 horas; b) Qual é o custo da operação para 2 horas, sabendo que o preço do kWh é de R$ 0,12? ( 27 ) Um fio de resistência elétrica igual a 50 Ω é submetido a uma ddp de 20V. Qual a energia dissipada no fio em 1 minuto? ( 28 ) A corrente através de um resistor de 100 Ω a ser usado num circuito é de 0,20 A calcule a potência do resistor. ( 29 ) Quantos quilowatts de potência são liberados a um circuito pôr um gerador de 240 V, que fornece 20 A ao circuito. ( 30 ) A tensão resistor de 25.000 Ω é de 500V. Qual a potência dissipada no resistor? ( 31 ) Que tensão deve ser aplicada a um aquecedor de 600 W , para que solicite uma corrente de 12 A. ( 32 ) Um gerador de corrente contínua apresenta os seguintes dados: 150KW e 275V. Qual a sua corrente nominal? ( 33 ) Qual é a corrente na antena quando um transmissor esta entregado a mesma uma potência 1000W ? A resistência da antena é de 20 Ω. ( 34 ) Qual a corrente máxima que pode passar pôr um resistir que apresenta as seguintes características: 5000 Ω, 200W. ( 35 ) Calcule a corrente exigida pôr uma lâmpada incandescente de 60 W ligada em uma tensão de 120 V. ( 36 ) Calcule a potência elétrica dissipada pôr uma lâmpada de filamento de 240 Ω. Ao ser submetida a uma DDP de 120V. ( 37 ) Uma companhia residencial tem um resistência de 8 Ω e precisa de uma corrente de 1,5 A para funcionar. Determinar a tensão e a potência necessária para que a companhia toque? ( 38 ) Um ferro elétrico consome uma potência de 500W, quando submetido a uma tensão de 100V. Calcule a resistência elétrica. ( 39 ) Um aparelho elétrico solicita 5 a de 100 V . Calcular sua resistência, e a sua potência do aparelho. ( 40 ) Uma pessoa utiliza aproximadamente 0,7KWh de energia elétrica para tomar banhode 10 minutos com um chuveiro elétrico. Se a energia elétrica utilizada for proveniente de uma usina hidrelétrica, pode-se dizer que a quantidade de água mobilizada em virtude de um banho é bem maior que aquela que flui pelo chuveiro. No caso da usina de Itaipu, cujo o lago comporta um volume de 2,9 x 10 10 m³, cada 10800 m³ de água que flui pelas turbinas fornece 12,6GJ (12,6 x 10 9 J) de energia. Suponha que essa energia seja utilizada unicamente para alimentar o funcionamento dos chuveiros elétricos existentes e cada habitante, de uma população de 160 milhões de, utilize o chuveiro para tomar um banho diário de 10 minutos. Nessas condições, considerando que a capacidade geradora dessa usina seja independente do volume de água no reservatório e que nenhuma água seja adicionada a ele, calcule o numero de dias que seriam necessários para esvaziar completamente o lago de Itaipu, supondo-o inicialmente cheio. Despreze, caso exista, a parte fracionária do valor calculado. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 30 10 – Capacitor O capacitor é um componente capaz de armazenar cargas elétricas, sendo largamente empregado nos circuitos eletrônicos. É composto basicamente de duas placas de material condutor, denominadas de armaduras, isoladas eletricamente entre si por um material isolante chamado dielétrico. Quando um capacitor é conectado a uma fonte de tensão, o campo elétrico fará com que os elétrons da armadura que estiver ligada ao positivo da fonte de alimentação seja por esta atraídos e conseqüentemente os elétrons presentes na armadura que estiver ligada ao negativo da mesma fonte de alimentação sejam por ela repelidos. Quando a tensão de um capacitor atingir 99,3% da tensão da fonte a que ele esteja submetido, diz-se que o capacitor está carregado, nesta situação mesmo que se desconecte o capacitor da fonte de tensão ele permanecerá com uma tensão em seus terminais de valor praticamente igual ao da fonte de tensão que o carregou. A Capacitância (C) é a capacidade de acumulação de cargas elétricas no capacitor, quando aplicamos em seus terminais determinada tensão. Sua capacitância é determinada pelas dimensões das placas e pela distância de uma em relação à outra, ou seja, é diretamente proporcional à área das armaduras e inversamente proporcional à espessura do Dielétrico. Unidades de Medida da capacitância: Farad (F), Microfarad (μF), Nanofarad (ηF) e Picofarad (ρF). A quantidade de cargas (Q, em Coulomb) que um capacitor pode armazenar depende da tensão (V, em Volts) e de sua capacitância (C, em Farad) entre seus terminais: Quando uma Tensão Contínua é aplicada às placas do capacitor, através dele não se verifica nenhuma passagem de corrente, devido à presença do dielétrico. Por outro lado, ocorre uma acumulação de carga elétrica nas placas de tal forma que, a placa ligada ao pólo negativo do gerador acumula elétrons enquanto que a placa ligada ao pólo positivo do gerador fica com falta elétrons. Este fenômeno é chamado de Polarização do Dielétrico. Quando a tensão aplicada é interrompida, a carga acumulada mantém-se devido ao campo elétrico que se forma entre as placas. Se as placas forem curto-circuitadas, encostando os dois terminais de ligação, uma rápida passagem de corrente é produzida e o capacitor se descarrega, retornando à condição inicial. Quando uma corrente contínua é aplicada a um capacitor, a tensão leva certo tempo para atingir o valor máximo. Portanto, no capacitor, a corrente está adiantada em relação à tensão. O tempo necessário para que o capacitor se carregue totalmente depende das resistências do circuito. Para um circuito RC em série, quanto maior o valor do resistor e do capacitor, mais tempo leva para que o capacitor carregue-se totalmente. A medida da velocidade de crescimento da tensão no capacitor é dada pela constante de tempo (τ) do circuito. 10.1 – Capacitância É a grandeza que exprime a quantidade de cargas elétricas que um capacitor pode armazenar. Seu valor depende de alguns fatores: ÁREA DA ARMADURA: Quanto maior a área das armaduras, maior a capacitância. ESPESSURA DO DIELÉTRICO: Quanto mais fino o dielétrico, mais próximas estarão as armaduras. O campo elétrico gerado entre as armaduras será maior e consequentemente a capacitância será maior. NATUREZA DO DIELÉTRICO: Quanto maior a capacidade de isolação do dielétrico, maior a capacitância do capacitor. 10.2 – Unidade de medida. A unidade de medida da capacitância é o Farad representado pela letra F, entretanto a unidade Farad é muito grande, o que leva ao uso de submúltiplos tais como: � Milifarad = mF = 10–3 � microfarad = μF = 10–6 � nanofarad = nF = 10–9 � picofarad = pF = 10–12 10.3 – Tensão de trabalho. É a máxima tensão (em volts ) que o capacitor pode suportar entre suas armaduras sem danificado. A aplicação de uma tensão no capacitor superior a sua tensão de trabalho máxima, pode provocar o rompimento do dielétrico fazendo com que o capacitor entre em curto, perdendo suas características. Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 31 10.4 – Tipos de capacitores. Os capacitores podem ser classificados basicamente em quatro tipos: � Capacitores fixos despolarizados. Apresentam um valor de capacitância específico, não podendo ser alterado. Por ser despolarizado podem ser utilizados tanto em C A como em C C. � Capacitores ajustáveis. São capacitores que permitem que se atue sobre sua capacitância, alterando-a dentro de certos limites, por exemplo 10pF a 30pF. São utilizados nos pontos de calibração dos circuitos, como por exemplo, na calibração de estágios osciladores de receptores ou transmissores de ondas de radio. � Capacitores variáveis. São capacitores que também permitem que se atue na sua capacitância, sendo utilizados em locais onde a capacitância é constantemente modificada. Como por exemplo, nos circuitos de sintonia de rádios receptores. � Capacitores eletroliticos. São capacitores fixos cujo processo de fabricação permite a obtenção de altos valores de capacitância com pequeno volume. O fator que diferencia os capacitores eletrolíticos dos demais capacitores fixos é o dielétrico. Nos capacitores fixos comuns o dielétrico é de papel, mica, cerâmica ou ar. O dielétrico dos capacitores eletrolíticos é um preparo químico chamado de eletrólito que oxida pela aplicação de tensão elétrica. Esses capacitores apresentam polaridade, que deverá ser observada, a não observância dessa polaridade implica na total destruição do componente. Sendo assim estes capacitores não podem ser aplicados em circuitos alimentados por tensão C.A. 10.5 – Reatância capacitiva Quando um capacitor é alimentado com tensão C A, a corrente que circula por esse capacitor será limitada pela reatância capacitiva (Xc). Sendo assim a reatância capacitiva é a grandeza que se opõe a passagem de corrente C A por um capacitor, e é medida em ohms. Matematicamente teremos: onde: Xc = reatância capacitiva em ohms; 2 π = 6,28 f = freqüência em Hertz; C = capacitância em Farads. Exemplo: Calcule a reatância capacitiva de um capacitor de 100μF aplicado a uma rede CA de freqüência 60Hz: 10.6 – Relação de fase entre tensão e corrente num capacitor Devido ao fato da reatância capacitiva dos capacitores estarem diretamente relacionadas com a freqüência dos sinais a que são submetidos irá surgir uma defasagem da ordem de 900 entre tensão e corrente, estando esta adiantada dos referidos 900 graus elétricos. Relação entre tensão e corrente em um capacitor Professor Ariomar da Luz Nogueira Filho 32 10.7 – Associação de capacitores. Os circuitos série, paralelo e série-paralelo constituídos
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