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UNISUAM ENGENHARIA ELETROTÉCNICA PROFº RAED 2015-1 1 CAPÍTULO I – ELETRODINÂMICA 1. Tensão Elétrica A tensão elétrica entre dois pontos, também chamada de diferença de potencial (ddp), é o trabalho necessário em joules para mover um coulomb de carga de um ponto a outro. A unidade no Sistema Internacional (SI) de tensão elétrica é o volt, cujo símbolo é V. O símbolo de tensão elétrica é U. q W U Onde: U é a tensão elétrica, em volts (V). W é o trabalho, em joules (J). q é a carga elétrica, em coulomb (C). 2. Corrente Elétrica É o movimento ou o fluxo de elétrons. Para se produzir a corrente, os elétrons devem se deslocar pelo efeito de uma ddp. A unidade no SI de corrente é o ampère, cujo símbolo é A. Os símbolos utilizados são o I para uma corrente constante e i para uma corrente variável no tempo. O condutor metálico da figura 1, submetido a uma ddp entre os seus extremos, possui uma quantidade de elétrons que atravessa a seção reta transversal do condutor desde o instante t até o instante t + t. Cada elétron apresenta uma carga elétrica elementar e de valor igual a C19106,1 . Em um intervalo de tempo t, passa pela seção transversal uma carga elétrica de valor absoluto igual a: enq . Onde: q é a quantidade de carga elétrica em movimento, em coulomb (C). n é o número de elétrons. e é a carga elétrica elementar de um elétron, que é igual a 1,6x10 -19 C. 2 Fig. 1 – No intervalo de tempo Δt, “n” elétrons passam pela seção reta transversal do condutor. Define-se intensidade média de corrente elétrica mi no intervalo de tempo t: t q im Quando a corrente varia com o tempo, define-se intensidade de corrente i em um instante t o limite para o qual tende a intensidade média, quando o intervalo de tempo t tende a zero: t q i ot lim Denomina-se corrente contínua constante toda corrente de sentido e intensidade constantes com o tempo. Neste caso, a intensidade média da corrente mi em qualquer intervalo de tempo t é a mesma e, portanto, igual à intensidade i em qualquer instante t . iim A figura 2 mostra o gráfico dessa corrente em função do tempo. Esse é o caso mais simples de corrente elétrica. A pilha mostrada ao lado do gráfico é um exemplo de fonte que fornece uma corrente contínua constante. Fig. 2 – A corrente contínua constante tem sentido e intensidade constantes com o tempo. 3 A figura 3 mostra um gráfico de uma corrente elétrica que muda, periodicamente, de intensidade e sentido, esta é chamada de corrente alternada. Nos terminais das tomadas das residências, escritórios, comércios e indústrias há uma corrente alternada na frequência de 60 Hz, ou seja, 60 ciclos/segundo. Fig. 3 – A corrente alternada muda periodicamente no tempo. Um ampère de corrente é definido como o deslocamento de um coulomb através de um ponto qualquer de um condutor durante um intervalo de um segundo. segundo coulomb ampére 1 1 1 t q I Onde: I é a corrente elétrica, em ampères (A). q é a quantidade de carga elétrica em movimento, que passa através de uma seção reta transversal de um condutor, em coulomb (C). t é o intervalo de tempo, em segundos (s). 3. Densidade de Corrente É a relação entre a corrente elétrica em ampères e a área da seção transversal do condutor em m 2 . S I J Onde: J é a densidade de corrente elétrica, em ampères/metro quadrado (A/m 2 ). I é a intensidade da corrente elétrica, em ampères (A). S é a área da seção transversal do condutor, em metros quadrados (m 2 ). 4 4. Resistores O resistor é todo elemento cuja função em um circuito é oferecer uma resistência especificada. A unidade no SI de resistência elétrica é o ohm, cujo símbolo é o . Para uma dada tensão elétrica, quanto maior a resistência menor será corrente elétrica. Portanto, a resistência é a oposição ao fluxo da corrente elétrica. São exemplos de resistores: filamentos de tungstênio de lâmpadas incandescentes e fios de nicromo enrolados em hélice em chuveiro elétrico. 5. Lei de Ohm Considere o resistor da figura 4, mantido a uma temperatura constante, percorrido por uma corrente elétrica i , quando entre seus terminais A e B for aplicada a ddp U. Fig. 4 – A ddp é a causa da passagem da corrente “i”. Mudando-se a ddp sucessivamente para U1, U2, U3, ..., o resistor passa a ser percorrido por corrente de intensidade ...,,, 321 iii Ohm verificou, experimentalmente, que mantida a temperatura constante, o quociente da ddp aplicada pela respectiva intensidade de corrente era uma constante característica do resistor. Rtecons i U i U i U i U tan... 3 3 2 2 1 1 A grandeza R assim introduzida foi denominada resistência elétrica do resistor. A resistência elétrica não depende da ddp aplicada ao resistor nem da corrente elétrica que o percorre; ela depende do condutor e de sua temperatura. A expressão que simboliza a lei de Ohm é: I U R 5 Onde, conforme já definido: R resistência elétrica, em ohms (). U tensão elétrica, em volts (V). I intensidade da corrente elétrica, em ampères (A). 6. Resistores Ôhmicos e Não-Ôhmicos Na figura 5, o gráfico de U em função de i é uma reta que passa pela origem, constituindo, assim, a curva característica de um resistor ôhmico. O coeficiente angular da reta (tg ) é numericamente igual a resistência elétrica do resistor, que é igual a uma constante não-nula. R i U tg Fig. 5 - Curva característica de um resistor ôhmico. Para condutores que não obedecem a Lei de Ohm, a curva característica passa pela origem, mas não é uma reta, conforme mostra a figura 6. Esses condutores são denominados condutores não-lineares ou não-ôhmicos. A resistência aparente (Rap) é definida em cada ponto da curva da seguinte maneira: ' ' ' i U R i U R apap Fig. 6 - Curva característica de um condutor não-ôhmico. 6 7. Efeito Térmico ou Efeito Joule Um resistor transforma exclusivamente em térmica a energia elétrica recebida de um circuito. Portanto, é comum afirmar que um resistor dissipa energia elétrica que recebe do circuito. Nos aquecedores elétricos em geral (chuveiros elétricos, torneiras elétricas, ferros elétricos, secadores de cabelos), constituídos de resistores, ocorre a transformação de energia elétrica em energia térmica. O efeito da transformação de energia elétrica em térmica é denominado efeito térmico ou efeito joule. Esse efeito pode ser entendido considerando o choque dos elétrons livres contra os átomos do condutor. 8. Resistividade A resistência elétrica de um resistor depende do material que o constitui, de suas dimensões e de sua temperatura. Portanto, a resistência elétrica R de um resistor em dada temperatura é: diretamente proporcional ao seu comprimento ( ), em metros (m); inversamente proporcional à sua área de seção transversal (S), em m2; dependente do material que o constitui ( ), em .m. S R . Onde (letra grega rô) é uma grandeza que depende do material que constitui o resistor e da temperatura, sendo denominado resistividade do material. A resistividade de um material varia com a temperatura. Para variações não-excessivas (até cerca de 400ºC), pode-se admitir como linear a variação da resistência com a temperatura. Nestas condições, a resistividade a uma temperatura T é dada por: )](1[ 00 tT Onde: resistividade na temperatura final (T), em .m. 0 resistividade na temperatura inicial (t0), em .m. coeficiente de temperatura do material, em ºC-1. T temperatura final, em ºC. t0 temperatura inicial, em ºC. 7 Tabela1 - Resistividade de alguns materiais à temperatura ambiente (20ºC). MATERIAL RESISTIVIDADE (.m) Prata 1,47x10 -8 Cobre 1,72x10 -8 Ouro 2,44x10 -8 Alumínio 2,75x10 -8 Tungstênio 5,25x10 -8 Ferro 9,68x10 -8 Todos os condutores metálicos apresentam um aumento de resistência elétrica com a elevação de temperatura. Se uma determinada corrente elétrica aquecer um condutor, haverá uma diminuição desta corrente devido o aumento da resistência elétrica do condutor, provocado pelo aumento da temperatura. )](1[ 00 tTRR Onde: R resistência na temperatura final (T), em . 0R resistência na temperatura inicial (t0), em . coeficiente de temperatura do material, em ºC-1. T temperatura final, em ºC. t0 temperatura inicial, emºC. Tabela 2 - Coeficiente de temperatura ( ) de alguns materiais. MATERIAL (ºC-1) Prata 0,0038 Cobre 0,00393 Alumínio 0,0039 Tungstênio 0,0045 Ferro 0,0050 8 9. Condutividade A condutividade de um material ( ) é o inverso da resistividade. 1 A unidade no SI de condutividade é o mho/metro. 10. Potência e Energia Elétrica A potência elétrica P usada em qualquer parte de um circuito é igual a corrente I nessa parte multiplicada pela tensão U através dessa parte do circuito. A fórmula para o cálculo da potência é: IUP . Onde P é potência elétrica, em watts (W). Pela Lei de Ohm, IRU 2.. IRIIRIUP Sendo R U I A potência elétrica dissipada pode, também, ser dada por: R U P 2 A energia elétrica (EEL) transformada em energia térmica ao fim de um intervalo de tempo t, em um resistor, é dada por: tIREEL 2 . Esta expressão é conhecida como a Lei de Joule, podendo assim ser enunciada: A energia elétrica dissipada em um resistor, durante um dado intervalo de tempo t, é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade de corrente que o percorre. A unidade usual de energia elétrica utilizada na eletrotécnica é o watt-hora (Wh). Porém, o produto da potência P em watts e o intervalo de tempo t em segundos é igual a energia em joules. 9 2 1 . t t EL dtPE 1Ws = 1 J JjoulesWssWhkWkWh 6106,3000.600.3000.600.33600.10001.11 11. Múltiplos e Submúltiplos Os prefixos das unidades são utilizados para facilitar a escrita das mesmas quando elas estão expressas ou em valores muito grandes ou muito pequenos. As Tabelas 3 e 4 mostram os prefixos, seus multiplicadores e seus símbolos. Tabela 3 – Múltiplos. PREFIXO SÍMBOLO POTÊNCIA MULTIPLICADOR M Ú L T IP L O S DECA da 10 10 HECTO h 10² 100 QUILO k 103 1.000 MEGA M 106 1.000.000 GIGA G 109 1.000.000.000 TERA T 1012 1.000.000.000.000 PETA P 1015 1.000.000.000.000.000 EXA E 1018 1.000.000.000.000.000.000 ZETA Z 1021 1.000.000.000.000.000.000.000 IOTA Y 1024 1.000.000.000.000.000.000.000.000 Tabela 4 – Submúltiplos. PREFIXO SÍMBOLO POTÊNCIA MULTIPLICADOR S U B M Ú L T IP L O S DECI d 10-1 0,1 CENTI c 10-2 0,01 MILI m 10-3 0,001 MICRO µ 10-6 0,000.001 NANO n 10-9 0,000.000.001 PICO p 10-12 0,000.000.000.001 FEMTO f 10-15 0,000.000.000.000.001 ATO a 10-18 0,000.000.000.000.000.001 ZEPTO z 10-21 0,000.000.000.000.000.000.001 IOCTO y 10-24 0,000.000.000.000.000.000.000.001 10 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. O gráfico a seguir representa a intensidade de corrente em um fio condutor, em função do tempo. Calcule para o intervalo de 0 a 6s: (a) A quantidade de carga que passa por uma seção reta do condutor. (b) O número de elétrons que atravessa a seção reta do condutor. 2. Um condutor é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade de 1A. Determine o número de elétrons que passam por uma seção transversal do condutor em um segundo, sabendo que a carga elétrica elementar de um elétron vale 1,6 x 10 -19 C. 3. Relacione quatro efeitos principais produzidos pela corrente elétrica. 4. Um resistor de 20 é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade de 3A. Determine: (a) A ddp nos terminais do resistor. (b) A potência elétrica consumida pelo resistor. (c) A energia elétrica consumida no intervalo de tempo de 20s, expressa em joules. 5. Sabendo-se que 20 lâmpadas de 100 watts e 10 lâmpadas de 150 watts permanecem acesas 5 horas por dia, pergunta-se: Qual o consumo de energia elétrica, em kWh, no período de 30 dias? 6. Um chuveiro elétrico alimentado sob ddp de 127V, consome uma potência de 4,4kW. Calcule: (a) A resistência elétrica do aparelho. (b) A intensidade de corrente que percorre o aparelho. (c) A energia elétrica consumida pelo chuveiro, quando ligado durante 72 segundos, expressa em kWh. (d) A energia elétrica consumida pelo chuveiro, quando ligado durante 72 segundos, expressa em joules. (e) O gasto de 30 dias, em reais, se o chuveiro é utilizado durante 90 minutos por dia. Suponha que o preço do kWh seja de R$0,52. 11 7. Um chuveiro alimentado sob ddp de 220V, consome uma potência de 4,4kW. Calcule para esta condição: (a) A resistência elétrica do aparelho. (b) A energia elétrica consumida pelo chuveiro, quando ligado durante 24 minutos, expressa em kWh. (c) A energia elétrica consumida pelo chuveiro, quando ligado durante 5 minutos, expressa em joules. 8. Um fio com 200m de comprimento e seção circular de 6mm2, produz uma queda de tensão de 6V, com uma intensidade de corrente elétrica de 10A. Calcule a resistividade do material que constitui o fio, em .m. 9. Um ser humano pode ser eletrocutado se uma pequena corrente de 50mA passar perto do seu coração. Um eletricista trabalhando com as mãos suadas faz bom contato com os dois condutores que ele está segurando, um em cada mão. Se a sua resistência for de 2000, qual poderia ser a tensão fatal? 10. Um fio de tungstênio tem uma resistência de 10 a 20ºC. Determine a sua resistência a 120ºC. Dado: = 0,0045/ºC. 11. Um equipamento elétrico monofásico de 5kW é alimentado por uma fonte de 200 V através de um circuito de fio de cobre de 4mm 2 . Determine o comprimento máximo desse circuito, em metros, para que nele a queda de tensão não ultrapasse 2 %. Dado: A resistividade do fio de cobre é de m mm202,0 12. Um fio cilíndrico de comprimento ℓ e raio de seção reta r apresenta resistência R. Um outro fio, cuja resistividade é o dobro da primeira, o comprimento é o triplo, e o raio 3/r , terá resistência igual a: 12 13. Têm-se cinco fios condutores F1, F2, F3, F4 e F5, de mesmo material e à mesma temperatura. Os fios apresentam comprimento e área de seção transversal conforme tabela abaixo. Sendo R a resistência elétrica de F1, podemos afirmar que F2, F3, F4 e F5 têm resistências elétricas, respectivamente: Respostas: (1) (a) 27C; (b) 1,6875x10 20 elétrons; (2) 6,25x10 18 elétrons; (3) magnético, químico, fisiológico e térmico (ou joule); (4) (a) 60V; (b) 180W; (c) 3.600J; (5) 525kWh; (6) (a) 3,6657; (b) 34,646A; (c) 0,088kWh; (d) 316.800 joules; (e) R$102,96; (7) (a) 11; (b) 1,76kWh; (c) 1.320.000 joules; (8) 1,8x10 -8 .m; (9) 100V; (10) 14,5; (11)16m; (12) 54R; (13) 2R ; R/2 ; 2R ; 4R Fio condutor Comprimento Área de seção transversal F1 ℓ A F2 2ℓ A F3 ℓ 2A F4 ℓ A/2 F5 2ℓ A/2 13 CAPÍTULO II – CIRCUITOS ELÉTRICOS DE CORRENTE CONTÍNUA II.1 – CIRCUITOS EM SÉRIE 1. Introdução Atualmente, dois tipos de corrente elétrica são usados nos equipamentos elétricos e eletrônicos. Um deles é a corrente contínua (CC), cujo fluxo de cargas (corrente) não varia em intensidade e sentido com o tempo. O outro é a corrente alternada (CA) senoidal, cujo fluxo de cargas varia continuamente em intensidade e sentido com o tempo. Uma bateria como a ilustrada na figura 1 tem, em função da diferença de potencial entre seus terminais, a capacidade de promover (‘pressionar’) um fluxo de cargas através de um simples circuito. O terminal positivo atrai os elétrons do fio com a mesma rapidez com que eles são fornecidos pelo terminal negativo. Enquanto a bateria estiver ligada ao circuito e mantendo as suas características elétricas, a corrente (CC) através do circuito não terá variações de intensidade nem sentido. Se considerar o fio como um condutor ideal (isto é, que não se opõe ao fluxo de elétrons), a diferença de potencial V entre os terminais do resistor será igual à tensão aplicada pela bateria. A corrente é limitada somente pelo resistor R. Quanto maior a resistência, menor a corrente, e vice- versa, como determinado pela lei de Ohm. Fig. 1 - Componentes básicos de um circuito elétrico. Por convenção, o sentido do fluxo convencional da corrente ( alconvencionI ) como indicado na figura 1, é oposto ao do fluxo de elétrons ( eletrônicoI ). Além disso, o fluxo uniforme de cargas leva a concluir que a corrente contínua I é a mesma em qualquer ponto do circuito. Segundo o sentido do fluxo convencional, observa-se que há aumento de potencial ao atravessar a bateria (de – para +) e uma queda de potencial ao atravessar o resistor (de + para -). Em circuitos de corrente contínua com 14 apenas uma fonte de tensão, a corrente convencional sempre passa de um potencial mais baixo para um potencial mais alto ao atravessar uma fonte de tensão, como mostra a figura 2. Fig. 2 - Sentido convencional da corrente para circuitos CC com uma fonte de tensão. Entretanto, o fluxo convencional sempre passa de um potencial mais alto para um potencial mais baixo ao atravessar um resistor, qualquer que seja o número de fontes de tensão no mesmo circuito, como mostra a figura 3. Fig. 3 - Polaridade resultante da passagem de uma corrente I no sentido convencional, através de um elemento resistivo. 2. Circuitos em Série Um circuito consiste de um número qualquer de elementos unidos por seus terminais, estabelecendo pelo menos um caminho fechado através do qual a carga possa fluir. O circuito visto na figura 4(a) possui três elementos, conectados em três pontos (a, b e c), de modo a constituir um caminho fechado para a corrente I. Fig. 4(a) - Circuito em série Fig. 4 (b) - 1R e 2R não estão em série. 15 Dois elementos estão em série se: Possuem somente um terminal em comum (isto é, um terminal de um está conectado somente a um terminal do outro). O ponto comum entre os dois elementos não está conectado a outro elemento percorrido por corrente. Na figura 4(a), os resistores 1R e 2R estão em série porque possuem apenas o ponto “b” em comum. As outras extremidades dos resistores estão conectadas a outros pontos do circuito. Pela mesma razão, a bateria U e o resistor 1R estão em série (terminal “a” em comum), e o resistor 2R e a bateria U estão em série (terminal “c” em comum). Visto que todos os elementos estão em série, o circuito é chamado circuito em série. Se o circuito mostrado na figura 4(a) for modificado de modo que um resistor 3R percorrido por corrente seja introduzido, conforme ilustra a figura 4(b), os resistores 1R e 2R não estarão mais em série porque a segunda parte da definição de elementos em série não será verdadeira. Uma característica do circuito em série é que a corrente elétrica é a mesma através de todos os elementos ligados no circuito. Um ramo do circuito é qualquer parte do circuito que possui um ou mais elementos em série. Na figura 4(a), o resistor 1R constitui um ramo do circuito, o resistor 2R , outro, e a bateria U, um terceiro. A resistência total de um circuito em série é a soma das resistências do circuito. Na figura 4(a), por exemplo, a resistência total ( TR ) é igual a 1R + 2R . Observa-se que a resistência total é na realidade a resistência ‘vista’ pela bateria quando ela ‘observa’ a combinação de elementos em série, conforme ilustra a figura 5. Fig. 5 - Resistência ‘vista’ pela fonte. 16 Em geral, para determinar a resistência total (ou equivalente) de “n” resistores em série, é aplicada a seguinte equação. nT RRRRR ...321 Para determinar a resistência total de “n” resistores de mesmo valor em série, simplesmente multiplica-se o valor de um dos resistores pelo número total de resistores em série, n, ou seja: RnRT Uma vez conhecida a resistência total, o circuito visto na figura 4(a) pode ser redesenhado segundo mostrado na figura 6, revelando claramente que a única resistência que a fonte ‘vê’ é a resistência equivalente. Não importa como os elementos estão conectados para estabelecer TR . Desde que o valor de TR seja conhecido, a corrente drenada da fonte pode ser determinada usando a lei de Ohm da seguinte forma: T T R U I Fig. 6 – Circuito equivalente. Como a tensão “U” é fixa, a intensidade da corrente da fonte depende somente do valor de TR . Uma resistência TR elevada resultará em um valor relativamente pequeno de I , enquanto valores pequenos de TR resultarão em grandes valores de corrente I . 17 O fato de a corrente ser a mesma em todos os elementos do circuito mostrado na figura 4(a) permite calcular a tensão entre os terminais de cada resistor usando diretamente a lei de Ohm, ou seja: IRUIRU 2211 A potência fornecida a cada resistor pode então ser determinada utilizando qualquer uma das três equações, conforme listado a seguir: 1 2 12 111 R U IRIUP 2 2 22 222 R U IRIUP n n nnN R U IRIUP 2 2 A potência fornecida pela fonte é: IUPfornecida A potência total fornecida a um circuito resistivo é igual a potência total dissipada pelos elementos resistivos, ou seja: nfornecida PPPPP ...321 18 Exemplo 1: No circuito abaixo, determine: (a) A resistência total. (b) A corrente fornecida pela fonte I . (c) As tensões 321, UeUU . (d) A potência dissipada por 321, ReRR . (e) A potência fornecida pela fonte e a compare com a soma das potências calculadas em (d). Solução: (a) 8512321 RRRRT (b) A R U I T 5,2 8 20 (c) VIRU 5)5,2)(2(11 VIRU 5,2)5,2()1(22 VIRU 5,12)5,2)(5(33 (d) WIUP 5,12)5,2)(5(11 WIRP 5,12)5,2)(2( 2211 W R U P 5,12 2 52 1 2 1 1 WIUP 25,6)5,2)(5,2(22 WIRP 25,6)5,2)(1( 2222 W R U P 25,6 1 5,2 2 2 2 2 2 19 WIUP 25,31)5,2)(5,12(33 WIRP 25,31)5,2)(5( 2233 W R U P 25,31 5 5,12 2 3 2 3 3 (e) WIUPT 50)5,2)(20( WPPPPT 5025,3125,65,12321 Exemplo 2: Determine TR , I e 2U para o circuito mostrado. Solução: Observe o sentido da corrente, estabelecido pela bateria e a polaridade da queda de tensão entre os terminais de 2R determinada pelo sentido da corrente. 2577474321 RRRRRT Como 7431 RRR , o valor de TR pode ser calculado, também, da seguinte forma: 254)7)(3(21RnRRT A R U I T 2 25 50 VIRU 8)2)(4(22 20 Exemplo 3: A resistência total (RT) do circuito é igual a 1500kΩ. Determine: (a) A tensão da fonte (U). (b) A energia elétrica total (EEL), em joules, se o circuito ficar ligado durante 25h. (c) A potência (P1), em µW (microwatt), dissipada em R1. Solução: 321 RRRRT kkRRRR T 500)2008001500(321 (a) VIRU T 9106101500. 63 (b) JtIUtPE TEL 86,43600251069... 6 (c) WIRP 18)106(10500. 263211 21 3. Fontes de Tensão em Série As fontes de tensão podem ser conectadas em série, como mostra a figura 7, para aumentar ou diminuir a tensão total aplicada a um sistema. A tensão resultante é determinada somando-se as tensões das fontes de mesma polaridade e subtraindo-se as de polaridade oposta. A polaridade resultante é aquela para a qual a soma é maior. Fig. 7 - Reduzindo fontes de tensão CC em série a uma única fonte. Na figura 7(a), por exemplo, as fontes estão todas ‘forçando’ a corrente para a direita, de modo que a tensão total é dada por: VUUUU 182610321 Entretanto, na figura 7(b) a maior ‘força’ é para esquerda, o que resulta em uma tensão total dada por: VUUUU 8439132 22 4. Lei de Kirchhoff para Tensões A lei de Kirchhoff para tensões (LKT) afirma que a soma algébrica das elevações e quedas de tensão em uma malha fechada é zero. Uma malha fechada é qualquer caminho contínuo que, ao ser percorrido em um sentido a partir de um ponto, retorna ao mesmo ponto vindo do sentido oposto, sem deixar o circuito. Seguindo a corrente na figura 8, pode-se traçar um caminho contínuo que deixa o ponto “a” através de 1R e retorna através de U sem deixar o circuito. Assim, abcda é uma malha fechada. Para poder aplicar a lei de Kirchhoff para tensões, a soma das elevações e quedas de potencial precisa ser feita percorrendo a malha num certo sentido. Fig. 8 - Aplicando a lei de Kirchhoff para tensões em um circuito série. Por convenção, o sentido horário será usado para todas as aplicações da lei de Kirchhoff para tensões que se seguem. Entretanto, o mesmo resultado pode ser obtido se o sentido escolhido for o anti-horário e a lei for aplicada corretamente. Um sinal positivo indica uma elevação de potencial (de – para +), e um sinal negativo, uma queda (de + para -). Se seguir a corrente no circuito mostrado na figura 8 a partir do ponto “a”, primeiro encontra-se uma queda de potencial 1U (de + para -) entre os terminais de 1R e outra queda 2U entre os terminais de 2R . Ao passar pelo interior da fonte, tem-se um aumento de potencial U (de – para +) antes de retornar ao ponto “a”. 0 U 23 No circuito da figura 8 usando o sentido horário, seguindo a corrente I e começando no ponto “d”, tem-se: 21 21 0 UUU UUU A tensão aplicada a um circuito em série é igual a soma das quedas de tensão nos elementos em série. A lei de Kirchhoff também pode ser baseada na seguinte fórmula: quedaselevações UU A soma das elevações de potencial em uma malha fechada tem de ser igual à soma das quedas de potencial. Se o circuito fosse estudado no sentido anti-horário, começando no ponto “a”, o resultado seria o seguinte: 21 12 0 0 UUU UUU U A aplicação da lei de Kirchhoff para tensões não precisa seguir um caminho que inclua elementos percorridos por corrente. Por exemplo, na figura 9 há uma diferença de potencial entre os pontos “a” e “b”, embora os dois pontos não estejam conectados por um elemento percorrido por corrente. A aplicação da lei de Kirchhoff para tensões em torno da malha fechada irá resultar em uma diferença de potencial de 4V entre os dois pontos. Usando o sentido horário: VU U x x 4 0812 Fig. 9 - Demonstração de que pode existir tensão entre dois pontos não-conectados por um condutor percorrido por corrente. 24 Exemplo 4: Determine as tensões desconhecidas nos circuitos abaixo: (a) Solução: A aplicação da lei de Kirchhoff para tensões no sentido horário irá resultar em: 02211 UVVU VUVUV 8,292,4162211 (b) Solução: Nesse caso, há duas formas possíveis de calcular a tensão desconhecida. 1º) Adotando o sentido horário, incluindo a fonte de tensão U, tem-se: VUUU UUU x x 201232 0 1 1 2º) Usando o sentido horário para a outra malha que envolve 32 ReR , tem-se: VUUU UUU x x 20146 0 32 32 O que confirma o resultado anterior. 25 5. Intercambiando Elementos em Série Os elementos de circuitos em série podem ser intercambiados sem que a resistência total, a corrente que atravessa o circuito e a potência consumida pelos diferentes elementos sejam afetadas. Fig. 10 - Circuitos CC em série com os elementos a serem intercambiados. Por exemplo, o circuito mostrado na figura 10 pode ser redesenhado, segundo ilustra a figura 11, sem que os valores de I e a tensão U no resistor de 7 sejam afetados. A resistência total TR é de 15Ω nos dois casos e I = (37,5/15) = 2,5A. A tensão VIRU 5,17)5,2()7(7 nas duas configurações. Fig. 11 - Circuito da figura 10 com elementos intercambiados. 26 6. Regras do Divisor de Tensão Nos circuitos em série a tensão entre os terminais dos elementos resistivos divide-se na mesma proporção que os valores de resistência. Por exemplo, as tensões entre os terminais dos elementos resistivos mostrados na figura 12 são dadas. O maior resistor, de 6Ω, captura a maior parte da tensão aplicada, enquanto o menor resistor, 3R , fica com a menor. Observa-se também que, como a resistência de 1R é 6 vezes maior que a de 3R , a tensão entre os terminais de 1R é também 6 vezes maior que entre os terminais de 3R . O fato de que a resistência de 2R é 3 vezes maior que a de 1R resulta em uma tensão 3 vezes maior entre os terminais de 2R . Finalmente, como a resistência de 1R é o dobro da resistência de 2R , a tensão entre os terminais de 1R é o dobro da de 2R . Portanto, em geral, a tensão entre os terminais de resistores em série está na mesma razão que suas resistências. Fig. 12 - Como a tensão se divide entre elementos resistivos em série. Se a resistência de todos os resistores da figura 12 for aumentada na mesma proporção como mostrado na figura 13, os valores de tensão permanecerão os mesmos. Em outras palavras, ainda que as resistências sejam multiplicadas por um milhão, as tensões continuarão as mesmas. Assim, fica claro que é a relação entre os valores dos resistores que conta para a divisão da tensão, e não o valor absoluto dos resistores. O valor de corrente no circuito será profundamente afetado pela mudança nos valores das resistências da figura 12 para a figura 13, mas os valores de tensão permanecerão os mesmos. 27 Fig. 13 - A razão entre os valores das resistências determina a divisão da tensão em um circuito CC em série. O método denominado regra dos divisores de tensão, permite calcular às tensões sem determinar primeiro a corrente. A regra pode ser deduzida analisando o circuito mostrado na figura 14. Fig. 14 - Dedução das regras dos divisores de tensão. 21 RRRT TR U I 28 Aplicando a lei de Ohm: TT R UR R U RIRU 1111 TT R UR R U RIRU 2222 Regra geral: T x x R UR U Onde xU é a tensão entre os terminais de xR , U é a tensão aplicada aos elementos em série e TR é a resistência total do circuito em série. Exemplo 5: Determine a tensão 1U para o circuito mostrado a seguir. Solução: V RR UR R UR U T 16 80 1280 6020 )64)(20( 21 11 1 29 Exemplo 6: Usando a regra dos divisores de tensão, determine as tensões ', 31 UeUU para o circuito em série visto abaixo. Solução: V kkk Vk R UR U T 6 15 90 ³1015 )45³)(102( 852 )45)(2(1 1 V k Vk R UR U T 24 15 360 ³1015 )45³)(108( 15 )45)(8(3 3 V k Vkk R URR U T 21 15 315 ³1015 )45³)(107( 15 )45)(52()( ' 21 7. Fonte de Tensão e Terra Exceto em alguns poucos casos especiais, os sistemas elétricos e eletrônicos são aterrados por razões de segurança e para fins de referência. O símbolo que indica a conexão à terra aparece na figura 15 com seu valor de potencial definido (zero volt). Fig. 15 - Potencial do ponto de terra. 30 Se a figura 4(a) fosse redesenhada com a fonte aterrada, pode ter o aspecto mostrado na figura 16(a), 16(b) ou 16(c). Em qualquer caso, fica entendido que o terminal negativo da bateria e o terminal inferior do resistor 2R estão conectados ao potencial do ponto de terra. Embora a figura 16(c) não mostre nenhuma conexão entre os dois símbolos de terra, supõe-se que tal ligação exista para garantir o fluxo contínuo da carga. Se U = 12 V, então o ponto “a” está a um potencial positivo de 12 V em relação ao potencial do ponto de terra (0 V) e existem 12 V entre os terminais da combinação em série dos resistores 1R e 2R . Se, por exemplo, um voltímetro conectado entre o ponto “b” e a terra medir 4 V, então a tensão entre os terminais de 2R é igual a 4 V, com o potencial maior em b. Fig. 16 - Três formas de mostrar o mesmo circuito CC em série. O fato de a tensão ser uma grandeza que é estabelecida entre dois pontos resulta em uma notação de duplo índice inferior que define o primeiro índice inferior como correspondente ao ponto de maior potencial. Na figura 17(a), os dois pontos que definem a tensão entre os terminais do resistor R são representados por “a” e “b”. Como “a” é o primeiro índice em abU , o ponto de “a” deve estar a um potencial maior que o ponto “b” para que abU tenha um valor positivo. Se, na verdade, o ponto “b” estiver a um potencial maior que o ponto “a”, abU terá um valor negativo, conforme indicado na figura 17(b). A notação de duplo índice inferior abU especifica o ponto “a” como o de maior potencial. Se este não for o caso, um sinal negativo deve ser associado no valor de abU . A tensão abU é a tensão no ponto “a” em relação ao ponto “b”. 31 Fig. 17 - Definindo o sinal para a notação de duplo índice inferior. Se o ponto “b” da notação abU for especificado como o potencial de terra (zero volt), então uma notação de subscrito inferior único poderá ser usada para informar a tensão em um ponto em relação ao ponto de terra. Na figura 18, aU é a tensão entre o ponto “a” e o ponto de terra. Neste caso ele é obviamente 10V, pois é medida diretamente entre os terminais da fonte de tensão U. A tensão bU é a tensão entre o ponto “b” e o ponto de terra. Como é uma tensão obtida diretamente sobre o resistor de 4Ω, VUb 4 . Fig. 18 - Definindo o uso da notação de índice único para valores de tensão. A notação de índice inferior único aU especifica a tensão no ponto “a” em relação ao ponto de terra (zero volt). Se a tensão é menor que zero, um sinal negativo deve ser associado ao valor de aU . baab UUU 32 Em outras palavras, se a tensão nos pontos “a” e “b” em relação ao ponto de terra for conhecida, a tensão abU pode ser determinada usando a equação anterior. A partir da figura 18, por exemplo: VUUU baab 6410 Exemplo 7: Determine a tensão abU . Solução: VUUU baab 42016 Observe que o sinal negativo indica o fato de que o ponto “b” está a um potencial mais elevado que o ponto “a”. Exemplo 8: Determine a tensão aU . Solução: baab UUU VUUU baba 945 33 Exemplo 9: Determine as tensões bU , cU e acU . Solução: Começando no potencial da terra (zero volt), subindo até 10V para chegar ao ponto “a” e em seguida passa-se por uma queda de potencial de 4V para chegar ao ponto “b”. O resultado é que o medidor lerá: VUb 6410 Se continuar até o ponto “c”, haverá uma queda adicional de 20V, o que dará: VUU bc 1420620 A tensão acU pode ser obtida usando a equação abaixo. VUUU caac 24)14(10 34 8. Resistência Interna das Fontes de Tensão Toda fonte de tensão, seja ela um gerador, uma bateria ou uma fonte de alimentação para experiências de laboratório como a que é mostrada na figura 19, possui uma resistência interna. O circuito equivalente de qualquer fonte de tensão é, portanto, parecido ao mostrado na figura 19(b). Fig. 19 - (a) Fontes de tensão CC; (b) circuito equivalente. A fonte de tensão ideal não possui resistência interna e sua tensão de saída é U volts com carga máxima ou sem carga. Nas fontes reais, figura 20(b)(c), nas quais consideram-se os efeitos devido a resistência interna, a tensão de saída será de U volts somente quando a fonte não estiver ligada a nenhuma carga ( 0LI ). Quando uma carga for conectada à fonte, figura 20(c), a tensão de saída da fonte diminui devido à queda de tensão na resistência interna. Fig. 20 - Fonte de tensão: (a) ideal intR = 0; (b) determinação de NLV ; (c) determinação de intR . Aplicando a lei de Kirchhoff para tensões ao circuito fechado da figura 20(c), tem-se: 0int LL UIRU LL IRUU int Se o valor de intR não for conhecido, ele pode ser determinado da seguinte forma: L L I UU R int 35 Exemplo 10: Antes que a carga seja conectada, a tensão de saída da fonte mostrada na figura (a) está ajustada para 40 V. Quando uma carga de 500 Ω é conectada, com mostra a figura (b), a tensão de saída cai para 36 V. O que aconteceu ao restante da tensão e qual a resistência interna da fonte? Solução: A diferença de 40V – 36V = 4V aparece entre os terminais da resistência interna da fonte. A corrente na carga é: AI L 072,0 500 36 55,55 072,0 3640 int L L I UU R 9. Regulação de Tensão Para qualquer fonte de tensão, o ideal é que a tensão da saída se mantenha constante, independente do valor de corrente, dentro da faixa especificada para a corrente de carga ( LI ). Em outras palavras, se uma fonte for ajustada para 12 V, é desejável que ela mantenha essa tensão entre os terminais de saída, mesmo que a corrente de carga varia. Uma medida que indica o quanto uma fonte está próxima das condições ideais é dada pela característica de regulação de tensão da fonte. Por definição, a regulação de tensão de uma fonte entre as condições “sem carga” e em “plena carga” é dada pela seguinte equação: 100100 arg arg )%(Re L L R U UU ac acvazio Utensãodegulação 36 Em condições ideais LUU e (UR)% = 0. Portanto, quanto menor a regulação de tensão, melhor, pois será menor a variação da tensão de saída de uma fonte quando a carga varia. Pode ser mostrado, por meio de uma breve substituição que a regulação também pode ser expressa na forma: 100%)( int L R R R U Em outras palavras, quanto menor for a resistência interna de uma fonte, menor será sua regulação e mais ela se aproximará de uma fonte ideal. Exemplo 11: Calcule a regulação de tensão de uma fonte com VU 24 e 1,0intR , alimentando uma carga 5LR . Solução: %2100 5 1,0 100)%( int L R R R U Outra forma de resolução: A RR U I L L 7059,4 51,0 24 int VIRU LLL 529,23)7059,4()5( %2100 529,23 471,0 100 529,23 529,2324 100)%( L L R U UU U 37 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1 – Dado RT = 12k e I = 6mA, calcule 1R e U para o circuito abaixo.Solução: 321 RRRRT kkRk 6412 1 kkkR 210121 VIRU T 72)106()1012( 33 2 – Determine 21 UeU . Solução: Para a malha 1, começando no ponto “a” e escolhendo o sentido horário, tem-se: 01525 1 U VU 401 Para a malha 2, começando no ponto “a” e escolhendo o sentido horário, tem-se: VU U 20 020 2 2 38 3 – Usando a lei de Kirchhoff para tensões, determine as tensões desconhecidas para os circuitos mostrados. (a) Solução: Aplicando a lei de Kirchhoff para tensões no sentido horário, tem-se: VU U x x 50304060 0304060 (b) Solução: Aplicando a lei de Kirchhoff para tensões no sentido horário, tem-se: VU U x x 182146 02146 Como o resultado foi negativo, sabe-se que “a” deve ser negativo e “b” positivo, mas o valor absoluto de 18 V está correto. 39 4 – Determine: (a) A resistência TR . (b) A corrente I. (c) As tensões 21 UeU . (d) A potência dissipada pelos resistores de 4Ω e 6Ω. (e) A potência total fornecida pela bateria e a compare à dissipada pelos resistores de 4Ω e 6Ω combinados. Solução: (a) 106421 RRRT (b) A R U I T 2 10 20 (c) VIRU 8)2)(4(11 VIRU 12)2)(6(22 (d) W R U P 16 4 64 4 )²8( 1 2 1 4 WIRP 16)2(.4. 2214 WIUP 1628.14 W R U P 24 6 144 6 )²12( 2 2 2 6 WIRP 24)²2)(6(²26 WIUP 24212.26 40 (e) W R U P T T 40 10 400 10 )²20(2 WIRP TT 40)²2)(10(² WIUPT 40)2)(20( WWWPPPT 40241664 5 – Para o circuito determine: (a) A tensão 2U usando a lei de Kirchhoff para tensões. (b) A corrente I. (c) As resistências 31 ReR . Solução: (a) A lei de Kirchhoff para tensões (escolhendo o sentido horário): 0123 UUUU VUUUU 21181554132 (b) A R U I 3 7 21 2 2 (c) 6 3 181 1 I U R 5 3 153 3 I U R 41 6 – Determine a tensão abU . Solução: VUUU baab 35)15(20 7 – Determine abU e cbU Solução: Existe uma ddp de 54V entre os terminais dos resistores em série 1R e 2R , ou seja, entre os terminais “a” e “c”. VUUU caac 54)19(35 Pode ser calculada, também, da seguinte forma: VUU 54)19(3512 A corrente pode então ser determinada usando a lei de Ohm e os valores das tensões como segue: 42 A RR UU R U I T ac 2,1 45 54 2520 )19(35 21 12 VIRUab 30)2,1)(25(2 VUUa 352 VUUUUUU ababbaab 53035 VUUc 191 VUUU bccb 24519 8 – Usando a regra dos divisores de tensão, determine as tensões 21 UeU . Solução: Redesenhando o circuito com o símbolo de bateria, tem-se o circuito abaixo. 43 Aplicando a regra dos divisores de tensão: V RR UR U 16 24 )24)(4( 21 1 1 V RR UR U 8 24 )24)(2( 21 2 2 9 – Calcule: (a) abU (b) bU (c) cU Solução: (a) V R UR U T ab 2 532 )10)(2(1 (b) V R URR UUU T RRb 8 10 )10)(53()( 32 32 (c) VterradepontodopotencialUC 0 44 10 – A bateria vista abaixo possui uma resistência interna de 2 Ω. Determine a tensão com carga ( LU ) e a potência dissipada pela resistência interna se a carga for um resistor de 13Ω. Solução: A RR U I L L 2 15 30 132 30 int VIRU LLL 26)2)(13( WIRP LR 8)2(2. 22 intint 11 – Calcule a regulação de tensão de uma fonte com VU 12 e 05,0intR , alimentando uma carga com VU L 8,11 . Solução: %6949,1100 8,11 2,0 100 8,11 8,1112 100)%( L L R U UU U 45 II.2 – CIRCUITOS EM PARALELO 1. Elementos em Paralelo Dois elementos ou ramos ou circuitos estão conectados em paralelo quando possuem dois pontos em comum. Na figura 1, por exemplo, os elementos 1 e 2 têm terminais “a” e “b” em comum; portanto, eles estão em paralelo. Fig. 1 - Elementos em paralelo. Na figura 2 todos os elementos estão em paralelo porque satisfazem o critério anteriormente citado. Essas três configurações têm o objetivo de ilustrar como os circuitos em paralelo podem ser desenhados. Fig. 2 - Diferentes aparências para uma configuração com três elementos em paralelo. 46 Na figura 3, os elementos 1 e 2 estão em paralelo porque têm os terminais “a” e “b” em comum, e esta combinação está em série com o elemento 3. Fig.3 - O elemento 1 está em paralelo com o elemento 2. O elemento 3 está em série com a combinação em paralelo de 1 e 2. Na figura 4, os elementos 1 e 2 estão em série devido ao ponto comum “a”, e esta combinação em série está em paralelo com o elemento 3, como evidenciam as conexões comuns aos pontos “b” e “c”. Fig. 4 - O elemento 1 está em série com o elemento 2. Esta associação de 1 com 2 está em paralelo com o elemento 3. Nas figuras 1 a 4, os retângulos numerados foram usados como símbolos genéricos representando um resistor, ou uma bateria, ou mesmo circuitos complexos. 47 2. Circuitos em Paralelo O circuito mostrado na figura 5 é o mais simples dos circuitos em paralelo. Os terminais “a” e “b” são comuns a todos os elementos. Fig. 5 - Circuito em Paralelo. Como os terminais da bateria estão diretamente ligados aos terminais de 21 ReR , é óbvio que as tensões obtidas entre os terminais destes elementos em paralelo são iguais. Fazendo uso deste fato, tem-se: UUU 21 11 1 1 R U R U I 22 2 2 R U R U I Para circuitos em paralelo com apenas uma fonte, a corrente fornecida pela fonte ( TI ) é igual à soma das correntes em cada um dos ramos do circuito. Logo, a corrente fornecida pela fonte é: 21 IIIT 48 21 R U R U R U T A potência dissipada pelos resistores e a potência fornecida pela fonte podem ser obtidas da seguinte maneira: 1 2 12 11111 .. R U IRIUP 2 2 22 22222 .. R U IRIUP 21 2 2.. PP R U IRIUP T TTTT 3. Resistência Equivalente Fig. 6 - Determinação da resistência total (ou equivalente) para resistências em paralelo. NT IIIII ...321 N N T R U R U R U R U R U ... 3 3 2 2 1 1 NUUUUU ...321 NT RRRRR 1 ... 1111 321 49 Para dois resistores diferentes em paralelo: 21 21 21 . 111 RR RR RRRT 21 21 . RR RR RT Para “ n ” resistores iguais a “R” em paralelo: n R RT A resistência total de um conjunto de resistores em paralelo é sempre menor que a do resistor de menor resistência. Além disso, quanto maior for a diferença entre os valores das resistências de dois resistores em paralelo, mais o valor da resistência equivalente será próximo do valor da menor resistência. Por exemplo, a resistência total para um resistor de 3Ω em paralelo com um de 6Ω vale 2Ω. Entretanto, a resistência total de um resistor de 3Ω em paralelo com um de 60Ω é de 2,857Ω. 4. Condutância Equivalente A condutância é o inverso da resistência. A unidade de condutância é o siemens (S) ou mho (inverso de ohms). R G 1 No caso de elementos em paralelo, a condutância total é a soma das condutâncias individuais. Ou seja, para o circuito em paralelo visto na figura 7, pode-se representar: NT GGGGG ...321 Fig. 7 - Determinação da condutância total para circuito em paralelo. 50 Quanto maior a condutância total, maior é a intensidade da corrente total no circuito (mantendo constante a tensão aplicada). Quanto maior for o número de elementos em paralelo, maior será a corrente de entrada do circuito. Em outras palavras, à medida que aumenta o número de resistores em paralelo,a corrente na entrada do circuito também aumenta, para uma tensão de entrada constante. Este efeito é oposto ao que acontece no caso dos resistores em série. Exemplo 1: Determine a condutância e a resistência equivalente no circuito abaixo. Solução: SGGGT 5,0167,0333,0 6 1 3 1 21 2 5,0 11 T T G R Ou, 2 63 63. 21 21 RR RR RT Ou, 2 2 1 6 3 6 12 1 6 1 2 3 1111 21 T T R RRR Exemplo 2: Determine a condutância e a resistência totais do circuito mostrado no exemplo anterior, se um resistor adicional de 10 Ω for colocado em paralelo com outros elementos. Solução: SGT 6,01,05,0 10 1 5,0 667,1 6,0 11 T T G R Observa-se que a adição de mais resistores em paralelo, aumenta-se a condutância e diminui-se a resistência. 51 Exemplo 3: Determine a resistência total para o circuito abaixo. Solução: 20 19 20 4510 4 5 1 5 4 1 10 2 11111 321 RRRRT 0526,1 19 20 TR Exemplo 4: Determine a resistência equivalente de cada circuito. (a) Solução: 4 3 12 n R RT 52 (b) Solução: RRRRR 4321 5,0 4 2 n R RT Exemplo 5: Calcule a resistência total do circuito. Solução: O circuito foi redesenhado de modo mais conveniente: 2 3 6' n R RT 53 8 81 648 729 729. 42 42" RR RR RT "' || TTT RRR 6,1 10 16 82 82. "' "' TT TT T RR RR R Exemplo 6: Determine a resistência total para cada circuito: (a) Solução: 15 2 30 30||30 TR (b) Qual o efeito no valor da resistência total do circuito do item (a) se acrescentarmos um resistor de mesmo valor? Solução: 10 3 30 30||30||30 TR O valor de TR diminui em relação ao circuito do item (a). 54 (c) qual o efeito no valor da resistência total do circuito do item (a) se acrescentarmos um resistor de valor grande em paralelo, conforme mostra a figura abaixo? Solução: 778,14 100015 100015 1||151||30||30 TRkk Pequena diminuição no valor de TR , em comparação ao valor de RT do circuito do item (a). (d) Qual o efeito sobre a resistência total do circuito do item (a) se acrescentarmos um resistor de valor pequeno em paralelo, conforme figura abaixo? Solução: 099338,0 1,015 1,015 1,0||151,0||30||30 TR Diminuição considerável no valor de TR , em comparação ao valor de RT do circuito do item (a). Conclusão: Em todos os casos, a resistência total de um circuito em paralelo diminui quando é adicionado um resistor em paralelo, não importando o valor de sua resistência. Observa-se, também, que a resistência total é menor que a resistência de menor valor do circuito. 55 Exemplo 7: Determine: (a) A resistência equivalente. (b) A corrente total TI . (c) As correntes 1I e 2I . (d) A potência dissipada em cada resistor. (e) A potência fornecida pela fonte comparando o resultado com a potência dissipada pelos resistores. Solução: (a) 6 27 162 189 189. 21 21 RR RR RT (b) A R U I T T 5,4 6 27 (c) A R U R U I 3 9 27 11 1 1 A R U R U I 5,1 18 27 22 2 2 (d) WIUIUP 81327.. 1111 WIUIUP 5,405,127.. 2222 (e) WIUP TT 5,1215,427. WPPPT 5,1215,408121 56 Exemplo 8: A resistência equivalente do circuito é igual a 4, determine: (a) A resistência 3R . (b) A tensão da fonte U. (c) A corrente total TI . (d) A corrente 2I . (e) A potência dissipada em R2. Solução: (a) 321 1111 RRRRT 3 1 20 1 10 1 4 1 R 20 2 20 125 1 20 1 2 10 1 5 4 11 3 R 10 2 20 3R (b) VIRUU 40410. 111 (c) A R U I T T 10 4 40 (d) A R U R U I 2 20 40 22 2 2 (e) WIRP 80)2(20. 22222 57 5. Lei de Kirchhoff para Corrente A lei de Kirchhoff para a tensão dá uma relação muito importante entre os valores da tensão ao longo de uma malha fechada de um circuito. A lei de Kirchhoff para corrente (LKC) fornece uma relação igualmente importante entre as corrente que chegam a qualquer nó. A lei de Kirchhoff para corrente (LKC) afirma que “a soma algébrica das correntes que entram e saem de um nó é igual a zero”. Em outras palavras, a “soma das corrente que entram em um nó tem de ser igual à soma das correntes que deixam este nó”. Em forma de equação, tem-se: saementram II Fig. 8 - Ilustração da lei de Kirchhoff para corrente. Na figura 8, por exemplo, a área sombreada pode representar um sistema completo, um circuito complicado ou simplesmente uma junção de dois ou mais ramos (um nó). Em quaisquer dos casos, a soma das correntes que entram é igual à soma das corrente que saem, conforme pode ser verificado facilmente: AA IIII 1212 10284 3241 58 A aplicação mais comum desta lei será em junções de dois ou mais caminhos (ramos) para a corrente, conforme é mostrado na figura 9. Fig. 9 - Demonstração da lei de Kirchhoff para corrente. Aplicando a lei de Kirchhoff para corrente ao nó da figura 9: saementram II 426 AA 66 Exemplo 9: Determine as correntes 43 IeI no circuito abaixo usando a lei de Kirchhoff para corrente. Solução: Deve-se trabalhar primeiro com o nó “a”, pois neste caso a única incógnita é 3I . Na junção “b” existem duas correntes desconhecidas, I3 e I5, que não podem obviamente serem determinadas a partir de uma única aplicação da lei. 59 Em “a”: saementram II 321 III 332 I AI 53 Em “b”: saementram II 453 III 415 I AI 64 Exemplo 10: Determine 5431 ,, IeIII para o circuito abaixo. Solução: Em “a”: saementram II 21 III 45 1 I AI 1451 Em “b”: saementram II AII 131 Um resultado esperado, pois 31 ReR estão em série, sendo que a corrente em elementos em série é igual. 60 Em “d”: saementram II 543 III AI 541 5 Em “c”: AII 442 Considera-se o circuito como um todo. Observa-se que a corrente que entra é I = 5 A. A intensidade da corrente que deixa o circuito, à direita, é AI 55 . Os dois valores têm de ser iguais, já que a corrente que entra em qualquer sistema tem de ser igual à corrente que sai do sistema. Exemplo 11: Determine as correntes 53 IeI aplicando a lei de Kirchhoff para corrente. Solução: Visto que na junção “b” há duas quantidades desconhecidas e na junção “a” apenas uma, tem que se aplicar a lei de Kirchhoff para corrente primeiro ao nó “a”. O resultado pode então ser aplicado ao nó “b”: 61 Para o nó “a”: 321 III 334 I AI 73 Para o nó “b”: 543 III 517 I AI 6175 Exemplo 12: Encontre o valor e o sentido das correntes 7643 ,, IeIII no circuito mostrado. Solução: Embora os elementos não estejam em série nem em paralelo, pode-se aplicar a lei de Kirchhoff para corrente para determinar todas as correntes desconhecidas. Considerando o sistema em sua totalidade, sabe-se que a corrente que entra deve ser igual à corrente que sai. Portanto: AII 1017 62 Como estão chegando 10A à junção “a” e 12A estão deixando esta mesma junção, 3I tem de estar fornecendo corrente a este nó. Aplicando a lei de Kirchhoff para corrente na junção “a”: AI I III 21012 1210 3 3 231 No caso do nó “b”, como 12A estão entrando e 8A saindo, logo 4I , também, deve sair deste ponto. Portanto: 812 4 542 I III AI 48124 Na junção “c”, tem-se AI 23 saindo e 4I = 4A entrando; logo 6I deve estarsaindo. Aplicando a lei de Kirchhoff para a corrente ao nó “c”: AI I III 224 24 6 6 634 Verifica-se a consistência dos resultados na junção “d”: AA A III 1010 1028 765 6. Regra do Divisor de Corrente Conforme o nome sugere, a regra do divisor de corrente mostra que uma corrente que entra em um conjunto de elementos em paralelos se dividirá entre esses elementos. No caso de dois elementos em paralelo com resistências iguais, a corrente se dividirá igualmente. Se os elementos em paralelo tiverem resistências diferentes, o elemento de menor resistência será percorrido pela maior fração da corrente. 63 A razão entre os valores das correntes nos dois ramos será inversamente proporcional a razão entre as suas resistências. Por exemplo, se a resistência de um dos resistores de uma combinação em paralelo for o dobro da resistência do outro, então a corrente que o atravessa será a metade da corrente que percorre o resistor de menor resistência. Na figura 10, como 1I vale 1 mA e o valor de 1R é seis vezes o de 3R , a corrente através de 3R tem de ser 6 mA (não havendo necessidade de se efetuar quaisquer outros cálculos). No caso de 2R a corrente tem de ser 2 mA, pois 1R é o dobro de 2R . A corrente total, 321 III , é de 9 mA. Portanto, conhecendo somente a corrente que percorre 1R , é possível calcular todas as outras correntes no circuito, sem ter conhecimento adicional sobre o circuito. No caso de circuitos para os quais são conhecidos somente os valores dos resistores e a corrente de entrada, deve-se utilizar a regra do divisor de corrente para calcular as correntes nos vários ramos. Fig. 10 - Ilustração da forma como a corrente se divide entre resistências diferentes. Fig. 11 - Dedução da regra do divisor de corrente. 64 A corrente de entrada )( TI é dada por TRU / , em que TR é a resistência total do circuito. Substituindo esta expressão para xx IRU , em que xI é a corrente que atravessa o ramo do resistor xR , a fórmula geral para a regra do divisor de corrente é obtida da seguinte forma: T xx T T R IR R U I T x T x I R R I Descrevendo em palavras, a corrente que percorre qualquer dos ramos em paralelo é igual ao produto da resistência total do circuito pela corrente de entrada, dividido pelo valor da resistência no ramo em que se deseja determinar a corrente. Para a corrente 1I : T T I R R I 1 1 Para a corrente 2I : T T I R R I 2 2 E assim por diante. No caso particular de dois resistores em paralelo como mostra a figura 12: Fig. 12 - Dedução de uma fórmula para a divisão da corrente entre dois resistores em paralelo. 65 21 21 RR RR RT 1 21 21 1 1 R I RR RR I R R I T T T 21 2 1 RR IR I T Analogamente para 2I : 21 1 2 RR IR I T Ou seja, no caso de dois ramos em paralelo, a corrente através de um deles é igual ao produto da resistência no outro ramo pela corrente de entrada, dividido pela soma dos valores das duas resistências em paralelo. Exemplo 13: Determine a corrente 2I usando a regra do divisor de corrente. Solução: A RR IR I T 2 3 6 12000 )6()4000( 80004000 )6)(4000( 21 1 2 66 Exemplo 14: Determine o valor da corrente 1I usando a regra do divisor de corrente. Solução: Existem dois métodos para resolver este problema. 1º Método: 48 11 48 128 1 48 1 2 24 1 8 6 11 TR 6363,4 11 48 TR Logo: mAmAI R R I T T 545,30)42( 6 3636,4 1 1 2º Método: 16 4824 4824 48||24 mA mA I 545,30 616 )42(16 1 A corrente sempre procura o caminho de menor resistência. 1) Para dois resistores em paralelo a maior corrente passará através do resistor de menor resistência. 2) Uma corrente que entra em uma configuração de vários resistores em paralelo se divide entre estes resistores na razão inversa dos valores de suas resistências. Esse efeito é ilustrado a seguir. Fig. 13 - Divisão da corrente entre ramos em paralelo. 67 II.3 – CIRCUITOS EM SÉRIE-PARALELO Circuitos em série-paralelo, também chamados mistos, são os que contêm componentes ligados em série e em paralelo. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1) Determine: (a) A resistência equivalente. (b) A corrente elétrica IT , I1 e I2. (c) A queda de tensão em cada resistor. (d) A potência dissipada em cada resistor. (e) A energia elétrica total consumida pelo circuito, em kWh, se ficar ligado durante 10h. 2) Determine: (a) A resistência equivalente. (b) A corrente elétrica IT , I1 e I2, em mA. (c) A queda de tensão em cada resistor. (d) A potência dissipada em cada resistor, em mW. (e) A energia elétrica total consumida pelo circuito, em quilojoules (kJ), se ficar ligado durante 2h. 68 3) Determine: (a) A resistência equivalente, em MΩ. (b) A corrente elétrica total (IT), em A. (c) A queda de tensão em R1 (U1). (d) A corrente elétrica em R2 (I2), em A. (e) A queda de tensão em R5 (U5). (f) A corrente elétrica em R4 (I4), em A. (g) A potência total consumida, em mW. (h) A energia elétrica total consumida, em joules, supondo que o circuito fique ligado 10h. 4) Determine: (a) A resistência equivalente, em kΩ. (b) A tensão da fonte (U). (c) A corrente elétrica I4, em A. (d) A queda de tensão (U2). 69 5) Determine: (a) A resistência equivalente. (b) A corrente elétrica total (IT). (c) A queda de tensão em R1 (UR1). (d) A queda de tensão em R3 (UR3). (e) A ddp entre os pontos “a” e “b” (Uab). (f) A energia elétrica total, em quilojoules (kJ), supondo que o circuito fique ligado 100s. 6) Determine: (a) A queda de tensão em R1 (UR1). (b) A queda de tensão em R2 (UR2). (d) A queda de tensão em R3 (UR3). 70 7) Determine: (a) A resistência equivalente. (b) A corrente elétrica total (IT). (c) A corrente elétrica I6. (d) A queda de tensão em R6 (U6). (e) A energia elétrica total, em kWh, supondo que o circuito fique ligado 2h. 8) Determine: (a) A resistência equivalente. (b) A corrente elétrica 21, IeIIT . (c) O potencial elétrico Ua. 71 Respostas: (1) (a) RT = 16; (b) IT = 15A; I1 = 10A; I2 = 5A; (c) UR1 = 180V; UR2 = UR3 = 60V; (d) PR1 = 2,7kW; PR2 = 600W; PR3 = 300W; (e) Eel = 36kWh; (2) (a) RT = 30k; (b) IT = 5mA; I1 = 1mA; I2 = 4mA; (c) UR1 = 50V; UR2 = UR3 = 100V; (d) PR1 = 250mW; PR2 = 100mW; PR3 = 400mW; (e) Eel = 5,4kJ; (3) (a) RT = 10M; (b) IT = 12A; (c) U1 = 24V; (d) I2 = 1,6A; (e) U5 = 96V; (f) I4 = 6A; (g) PT = 1,44mW; (h) Eel = 51,84J; (4) (a) RT = 120k; (b) U = 12V; (c) I4 = 60A; (d) U2 = 8V; (5) (a) RT = 4; (b) IT = 3A; (c) UR1 = 7,5V; (d) UR3 = 9V; (e) Uab = 1,5V; (f) Eel = 3,6kJ; (6) (a) UR1 = 12V; (b) UR2 = 7V; (c) UR3 = 15V; (7) (a) RT = 8; (b) IT = 30A; (c) I6 = 10A; (d) U6 = 20V; (e) Eel = 14,4kWh; (8) (a) RT = 4; (b) IT = 9A; I1 = 6A; I2 = 3A; (c) Ua = 6V 72 II.5 – AS LEIS DE KIRCHHOFF Considere um circuito elétrico constituído de três fontes de tensão (E1, r1), (E2, r2) e (E3, r3) e de resistores elétricos R1, R2 e R3, conforme o exemplo abaixo. Chama-se nó o ponto no qual a corrente elétrica se divide. Os trechos de circuitos entre dois nós consecutivos são denominados ramos. Qualquer conjunto de ramos formando um percurso fechado recebe o nome de malha. No circuito elétrico apresentado acima, como exemplo, são: Nós B e E. Ramos: BAFE, BE e BCDE. Malhas: ABEFA, BCDEB e ABCDEFA. A cada ramo do circuito elétrico atribui-se um sentido de corrente. Esse sentido, embora arbitrário,deve ser coerente com o elemento de circuito do ramo. Sendo uma fonte de tensão, a corrente elétrica entra pelo terminal negativo e sai pelo terminal positivo. Sendo um resistor, a corrente entra pelo terminal positivo e sai pelo negativo. A primeira lei de Kirchhoff ou lei dos nós estabelece que “em um nó, a soma das intensidades de corrente que chegam é igual a soma das intensidades de corrente que saem”. saemchegam II A lei dos nós aplicada no nó “B” fornece: 321 iii (1) 73 Essa lei aplicada ao nó “E” leva à mesma equação anterior. Conhecendo os valores de tensão das fontes e dos resistores, há três incógnitas ( 321 ,, iii ), logo, são necessárias três equações. Como já existe uma, 321 iii , ficam faltando duas equações. Para solucionar, escolhem-se duas das três malhas existentes e adota-se um sentido, que nesse caso será aplicado o horário (). Malha ABEFA: 0.... 1222211111 iREiriRirE (2) 21221211 ..)( EEiriRRr Malha BCDEB: 0... 33333222 irEiRirE (3) 3233322 .)(. EEirRir 321 iii 32213322 )(.)(. EEiirRir 322323131322 ..... EEiriRiriRir 322332133 .)(.)( EEiRrrirR Dessa forma, é obtido o sistema de duas equações com duas incógnitas: 21221211 ..)( EEiriRRr 322332133 .)(.)( EEiRrrirR 74 Exemplo 1: Determine as intensidades e os sentidos das correntes em todos os ramos. Solução: Adotam-se os seguintes sentidos para as correntes 321 ,, iii : A corrente 1i no sentido horário na malha da esquerda. A corrente 2i no ramo central no sentido para cima. A corrente 3i no sentido horário na malha da direita. 321 iii (1) 0133210 21 ii 101332 21 ii 332 21 ii (2) 05,3414313 332 iii 5,3131453 32 ii 5,2353 32 ii 5,23)(53 212 iii 5,23553 212 iii 5,2385 21 ii (3) )10(332 21 ii )4(5,2385 21 ii 75 303020 21 ii 943220)( 21 ii 12462 2 i Ai 2 62 124 2 Uma equação deve ser escolhida, para encontrar a corrente 1i . 332 21 ii 3)2(32 1 i 632 1 i 32 1 i Ai 5,11 213 iii Ai 5,325,13 76 Exemplo 2: Determine as intensidades das correntes 321 ,, iii . Solução: 321 iii (1) 040208210 122 iii )2(501020 21 ii 25510 21 ii (2) 0542040 331 iii 45520 31 ii 45)(520 211 iii 455520 211 iii 45525 21 ii (3) 25510 21 ii 45525)( 21 ii 7035 1 i Ai 2 35 70 1 25510 21 ii 255)2(10 2 i 20255 2 i 55 2 i Ai 15 5 2 321 iii 12213 iii Ai 13 77 Exemplo 3: Determine as intensidades das correntes 321, IeII . 321 III (I) 0655475 21 II 657554 21 II 1054 21 II 1054 21 II (II) 01653565 332 III 1636565 32 II 5265 32 II 5265 32 II 5265 212 III 52665 212 III 52116 21 II (III) 52116 21 II 2084424)4( 21 II 1054 21 II 603024)()6( 21 II 14874 2 I AI 2 74 148 2 1054 21 II 10)2(54 1 I 2010104 1 I AI 5 4 20 1 AIII 725213 78 Exemplo 4: A intensidade de corrente 1i vale 0,2A. Determine 32 , ii e 3R . Solução: 23 2,0 ii (1) 053 331 iRi 0)2,0()2,0()5(3 23 iR 0.2,013 233 iRR 2.2,0 233 iRR (2) 055. 233 iiR 055)2,0( 223 iiR 55.2,0 2233 iiRR (3) 55.2,0 2233 iiRR 2.2,0)( 233 iRR 35 2 i Ai 6,0 5 3 2 Aii 8,06,02,02,0 23 2.2,0 233 iRR 2)6,0(2,0 33 RR 28,0 3 R 5,2 8,0 2 3R 79 Exemplo 5: Determine a diferença de potencial BA UU . Solução: Adotam-se os seguintes sentidos para as correntes 321 ,, iii : A corrente 1i no sentido horário na malha da esquerda; A corrente 2i no ramo central no sentido para baixo; A corrente 3i no sentido horário na malha da direita. 321 iii (1) 082010 21 ii 20810 21 ii 20810 21 ii (2) 01068 32 ii 0)(1068 212 iii 0101068 212 iii 61810 21 ii (3) 80 20810 21 ii 61810 21 ii 2626 2 i Ai 1 26 26 2 20810 21 ii 20)1(810 1 i )1(82010 1 i 82010 1 i 1210 1 i Ai 2,1 10 12 1 213 iii 213 iii 12,13 i Ai 2,03 ABBA UUU 28iU AB 18ABU VU AB 8 81 Exemplo 6: Determine 321, IeII . 321 III 05130515180 121 III 050520 21 II 50520 21 II (I) 08100125130 332 III 0205230 32 II 230205 32 II 230)(205 212 III 23020205 212 III 5)(2302520 21 II 4654 21 II (II) 50520 21 II (+) 4654 21 II 9624 1 I AI 4 24 96 1 4654 21 II 465)4(4 2 I 16465 2 I 305 2 I AI 6 5 30 2 AIII 1064213 82 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1) Determine 321, IeII . 2) Determine 321, IeII . 3) Determine 321, IeII . Respostas: (1) I1 = 3A; I2 = 2A; I3 = 5A; (2) I1 = 8A; I2 = 20A; I3 = 12A; (3) I1 = 4A; I2 = 10A; I3 = 6A
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