ELETRICIDADE

Eletricidade:

Noções Básicas de Eletricidade:
Carga Elétrica, Diferença de Potencial, Corrente, Correntes e Tensões Contínuas e Alternadas, Resistência, Lei de Ohm, Potência, Associações de Resistores, Leis de Kirchhoff, Capacitores.

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Carga Elétrica

Um corpo tem carga negativa se nele há um excesso de elétrons e positiva se há falta de elétrons em relação ao número de prótons.

A quantidade de carga elétrica de um corpo é determinada pela diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que um corpo contém. O símbolo da carga elétrica de um corpo é Q, expresso pela unidade coulomb (C). A carga de um coulomb negativo significa que o corpo contém uma carga de 6,25 x 10¹⁸ mais elétrons do que prótons.

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Diferença de Potencial

Graças à força do seu campo eletrostático, uma carga pode realizar trabalho ao deslogar outra carga por atração ou repulsão. Essa capacidade de realizar trabalho é chamada potencial. Quando uma carga for diferente da outra, haverá entre elas uma diferença de potencial(E).

A soma das diferenças de potencial de todas as cargas de um campo eletrostático é conhecida como força eletromotriz.

A diferença de potencial (ou tensão) tem como unidade fundamental o volt(V).

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Corrente

Corrente (I) é simplesmente o fluxo de elétrons. Essa crrente é produzida pelo deslocamento de elétrons através de uma ddp em um condutor. A unidade fundamental de corrente é o ampère (A). 1 A é o deslocamento de 1 C através de um ponto qualquer de um condutor durante 1 s.

O fluxo real de elétrons é do potencial negativo para o positivo. No entanto, é convenção representar a corrente como indo do positivo para o negativo.

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Correntes e Tensões Contínuas e Alternadas

A corrente contínua (CC ou DC) é aquela que passa através de um condutor ou de um circuito num só sentido. Isso se deve ao fato de suas fontes de tensão (pilhas, baterias,...) manterem a mesma polaridade de tensão de saída.

Uma fonte de tensão alternada alterna a polaridade constantemente com o tempo. Conseqüentemente a corrente também muda de sentido periódicamente. A linha de tensão usada na aioria das residências é de tensão alternada.

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Resistência Elétrica

Resistência é a oposição à passagem de corrente elétrica. É medida em ohms (W). Quanto maior a resistência, menor é a corrente que passa.

Os resistores são elementos que apresentam resistência conhecida bem definida. Podem ter uma resistência fixa ou variável.

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Símbolos em eletrônica e eletricidade

Abaixo estão alguns símbolos de componentens elétricos e eletrônicos:

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Lei de Ohm

Um circuito elétrico consta de, na prática, pelo menos quatro partes: fonte de fem (força eletromotriz), condutores, carga e intrumentos de controle. Como no circuito abaixo:

A lei de OHM diz respeito à relação entre corrente, tensão e resistência:

Onde:

• I é a corrente em ampères
• V é a tensão em volts
• R é a resistência em ohms

Abaixo, vemos como fica o circuito quando fechamos a chave:

A tensão sobre o resistor de 1kW (ou 1000W) é de 12V (conforme é mostrado pelo voltímetro). De acordo com a lei de OHM, a corrente deve ser 12/1000 = 0.012A ou 12mA. De fato, é essa a corrente indicada pelo amperímetro.

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Potência

A potência elétrica numa parte de um circuito é igual à tensão dessa parte multiplicada pela corrente que passa por ela:

Combinando essa equação com I=V/R, temos: P=RI² e V²/R.

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Associações de Resistores

Os resistores podem se associar em paralelo ou em série. (Na verdade existem outras formas de associação, mas elas são um pouco mais complicadas e serão vistas futuramente)

Associação Série

Na associação série, dois resistores consecutivos têm um ponto em comum. A resistência equivalente é a soma das resistências individuais. Ou seja:

Exemplificando:

Calcule a resistência equivalente no esquema abaixo:

R_eq = 10kW + 1MW + 470W

R_eq = 10000W + 1000000W + 470W

R_eq = 1010470W

Associação Paralelo

Dois resistores estão em paralelo se há dois pontos em comum entre eles. Neste caso, a fórmula para a resistência equivalente é: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...

Exemplo:

Calcule a resistência equivalente no circuito abaixo:

1/R_eq = 1/1010470W + 1/22000W

1/R_eq = 989,6 x 10^-9 + 45,5 x 10^-6

1/R_eq = 46,5 x 10^-6

R_eq = 21,5 W

Note que a resistência equivalente é menor do que as resistências individuais. Isto acontece pois a corrente elétrica tên mais um ramo por onde prosseguir, e quanto maior a corrente, menor a resistência.

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As Leis de Kirchhoff

Lei de Kirchhoff para Tensão:

A tensão aplicada a um circuito fechado é igual ao somatório das quedas de tensão naquela circuito.

Ou seja: a soma algébrica das subidas e quedas de tensão é igual a zero (SV). Então, se temos o seguinte circuito:

podemos dizer que V_A = V_R1 + V_R2 + V_R3

Lei de Kirchhoff para Correntes:

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Capacitor

O capacitor é constituído por duas placas condutoras paralelas, separadas por um diélétrico. Quando se aplica uma ddp nos seus dois terminais, começa a haver um movimento de cargas para as placas paralelas. A capacitância de um capacitor é a razão entre a carga acumulada e a tensão aplicada. C = Q/V Deve-se também ter em mente que a capacitância é maior quanto amior for a área das placas paralelas, e quanto menor for a distância entre elas. Desta forma:
A (8,85 x 10^-12 )
C= ---------------------- k
d

Onde: C = capacitância A = área da placa d = distância entre as placas k = constante dielétrica do material isolante

Vamos agora estudar o comportamento do capacitor quando nele aplicamos uma tensão DC. Quando isto acontece, a tensão no capacitor varia segundo a fórmula:

V_c=V_T(1-e^-t/RC)

Isso gera o seguinte gráfico V_c X t

Isto acontece porque a medida que mais cargas vão se acumulando no capacitor, maior é a oposição do capacitor à corrente (ele funciona como uma bateria).

Note que no exemplo abaixo ligamos um resistor em série com o capacitor. Ele serve para limitar a corrente inicial (quando o capacitor funciona como um curto). O tempo de carga do capacitor é 5t, onde t = RC (resistência vezes capacitância).

No exemplo abaixo, o tempo de carga é: T_c= 5 x 1000 x 10^-6 = 5ms

-=-=-=-

Se aplicamos no capacitor uma tensão alternada, ele vai oferecer uma "oposição à corrente" (na verdade é oposição à variação de tensão) chamada reatância capacitiva (X_c).

X_c=1/2pfC

A oposição total de um circuito à corrente chama-se impedância (Z). Num circuito composto de uma resistência em série com uma capacitância:

Z = (R₂²+X_c²) ^1/2

ou

Z = Ö R₂²+X_C²

Podemos imaginar a impedância como a soma vetorial de resistência e reatância. O ângulo da impedância com a abscissa é o atraso da tensão em relação à corrente.

Aplicações:

Se temos um circuito RC série, a medida que aumentarmor a freqüência, a tensão no capacitor diminuirá e a tensão no resistor aumentará. Podemos então fazer filtros, dos quais só passarão freqüências acima de uma freqüência estabelecida ou abaixo dela. Estes são os filtros passa alta e passa baixa.

Freqüência de corte: é a freqüência onde X_C=R.

Quando temos uma fonte CA de várias freqüencias, um resistor e um capacitor em série, em freqüências mais baixas X_C é maior, desta forma, a tensão no capacitor é bem maior que no resistor. A partir da freqüência de corte, a tensão no resistor torna-se maior. Dessa forma, a tensão no capacitor é alta em freqüências mais baixas que a freqüência de corte. Quando a freqüência é maior que a freqüência de corte, é o resistor que terá alta tensão.

Filtro passa baixa:

V_saída=I_t X_C

Filtro passa alta

V_saída=I_t R

Logicamente, se colocarmos um filtro passa alta na saída de um passa baixa, teremos um passa banda.

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