Electricidade - circuitos de corrente contínua

Quando abrirmos a válvula V, a agua vai passando do vazo W devido á diferença de nível (e de pressão) dos líquidos em cada vazo.

Deixa de haver passagem de água quando o nível de W iguala o nível de Z. Da mesma forma, se ligarmos o interruptor K vai haver movimento de cargas eléctricas, isto é, corrente eléctrica, até que os dois corpos fiquem com potenciais eléctricos (os dois corpos ficam em equilíbrio).

Deixa de haver corrente eléctrica quando o potencial eléctrico de X iguala o de Y, ou seja, quando a diferença de potencial for nula (Ux - Uy = 0). Ambos corpos ficam com 4 cargas positivas. Neste Exemplo a corrente eléctrica é uma corrente de curta duração, até se igualarem os potenciais eléctricos de X e Y.
È indispensável a existência de um gerador para se manter constante um determinado valor de corrente eléctrica, Assim: A corrente eléctrica, nesta como em qualquer outra situação, é definida como o movimento de cargas eléctricas numa determinada direcção e sentido.

Acabamos de chegar á conclusão que ao ligarmos, por meio de um condutor, dois corpos a potenciais eléctricos diferentes, o condutor era percorrido por uma corrente eléctrica que não tinha, um valor constante e que se extinguia ao fim de pouco tempo. Na prática, nós necessitamos de correntes que mantenham um valor constante durante períodos prolongados.

A Corrente Continua (c.c.) é por definição, uma corrente com um só sentido e de valor constante

Já sabemos, que ao ligarmos dois corpos com potenciais diferentes, há movimento de electrões de um corpo para o outro durante uma fracção de tempo muito curto, atenuando-se progressivamente, isto é, nesta situação, a corrente eléctrica não mantêm um valor constante. Para manter constante o valor da corrente eléctrica num circuito, é necessário intercalar nele um gerador.

É todo o sistema capaz de produzir e manter constante uma diferença de potencial entre os seus dois terminais.

Tratando-se de corrente contínua (c.c.), esses terminais são o pólo positivo (+) e o pólo negativo (-) tendo a corrente um sentido real bem determinado: do pólo (-) para o pólo (+). A função do Gerador reside, pois, em repor no pólo negativo os electrões que dela saem, para que a diferença de potencial se mantenha constante.

Daqui em diante vou considerar sempre o sentido convencional da corrente, no estudo dos circuitos que vou abordar no PRA. Deste modo, dizemos agora, que a função do gerador é a de repor no pólo positivo um número de cargas positivas iguais as que de lá saem, mantendo assim sempre constante a diferença de cargas (e portanto de potencial) entre os dois pólos. Vejamos o seguinte exemplo: suponhamos que saíram 6 cargas positivas do pólo positivo, o gerador repõe 6 cargas positivas no mesmo pólo, retirando-as ao negativo. Se assim, não acontecesse, os dois potenciais tenderiam a igualar-se, isto é, a diferença de potencial U seria nula.

1 - Calcular a quantidade de electricidade em Ah que passa num circuito percorrido por uma intensidade de corrente de 60 mA durante 4 horas.

2 – Determinar o tempo necessário para que 5 * 〖10〗^17 electrões passem uma secção de um condutor, se a corrente for de 4 mA.

Em muitas situações práticas, como por exemplo no cálculo de secções de condutores e fios de bobinas, há necessidade de definir a grandeza densidade de corrente eléctrica (J), que é a intensidade de corrente por unidade de secção do condutor:

J = I/s com (J) densidade em A/m^2

Quando um gerador alimenta por exemplo uma torradeira, um televisor ou outro electrodoméstico, estes serão percorridos por uma determinada intensidade de corrente, sabe-se que, apesar de alimentados pela mesma tensão, a intensidade de corrente é diferente de receptor para receptor.

Porque será?

A Explicação é simples: cada aparelho (receptor) oferece uma oposição diferente á passagem dos electrões (corrente eléctrica). Esta oposição, maior ou menor, tem a ver com o material (condutor) de receptor e com as próprias dimensões (secção e comprimento) do mesmo material.

A esta oposição do receptor á passagem dos electrões dá-se o nome de Resistência Eléctrica.

Esta nova grandeza chamada resistência é expressa em ohm (Ω).

Esta nova grandeza chamada resistência é expressa em ohm (Ω).
Quanto maior for a resistência eléctrica do receptor, tanto menor será a intensidade da corrente I que o percorre.

A grandeza tem múltiplos e submúltiplos. Assim temos:
Multiplo

Megaohm (MΩ), sendo 1 MΩ 1000 000Ω = 〖10〗^6Ω

Kiloohm (KΩ), sendo 1 MΩ 1 000Ω = 〖10〗^3Ω

Submultiplo
Miliohm (mΩ) sendo 1mΩ = 0.001Ω = 〖10〗^(-3)

Qualquer receptor tem resistência eléctrica, há inclusivamente, receptores que tem o nome de “ resistências eléctricas” e que são bastante utilizadas em montagens eléctricas e nos mais diversificados circuitos e aparelhagens.

Chama-se atenção para não confundirem a grandeza “resistência eléctrica” com o receptor resistência eléctrica”.

Circuito Eléctrico é a ligação que se estabelece entre elementos eléctricos, de tal modo que a corrente eléctrica circule a partir do potencial com excesso de electrões para o potencial com carência de electrões.

Depois de uma definição simples, podemos dizer que será um conjunto constituído por um ou mais geradores eléctricos que alimentam determinados dispositivos (receptores), em circuito fechado.
Circuito está em aberto quando não há passagem de corrente

(I=0).

Circuito está fechado quando há passagem de corrente

(I≠0)

As três grandezas eléctricas estudadas por mim neste módulo vão ter um papel fundamental no circuito eléctrico, elas estão sempre interligadas, sendo a lei de OHM, que vou aqui falar muito brevemente, um meio importantíssimo para quantificar a sua evolução. Uma não faz sentido sem as outras, se quisermos ter um circuito a funcionar bem.
Analisemos:

A diferença de potencial ou tensão: é necessária, porque sem ela não conseguimos ter corrente eléctrica.
A intensidade de corrente: é ela que, ao atravessar os receptores, os vai por em funcionamento.

A resistência eléctrica: está sempre presente num circuito e existe fundamentalmente nos receptores, reduzindo a corrente eléctrica a valores adequados ao bom funcionamento destes.

Existe uma grande diversidade de circuitos eléctricos, não só quanto ao numero e variedade de elementos constituintes mas também quanto á finalidade do próprio circuito. Existem, portanto, circuitos eléctricos mais simples e circuitos eléctricos mais complicados.
Por exemplo, nas nossas casas, temos diferentes circuitos eléctricos, os quais partem do quadro eléctrico: circuitos de iluminação, circuitos de tomadas (ditas normais), circuitos para máquinas de lavar etc. No laboratório, podemos montar os nossos próprios circuitos, diferentes uns dos outros.
Principais elementos de um circuito eléctrico

Os elementos de um circuito eléctrico são:

Gerador ou fonte de alimentação

Condutores e isoladores eléctricos

Aparelhos de protecção

Aparelhos de comando e corte

Aparelhos de medida e contagem

Aparelhos de regulação

Receptores eléctricos

A função de um gerador ou de uma fonte de alimentação, como já sabemos, é de manter constante a tensão aplicada ao circuito, de modo que ele tenha uma corrente permanente e não uma corrente passageira e transitória. O gerador é por isso, um aparelho que transforma em energia eléctrica outras fontes de energia, mantendo constante o valor da tensão eléctrica.
Há geradores electroquímicos e geradores electrodinâmicos.

Os geradores electroquímicos transformam a energia química em energia eléctrica, enquanto, os geradores electrodinâmicos (ou rotativos) transformam a energia mecânica em energia eléctrica. Os geradores electroquímicos só produzem corrente contínua (c.c.), havendo uma grande variedade destes geradores, os quais irei estudar mais tarde, dizendo neste momento apenas que se dividem em dois grandes grupos: pilhas e baterias de acumuladores.

Os geradores electrodinâmicos podem produzir corrente contínua (c.c.) e têm então o nome de dínamos, ou produzir corrente alternada (c.a.) e tem então o nome de alternadores.

Lâmpadas de incandescência (ou de filamento), lâmpadas fluorescentes, lâmpadas de vapor de sódio, lâmpadas de vapor de mercúrio, lâmpadas de halogéneo, etc. O filamento das lâmpadas de incandescência pode atingir temperaturas da ordem dos milhares de graus centígrados.

Receptores de aquecimento

Convectores, irradiadores, ferros de engomar, fogões eléctricos, torradeiras, etc. Estes receptores funcionam a temperaturas na ordem das dezenas ou centenas de graus centígrados.

Receptores de Força-Motriz

Máquinas de lavar (lavar roupa, louça, etc.) aspiradores, ventoinhas, batedeiras, frigoríficos. Todos estes receptores transformam a energia eléctrica em energia mecânica.

Receptores de Sinalização

Campainhas eléctricas, buzinas, besouros, quadros de alvos, lâmpadas de sinalização, etc.

Receptores electroquímicos

Acumuladores (durante a carga), cubas de electrólise (para a electrolise da agua, para a galvanoplastia, e galvanostegia).

A passagem da corrente eléctrica num circuito, como já sabemos, produz efeitos diversificados. Alguns dos principais efeitos são; o efeito calorífico, o efeito luminoso, o efeito magnético, o efeito químico e o efeito mecânico.

Deixo-vos aqui alguns destes efeitos.

Efeito calorífico

Num circuito, se diminuirmos a resistência eléctrica do reóstato, a intensidade da corrente no circuito vai aumentar, aumentando também o aquecimento dos condutores e em particular do fio de cobre fino. Para determinado valor de intensidade, a temperatura no fio pode atingir um valor tal que o faça ficar ao rubro, podendo mesmo fundir. Este efeito calorífico ou térmico é produzido devido ao choque entre os electrões em movimento e os átonos do material condutor, mais será o número de choques e portanto a quantidade de calor libertado.

Efeito luminoso

Este efeito é facilmente visível quando ligamos uma lâmpada instalada num circuito eléctrico, ao alimentarmos a lâmpada, ela aquece e emite luz simultaneamente. A emissão de luz resulta também do facto de haver choques entre os electrões e os átonos do filamento da lâmpada.

Desses choques, resultam a libertação de calor e a emissão de radiações luminosas. Quanto mais elevada for a temperatura do filamento, mais elevada será o fluxo luminoso.

Efeito magnético
O efeito magnético é visível quando nos aproximamos, por exemplo, uma agulha magnética de um circuito percorrido por uma intensidade elevada.

Ao diminuirmos progressivamente a resistência, a intensidade de corrente vai aumentando até um valor tal que provoca a rotação da agulha (aproximação do condutor) que inicialmente estava orientada segundo a direcção norte-sul.

O efeito magnético da corrente é aproveitado no funcionamento de múltiplos aparelhos e receptores, como sejam: electroímanes, balastros, campainhas, disjuntores, contactores, etc.

Efeito químico

A electrólise da água é um dos efeitos químico da corrente eléctrica. Consiste na decomposição da água (H2O) em hidrogénio (H2) e oxigénio (O2), os quais vão ter recolhido em dois tubos de ensaio colocados sobre os dois eléctrodos de uma tina electrolítica (voltâmetro) com uma solução de ácido sulfúrico (H2SO4).

Ao aplicarmos, entre os dois eléctrodos, uma tensão contínua de valor baixo, o eléctrodo negativo atrai os iões positivos O2-. Os H+, recebendo electrões, originam átonos e moléculas de hidrogénio que sobem no tubo de ensaio, sob a forma gasosa, evidentemente, os iões O2-, perdendo electrões, originam átonos e moléculas de oxigénio que sobem no tubo de ensaio.

Os receptores não reagem todos da mesma forma á passagem da corrente eléctrica, isto é, a oposição oferecida á passagem da corrente eléctrica tem características diferentes de uns receptores para outros, a lei de ohm, aplica-se apenas aos receptores ditos resistivos e lineares.
Entende-se por receptor resistivo, aquele que apresenta apenas resistência eléctrica. São exemplos: os reóstatos, as resistências propriamente ditas, os irradiadores, etc.

Um receptor linear é aquele que apresenta as mesmas características em toda a sua extensão, independentemente da corrente que o percorre e da tensão aplicada. Vejamos qual a relação existente entre a intensidade num destes receptores, como uma Resistência R.

O painel de alimentação, indicado na bancada de trabalho, permite-nos ligar o circuito sucessivamente a 6v, 12v, 18v, e 24 v, valores estes que serão medidos pelo voltímetro.
Ao ligarmos o interruptor K, aplicando inicialmente a tensão mais baixa (6v), o circuito será percorrido por uma dada intensidade medida pelo amperímetro. Aumentando a tensão eléctrica, a intensidade aumentará proporcionalmente.

A medida do valor R pode ser efectuada directamente, de uma forma muito simples, utilizando aparelhos de medida próprios chamados de ohmímetros, o ohmímetro é um aparelho de medida com uma escala graduada em ohms e que possui uma fonte de alimentação própria que geralmente são pilhas.

Pode-se aplicar o ohmímetro directamente aos terminais do receptor, medindo directamente o valor da sua resistência, devendo esta estar desligada de qualquer circuito eléctrico. De outro modo, corre-se o risco de queimar o aparelho. Este é um método directo de medida da resistência. Em vez do ohmímetro, pode utilizar-se um outro aparelho, que permite medir directamente varias grandezas, entre as quais a resistência eléctrica. Este aparelho chama-se multímetro, existindo aparelhos com escala graduada (são os analógicos) e aparelhos cujo valor da grandeza é directamente indicado num ecrã (são os digitais).

Utilização da ponte de medida

Este método é geralmente usado quando se pretende obter valores com grande precisão. Para isso, utilizam estas pontes na sua constituição resistências calibradas, com as quais vai ser comparada a resistência a medir. Existem diversos modelos de pontes de medida, sendo as mais conhecidas: a ponte de Wheatstone e a ponte de fio.

Neste meu trabalho de PRA por vezes repito algumas matérias, mas com abordagens diferentes, no módulo de Electricidade - aparelhos e medições

(http://electricidadeaparelhosemedicoes.blogspot.com/) eu refiro-me ao multímetro como é evidente, também acontece o mesmo com as Leis de Kirchoff, Teorema de Thévenin e com o Teorema de Norton, penso que corro o risco de tornar o meu PRA muito pesado, mas como tenho o cuidado de repetir as matérias mas não repetir na integra qualquer matéria, e tenho ainda como prioridade o que aprendi nas aulas e a sua importância em cada modulo.

Vou concluir este módulo com apenas alguns exercícios dos muito que fizemos nas aulas com o Professor Luís Batista.

1 - Uma resistência linear é percorrida por 0.5 A quando submetida a uma tensão de 12 V. Calcule a) o valor da resistência, b) o valor da intensidade se lhe aplicarmos uma tensão de 20v.

Aplicando a expressão da Lei de OHM R = U/I

Substituindo os valores, teremos:

R = 12/0.5 ↔ R = 24Ω

Aplicando a expressão da Lei de OHM I = U/R

Substituindo os valores, teremos:

I = 20/24 ↔ I= 0.8 A

2 – Uma resistência eléctrica de um irradiador absorve 3.4 A quando submetida a 220V. SE lhe aplicarmos uma tensão de 100V, qual será o valor da intensidade de corrente absorvida?

Resolução

Em primeiro lugar vamos calcular o valor da resistência, empregando a expressão R = U/I de onde vamos obter: R = 200/3.4 ↔ R = 64.7Ω.

Agora sabendo que o valor da resistência se manteve constante, vamos determinar o valor da nova intensidade I, pela expressão I = U/R.

Substituindo os valores, teremos:

I = 100/64.7 ↔ I = 1.55 Amperes

3 – Um reóstato tem as seguintes características: R = 85Ω, e I max = 2ª. Calcule:
a) A tensão máxima que se pode aplicar a este reóstato.

b) A intensidade que o percorre, se lhe aplicarmos uma tensão de 100v.

c) O valor da tensão que lhe foi aplicada, sabendo resolução

a) A determinação da tensão máxima aplicada a este reóstato é em função da sua intensidade máxima admissível. Deste modo, vamos aplicar a expressão U max = R * I Max

Obtendo assim: U max = 85 * 2 ↔ U Max = 170v

b) Vamos aplicar a expressão I = U/R quando se liga o reóstato “só” a uma tensão de 100v. Substituindo os valores obtêm-se;
I = 100/85 ↔ I = 1.17Amperes.

c) Agora, que medimos “só” uma intensidade de 0.5v a tensão será dada pela expressão U= R * I de onde se conclui:

U = 85 * 0.5 ↔ U = 42.5V

A corrente de Norton é definida como a corrente na carga quando a resistência de carga for curto-circuitada, por isso a corrente de Norton é algumas vezes chamada de corrente de curto-circuito.

Corrente de Norton: IN = I sc

A resistência equivalente de Norton é aquela que um ohmímetro mede nos terminais de carga quando todas as fontes são reduzidas a zero e a resistência da carga é aberta, como definição: resistência de Norton: RN = Roc
Como a resistência equivalente de Thevenin também é igual a Roc podemos escrever:

RN = Rth

Essa derivação diz que a resistência equivalente de Norton é igual á resistência equivalente de Thevenin.

O teorema de Norton pode ser obtido pelo princípio de dualidade. Ele declara que, para qualquer teorema aplicado á análise de circuitos eléctricos, existe um teorema dual (oposto) no qual um substitui os valores originais com os valores duais (trocados) do outro. Veja uma lista simplificada de valores duais:

Tensão ↔ Corrente

Fonte de Tensão ↔ Fonte de Corrente

Série ↔ Paralelo

Resistência em Serie ↔ Resistência em paralelo