ABC da Eletricidade

Formas da Corrente Elétrica

A energia eléctrica, sendo utilizada de múltiplas maneiras, pode apresentar-se nos circuitos em diferentes formas:

Contínua:

O fluxo de electrões dá-se apenas num sentido.

Constante:

A tensão/corrente é constante. Obtém-se a partir de pilhas, baterias, dínamos, fontes de tensão, retificação de corrente alternada.

Variável:

Obtém-se a partir de fontes de tensão. A tensão/corrente varia.

Descontínua:

O fluxo de electrões dá-se nos dois sentidos.

Periódica:

A tensão/corrente varia sempre da mesma maneira, repetindo-se ao longo do tempo.

Sinusoidal :

A variação da corrente é sinusoidal. Obtém-se a partir de alternadores, geradores de sinal.

Quadrada/Triangular:

A variação da corrente é retangular/triangular. Obtém-se a partir de geradores de sinal.

Não periódica:

A tensão/corrente não se repete no tempo Sinais de rádio e televisão, ruído (electromagnético).

São de salientar as duas formas de corrente eléctrica mais utilizadas:

Corrente contínua constante - conhecida por corrente contínua (CC, em Português, ou DC em Inglês). Corrente descontínua periódica sinusoidal - conhecida por corrente alternada (CA, em Português, ou AC em Inglês).

Onde se Utiliza?

A corrente contínua e a corrente alternada sinusoidal são as mais utilizadas para alimentar os diversos receptores que utilizamos no nosso dia-a-dia. A corrente contínua é utilizada tanto em sistemas de potência elevada, tais como na tração elétrica (“elétricos”, automóveis elétricos, “trolley-carros”, etc.) e os receptores eléctricos no automóvel (luzes, motor de arranque, buzina, etc.), como em sistemas de potência reduzida, tais como todos os sistemas que utilizam circuitos integrados (multímetros, telemóveis, unidades eletrônicas de controlo em automóveis, computadores, etc.).

Além do próprio interesse do estudo dos circuitos eléctricos em corrente contínua, acrescenta-se o fato de que o conhecimento dos componentes e fenômenos eléctricos neste tipo de circuitos é fundamental à compreensão de circuitos com outras formas de tensão e corrente, nomeadamente dos circuitos em corrente alternada.

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SÍMBOLOS ELÉTRICOS

A representação gráfica dos circuitos eléctricos implica que se convencionem símbolos para os vários elementos constituintes de um circuito eléctrico. Alguns dos mais utilizados são:

LEI DE OHM

A corrente eléctrica (I) que percorre um circuito (Figura 1) depende da tensão aplicada (U) e da resistência do circuito (R).Estas grandezas eléctricas relacionam-se pela Lei de Ohm, que se expressa da seguinte maneira: A corrente que percorre um circuito é diretamente proporcional à tensão aplicada e inversamente proporcional à resistência - I = U / R.

Apesar das unidades fundamentais de corrente, tensão e resistência serem o Ampère (A), Volt (V) e o Ohm (s2), é frequente a utilização de múltiplos e submúltiplos destas unidades. Os mais utilizados são:

No domínio da eletrônica, onde se lida, normalmente, com resistências muito altas e correntes muito baixas, chegam até a utilizar-se a corrente em mA e a resistência em s2, diretamente na Lei de Ohm, resultando a multiplicação da corrente e da resistência na tensão em Volt (V). Ex: 1 Ks2 x 10 mA = 10 V.

ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS EM SÉRIE

Resistência é o termo utilizado, em termos genéricos, para representar qualquer receptor em circuitos de corrente contínua. Pode falar-se da resistência de lâmpadas, buzinas, motores, etc. Podem também existir resistências que, não tendo utilidade em termos de transformação de energia eléctrica em outra forma de energia, são úteis para conseguir determinados objetivos num circuito.

Se duas ou mais resistências se ligam em série (Figura 2), isto é, a corrente que sai de uma resistência entra diretamente na seguinte, a sua resistência equivalente é a soma de todas as resistências: R e = R 1 + R 2 + R 3

Por que?

Dado que a mesma corrente I atravessa as três resistências, as quedas de tensão em cada uma delas será IR 1 , IR 2 e IR 3 , respectivamente. Claramente, a soma das três quedas de tensão deve ser igual à tensão E aplicada, que em termos de uma única resistência equivalente seria Ir e . Então IR e = IR 1 + IR 2 + IR 3 ou R e = R 1 + R 2 + R 3

Estendendo-se este resultado a qualquer número de resistências ligadas em série.

DIVISOR DE TENSÃO

A utilização de resistências em série pode ser utilizada para obter, a partir de uma fonte de tensão fixa, uma tensão de valor inferior (Figura 3).

Esta expressão só é verdadeira quando a corrente retirada do circuito é muito menor do que I. De outra forma as resistências teriam correntes diferentes, o que seria contrário ao que se assumiu.

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É muitas vezes útil obter uma tensão variável a partir de uma fonte de tensão constante. Neste caso, utiliza-se uma resistência com dois contatos fixos e um deslizante (variável). Estas resistências variáveis têm o nome de reóstatos (Figura 4).

A posição do contacto móvel (S) determina a relação de resistências R 1 e R 2 e portanto a tensão de saída Vo.

ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS EM PARALELO

Se duas ou mais resistências se associam de forma a que cada uma delas forma um caminho separado para a corrente total, elas estão ligadas em paralelo (Figura 5). Desta vez, a tensão aos terminais de cada resistência é a mesma e igual a E, em valor absoluto.

Na Figura 5, a corrente total I deve ser a soma das corrente parcelares I 1 , I 2 e I 3 , isto é I = I 1 + I 2 + I 3 Se assumirmos que cada resistência tem uma tensão U (E) aos seus terminais, as correntes são I 1 = U / R 1 , I 2 = U / R 2 , I 3 = U / R 3

Portanto, se R e for a resistência equivalente, então I = U / R e e U / R e = U / R 1 + U / R 2 + U / R 3 ? 1 / R e = 1 / R 1 + 1 / R 2 + 1 / R 3

Estendendo-se este resultado a qualquer número de resistências ligadas em paralelo. Para o caso de duas (e apenas duas) resistências em paralelo, R e = R 1 R 2 / (R 1 + R 2 )

Refira-se ainda que a resistência equivalente de um paralelo é sempre menor ou igual à menor resistência desse paralelo.

DIVISOR DE CORRENTE

Nos circuitos série notamos que a tensão aplicada (pela fonte) era dividida por tantas partes quantas as resistências. Num circuito paralelo a corrente é dividida por tantas partes quantas as resistências. É importante compreender como se divide a corrente, quando encontra resistências em paralelo. É de esperar que a resistência mais pequena fique com a maior parte da corrente e a resistência maior fique com a menor parte dessa corrente. É o que se chama uma relação inversa. As resistências intermédias ficam com correntes intermédias. Consideremos o caso de uma resistência de 3 s2 em paralelo com uma de 8 s2, ligadas a uma fonte de 24 V. A corrente na resistência de 3 s2 será 24 / 3 = 8 A e a corrente na resistência de 8 s2 será 24 / 8 = 3 A. Portanto, quando a relação de resistências é de 3:8, a relação de correntes é de 8:3.

ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIAS EM SÉRIE-PARALELO

A resolução de problemas envolvendo circuitos constituídos por resistências em série e em paralelo pode ser efetuada substituindo todos os grupos de resistências em paralelo pela sua resistência equivalente. O circuito pode então ser reduzido a uma associação série (ou paralelo) simples que , por sua vez, pode ser reduzida à sua resistência equivalente R e ..

RESISTÊNCIA INTERNA DE UMA FONTE DE TENSÃO

Qualquer fonte de tensão, nomeadamente as pilhas, as baterias ou os geradores, tem uma resistência interna cujo valor depende do tipo construtivo. A existência desta resistência interna provoca que o valor da força electromotriz fornecida pela fonte não seja igual à tensão aos seus terminais, isto é, provoca uma perda de energia indesejável. Uma fonte de tensão (real) pode ser representada, esquematicamente, por uma fonte de tensão ideal (sem resistência interna) em série com uma resistência. Isto pode ser observado na figura seguinte:

Quanto maior for a corrente I, maior será a queda de tensão dentro da fonte de tensão (IR i ), “sobrando” para o exterior a tensão:

U = E - IR i

Nota: A força electromotriz (E) de uma bateria pode ser medida utilizando um voltímetro com alta resistência interna, sem a esta ter aplicada qualquer carga. Temos pois uma situação em a bateria está praticamente sem carga, implicando que a corrente I seja praticamente nula, logo com IR i quase nulo pois. Se medirmos a tensão aos terminais da mesma bateria, mas agora em carga, o valor medido deverá ser inferior ao anterior, pois agora existe uma queda de tensão interna (IR i ) que poderá ser não desprezável, dependendo do valor da resistência interna da bateria e da corrente que ela está a fornecer ao circuito.

ASSOCIAÇÃO DE BATERIAS

As baterias (ou pilhas) podem associar-se em série ou em paralelo, consoante o objectivo que se pretende atingir.

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Se ligarmos, sucessivamente, o polo negativo de uma bateria ao polo positivo de outra, consegue-se um agrupamento com uma f.e.m. superior à de cada bateria e igual à soma de todas as f.e.m:

POTÊNCIA E ENERGIA

Potência (P) é, em termos genéricos, a energia (ou trabalho) produzida ou consumida por unidade de tempo, medindo-se em Joule / segundo (J/s). Em eletrotecnia utiliza-se o Watt (W) para simbolizar a potência eléctrica unitária e o Watt-Hora (Wh) como unidade de energia (unidade que vulgarmente aparece referenciada nas nossas facturas de eletricidade). É frequente utilizarmos termos como: esta lâmpada é mais potente que aquela; este motor é mais potente que aquele, etc. De facto, quanto maior a potência de um receptor eléctrico, maior capacidade de produzir trabalho ele terá, mas também maior quantidade de energia eléctrica ele consumirá. Por exemplo uma lâmpada de maior potência que outra do mesmo tipo dá mais luz, mas também consome mais energia. Em eletricidade, a potência de um receptor está relacionada com a sua resistência, a corrente que o percorre e a tensão aos seus terminais, da seguinte forma:

P = RI = UI = U / R

Estas relações são úteis, por exemplo, para saber qual a corrente que é consumida por um receptor de uma dada potência e uma dada tensão nominais, ou para saber que potência é consumida por uma resistência, quando se aplica uma dada tensão, etc.

Exemplo:

Qual a corrente consumida por uma lâmpada de 60 W, sabendo que para a alimentar se utiliza uma bateria de 12 V?
Resolução: I = P / U = 60 / 12 = 5 A

CAPACIDADE DE UMA BATERIA

Por exemplo, um acumulador de chumbo de 100 Ah é descarregado em 10 h com uma corrente de 10 A e pode ser descarregado em apenas 1 h com uma corrente de 50 A. Neste caso, a capacidade da bateria é de 50 Ah (metade da anterior). Portanto, a capacidade de um acumulador deve ser acompanhada do tempo da descarga, em horas. Se assim não acontecer, o valor da capacidade refere se aos períodos normais de descarga (10 h para os acumuladores de chumbo). As possibilidades de utilização de uma bateria (acumulador) são caracterizadas, principalmente, pela sua capacidade [[Mor, 87]]. Esta representa a quantidade de eletricidade em Ah que o acumulador pode fornecer durante a descarga. A capacidade de um acumulador varia com o regime de descarga e com a temperatura do electrólito. Quando a temperatura não é citada, é porque se considera 20ºC. Em termos energéticos, uma bateria de 12 V e 100 Ah tem uma energia de: 12 x 100 = 1.2 kWh (= 4320000 J)

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA (LEIS DE KIRCHOFF)

Tal como em qualquer sistema fechado, a energia eléctrica, num dado circuito, também se conserva. De facto, a energia que é produzida (fontes de energia: bateria, dínamo, etc.) é igual à energia que é consumida, tanto pelos receptores propriamente ditos (lâmpada, aquecedor, etc.) como por perdas nas resistências dos fios e contatos necessários à ligação do próprio circuito.

As Leis de Kirchoff mais não são do que leis de conservação de energia aplicadas aos circuitos eléctricos. Já atrás se utilizaram estas leis para determinar a resistência equivalente da associação de resistências em série e em paralelo e para calcular divisores de tensão e corrente. Para enunciar estas leis, convém ter presentes os seguintes conceitos: Elemento Eléctrico - Dispositivo capaz de transformar energia, sendo a energia eléctrica uma das formas de energia postas em jogo. Ativo- Dispositivo que transforma outra forma de energia em energia eléctrica (pilhas, baterias, dínamos, alternadores). Também chamados de fontes, são ativos pois fornecem energia eléctrica aos circuitos a eles ligados. Passivo - Dispositivo que transforma energia eléctrica noutra forma de energia (motor: mecânica, lâmpada: luminosa, aquecedor: calorífica). Também chamados de receptores, são passivos pois absorvem energia eléctrica. Ramo - Conjunto de elementos eléctricos em série, percorridos pela mesma corrente (pode ser apenas um elemento).