Fundamentos de Circuitos Elétricos e Leis da Eletricidade

ITEM 54:

1. INTRODUÇÃO

O circuito elétrico é o caminho seguido pela alimentação do movimento do circuito. Em toda dinâmica, há três elementos fundamentais: o gerador, o receptor e os condutores que ligam os dois elementos referidos, através dos quais ocorre a passagem ou fluxo de eletricidade produzida pelo gerador e absorvida ou gasta pelo receptor. Quando a eletricidade se move ao longo de um circuito, ocorrem fenômenos cujo estudo deve levar em conta as quantidades elétricas e suas unidades.

2. FENÔMENOS ELÉTRICOS

A passagem de uma corrente elétrica através de um condutor produz uma série de fenômenos observados quando a diferença de potencial entre as extremidades do condutor permanece por um tempo adequado e a corrente é suficientemente intensa. Esses fenômenos são:

• a) Efeito magnético: Na experiência de Oersted, coloca-se um fio acima de uma agulha magnética que se move em torno de um eixo central. Quando o fio conduz uma corrente elétrica I, a agulha gira e, após oscilações amortecidas, toma uma nova direção devido ao campo magnético. Na experiência de Rowland, demonstra-se a presença de um campo magnético produzido por uma corrente de convecção, ou seja, o deslocamento de um corpo eletrificado em movimento.
• b) Efeito térmico: O efeito mais importante é o Efeito Joule, que se manifesta pela liberação de calor em todos os condutores sobre o fluxo elétrico atual. Esta liberação de calor é causada pelo choque de partículas eletrificadas em movimento com as partículas do meio.
• c) Efeito químico: A passagem da corrente elétrica através de dois fios de platina em uma solução de cloreto de cobre (Cu2Cl2) em água produz uma decomposição química chamada eletrólise. A corrente alternada também pode ser aplicada para a eletrólise.
• d) Efeitos da luz: Este fenômeno ocorre quando o fluxo de corrente elétrica atravessa um gás, como o gás néon. Manifesta-se também no arco elétrico e no aumento da temperatura de um condutor devido ao efeito Joule.
• e) Efeitos biológicos: A corrente elétrica através de organismos vivos produz queimaduras, coagulação elétrica, etc., de gravidade variável, dependendo da intensidade que circula pelo corpo. Estas lesões são causadas pelo efeito Joule e por efeitos químicos.

3. DADOS E GRANDEZAS ELÉTRICAS

Diferença de potencial elétrico ou tensão: A diferença de potencial Vb - Va é o valor negativo do trabalho realizado por unidade de carga por um campo elétrico em uma carga de teste positiva ao mover-se do ponto A ao B. A unidade de diferença de potencial é o volt (V) e o aparelho que a mede é o voltímetro.

A corrente elétrica: É a quantidade de eletricidade que percorre um circuito elétrico na unidade de tempo (segundo). A unidade de intensidade é o ampere (A), que representa a passagem de um coulomb por segundo. Para medir a corrente, utiliza-se o amperímetro.

Força Eletromotriz (f.e.m.): A força para manter os elétrons movendo-se em um circuito é chamada de força eletromotriz, característica de vários tipos de geradores de energia. É da mesma natureza que a diferença de potencial e medida em volts. Todo gerador real tem uma resistência interna; por isso, sua f.e.m. coincide com a tensão medida entre os terminais apenas em vazio (quando desconectado do circuito).

Resistividade e Resistência:

• a) Resistividade (r): É o valor da resistência de um cilindro de uma substância com um milímetro quadrado de seção e um metro de comprimento. É representada por "r".
• b) Resistência de um condutor: Depende da substância que o constitui, do seu comprimento (em metros) e da sua seção (em milímetros quadrados). Sua unidade é o ohm (Ω). Fórmula: R = r x L / S.
• c) Condutância: É definida como o inverso da resistência.
• d) Influência da temperatura: A resistência de um condutor aumenta conforme sua temperatura sobe. Este aumento é constante e linear, chamado de coeficiente de temperatura "a".
• e) Valor da resistência a uma determinada temperatura: Conhecido o coeficiente, pode-se determinar a resistência para qualquer temperatura se o valor a 20 ºC for conhecido: R = R20 [1 + a(t-20)].

A capacidade de um capacitor: É a capacidade de um sistema de dois condutores separados por um isolante de acumular cargas elétricas. O valor da capacidade C é a razão entre a carga Q e a diferença de tensão V: C = Q / V. A unidade é o farad (F). A capacidade depende da superfície das armaduras, da espessura do dielétrico e do material que o constitui.

4. ENERGIA E CORRENTE ALTERNADA

A energia elétrica: A potência absorvida por um circuito entre os pontos A e B é dada por: P = I x Vab. A potência é expressa em watts. O trabalho realizado (energia) é definido por: W = P x t = V x I x t.

Intensidade de corrente sinusoidal: Uma corrente cuja intensidade varia com o tempo: I = Im x sen(wt + φ), onde Im é a corrente máxima e w é a velocidade angular. A tensão senoidal segue o mesmo princípio.

Período e frequência: O período (T) é o tempo necessário para um ciclo completo, medido em segundos. A frequência (f) é o número de ciclos por segundo, medida em hertz (Hz). Na Espanha, a frequência industrial é de 50 Hz. Relacionam-se por: f = 1 / T.

Tensões e correntes eficazes: O valor eficaz da intensidade é a intensidade de uma corrente contínua que desenvolveria o mesmo calor que a corrente alternada em condições iguais: Ief = Im / √2.

Indutância e Reatância: A indutância é a relação entre o fluxo total e a corrente. A reatância capacitiva é a oposição de um capacitor: Xc = 1 / (w C). A reatância indutiva é a oposição de um indutor: Xl = w L.

Impedância (Z) e Admitância (Y): A impedância é a oposição conjunta em um circuito com resistência, indução e capacitância: Z = √(R² + (wL - 1/wC)²). Em forma complexa: Z = R + jX. A admitância é o inverso da impedância: Y = 1 / Z = G + jB, onde G é a condutância e B a susceptância.

5. LEIS FUNDAMENTAIS

A) Lei de Ohm Geral

Para que haja corrente elétrica, são necessárias: uma diferença de potencial (tensão) e um circuito elétrico fechado que permita o fluxo.

B) Lei de Ohm

A intensidade da corrente é diretamente proporcional à tensão aplicada e inversamente proporcional à resistência: I = V / R.

C) Lei de Joule

O contato da corrente com os átomos produz aquecimento; assim, todo condutor percorrido por corrente tem sua temperatura elevada.

D) Leis de Kirchhoff

• Definições: Nó (ponto de encontro de mais de dois condutores), Ramo (parte entre dois nós) e Malha (circuito fechado).
• Primeira Lei: Em cada nó, a soma das intensidades das correntes que chegam é igual à soma das que saem.
• Segunda Lei: Em qualquer malha, a diferença das f.e.m. é igual à diferença das quedas de tensão (RI).