Circuitos RC: Teoria e Aplicações

Circuitos RC Apresentação Os circuitos elétricos constituem dispositivos utilizados extensivamente nos dias atuais e suas aplicações são as mais diversas No entanto os conceitos teóricos a respeito desses circuitos podem ser muito complexos e merecem toda a atenção O comportamento de um dispositivo eletrônico tal qual um circuito RC tem suas bases na área do eletromagnetismo pois a presença de cargas elétricas permite a existência de campos elétricos e também de campos magnéticos Entender o comportamento desses campos vetoriais é a questãochave quando um circuito elétrico está em funcionamento Circuitos elétricos do tipo RC têm como componentes resistores e capacitores As cargas elétricas fluindo no circuito na forma de corrente elétrica produzem campos elétricos no seu entorno Os capacitores que compõem o circuito são de suma importância de modo que esses dispositivos devem ser bem caracterizados Além disso é preciso compreender bem o comportamento da corrente elétrica em dispositivos eletrônicos Nesta Unidade de Aprendizagem você vai estudar os circuitos RC Vai observar que esses circuitos apresentam características transientes vinculadas ao comportamento dos capacitores tanto no carregamento como na descarga Além disso você vai ver aplicações de circuitos RC pois eles têm uma relação íntima com filtros analógicos e equipamentos utilizados na medicina como o desfibrilador e o marcapasso Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Reconhecer o efeito de um capacitor nos circuitos RC Determinar a constante de tempo no circuito RC Estabelecer o comportamento da corrente elétrica no circuito RC Desafio Circuitos elétricos são úteis em muitas áreas do conhecimento como por exemplo nas áreas da informática da engenheira elétrica entre outras pois no mundo atual as questões energéticas e da comunicação estão em evidência Muitos circuitos elétricos têm como componentes resistores capacitores receptores disjuntores indutores etc cada qual com uma função específica no circuito Os circuitos RC existem para cumprir duas funções limitar a corrente elétrica que flui no circuito e armazenar energia Os circuitos RC são considerados circuitos mais simples uma vez que entre seus componentes estão resistores e capacitores Para esses dois dispositivos não existe muita complexidade de estrutura Ao passo que o primeiro tem a função de limitar o valor de corrente que flui no circuito o segundo serve para armazenar energia Essas funções tornam os circuitos RC muito requeridos no mercado haja vista a gama de aplicações práticas deles Uma forma de utilizar os circuitos RC na sua máxima capacidade é conhecendo os processos que eles utilizam para armazenar energia Acompanhe a imagem a seguir Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Com o objetivo de buscar a máxima eficiência para cada ventilador que irá funcionar com esse circuito você deve encontrar um capacitor com algumas qualidades específicas Para o circuito mostrado aponte a o tipo de capacitor utilizado b a função do dispositivo Infográfico A energia armazenada a partir de um circuito elétrico pode ser utilizada de formas muito específicas e para isso existem algumas formas de armazenamento E quantidades de energia armazenadas são características do tipo de circuito existente Os circuitos RC têm na sua composição resistores e capacitores Tais circuitos são ditos simples pois não existe grande complexidade nos dispositivos que formam o circuito Os resistores têm a função de limitar a corrente fluindo no circuito o que implica dizer que em qualquer circuito montado a presença de ao menos um resistor é necessária Já os capacitores podem estar presentes quando se deseja armazenar energia a partir de um circuito RC Formas de associar capacitores pode ser em série em paralelo ou em uma associação mista Neste Infográfico você vai ver algumas características de uma associação de capacitores em série Para esse caso você verá que é possível armazenar energia e também promover o descarregamento do capacitor em um processo inverso ao carregamento Além disso você vai observar que diferentes produtos do tipo RC exibirão curvas diferentes a partir de um gráfico o que implica a eficiência do circuito RC montado Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Conteúdo do livro Atualmente existem muitas formas de armazenar energia Em geral são processos envolvendo campos elétricos e magnéticos pois os circuitos utilizados para essa finalidade têm cargas elétricas em movimento uma característica fundamental para garantir a presença dos referidos campos vetoriais Circuitos RC são constituídos de resistores capacitores uma fonte de tensão alimentadora do circuito e na presença de corrente elétrica Processos fundamentais nesse tipo de circuito são o carregamento e o descarregamento dos capacitores Com base nessas duas funções de capacitores verificase a eficiência de um circuito RC para o armazenamento de energia e uma possível aplicação desses circuitos para essa finalidade específica No trecho da obra Física uma abordagem estratégica base teórica desta Unidade de Aprendizagem você vai ver como um circuito RC funciona qual é a função de cada componente dele como esses componentes estão dispostos no circuito e como podem ser realizados os processos de armazenamento de energia e de descarregamento dos capacitores Você verá que a eficiência do circuito está relacionada ao tipo de associação dos seus dispositivos eletrônicos e também terá uma ideia de como os circuitos RC são utilizados em situações do dia a dia Boa leitura RANDALL D KNIGHT RANDALL D KNIGHT VOLUME 3 ELETRICIDADE E MAGNETISMO K71f Knight Randall D Física 3 recurso eletrônico uma abordagem estratégica Randall Knight tradução Manuel Almeida Andrade Neto 2 ed Dados eletrônicos Porto Alegre Bookman 2009 Editado também como livro impresso em 2009 ISBN 9788577805532 1 Física 2 Eletricidade 3 Magnetismo I Título CDU 537 Randy Knight leciona Física básica há 25 anos na Ohio State University EUA e na Califórnia Polytechnic University onde atualmente é professor de física O professor Knight bacharelou se em Física pela Washington University em Saint Louis e doutorouse em Física pela Univer sity of Califórnia Berkeley Fez pósdoutorado no HarvardSmithsonian Center for Astrophy sics antes de trabalhar na Ohio State University Foi aí que ele começou a pesquisar sobre o ensino da física o que muitos anos depois o levou a escrever este livro Os interesses de pesquisa do professor Knight situamse na área de laser e espectroscopia com cerca de 25 artigos de pesquisa publicados Ele também dirige o programa de estudos am bientais da Cal Poly onde além de física introdutória leciona tópicos relacionados a energia oceanografia e meio ambiente Quando não está em sala de aula ou na frente de um compu tador o professor Knight está fazendo longas caminhadas remando em um caiaque tocando piano ou usufruindo seu tempo com a esposa Sally e seus sete gatos Sobre o Autor Catalogação na publicação Renata de Souza Borges CRB101922 Dica do professor Circuitos elétricos podem ter diferentes elementos dependendo da sua aplicação Os mais utilizados são RC LR LC e RLC Assim os dispositivos mais usados são os resistores R os capacitores C e os indutores L cada um com sua função Em um circuito alimentado por uma fonte de tensão ao se estabelecer uma corrente que flui pelo circuito os resistores os capacitores e os indutores terão suas funções como limitar a corrente elétrica no circuito armazenar energia a partir de um campo elétrico e armazenar energia a partir de um campo magnético respectivamente Aqui você verá o funcionamento de um circuito RC Circuitos RC são compostos por uma fonte de tensão uma resistência e um capacitor com capacitância conhecida Nesta Dica do Professor você vai ver a eficiência de um circuito RC a partir do qual poderá calcular a máxima carga que se pode armazenar em um capacitor em certo intervalo de tempo Na sequência você vai ver uma aplicação na área da medicina desse tipo de circuito em que um circuito RC será utilizado em um marcapasso e o capacitor terá as funções de carregar e descarregar trabalhando em ciclos Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 Quando se trata de circuitos elétricos os capacitores são os dispositivos eletrônicos utilizados para armazenar energia Tais dispositivos têm características próprias na forma da grandeza capacitância Quando colocados em um circuito os capacitores podem ser carregados e também descarregados e por isso têm diversas aplicações Ao considerar um circuito contendo dois capacitores calcule a constante de tempo para a descarga dos capacitores da figura e assinale a alternativa correta A O circuito mostrado é do tipo RC e apresenta constante de tempo para descarga dos capacitores igual a 5ms B O circuito mostrado é do tipo RLC e apresenta constante de tempo para descarga dos capacitores igual a 3ms C O circuito mostrado é do tipo RC e apresenta constante de tempo para descarga dos capacitores igual a 2ms D O circuito mostrado é do tipo RL e apresenta constante de tempo para descarga dos capacitores igual a 2ms E O circuito mostrado é do tipo RLC e apresenta constante de tempo para descarga dos capacitores igual a 2ms 2 Ao fazer uso de dispositivos eletrônicos como capacitores um fator de relevância a ser analisado constitui o tempo necessário para a carga e a descarga de tais capacitores Esse é um termo que pode ser calculado A figura exibe um circuito do tipo RC contendo resistores e capacitores e com valores estabelecidos Para esse caso qual é a constante de tempo para a descarga dos capacitores da figura A A constante de tempo de descarga dos capacitores vale 10ms B A constante de tempo de descarga dos capacitores vale 15ms C A constante de tempo de descarga dos capacitores vale 20ms D A constante de tempo de descarga dos capacitores vale 2ms E A constante de tempo de descarga dos capacitores vale 5ms 3 Existem capacitores de diversos formatos e cada um com uma aplicação Um dos componentes do capacitor é o dielétrico que poderá ser composto de diversos materiais Geralmente capacitores de placas paralelas têm o material dielétrico no interior das placas e este é um dos fatores que torna os capacitores diferentes Considere que um capacitor de 10μF inicialmente carregado com 20μC é descarregado através de um resistor de 10kΩ Quanto tempo decorre para que a carga do capacitor seja reduzida para 10μC A A energia que o capacitor perde ao se descarregar provém do campo elétrico criado entre as placas e o tempo para que se descarregue na proporção pedida é de 7ms B A energia que o capacitor perde ao se descarregar provém do campo magnético criado entre os resistores e o tempo para que se descarregue na proporção pedida é de 3ms C A energia que o capacitor perde ao se descarregar provém do campo elétrico criado entre as cargas e o tempo para que se descarregue na proporção pedida é de 12ms D A energia que o capacitor perde ao se descarregar provém do campo elétrico criado entre os resistores e o tempo para que se descarregue na proporção pedida é de 6ms E A energia que o capacitor perde ao se descarregar provém do campo magnético criado entre as cargas e o tempo para que se descarregue na proporção pedida é de 8ms 4 Uma das funções dos resistores em circuitos elétricos é dimensionar a magnitude da tensão e a corrente elétrica no circuito Outra função dos resistores é transformar energia elétrica em energia térmica Esse é um processo que se verifica em alguns equipamentos e dispositivos como uma lâmpada por exemplo e recebe o nome de efeito Joule Dada uma situação em que um circuito RC foi disposto contendo os elementos resistores e capacitores encontre o valor de resistência que descarregará um capacitor de 1μF de modo que sua carga atinja 10 do valor inicial em 2ms A Os resistores fornecem valores de resistência em Volts sendo que nesse caso o valor é de 256kΩ B Os resistores fornecem valores de resistência em Ampère sendo que nesse caso o valor é de 1316kΩ C Os resistores fornecem valores de resistência em Ohms sendo que nesse caso o valor é de 399kΩ D Os resistores fornecem valores de resistência em Volt por metro sendo que nesse caso o valor é de 45kΩ E Os resistores fornecem valores de resistência em Ohms sendo que nesse caso o valor é de 087kΩ Definese a capacitância de um capacitor como uma grandeza física escalar medindo a quantidade de cargas que pode ser armazenada no capacitor Essa grandeza é uma característica de cada capacitor Tal informação também depende da tensão da fonte alimentadora do circuito A capacitância é diretamente proporcional à quantidade de cargas armazenadas 5 Um capacitor é descarregado através de um resistor de 100Ω A corrente de descarga diminui para 25 de seu valor inicial em 25ms Qual é o valor da capacitância do capacitor A A capacitância foi calculada com base nos valores iniciais e mede 18μF sendo que a unidade F significa Farad B A capacitância foi calculada com base nos valores iniciais e mede 25μF sendo que a unidade F significa Faraday C A capacitância foi calculada com base nos valores iniciais e mede 11μF sendo que a unidade F significa Farad D A capacitância foi calculada com base nos valores iniciais e mede 9μF sendo que a unidade F significa Faraday E A capacitância foi calculada com base nos valores iniciais e mede 5μF sendo que a unidade F significa Faraday Na prática Existem muitas aplicações de circuitos elétricos A área da medicina está repleta deles Exemplos são os marcapassos utilizados em pacientes cujo coração não apresenta mais um funcionamento perfeito ou equipamentos como desfibriladores que são de grande utilidade em hospitais Geralmente para o bom funcionamento desses equipamentos fazse necessário um processo de armazenamento de energia é o que fazem os circuitos RC já que tendo capacitores como um de seus dispositivos podem ser carregados e descarregados armazenando energia e permitindo seu uso em situações específicas Neste Na Prática você vai saber como se dá o funcionamento de um equipamento desfibrilador Tendo seu funcionamento associado a um circuito RC o capacitor que é um componentechave desse tipo de circuito é carregado e de força abrupta e instantânea descarregado liberando a energia armazenada no capacitor com o intuito de reanimar o paciente Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor Física uma abordagem estratégica Nesta obra são discutidos os conceitos do campo elétrico sendo mostrado o princípio de funcionamento do tipo mais simples de capacitor de placas paralelas Aqui você verá que cada elemento que constitui um capacitor tem uma função específica sendo a capacitância uma das grandezas mais importantes pois mede a máxima carga que pode ser armazenada em um capacitor Além disso você saberá sobre a composição de alguns circuitos e como alguns dispositivos se comportam quando fazem parte de tais circuitos Além disso há uma descrição sobre como funcionam os resistores e os capacitores nesses circuitos Leia as páginas 818 a 842 e 967 a 989 Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Eletromagnetismo Nesta obra você verá alguns conceitos sobre capacitores e circuitos como RC e LRC Também é discutida a eficiência dos capacitores baseada no conceito de capacitância Você vai constatar que um dos fatores importantes é avaliar como se dá o processo de carregar e descarregar um capacitor e em que velocidade esse processo se dá Além disso saberá como se comporta um circuito quando ele se compõe de resistores e capacitores e verá algumas aplicações práticas de grandezas físicas como capacitância resistência corrente elétrica e tensão Leia as páginas 143 a 173 Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Circuito RC série Simulação dos processos de carga e descarga do capacitor no Multisim Neste vídeo você vai ver uma simulação de um circuito do tipo RC contendo um resistor e um capacitor Aqui você verá de que forma o capacitor poderá ser carregado a partir de um circuito e terá uma explicação de todo o processo Na simulação serão apresentados os processos de carga e de descarga do capacitor Do ponto de vista de energia você verá a energia elétrica ser armazenada no capacitor de modo que as cargas elétricas fluindo no circuito vão se armazenando no capacitor Você observará também o processo inverso de descarregar o capacitor Para isso temse uma queda de tensão nos terminais do capacitor A carga que vem do capacitor vai se dissipar na forma de calor Essa aplicação é essencial para que você entenda o funcionamento de um circuito RC quando são necessárias a carga e a descarga de um capacitor 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