Estudo da Corrente e Resistência Elétrica

FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL II Mauro Noriaki Takeda 2 6 ELETRICIDADE II Nesta unidade iremos estudar a corrente elétrica como o movimento ordenado de partículas portadoras de carga elétrica e os tipos de corrente elétrica Em seguida será abordado o conceito de resistência elétrica e sua relação com a primeira e segunda lei de Ohm Veremos que a associação de resistores em série paralelo e mista fazse necessária nos circuitos elétricos e eletrônicos e como calcular a resistência equivalente nessas associações Serão abordados os conceitos de geradores e receptores em um circuito elétrico Por fim entenderemos o que são capacitores e dielétricos 61 Corrente elétrica Considere o circuito elétrico da figura a seguir Quando a chave interruptora encontra se aberta o circuito encontrase desligado Os elétrons livres do condutor fio de cobre apresentam movimento caótico Quando a chave interruptora encontrase fechada os elétrons livres apresentam movimento ordenado devido à presença de campo elétrico no circuito ficando esses elétrons sujeitos à força elétrica Como os elétrons apresentam movimento ordenado podemos determinar o fluxo de carga ΔQ que atravessa uma seção transversal plano do condutor em um intervalo de tempo Δt 3 A corrente elétrica média im é definida como A proporção do fluxo de carga pode variar com o tempo desse modo definimos a corrente instantânea i como o limite diferencial da expressão de im quando Δt tende a zero A carga que passa pelo plano no intervalo de tempo de 0 a t pode ser determinada por integração A unidade de corrente elétrica no SI é o coulomb por segundo que corresponde a ampère representado pela letra A 1 A 1 Cs 62 Resistência elétrica Quando uma diferença de potencial é aplicada nos extremos de um condutor de cobre a corrente no condutor é proporcional à tensão aplicada Se aplicarmos uma Δt ΔQ 4 tensão U1 no condutor este será percorrido por uma corrente i1 se aplicarmos tensão U2 será percorrido pela corrente i2 e assim sucessivamente de tal maneira que Essa constante é a resistência elétrica representada pela letra R Desse modo a resistência elétrica é dada por A unidade de resistência no SI é o volt por ampère chamada de ohm e representada pelo símbolo Ω A maioria dos materiais incluindo os metais apresenta a resistência constante para uma ampla faixa de tensões aplicadas Esse comportamento é conhecido como Lei de Ohm Os materiais ou dispositivos que obedecem à lei de Ohm são chamados de ôhmicos e os que não obedecem são chamados de não ôhmicos A resistência de um condutor com seção reta uniforme é diretamente proporcional ao comprimento do fio e inversamente proporcional à área de sua seção transversal É proporcional também à resistividade do material ρ que constitui o condutor e da temperatura ou seja No SI a unidade de resistividade é o ohm metro Ω m Na maioria dos metais a resistividade aumenta com a temperatura de acordo com a equação Nessa expressão α é o coeficiente de temperatura que depende da natureza do material 5 621 Resistor Resistor é um elemento de circuito que introduz uma resistência específica no circuito elétrico Nos diagramas de circuitos elétricos o resistor é representado por um símbolo que é uma linha em ziguezague Há os resistores que tem como função efetuar a conversão de energia elétrica em energia térmica através do efeito Joule que é o fenômeno da transformação de energia elétrica em térmica Como exemplos há a resistência do chuveiro do ferro de passar do aquecedor 622 Potência Para os equipamentos elétricos a potência corresponde à quantidade de energia elétrica que foi transformada em outro tipo de energia por exemplo térmica por unidade de tempo É dada por A potência também é dada por Ou 63 Associação de resistores Os resistores estão presentes em todos os tipos de circuito elétrico Geralmente vários resistores estão dispostos formando vários tipos de combinações que são chamadas de 6 associações de resistores Como exemplo temos o conjunto de lâmpadas piscapisca usadas na decoração de natal Cada lâmpada é um resistor e o conjunto das lâmpadas constitui uma associação de resistores Os resistores podem ser associados em série em paralelo e pode haver também uma combinação entre essas duas associações que é chamada de mista 631 Associação em série Dizemos que dois ou mais resistores estão ligados em série quando estão conectados um em seguida do outro e são percorridos pela mesma corrente elétrica Em uma associação de resistores chamamos de resistor equivalente o resistor que é percorrido pela mesma corrente quando submetido à mesma diferença de potencial que as resistências originais Em uma associação em série a corrente elétrica fornecida ao circuito pela pilha ou bateria é a mesma que percorre cada resistor da associação A tensão aplicada na associação é igual à soma das tensões aplicadas em cada resistor da associação A resistência equivalente da associação é igual à soma das resistências 632 Associação em paralelo Chamamos de associação de resistores em paralelo quando dois ou mais resistores estão ligados entre si nas duas extremidades e conectados diretamente nos terminais da bateria 7 Como todos os resistores estão conectados diretamente aos terminais da bateria a diferença de potencial é a mesma em todos os resistores A intensidade da corrente elétrica do circuito é dividida entre os resistores da associação em i1 i2 in e consequentemente a corrente do circuito é igual à soma das intensidades das correntes que percorrem cada resistor O inverso da resistência equivalente da associação é igual à soma dos inversos das resistências da associação 8 633 Associação mista Quando o circuito apresenta resistores associados em série e resistores associados em paralelo simultaneamente dizemos que a associação de resistores é mista Para resolvermos uma associação mista devemos ir resolvendo de maneira a obter um circuito cada vez mais simples até chegar ao resistor equivalente Para facilitar a identificação dos trechos é aconselhável colocar letras em nós e terminais Nós são pontos onde a corrente se divide e terminais os pontos entre os quais se deseja obter a resistência equivalente Exemplo Na associação de resistores apresentada na figura a seguir a tensão aplicada entre os terminais A e C é de 48 V determine a a resistência equivalente b a tensão aplicada em cada resistor c a corrente elétrica que percorre a associação e a corrente em cada resistor d a potência dissipada em cada resistor e na associação Resolução a Primeiro devemos calcular a Req no trecho em paralelo entre os pontos B e C A C B R110 Ω R26 Ω R33 Ω 9 Tirando o mmc temos O circuito simplificado fica Resolvendo o trecho em série temos b Corrente elétrica na associação A corrente que percorre o trecho AB é a corrente iAC portanto a tensão aplicada no trecho AB ou seja em R1 é de 2 Ω 10 Ω A B C 12 Ω A C 10 No trecho BC a tensão será Como R2 e R3 estão em paralelo então as tensões serão e c Corrente elétrica na associação Corrente em R1 Corrente em R2 11 Corrente em R3 d Potência dissipada em R1 Potência dissipada em R2 Potência dissipada em R3 Potência dissipada na associação 64 Geradores Geradores elétricos são dispositivos que convertem vários tipos de energia não elétrica como a mecânica química luminosa eólica em energia elétrica Um gerador elétrico 12 possui dois terminais um negativo e um positivo chamados polos Um gerador fornece energia elétrica ao circuito mantendo o terminal positivo a um potencial elétrico mais alto que o terminal negativo a um potencial mais baixo Como exemplo de geradores temos o alternador de carro pilha bateria placa solar e aerogerador O gerador ideal é aquele capaz de fornecer toda a energia gerada às cargas elétricas A tensão medida entre seus polos é chamada de força eletromotriz fem e representada por E Em uma bateria real a tensão nos terminais não é igual à fem pois há uma resistência interna r e o potencial diminui de uma quantidade equivalente à corrente multiplicada pela resistência interna i r ou seja Na realidade existe uma perda de energia devido à resistência encontrada no circuito A potência total gerada Pg por um gerador é determinada pela relação 65 Receptores Receptores são aparelhos que recebem energia elétrica e a transformam em outras formas de energia quando ligados a um circuito com um ou mais geradores Um receptor recebe a corrente do polo positivo mais alto e devolve ao polo negativo mais baixo retirando energia do circuito As características apresentadas por um receptor em funcionamento são a força contraeletromotriz fcem representada por E e a resistência interna r A potência elétrica fornecida ao receptor é E a potência elétrica útil vale r E i r i E 13 E a potência dissipada internamente vale Sendo O rendimento elétrico do receptor é determinado por A equação do receptor é Conclusão do Bloco 6 Neste bloco estudamos a corrente elétrica como movimento ordenado das partículas carregadas eletricamente em um condutor Vimos que a resistência elétrica é uma propriedade dos materiais e no caso dos condutores depende do comprimento da área de sua seção e de sua resistividade O componente montado com a finalidade de dificultar a passagem da corrente elétrica é chamado de resistor Estudamos a associação de resistores e que eles podem ser associados em série em paralelo e de forma mista Estudamos os geradores que fornecem energia ao sistema elétrico como a pilha e a bateria Vimos também os receptores que transformam a energia elétrica em outros tipos de energia que não a térmica REFERÊNCIAS HALLIDAY David RESNICK Robert WALKER Jearl Fundamentos de física eletromagnetismo 10 ed São Paulo LTC 2016 v 3 SERWAY Raymond A JEWETT JR John W Princípios de física eletromagnestismo 5 ed São Paulo Cengage Learning 2014 v 3 YOUNG Hugh D FREEDMAN Roger A Física III eletromagnetismo 12 ed São Paulo Addison Wesley 2008