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Circuitos Elétricos
(Teoria 1)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Direitos Reservados

Introdução
Essa Teoria I vai abrir um novo mundo em seus conhecimentos ¾ o mundo da Eletricidade
Ela lhe ensinará o que são
circuitos elétricos e explicará os significados de corrente elétrica, tensão elétrica e resistência elétrica. Você também irá conhecendo, aos poucos, os tipos mais importantes de componentes ou elementos que participam dos circuitos elétricos. Após o entendimento dessa parte teórica, recomendados que faça alguns exercícios relativos a esse assunto.

Vamos estudar:

Circuito de uma lanterna de mão
Corrente elétrica
Tensão elétrica
O sentido convencional da corrente elétrica
Resistência elétrica
A lei de Ohm

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Circuito de uma lanterna de mão

Ö Você alguma vez já desmontou complemente uma lanterna de mão para analisar como ela funciona?
Veja na ilustração abaixo como são dispostas as várias partes de uma típica lanterna de mão:

Estrutura de uma lanterna elétrica

Ö Por que o projetista escolheu essa particular combinação de materiais?

As partes metálicas da lanterna são postas para conduzir a corrente elétrica quando a lanterna é posta para funcionar e, além disso, foram escolhidas para resistirem aos esforços físicos aos quais são submetidas.

A mola metálica, por exemplo, não só permite caminho elétrico para a corrente como também mantém no lugar, sob pressão, as pilhas em seu interior. As partes metálicas do interruptor têm que garantir bom contato elétrico e não ficarem danificadas pelo uso contínuo.

Uma lanterna também tem partes feitas com material não condutor de corrente elétrica, tais como plásticos e borrachas. A cobertura de plástico dessa lanterna é um isolante elétrico. Sua forma é importante para que se tenha um manuseio cômodo. Sua cor a tornará mais ou menos atraente aos olhos do usuário.

Como você verá, os circuitos elétricos conterão sempre partes que conduzem e partes que não conduzem correntes elétricas. O segredo todo, nos circuitos elétricos, é delimitar um caminho pré planejado para a corrente.

A lâmpada incandescente e o refletor compõem o sistema óptica da lanterna. A posição da lâmpada dentro do refletor deve ser tal que permita a obtenção de um feixe estreito de luz.

Uma lanterna é um produto elétrico simples, mas muita gente já perdeu noites de sono em seus projetos para que você tenha um dispositivo que trabalhe bem.

Ö Você pode pensar em alguma outra coisa que o projetista deva levar em consideração na produção em massa de lanternas?

Um modo "mais científico" para descrever uma lanterna implica no uso de um diagrama de circuito. Nele, as partes relevantes da lanterna serão representadas através de símbolos:

Diagrama de circuito de uma lanterna elétrica

Nesse circuito foram representadas simbolicamente, duas células voltaicas (pilhas)  ¾  formando uma bateria  ¾ , um interruptor e uma lâmpada incandescente. As linhas no diagrama representam condutores metálicos (fios) que conectam as partes entre si formando o circuito completo.

Um circuito elétrico é necessariamente um percurso fechado. Na lanterna, o fechamento do interruptor completa o circuito, permitindo a passagem da corrente elétrica.

Lanternas às vezes falham! Isso acontece quando as partes metálicas do interruptor ou da lâmpada não entram efetivamente em contato (devido à sujeiras ou ferrugens), quando a lâmpada "queima" (interrupção em seu filamento) ou quando as pilhas "pifam" (esgotam suas energias químicas armazenadas, popularmente, ficam 'descarregadas'). Em qualquer um desses casos, o circuito estará incompleto.

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Corrente elétrica

Uma corrente elétrica é um fluxo ordenado de partículas carregadas (partículas dotadas de carga elétrica). Em um fio de cobre, a corrente elétrica é formada por minúsculas partículas dotadas de carga elétrica negativa, denominadas elétrons -- eles são os portadores da carga elétrica.

No fio de cobre (ou de qualquer outro metal) os elétrons naturalmente lá existentes vagueiam desordenadamente (têm sentidos de movimentos aleatórios) até que, por alguma ordem externa, alguns deles passam a caminhar ordenadamente (todos no mesmo sentido) constituindo a corrente elétrica. A intensidade dessa corrente elétrica vai depender de quantos desses portadores, em movimento bem organizado passam, por segundo, por um região desse fio.

A corrente elétrica, num circuito, é representada pela letra I e sua intensidade poderá ser expressa em ampères (símbolo A), em miliampères (símbolo mA) ou outros submúltiplos tal qual o microampères (símbolo mA).

Um ampère (1 A) é uma intensidade de corrente elétrica que indica a passagem de 6,2x1018 elétrons, a cada segundo, em qualquer seção do fio. Esses 6,2x1018 elétrons (uma quantidade que escapa ao nosso pensamento) transportam uma carga elétrica total cujo valor é de um coulomb (1 C). 'coulomb'(símbolo C) é a unidade com que se medem as quantidades de cargas elétricas.

Se indicarmos a quantidade total de carga elétrica que passa pela seção de um fio por Q (medida em coulombs) e o intervalo de tempo que ela leva para passar por essa seção por Dt (medido em segundos), a intensidade de corrente elétrica I (medida em ampères) será calculada por:

I = Q : Dt

Conversões:
1 A = 1 000 mA = 1 000 000
mA Þ 1 A = 103 mA = 106 mA

1 mA = 1/1 000 A = 1 000 mA Þ 1 mA = 10-3 A = 103 mA

1 mA = 1/1 000 000 A = 1/1000 mA Þ 1 mA = 10-6 A = 10-3 mA

Entendeu mesmo? ....

Ö O que uma "corrente elétrica" significa para você?

Ö Que unidade é usada para medir essas correntes? Quais os submúltiplos dela?

Ö Através de que materiais a corrente pode fluir facilmente?

Ö Cite alguns materiais que atrapalham ou mesmo impedem o fluxo de corrente elétrica através deles.

Ö O que é um circuito elétrico?

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Tensão elétrica

Ö No circuito da lanterna, o que provoca a circulação da corrente?

É algo produzido pelas células voltaicas (as pilhas). Esse algo, causa da corrente elétrica, é a tensão elétrica ou diferença de potencial (d.d.p.) que surge entre os terminais da pilha (pólo positivo e pólo negativo).

Vamos explicar isso um pouco mais, não podemos nos contentar com a introdução acima: o que uma pilha realmente faz, quando em funcionamento, é uma conversão de energia; ela converte energia química (que está armazenada nas substâncias químicas que estão dentro dela) em energia elétrica. Quanto de energia química é convertida em energia elétrica, e transferida para cada coulomb de carga elétrica que é movimentado dentro dela, é o que caracteriza a tensão elétrica nos terminais da pilha.
Essa grandeza é indicada pela letra U e é medida na unidade volt (símbolo V).

Assim, falar que a tensão U entre os terminais de uma pilha é de 1,5 V significa dizer que ela fornece 1,5 J de energia elétrica para cada 1,0 C de carga que a atravessa.

Nota: J é o símbolo de joule, a unidade oficial de energia.

Do mesmo modo, falar que a tensão elétrica entre os terminais de uma bateria (associação conveniente de células voltaicas) é de 12 V, significa dizer que: cada 1,0 C de carga elétrica que passa por dentro dela e sai pelo pólo positivo, leva consigo 12 J de energia elétrica. Claro, a energia química da bateria diminui de 12 J e, com o uso contínuo ela irá "pifar", ficar sem energia. O termo popular para isso, lembra-se, é "descarregada".

Se indicarmos por U a tensão nos terminais da pilha (ou bateria etc.), por Q a quantidade de carga elétrica que a atravessa e por E a quantidade de energia que ela fornece para essa carga, teremos:

U = E : Q

Em nosso circuito da lanterna, quando as pilhas estão novas, a tensão fornecida por elas é total, a corrente elétrica circulante é intensa e a lâmpada brilha vivamente. Algum tempo depois, já com mais uso, a tensão fornecida por elas diminui, a intensidade de corrente no circuito diminui e a lâmpada brilha mais fracamente. Eventualmente não acenderá mais; as pilhas "pifaram"!

Cada célula voltaica provê cerca de 1,5 V de tensão entre seus terminais (pólos). Duas células conectadas uma em seguida à outra, em série, (pólo positivo de uma encostado no pólo negativo da outra)proverão cerca de 3,0 V. Três pilhas em série proverão cerca de 4,5 V etc.

Símbolo da pilha e pilhas conectadas em série.

Ö Qual desses arranjos acima faria a lâmpada acender com maior brilho?

Lâmpadas incandescentes são projetadas para funcionarem com uma certa tensão particular (e alguma tolerância) mas, usando uma mesma lâmpada adequada, quanto maior a tensão maior será o seu brilho.

Nota: Há um código de cores nas pérolas das pequenas lâmpadas incandescentes. A "pérola" é aquela bolinha de vidro dentro da lâmpada que sustenta os fios que vão ao filamento.

Ö Você já reparou nisso? De que cor é a pérola da lâmpada em sua lanterna de duas pilhas (3 V)?

Como já salientamos, no sentido exato, uma bateria consiste no arranjo conveniente de duas ou mais células voltaicas. Esses arranjos (ou associações) podem ser em série, em paralelo ou mista (combinações adequadas de séries e paralelos).
Observe essas associações:

Células associadas em série, paralelo e mista.

Uma célula individual pode prover uma pequena intensidade de corrente por muito tempo, ou uma grande intensidade por pouco tempo. Conectando-se as células em série aumentamos a tensão elétrica total disponível, mas isso não afeta o tempo de vida útil das células. Por outro lado, se as células (iguais) forem conectadas em paralelo, a tensão não fica afetada, continua os mesmos 1.5 V, mas o tempo de vida da bateria é dobrado.

Uma lâmpada de lanterna percorrida por corrente de intensidade 300 mA (usando pilhas tipo C, alcalinas)deveria funcionar por cerca de 20 horas antes das pilhas esgotarem-se. Isso traduz, de certo modo, o quanto de energia química está armazenada na pilha e quanto de energia elétrica pode ser utilizada até ela "pifar". O linguajar popular chama isso de "capacidade de armazenamento" e é indicado em ampères-hora (A-h).

Exemplificamos: Uma bateria selada para "no-break" trás as indicações ¾ 12V, 7Ah ¾ . Isso indica que ela está capacitada a manter um corrente de intensidade 7A durante 1 h, ou manter uma corrente de intensidade 3,5A durante 2h, ou 1A durante 7h etc.

Fazendo experiências com pilhas: pilhas são assuntos da Química, especificamente da Eletroquímica. Didaticamente, a química desenvolve esse assunto a partir da pilha de Daniel onde, em particular discute-se a eletrólise. A eletrólise você pode encontrar em nossas Salas de Exposições, Sala da Química - Foguete - Eletrólise. Nessa mesma Sala você encontrará o experimento sobre, 'como fazer pilhas com batatas' e colocar relógio digital em funcionamento usando as 'baterias de batatas' ou, permitam-me, as "bataterias".

Entendeu mesmo? ....

Ö O que é tensão elétrica ou diferença de potencial?

Ö O que é uma bateria?

Ö Em que unidade(s) mede(m)-se a 'capacidade de armazenamento' de uma célula?

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O sentido convencional da corrente elétrica

Um terminal (pólo) de uma célula (pilha) ou bateria é positivo, enquanto o outro é negativo. É conveniente pensar em corrente elétrica como algo fluindo do pólo positivo para o pólo negativo. Esse sentido de percurso (do + para o -) é denominado sentido convencional da corrente elétrica. Setas colocadas nos diagramas sempre indicam esse sentido convencional. Porém, você deve ficar atento que esse só seria o sentido correto se o fluxo ordenado (corrente) fosse constituído por partículas com carga positiva.

Em um fio de cobre, os portadores de carga elétrica são os elétrons. Elétrons são
negativamente-carregados e então devem fluir do negativo para o positivo. Isto significa que, realmente, o sentido do fluxo de elétron é oposto ao escolhido como "sentido da corrente convencional".

A corrente elétrica nos mais variados sistemas elétricos e eletrônicos envolve freqüentemente três espécies de portadores de cargas elétricas: os elétrons (-), os ânions (íons negativos) e os cátions (íons positivos). Como exemplo, em transistores, a corrente é formada por fluxos ordenados de elétrons (todos num mesmo sentido) e por "buracos" (todos em sentido oposto ao dos elétrons) que se comportam como portadores de carga positiva.

Quando o comportamento de um circuito elétrico/eletrônico está sendo analisado, de modo geral, não interessa saber que tipo de portador (com carga positiva ou com carga negativa)está participando da corrente elétrica. Em alguns casos, no eletromagnetismo por exemplo, esse conhecimento é indispensável para que possa ser previsto com precisão o efeito da corrente elétrica.

Uma pilha provê uma tensão elétrica com polaridade fixa (o pólo positivo nunca ficará negativo e vice-versa), de forma que fluxo da corrente se dará sempre no mesmo sentido. Por isso ela é denominada corrente contínua ou CC, em contraste com a corrente elétrica domiciliar, que é mantida por um gerador que provê tensão elétrica constantemente variável. A polaridade nos terminais desse tipo de gerador é tal que a corrente inverte seu sentido de percurso 60 vezes a cada segundo de funcionamento. Isso dá lugar a uma corrente alternada ou AC. Nela, os portadores de carga elétrica invertem seu sentido de percurso, num incessante vai-vem.

Entendeu mesmo? ....

Ö O que é "sentido convencional da corrente elétrica"?

Ö O comportamento dos circuitos eletrônicos pode ser sempre analisado com precisão ao assumirmos para a corrente esse sentido convencional?

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Resistência elétrica

Se interligarmos diretamente o pólo positivo de uma bateria automotiva com seu pólo negativo mediante um grosso fio de cobre, iremos conseguir uma corrente elétrica de enorme intensidade durante um curto intervalo de tempo. Em alguns segundos o interior da bateria começará a ferver!

Em uma lanterna não acontece isso. Parte do circuito da lanterna limita o fluxo de cargas, mantendo a intensidade da corrente com valores adequados. Algumas outras partes não afetam substancialmente esse fluxo. A propriedade elétrica dessas partes, umas dificultando o fluxo de cargas e outras não, caracterizam uma grandeza denominada resistência elétrica.

A mola, as lâminas do interruptor e as conexões da lâmpada são feitas de metal apropriado, de considerável espessura, oferecendo uma baixa resistência à corrente elétrica. Por outro lado, o filamento da lâmpada é feito com outro material (tungstênio) e de pequena espessura, oferecendo uma alta resistência à corrente elétrica. O fluxo de cargas através desse trecho de grande resistência (o filamento) causa um grande aquecimento que o leva ao brilho-branco, o qual passa a emitir luz visível. No ar, esse filamento se oxidaria de imediato (combustão) e seria volatilizado. Para impedir isso, todo ar é retirado de dentro do bulbo da lâmpada e substituído por um outro gás não oxidante.

A resistência elétrica (R) dos condutores, ou seja, quanto de dificuldade eles impõem à passagem da corrente elétrica, é medida em ohms (símbolo W ).

Ö Se uma bateria feita com duas pilhas tamanho C, em série, provê uma tensão elétrica U = 3 V, nos terminais de uma lâmpada incandescente, mantendo uma corrente elétrica de intensidade I = 300 mA = 0,3 A, qual a resistência elétrica R desse filamento?

Isso é calculado assim, e mais adiante verá o porque:

R = U : I = 3V : 0,3A = 10W

Os valores de resistências elétricas que participam de circuitos eletrônicos podem variar desde alguns ohms, passar pelos milhares de ohms (quiloohms) e chegar aos megaohms.

Os componentes eletrônicos projetados com o propósito de oferecerem resistência elétrica de valores particulares são chamados de resistores.

Nota importante: Conceituar 'resistência elétrica' em termos de 'dificuldade' ou 'oposição' á passagem da corrente elétrica é apenas uma técnica macroscópica e simplista para contornar a conceituação microscópica dos efeitos observados quando portadores de carga elétrica interagem com a matéria. As partículas constituintes da corrente elétrica (portadores) chocam-se (interação de campos) com as partículas do próprio condutor. O número de choques por unidade de volume é o conceito fiel e microscópico para a grandeza "resistência elétrica'. 
A grande façanha da lei de Ohm, conforme pode ser demonstrado, é que o resultado da 'operação' U/I (duas grandezas de fácil medição) é justamente a medida do número de choques por unidade de volume (uma contagem de difícil realização prática).

Entendeu mesmo? ....

Ö Que partes da lanterna limita o fluxo da corrente?

Ö Que unidade é usadas para a medida da resistência elétrica de um condutor? Quais seus múltiplos?

Ö Que símbolos gráficos são usados habitualmente para representar:

  1. diferença de potencial (tensão)?

  2. intensidade de corrente elétrica?

  3. resistência elétrica de um condutor?

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A lei de Ohm

A relação entre a intensidade da corrente elétrica (I), a tensão elétrica (U) e a resistência elétrica (R) foi descoberta por Georg Simon Ohm. Ele fez seus próprios fios resistores. Com eles, conseguiu mostrar que a intensidade da corrente depende de seus comprimentos e de suas espessuras, quando a tensão sobre eles e a temperatura são mantidos constantes.

Suas observações (a,b,c),feitas sob tensão e temperatura constantes, foram as seguintes:

(1) A intensidade da corrente elétrica diminui quando se aumenta o comprimento do fio, sem alterar sua espessura.

    R aumenta quando o comprimento do fio aumenta.

(2) A intensidade da corrente elétrica aumenta conforme se aumenta a espessura do fio, sem alterar seu comprimento.

    R diminui quando a espessura do fio aumenta.

(3) Com comprimento e espessura constantes, a intensidade da corrente se altera quando se substitui um material condutor por outro.

R depende do material de que é feito o fio.

(4) Usando-se sempre o mesmo fio, mantido à temperatura constante, a intensidade da corrente aumenta quando se aumenta a tensão aplicada.

Dessas observações, Ohm conclui que, se a temperatura for mantida constante, a relação

Tensão elétrica : corrente elétrica   ou  U : I

mantinha-se constante para qualquer fio particular. Essa constante é exatamente o valor da resistência elétrica do fio em questão.

Em símbolos:

U : I = constante = R

Reorganizando a lei de Ohm podemos obter duas expressões adicionais:

U = R.I     e     I = U : R

Escrita dessa última forma, a lei de Ohm estabelece que, sob temperatura constante, a intensidade de corrente que circula por um material é diretamente proporcional à tensão elétrica (d.d.p.) aplicada e inversamente proporcional à sua resistência elétrica.

Essas equações simples são fundamentais para a Eletrônica e, uma vez que você aprenda a usá-las corretamente, verá que constituem chaves para resolução de delicados problemas sobre circuitos elétricos.

Nota: Por motivos que será oportunamente explicado (potencial elétrico), evite escrever a lei de Ohm sob a forma V = R.I. A letra 'V' refere-se a UM potencial elétrico e, resistor não funciona sob a ação de UM potencial elétrico e sim sob a ação de um diferença de potenciais elétricos. Sob esse prisma, será perfeitamente válido escrever V - V'= R.I, onde V - V' indica uma diferença de potenciais elétricos (d.d.p.).

Entendeu mesmo? ....

Ö Uma d.d.p.(tensão) aplicada entre os extremos de um fio é mantida constante. Se a resistência desse fio, devido a uma causa qualquer, diminuir, a intensidade de corrente através dele Ü ............... (aumenta / diminui / não se altera).

Ö Se a d.d.p.(tensão) aplicada sobre um fio é aumentada, sem alterar sua resistência elétrica então, a intensidade de corrente através dele deve Ü .................... (aumentar / diminuir / permanecer a mesma).

Ö Calcule a resistência elétrica do filamento de uma pequena lâmpada sabendo-se que, sob tensão de 4,5 V (três pilhas conectadas em série), a intensidade de corrente através dele é de 150 mA.

Ö No circuito acima, que interruptor(es) deve(m) ser fechado(s) para:

a) acender só a lâmpada L1?
b) acender só a lâmpada L2?
c) acender as lâmpadas L1 e L2?

Ö O que acontecerá com as lâmpadas L1 e L2 se os interruptores S1, S2 e S3 forem fechados todos ao mesmo tempo? Por que essa ação deve ser evitada?

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