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formação
eletrotecnia básica leis gerais do circuito elétrico 2.ª PARTE
José V. C. Matias Licenciado em Engenharia Eletrotécnica (IST) Professor do Ensino Secundário Técnico Autor de Livros Técnico-Didáticos de Eletricidade e Eletrónica
4. CORRENTE CONTÍNUA C
4.1. Sentido real e sentido convencional Conforme é sabido e já foi referido são os eletrões que se deslocam nos condutores e não os protões, os quais estão fixos no núcleo dos átomos. O sentido real da corrente é o verdadeiro sentido do movimento dos eletrões, do corpo (ou terminal) com potencial negativo para o positivo, conforme se sugere na Figura 9. Antigamente, quando se conhecia mal o fenómeno, a corrente elétrica era representada do potencial positivo para o negativo, pois consideravam que eram cargas positivas que se deslocavam. A este sentido da corrente, contrário ao sentido real, dá-se o nome de sentido convencional. O sentido convencional ainda é hoje utilizado nos esquemas, por comodidade de análise de circuitos e estabelecimento das equações elétricas.
Sentido real –
+ –
Sentido convencional –
+ + FIGURA 9. SENTIDO REAL E SENTIDO CONVENCIONAL.
Daqui em diante, iremos utilizar o sentido convencional da corrente, desde que nada seja dito em contrário.
4.2. Gerador de Corrente Contínua. Força eletromotriz A Corrente Contínua é, como se disse, uma corrente unidirecional de valor constante, ao longo do tempo. Para manter constante o valor da corrente existe o gerador de Corrente Contínua que pode ser uma pilha, uma bateria (associação de pilhas) ou mesmo um dínamo. Atualmente, utilizam-se aparelhos chamados simplesmente “fontes de alimentação”, construídas à base de dispositivos eletrónicos e que nos permitem regular facilmente a tensão elétrica para o valor requerido. Na Figura 10 representa-se um gerador a alimentar uma lâmpada de incandescência. Vejamos então o princípio de funcionamento do gerador de Corrente Contínua! Um gerador é, por definição, um aparelho que mantém constante a diferença de potencial U aos seus terminais. www.oelectricista.pt o electricista 51
Gerador +
A
+
E
L
–
Lâmpada B
U – C
FIGURA 10. CIRCUITO ELÉTRICO CONSTITUÍDO POR GERADOR E UMA LÂMPADA: E – FORÇA ELETROMOTRIZ DO GERADOR; U – DIFERENÇA DE POTENCIAL AOS TERMINAIS DO GERADOR.
Quando ligamos o terminal positivo do gerador ao terminal A da lâmpada e o terminal negativo do gerador ao terminal B da lâmpada, vai haver movimento de cargas elétricas de um terminal para o outro, através dos condutores e percorrendo a lâmpada. De acordo com o sentido convencional da corrente, “deslocar ‑se-ão” cargas positivas do terminal positivo em direção ao negativo (segundo o sentido real serão eletrões em sentido contrário). Ora, se não existisse gerador, as cargas deslocavam-se uma única vez, equilibravam-se os potenciais elétricos e a corrente terminava ao fim de pouco tempo. O gerador tem exatamente a função de repor novamente a diferença de potencial original, deslocando internamente cargas positivas do terminal negativo para o positivo, mantendo assim constante a diferença de potencial ou tensão elétrica U. A esta força do gerador que desloca internamente as cargas elétricas de forma a manter a diferença de potencial, dá-se o nome de força eletromotriz E. A força eletromotriz é, também, expressa em volts (V). Desta forma, a lâmpada é alimentada continuamente, com um valor de corrente constante. O gerador é comparado à bomba de água que vai repondo água num depósito A (a um nível superior) que está a verter água para um outro depósito B colocado a um nível inferior, tal como se sugere na Figura 11. Se não existisse a bomba, a água do depósito A passava rapidamente para o depósito B, até igualarem os níveis, situação em que deixava de haver corrente de água. O gerador tem o mesmo papel no circuito elétrico. Na Figura 12 representam-se os símbolos do gerador eletrodinâmico ou rotativo (dínamo) e do gerador eletroquímico (pilha ou bateria), ambos de Corrente Contínua.
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eletrotecnia básica I=
Q
ou Q = I . t
t
com: I – intensidade de corrente (amperes – A) Q – quantidade de eletricidade (coulombs – C) t – tempo (segundos – s ) Utilizam-se frequentemente os seguintes submúltiplos: mili (m) = 10 -3 = 0,001 micro (μ) = 10 -6 = 0,000001 nano (n) = 10 -9 pico (p) = 10 -12 e múltiplos: quilo (k) = 103 = 1000 mega (M) = 106 = 1000 000 Ex: 1 μA = 1 microampere = 0,000001 A 1 kV = 1 quilovolt = 1000 V
5. ENERGIA E POTÊNCIA Todos ouvimos diariamente falar em energia e potência. Fala-se em energia elétrica, em energia mecânica, energia do sol, diz-se que estamos com mais ou menos energia, e outros. Isto é, o conceito de energia é muito lato, ou seja, utiliza-se em muitas circunstâncias. Não é, de facto, fácil definir o conceito de energia. Podemos, no entanto, dizer que a energia W é a capacidade que um corpo tem de produzir trabalho. Produz-se trabalho quando se modifica o estado físico, químico ou de movimento ou repouso de um corpo. Por exemplo, produzimos trabalho quando levantamos um peso, subimos umas escadas, transportamos uma mala, empurramos um carro, entre outros. Em qualquer das situações exercemos uma ação sobre algo. Para produzir qualquer dos trabalhos tivemos de despender energia. A energia que despendemos vamos buscá-la aos alimentos. Os alimentos, por sua vez, receberam, em última análise, a energia do sol, isto é, a energia transforma-se em diferentes formas. Portanto, quando falamos em energia, estamos a falar num conceito que assume diferentes formas. A potência P é, por definição, a energia despendida na unidade de tempo: P=
W t
com: W – energia ( Joules – J) P – potência (watts – W) t – tempo (segundos – s) Tal como existem diferentes formas de energia, também existem as diferentes potências correspondentes, nomeadamente: potência elétrica, potência mecânica, potência calorífica. Mais adiante, voltaremos a falar sobre o assunto.
A que é devida, afinal, a resistência elétrica de cada material? Como se sabe, quando os eletrões se deslocam num condutor ou num recetor, eles chocam (colidem) com os átomos circundantes, o que prejudica o fluir normal da corrente, constituindo um obstáculo ao seu percurso. Os diferentes materiais têm, evidentemente, estruturas atómicas e moleculares diferentes entre si e, portanto, também diferentes “resistências elétricas”. Quanto mais comprido for o condutor maior será também o número de choques entre eletrões e átomos; quanto menor for a secção do condutor mais dificuldade têm os eletrões em se movimentarem. Concluímos, portanto, que a resistência elétrica R de um condutor depende essencialmente de três fatores: • natureza do condutor (resistividade elétrica ρ); • comprimento do condutor (ℓ); • secção do condutor (S). ℓ
S
Demonstra-se facilmente, no laboratório ou nas oficinas, que a resistência elétrica de um condutor varia diretamente com a sua resistividade elétrica e com o seu comprimento e inversamente com a sua secção, isto é: R=ρ
ℓ S
FIGURA 14. A RESISTÊNCIA ELÉTRICA DE UM CONDUTOR É CALCULADA POR R = ρ ℓ/S.
Com as seguintes unidades, no Sistema Internacional (S.I.): R – resistência elétrica (ohms – Ω) ρ – resistividade elétrica (ohms por metro – Ω . m-1) ℓ – comprimento do condutor (metros – m) S – secção do condutor (metros quadrados – m2) Visto que as Tabelas indicam normalmente a secção em milímetros quadrados (mm2), então utilizam-se como unidades práticas, na fórmula anterior: S – secção (milímetros quadrados – mm2) ρ – resistividade elétrica (ohms . milímetros quadrados / metro – Ω . mm2/ m) Da expressão anterior, deduzem-se as seguintes expressões matemáticas: ℓ=
RS ρ
; S=
ρℓ R
; ρ=
RS ℓ
Na Figura 16 representa-se o símbolo da resistência elétrica utilizada nos circuitos elétricos. Os diferentes materiais utilizados no fabrico das resistências, bem como as dimensões dos fios ou pistas permitem obter diversificados valores para as mesmas.
6. RESISTÊNCIA ELÉTRICA 6.1. A resistência e a resistividade, elétricas Todos sabemos que existem materiais elétricos que oferecem mais ou menos “resistência elétrica” à passagem da corrente elétrica. Já ouvimos dizer que a prata, o cobre, o ouro ou o alumínio são bons condutores da corrente elétrica e que a borracha, a madeira, o plástico, o vidro, entre outros, são maus condutores da corrente, ou melhor dizendo, são isoladores da corrente elétrica. Estamos, afinal, a dizer que os condutores têm uma resistência elétrica reduzida e que os isoladores têm uma resistência elétrica muito elevada. De entre os condutores, ou de entre os isoladores, a resistência elétrica varia de material para material, pois a estrutura atómica e molecular varia de material para material. www.oelectricista.pt o electricista 51
FIGURA 15. DIVERSAS RESISTÊNCIAS ELÉTRICAS.
R
FIGURA 16. SÍMBOLO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA.