Circuitos de Corrente Contínua

Transcrição

Conceitos básicos de eletricidade
Fundamentos de Eletrostática
Potencial, Diferença de Potencial, Corrente
Tipos de Materiais
Circuito Elétrico
Resistores

Uso Racional de Energia no Meio Rural – FCA/2004
1
Lei de Ohm
Potência e Energia Elétrica
Circuitos Série
Circuitos Paralelo

2
Conceitos Básicos
Eletricidade
Eletrostática
Eletrostática
Eletrodinâmica
Eletrodinâmica
Cargas elétricas em
repouso em um corpo
Movimento dos
elétrons livres de um
átomo para outro
3
Fundamentos da Eletrostática
Em estado natural,
qualquer porção de
matéria é
eletricamente neutra
EQUILÍBRIO
EQUILÍBRIO
ESTÁTICO
ESTÁTICO
4
Eletrização
Eletrização
Processo pelo qual
altera-se a condição
de equilíbrio estático
POSITIVA: Quando o
corpo perde elétrons
NEGATIVA: Quando
o corpo ganha elétrons
¾ Por indução
Como
Como um
um corpo
corpo se
se eletriza?
eletriza?
¾ Por atrito
¾ Por contato
5
Cargas
Cargas de
de sinais
sinais opostos
opostos
+
ATRAÇÃO
ATRAÇÃO
–
6
Cargas
Cargas de
de sinais
sinais iguais
iguais
+
+
REPULSÃO
REPULSÃO
–
7
–
Descarga Elétrica
Os elétrons em excesso de um corpo são atraídos para
outro corpo que tenha falta de elétrons, quando estes se
tocam, causando uma DESCARGA POR CONTATO.
Se a diferença de carga
for grande, a
transferência das cargas
pode ocorrer pelo ar,
formando um arco.
Exemplo: raios em uma
tempestade.
8
Potencial Elétrico
Um corpo com uma intensa eletrização tem maior
Energia Potencial, ou maior POTENCIAL ELÉTRICO
que outro que tenha fraca eletrização, podendo portanto
realizar mais trabalho.
Quantidade de carga elétrica de um corpo (Q) =
Nº de Prótons – Nº de Elétrons
Carga de 1 elétron: Q(1e-) = 1,6 x 10-19 Coulomb
9
Diferença de Potencial
Também conhecida como ddp ou TENSÃO é a
comparação entre os potenciais elétricos de 2 corpos,
que podem ter cargas iguais ou diferentes. Exemplos:
ddp
ddp
ddp
+
–
++
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
– –
–
–
–
–
–
–
ddp
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
1
0
neutro
–
–
–
–
+
+
+
+
Tensão Elétrica
¾ Grandeza gerada a partir do desequilíbrio de
potencial entre 2 pontos, conhecidos como Pólos
¾ Símbolo: letra “ V ”
¾ Por se tratar de uma grandeza elétrica, pode ser
medida e a unidade de medida é “ Volt ”
Como
Como pode-se
pode-se
gerar
gerar tensão?
tensão?
¾Por ação térmica
¾Por ação da luz
¾Por ação mecânica
¾Por ação magnética
¾Por ação química
11
Bateria
Neste arranjo ocorre uma reação química, onde o eletrólito
(ácido) faz com que os átomos do zinco fiquem com
excesso de elétrons, e os de cobre com a falta de elétrons,
causando um desequilíbrio elétrico. Por ter polaridade fixa,
é uma FONTE DE TENSÃO CONTÍNUA.
–
+
eletrólito
ou solução
iônica
cobre
+
–
+
–
+
–
zinco
12
Corrente Elétrica
¾ É o fundamento da ELETRODINÂMICA
¾ Consiste em um movimento orientado de cargas,
provocado pelo desequilíbrio elétrico (tensão
elétrica). É a forma pela qual os corpos tentam
restabelecer o equilíbrio elétrico.
¾ Símbolo: letra “ I ”
¾ Por se tratar de uma grandeza elétrica, pode ser
medida e a unidade de medida é:
Ampère [A] = Coulomb/segundos
13
Sentido da Corrente Elétrica
¾ O sentido do movimento real de cargas é do
terminal negativo da fonte (ponto de menor potencial)
para o terminal positivo da fonte (ponto de maior
potencial), conforme esquema:
elétrons
+
–
14
¾ O sentido do movimento convencional de cargas é
o contrário do movimento real, ou seja, do terminal
positivo ao terminal negativo da fonte, passando pela
carga.
elétrons
+
–
15
¾ O sentido do movimento convencional de cargas é
o contrário do movimento real, ou seja, do terminal
positivo ao terminal negativo da fonte, passando pela
carga.
corrente convencional
+
–
16
Tipos de Materiais Elétricos
Isolantes
Isolantes
Possuem elétrons fortemente ligados ao núcleo de
seus átomos, dificultando sua movimentação e
oferecendo alta resistência à circulação de
corrente. Ex: plástico, teflon, borracha, etc.
17
Tipos de Materiais Elétricos
Condutores
Condutores
Possuem elétrons fracamente ligados ao núcleo de
seus átomos, o que facilita sua movimentação e
oferece baixa resistência à circulação de corrente.
Ex: cobre, prata, ouro, alumínio, etc.
18
Circuito Elétrico
¾ É o caminho fechado por onde circula a CORRENTE
ELÉTRICA
¾ Caso o movimento das cargas elétricas seja sempre no
mesmo sentido, o circuito elétrico é chamado de
CIRCUITO DE CORRENTE CONTÍNUA (CC ou DC)
19
Circuito Elétrico
¾ É constituído basicamente de 4 partes:
1. Fonte de Tensão: bateria, gerador
2. Condutores: fios, trilhas (baixa resistência)
3. Carga: dispositivo que utiliza a energia elétrica
4. Dispositivo de controle: chave, fusível, disjuntor
20
Circuito Elétrico
¾ Exemplo de Desenho Esquemático:
21
O Símbolo do Terra
¾ Indica um ponto comum onde algumas das partes
constituintes do circuito estão ligadas. Exemplo:
22
Resistência (Resistor)
¾ É um componente dos circuitos elétricos que representa
uma oposição ao fluxo de corrente
¾ Caso tenha valor conhecido e bem definido é chamado
de Resistor Fixo.
Símbolo:
¾ Também pode ser de valor ajustável, sendo chamado de
Potenciômetro ou Reostato.
Símbolo:
¾ Unidade no S.I. : Ohm [Ω]
23
Lei de Ohm
¾ A corrente em um circuito resistivo é igual à relação
tensão/corrente
V
I = ⇒ V = R.I
R
24
Lei de Ohm
Exemplo: Calcular a corrente do circuito resistivo abaixo.
+
V= 20V
Solução:
–
V
I=
R
R= 5Ω
20V
⇒I =
= 4A
5Ω
25
Lei de Ohm
Exemplo: Calcular a resistência de filamento de uma
lâmpada que é ligada em um circuito de corrente contínua
conforme esquema:
+
V= 120V
–
I= 2A
V
V
Solução: I = ⇒ R =
R
I
120V
⇒R=
= 60Ω
2A
26
Potência Elétrica
¾ É a medida da energia elétrica transferida da fonte
de alimentação para a carga, por unidade de tempo.
¾ É equivalente ao trabalho realizado pela energia
potencial da fonte de alimentação dentro de um
intervalo de tempo.
¾ Símbolo: letra “ P ”
¾ Por se tratar de grandeza elétrica, pode ser medida
e a unidade de medida no Sistema Internacional é:
Watt [W] = Joule/segundos
27
Potência Elétrica
Expressão para o cálculo da potência CC
P = V .I
Usando-se a Lei de Ohm, a expressão para o cáclulo
da potência CC pode ser reescrita como:
P = ( R.I ).I ⇒ P = R.I 2
ou
V
V2
P = R( ) ⇒ P =
R
R
28
Potência Elétrica
Exemplo: Calcular a potência elétrica consumida por um
resistor de 100Ω que está sendo percorrido por uma
corrente de 200mA.
+
V
–
Solução:
P = R.I 2
200 mA
R = 100Ω
⇒ P = 100 x (0,20) 2 = 4W
29
Potência Elétrica
Exemplo: Considere um circuito resistivo onde o gerador
fornece 20A de corrente, com uma tensão CC de 240V.
Qual é a potência consumida pelo circuito?
+
V = 240V
–
20 A
carga
resistiva
Solução:
P = V .I
⇒ P = 240 x 20 = 4800W = 4,8 kW
30
Energia Elétrica
¾ Como a Potência Elétrica é a energia (fornecida ou
consumida) por unidade de tempo, pode-se calcular a
Energia Elétrica (w) a partir da potência e do tempo.
¾ A unidade de energia no Sistema Internacional é
“ Joule ”:
w
P = ⇒ w = P.t ⇒ [J] = [Watt].[seg]
t
31
Energia Elétrica
¾ Em eletricidade, por conta da ordem de grandeza da
energia medida, usa-se:
w = P.t ⇒ [w] = [kiloWatt].[hora]
¾ Ou seja, usa-se a unidade conhecida como
KiloWatt-Hora (kWh) para medidas de Energia
Elétrica.
32
Energia Elétrica
Exemplo: Considere uma lâmpada incandescente de 60W
ligada em um circuito CC, alimentada por uma tensão de
120V. Calcule a resistência elétrica da lâmpada, a corrente
que percorre o circuito e a energia consumida pela lâmpada
caso ela fique ligada durante 24h.
P = 60W
+
V= 120V
–
I
33
Energia Elétrica
P = 60W
+
V= 120V
–
I
Solução:
¾ Pela expressão da potência, pode-se calcular a
resistência de filamento da lâmpada:
V2
1202
V2
⇒ R=
⇒ R=
⇒ R = 240Ω
P=
P
60
R
34
Energia Elétrica
P = 60W
+
V= 120V
–
I
Solução:
¾ Pela Lei de Ohm, pode-se calcular a corrente que
percorre o circuito:
120
V
⇒ I=
⇒ I = 0,5 A
I=
240
R
35
Energia Elétrica
P = 60W
+
V= 120V
–
I
Solução:
¾ Pela expressão da energia, pode-se calcular o
consumo:
w = P.t ⇒ w = 0,060 x 24 ⇒ w = 1,44 kWh
36
Circuito Série
¾ Um circuito série é aquele que permite somente um
percurso para a passagem da corrente
¾A corrente “ I ” é a mesma em todos os pontos do circuito
R1
+
V
–
I
I
I
I
R2
R3
37
Circuito Série
R1
+
V
–
I
I
I
I
R3
¾ A resistência total é a soma das resistências do
circuito (associação-série): RT = R1 + R2 + R3
¾ A tensão total é a soma das tensões nos terminais
dos resistores em série:
V = V1 + V2 + V3
38
R2
Circuito Série
+
V
–
R1
+ V
1
– V3
I
I
–
+
R2
–
I
V2
+
R3
A tensão nos terminais de carga de cada resistor é
calculada pela Lei de Ohm:
V1 = R1.I
V2 = R2 .I
V3 = R3 .I
39
Circuito Série
+
V
–
R1
+ V
1
– V3
I
I
–
+
R2
–
I
V2
+
R3
POLARIDADES: As quedas de tensão nos terminais
de cada resistor têm as polaridades definidas pelo
sentido da corrente convencional, que circula do
terminal de maior potencial (+) para o de menor
potencial (–) na carga.
40
Circuito Série
+
V
–
R1
+ V
1
– V3
I
I
–
+ R2
V2
+
–
I
R3
POTÊNCIA: A potência total fornecida pela fonte de
alimentação é igual à soma das potências consumidas
pelos resistores de carga:
PT = P1 + P2 + P3 = V .I = (V1 + V2 + V3 ).I
41
42
Circuito Série - exemplo
Considere o circuito em série
com 3 resistores da figura ao
lado e calcule:
a) A resistência equivalente,
b) A corrente,
c) A potência em cada resistor e
a potência total,
d) As quedas de tensão em cada
resistor.
43
a) Resistência equivalente:
RT = R1 + R2 + R3 = 5 + 10 + 7 = 22Ω
b) Corrente:
I=
V 110
=
⇒ I = 5A
RT 22
c) Potência em cada resistor:
P1 = R1.I 2 = 5 x 52 = 125W
P2 = R2 .I 2 = 10 x 52 = 250 W
P3 = R3 .I 2 = 7 x 52 = 175W
44
c) Potência total:
PT = RT .I 2 = 22 x 52 = 550 W
ou
V 2 1102
=
⇒ PT = 550 W
PT =
RT
22
d) Quedas de tensão em cada resistor:
V1 = R1.I = 5 x 5 = 25 V
V2 = R2 .I = 10 x 5 = 50 V
V3 = R3 .I = 7 x 5 = 35 V
45
46
Calcule as resistências R1 e R2 do divisor resistivo
apresentado na figura abaixo, para que a tensão no ponto
entre elas seja +5V em relação ao terra do circuito.
47
Solução:
V
5
V
= 50Ω
I = 2 ⇒ R2 = 2 =
I 0,1
R2
VT − 5
12 − 5
⇒ R1 =
= 70Ω
I=
R1
0,1
48
49
Circuito Paralelo
¾ Um circuito CC paralelo é aquele no qual a corrente
fornecida pela fonte de alimentação é dividida em dois ou
mais ramos (malhas), podendo assumir diferentes valores
ou valores iguais, dependendo da resistência oferecida pela
malha do circuito.
50
Circuito Paralelo
¾ Neste exemplo, a tensões nos terminais dos
resistores de carga em paralelo são iguais:
V = V1 = V2 = V3
51
Circuito Paralelo
¾ E soma das correntes nos diferentes ramos é igual
à corrente total fornecida pela fonte de alimentação:
I T = I1 + I 2 + I 3
52
Circuito Paralelo
¾ Se as resistências forem iguais, as correntes I1, I2 e I3
também serão iguais;
53
Circuito Paralelo
¾ Se as resistências tiverem valores diferentes, as correntes
também são diferentes e podem ser calculadas pela Lei de
Ohm, a partir da tensão da fonte (V) e dos valores das
resistências:
V
I1 =
R1
V
I2 =
R2
V
I3 =
R3
54
Circuito Paralelo
POTÊNCIA: A potência total fornecida pela fonte de
alimentação é igual à soma das potências consumidas
pelos resistores de carga, como no circuito série:
PT = P1 + P2 + P3 = IT .V = ( I1 + I 2 + I 3 ).V
55
56
Circuito Paralelo - exemplo
Considere uma cozinha com alimentação em CC e
diversos aparelhos conectados às tomadas conforme a
figura. Calcule as correntes elétricas em cada aparelho, a
potência que o circuito deve suportar e o consumo caso
todas as cargas sejam ligadas simultaneamente durante 2h.
57
¾ Primeiramente, esquematiza-se o circuito conforme
a figura abaixo, onde é possível observar as 3 cargas
resistivas ligadas em paralelo:
58
Solução:
¾ Aplicando-se a Lei de Ohm, calculam-se as
correntes nos ramos do circuito:
V 120
I1 = =
= 8A
R1 15
V 120
I2 =
=
= 8A
R2 15
I3 =
V 120
=
= 10 A
R3 12
59
Solução:
¾ A potência que o circuito deve suportar é a soma
das potências de cada aparelho:
PT = P1 + P2 + P3 = ( I1 + I 2 + I 3 ).V = (8 + 8 + 10).120 = 3120 W
60
Solução:
¾ Caso todos os aparelhos fiquem ligados durante 2h,
juntos irão consumir energia elétrica equivalente a:
w = P.t ⇒ w = 3,120 x 2 ⇒ w = 6,24 kWh
61
Circuito Paralelo
¾ A resistência total em um circuito paralelo
(associação-paralelo) pode ser calculada pela expressão:
1
1 1 1
1
= + + + ... +
RT R1 R2 R3
Rn
considerando-se n resistências associadas em paralelo.
62
Para o mesmo circuito do exemplo anterior, recalcule a
corrente total, utilizando a expressão da resistência
equivalente em paralelo.
63
Solução:
1
1 1 1
1
1 1 1
= + + ⇒
= + +
RT R1 R2 R3
RT 15 15 12
1
39
⇒
=
⇒ RT = 4,615Ω
RT 180
V
120
IT =
=
= 26 A
RT 4,615
64
65
Circuito Paralelo
Exemplo: Calcule as correntes I1 e I2 nos ramos do circuito
paralelo da figura abaixo, para os valores fornecidos de
corrente total e resistência.
66
Circuito Paralelo
Solução:
Calcula-se a resistência equivalente, a tensão
alimentação e, em seguida, as correntes I1 e I2 :
1
1 1
1 1 1
= + ⇒
= + ⇒ RT = 2Ω
RT R1 R2
RT 3 6
67
de
Circuito Paralelo
Solução:
Calcula-se a resistência equivalente, a tensão
alimentação e, em seguida, as correntes I1 e I2 :
de
V 36

 I1 = R = 3 = 12 A

1
RT = 2Ω ⇒ V = R.I = 2 x 18 = 36V ⇒ 
 I = V = 36 = 6 A
 2 R2
6
68
69