1. CORRENTE ELÉCTRICA/CIRCUITO ELÉCTRICO
1.1. Identificação da corrente eléctrica
Toda a matéria é constituída por partículas denominada átomos. Estes são compostos por um núcleo, que contém protões (cargas positivas) e neutrões (cargas neutras). À volta do núcleo, em órbitas circulares, giram os electrões (cargas negativas).
Figura 1 - O Átomo
A corrente eléctrica não é mais do que um movimento ordenado de electrões livres. Um electrão livre é aquele que saiu da sua órbita por uma força exterior, que pode ser uma carga positiva atraindo o electrão, já que cargas de sinal contrário atraem-se e de sinal igual repelem-se.
1.2. Sentido real e sentido convencional da corrente eléctrica
A corrente eléctrica desloca-se do sinal negativo para o sinal positivo, uma vez que os electrões são cargas negativas e são atraídas pelas cargas positivas. Este é o sentido real, que corresponde ao sentido do movimento dos electrões livres. Convencionou-se no entanto que o sentido da corrente eléctrica é no sentido contrário; do sinal positivo para o negativo; sentido convencional.
Figura 2- Sentido da corrente eléctrica
1.3. Quantidade de electricidade e intensidade de corrente eléctrica
Quantos mais electrões livres se deslocarem, maior será a quantidade de corrente eléctrica, ou seja, maior será a intensidade de corrente eléctrica. Um bilião de electrões farão mais efeitos na sua passagem do que apenas mil electrões como se compreende facilmente.
1.4. Unidades da intensidade de corrente (I) e da quantidade de electricidade (Q) no sistema internacional de pesos e medidas (S.I.)
GRANDEZAS UNIDADES (SI)
nome símbolo nome símbolo
intensidade de corrente eléctrica I ampere A
quantidade de electricidade ou carga eléctrica Q coulomb C
1.5. Tensão eléctrica (d.d.p. ou U) e força electromotriz (f.e.m ou E)
Para existir corrente eléctrica é necessário existir uma tensão eléctrica (ou diferença de potencial - d.d.p.), ou seja, que num dos lados exista excesso de electrões e no outro falta de electrões. Se houver a mesma quantidade de electrões nos dois lados existe um equilíbrio e não teremos intensidade de corrente.
Na bateria de um automóvel dizemos que existe uma tensão de 12 V (volts) entre os seus terminais. Nas nossas casas dizemos que temos aos terminais de uma tomada a tensão de 220 V (se for um sistema monofásico) ou 380 V (se for trifásico).
Assim, a tensão eléctrica é sempre referida a dois pontos; um com excesso de electrões e outro com falta. Quanto maior for essa diferença maior será a tensão eléctrica.
A causa que faz com que exista sempre uma d.d.p. aos terminais de um gerador ou fonte de tensão chama-se força electromotriz. (F.e.m.).
GRANDEZAS UNIDADES (SI)
nome símbolo nome símbolo
diferença de potencial ou tensão eléctrica U volt V
força electromotriz f.e.m. ou E volt V
1.6. Conceito de resistência eléctrica
Os electrões livres nos seus movimentos, encontram obstáculos pelo caminho, que não são mais do que os átomos que constituem o material condutor. Esta oposição à passagem dos electrões livres (corrente eléctrica) chama-se resistência eléctrica (R).
GRANDEZA UNIDADE (SI)
nome símbolo nome símbolo
resistência eléctrica R ohm
1.7. Resistividade, condutores e isoladores
Os materiais terão mais resistência quanto maior for a sua resistividade ( -ró). Estes valores são indicados na tabela nº ?? e dependem da constituição de cada material. Repare que os condutores têm um valor menor de resistividade em relação aos isoladores.
GRANDEZA UNIDADE (PRÁTICA)
nome símbolo nome símbolo
resistividade ohm milímetro quadrado por metro mm2/m
Sendo assim, entende-se por condutores todos os materiais que deixam passar mais facilmente a corrente eléctrica; como exemplo temos o cobre e o alumínio.
Os isoladores são os materias que dificultam a passagem da corrente eléctrica como por exemplo o PVC (policloreto de vinilo) e o vidro.
1.8. Variação da resistência eléctrica com o comprimento e com a secção de um condutor
Como é fácil de compreender, quanto maior for o comprimento de um determinado condutor, maior será a sua resistência á passagem da corrente eléctrica; mais dificuldades terão os electrões na sua passagem uma vez que o “caminho” é mais longo.
Pela mesma lógica quanto mais “fino” (menor secção) tiver o condutor mais resistência oferecerão à passagem da corrente eléctrica.
1.8.1. Cálculo da resistência eléctrica de um condutor (método indirecto)
Pelo exposto poderemos calcular a resistência eléctrica de um condutor conhecendo o seu comprimento, secção e material de que é construído, através da seguinte fórmula:
1.8.2. Exercícios:
1- Calcule a resistência de 20 metros de um condutor de cobre com a secção de 1,5 mm2.
2- Pretende-se identificar o material de um determinado condutor. Sabemos que tem um comprimento de 50 metros uma secção de 1 mm2 e uma resistência de 25 . De que material se trata?
1.9. Identificação dos elementos essenciais do circuito eléctrico
O circuito eléctrico mais simples é composto, pelos seguintes componentes:
. gerador ou fonte de tensão;
. condutores;
. receptor.
Um circuito mais completo deverá possuir além dos componentes anteriores, os seguintes:
. interruptor;
. aparelho de protecção.
Poderá ter ainda:
. aparelhos de medida (por exemplo: voltímetro e amperímetro).
Fig 3 - Circuto eléctrico
Legenda da fig.3:
U - gerador ou fonte de tensão;
R - lâmpada, ou receptor que não é mais do que uma resistência;
i - interruptor, neste caso aberto - circuito interrompido;
f - fusível ou aparelho de protecção que se funde caso a intensidade de corrente ultrapasse o valor previsto;
Condutores - que ligam os diversos componentes; como sabemos os condutores têm resistência eléctrica variando consoante o seu comprimento, secção e resisistividade (e também temperatura); nestes pequenos circuitos a resistência dos condutores é muito baixa podendo, sem grandes erros, desprezar-se. Os condutores devem estar envolvidos por um isolador de modo que as pessoas lhes possam tocar sem a intensidade de corrente passar por elas e não as colocar em perigo;
A - amperímetro, aparelho de medida que serve para medir a intensidade de corrente que passa no circuito;
V - voltímetro, aparelho de medida que mede a diferença de potencial (tensão) aos terminais de dois pontos distintos.
1.10. Função e constituição elementar dos aparelhos de medida
A - Amperímetro, mede a intensidade de corrente eléctrica; deve ligar-se em série, ou seja, a intensidade de corrente tem que entrar por um lado do aparelho e sair pelo outro lado de modo que toda a corrente passe pelo aparelho; deve ter portanto uma resistência interna baixa;
V - Voltímetro, mede a diferença de potencial ou tensão, deve ligar-se em paralelo, ou seja, a entrada do receptor deve coincidir com a entrada do aparelho e a saída do receptor deve coincidir com a saída do aparelho; a intensidade de corrente do circuito não deve passar por este aparelho de modo a não intreferir com os valores de corrente; deve ter portanto uma resistência interna elevada;
- Existe mais um aparelho de medida de uso comum, não fazendo parte do circuito eléctrico, que é o Ohmímetro. Este aparelho mede a resistência eléctrica de um material (método directo). Deve ligar-se aos extremos do receptor ou condutor que se pretende medir mas com esse receptor ou condutor fora do circuito sem passar por ele qualquer corrente.
Fig. 4 - Medição da resistência eléctrica de uma lâmpada através do ohmímetro
O multímetro é um aparelho de medida que poderá funcionar como amperímetro, ou voltímetro, ou ohmímetro (pelo menos).
1.11. Lei de Ohm
A fórmula que traduz a lei de Ohm e que relaciona algumas das gandezas estudadas é a seguinte:
U=RxI
Podemos enunciá-la da seguinte forma: “sempre que passar uma intensidade de corrente por uma resistência, existirá sempre uma d.d.p. aos terminais dessa resistência, que se traduz pelo produto do valor da resistência com o valor da intensidade de corrente”.
1.11.1. Exercícios
1- Um aquecedor eléctrico é percorrido por uma intensidade de corrente de 3 A quando lhe é aplicada uma tensão de 220 V. Calcule:
a) o valor da resistência do receptor (método indirecto para cálculo da resistência);
b) o valor da intensidade se lhe aplicarmos 110 V.
2- Uma torradeira tem uma resistência de 80 . Calcule o valor da intensidade de corrente (apresente os resultados em mA) quando lhe é aplicada uma tensão:
a) de 220 V;
b) de 110 V.
3- Complete a ligação, sem alterar a ordem dos elementos, de modo a que o reóstato possa controlar a intensidade de corrente absorvida pelo receptor, ligando também os aparelhos de medida possíveis.
1.12. Ensaios laboratoriais
1- Medições de resistências e tensões
Objectivos:
1. familiarização com os aparelhos de medida
2. usar o multímetro para medir tensões, intensidades e resistências;
3. usar o voltímetro para medir tensões;
4. conhecer os principais erros que se cometem numa medição;
5. utilizar o campo de medida mais apropriado
Procedimentos:
1. Utilizando o multímetro como ohmímetro meça vários tipos de resistências, utilizando vários campos de medida. Note qual o campo de medida mais apropriado que permita uma leitura com um erro menor.
2. Utilizando um voltímetro meça a tensão em várias fontes de tensão, incluindo uma tomada. Antes de fazer a medição chame o professor a fim de verificar se escolheu o campo de medida correcto, bem como a escolha para o tipo de corrente.
3. Meça também esses valores com o multímetro.
4. Registe os valores numa tabela, compare os valores medidos com os dois aparelhos e verifique qual o mais preciso atendendo à classe de precisão do aparelho.
Notas:
- Campo de medida - Valor máximo de uma dada grandeza que se pode medir com esse aparelho.
- Classe de precisão (cl) - Erro máximo (em percentagem do valor do campo de medida) que se pode cometer ao efectuar uma leitura num dado campo de medida. Por exemplo: um voltímetro com um campo de medida de 250 V e uma cl=2,5 comete um erro máximo de 6,25 V.
- Erro de paralaxe - Resulta da posição defeituosa em que nos encontramos no momento da leitura.
- Erro de leitura - Resulta de não contarmos correctamente o nº de divisões ou não considerarmos correctamente o campo de medida.
- Erro do próprio aparelho - Além da classe de precisão tem a ver com o desgaste, consumo, fiabilidade, etc.
2- Verificação experimental da Lei de Ohm, medição de uma resistência pelo método indirecto e pela ponte de Wheatstone. Verificar a proporcionalidade entre a tensão e a corrente aos terminais duma resistência.
Objectivos:
1. confirmar experimentalmente a Lei de Ohm;
2. medição de uma resistência pelo método indirecto e pela ponte de Wheatstone;
3. comprovar a proporcionalidade entre a tensão e a corrente aos terminais da resistência.
Procedimentos:
1. Monte o circuito da fig.3, colocando uma resistência linear em vez da lâmpada.
2. Registe os valores medidos directamente numa tabela.
3. Comprove a relação U=RxI.
4. Altere o valor da fonte e registe os valores medidos.
5. Verifique a proporcionalidade entre a tensão e a corrente.
6. Desenhe um gráfico do valor da resistência tendo como abcissa e ordenada os valores da tensão e corrente.
7. Faça uma medição da resistência através da ponte de Wheatstone.
8. Faça um relatório da experiência.
Notas:
- Resistência linear - Resistência que apresenta as mesmas características independentemente da tensão que lhe é aplicada ou da corrente que a percorre, deverá portanto, manter sempre o mesmo valor.
- Ponte de Wheatstone - Aparelho para medições precisas de resistências.
- Normas para elaborar um relatório - Um relatório deverá possuir: um cabeçalho ou capa incluindo o nome da disciplina, nome e número do(s) aluno(s), ano e turma; título e número do trabalho; objectivos a atingir com o trabalho; esquemas de ligações e legenda, dimensionamento (se necessário) de modo a escolher os aparelhos correctos sem os danificar; material utilizado indicando as suas características principais; registo de valores; cálculos (se existirem); gráficos (se existirem); descrição do trabalho e conclusões.