Circuito eléctrico

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.