Cap. 1.1. Introdução à Eletrodinâmica

Cap. 1.1. Introdução à Eletrodinâmica

11/10/2017

   Um circuito elétrico pode ser definido como aberto ou fechado. A corrente elétrica é os elétrons que circulam pelos condutores do circuito. Quando a passagem dos

elétrons que saem do polo negativo da fonte e seguem para o polo positivo é interrompida, dizemos que o circuito está aberto. Quando não há nada impedindo os elétrons de chegarem ao polo positivo, dizemos que o circuito é fechado.

   A fonte de alimentação para energizar o circuito pode ser

uma bateria, uma fonte linear (que é usada em aparelhos

de baixa potência, como

smartphones e roteadores) ou

uma fonte chaveada (usada em

aparelhos que demandam muita

potência, como por exemplo, computadores de mesa).

 

  Partindo desta introdução, vamos estudar corrente elétrica, o que faz a corrente ir de um polo ao outro, a transformação da energia no circuito, resistência dos meios físicos sobre a corrente, e na sequência de artigos, como ela é conduzida num condutor, formulas e cálculos básicos e o funcionamento dos semicondutores, para que daí possamos dar início ao estudos dos componentes eletrônicos e a construção de circuitos. Boa leitura!

  A corrente elétrica pode ser definida como um movimento de cargas elétricas. Pode ser a corrente elétrica entre uma nuvem carregada e a Terra ou quando atritamos dois corpos. Pode haver corrente elétrica em líquidos (condutores iônicos) através de íons livres ou em condutores metálicos através de elétrons livres. 

  A corrente elétrica pode ser alternada ou contínua. Quando a corrente é alternada, os elétrons fluem do polo negativo para o positivo o tempo todo, em duas direções. Já a corrente contínua flui em apenas em um polo, na mesma direção.

   A corrente elétrica é dada em Amperes e é simbolizada pela letra "i". Para calcular a corrente elétrica é necessário saber a diferença de potencial (DDP), que é medida em volts (V), e a resistência (R) do condutor, que é dada em Ohms.

  A corrente também pode ser definida pelas cargas que atravessam um condutor em um determinado período de tempo.

 

  Se num determinado ponto de um determinado circuito há, por exemplo, um nó com quatro caminhos paralelos interligando o polo negativo e o positivo do circuito, isso significa que a corrente elétrica será dividida em quatro partes iguais entre estes quatro caminhos, desde que a resistência elétrica presente em cada um destes caminhos seja igual. Caso a resistência elétrica não seja igual, a corrente será dividida de forma inversamente proporcional a resistência de cada um dos caminhos. Se somar as correntes que passam por estes quatro fios paralelos temos a corrente total que saiu do polo negativo da fonte. Veja o diagrama abaixo:

  Em um circuito onde há apenas um caminho com vários componentes em série ligando o polo negativo ao positivo, não há qualquer divisão de corrente elétrica entre os componentes. Isso é o que diz a primeira lei de Kirchhoff, também chamada de Lei dos Nós e que você entenderá melhor no artigo sobre resistores.

  A tensão elétrica é a diferença de potencial entre dois pontos. Ela é dada em volts (V). A tensão elétrica também pode ser definida como uma força de um campo elétrico que faz os elétrons se moverem em forma de corrente elétrica, saindo do polo negativo, onde há excesso de elétrons, e indo até o polo positivo, onde há falta de elétrons.

  A DDP será 0 V quando houver 100% de equilíbrio de elétrons entre os polos positivo e negativo da fonte de alimentação. Observe as imagens e note a diferença de potencial nas baterias.

  A corrente elétrica irá existir em um circuito enquanto houver diferença de potencial. Por exemplo, se em uma pilha, no polo negativo temos uma diferença de potencial de 0 V e no polo positivo uma diferença de potencial de 3,0 Volts, então a diferença de potencial total desta pilha será de:

 

  3,0 V - 0 V = 3,0 Volts

 

  Se em outra pilha, o polo negativo tem um DDP de 4,0 V e no polo positivo há um DDP de 13,0 V, a diferença de potencial total entre os dois polos será de:

 

  13,0 - 4,0 V = 9 Volts

 

  Numa fonte com o polo positivo de DDP = 4 V e polo negativo com DDP de 16 V, a tensão será de:

 

  4 - 16 = -12 Volts

 

  A tensão irá diminuir conforme a passagem de elétrons de um polo para outro da fonte. Uma parte desses elétrons será gasta nos componentes. Um exemplo bom para explicar esse consumo é uma lâmpada incandescente, que transforma parte da energia elétrica que circula em seus terminais em energia térmica (calor). Essa transformação de energia em calor é chamada de "efeito Joule", que será explicada mais abaixo.

  A tensão elétrica, assim como a corrente, pode ser contínua ou alternada. Um exemplo de tensão alternada e corrente alternada é a da rede elétrica de sua casa. Um exemplo de tensão contínua e corrente contínua é a que passa pelo circuito de alimentação dos chips em seu smartphone. A conversão da tensão e corrente alternada para contínua é feito por uma fonte de alimentação linear ou chaveada.

 

  Ao contrário da corrente elétrica, a tensão não se divide em um nó com caminhos paralelos ligando o polo positivo ao negativo da fonte. Já quando há apenas um caminho a tensão será dividida entre os componentes que nele estiverem ligados.

  Por exemplo, se ligar em série 22 lâmpadas que funcionam com 10 volts e conectar o terminal da primeira no polo positivo de uma tomada de 220 Volts e o terminal da última lâmpada no polo negativo desta mesma tomada, teremos então 10 Volts para cada lâmpada.

  Se fizermos diferente, ligando todos os terminais positivos das lâmpadas no polo positivo da tomada de 220 Volts e todos os terminais negativos das lâmpadas no polo negativo desta mesma tomada, as lâmpadas irão ser danificadas, pois todas serão alimentadas com 220 Volts.

  Para entender melhor a Lei dos nós, clique no link abaixo e veja o artigo sobre resistores:

 

https://hardwarecentrallr.wixsite.com/hardcentral/single-post/2017/11/22/Cap-05-Os-componentes-resistor

  A potência(P) elétrica é a capacidade de transformação da energia elétrica em outro tipo de energia, que pode ser calor, movimento ou som, por exemplo. A unidade de medida de potência é o Watt (W).

  1 Watt equivale a 1 Joule (A unidade de medida da energia - E) por segundo (T), portanto:

   Como exemplo, podemos utilizar um processador (CPU) de um computador que tenha um projeto de dissipação térmica (TDP) de 95 Watts. Isso significa que este chip transforma 95 W de energia em calor. A diferença entre um chip de 95 watts e um de 45 watts, por exemplo, é que o de 95 W vai gerar um pouco mais que o dobro de calor.

  O HC já tem um artigo mostrando como calcular a potência e o consumo médio de um aparelho eletrônico! Para acessar, CLIQUE AQUI!

   Um condutor de energia pode oferecer oposição à passagem de elétrons. Isso se chama resistência elétrica e é dada em Ohm. Existem duas leis para a resistência elétrica, que são chamadas de "Leis de Ohm".

  A primeira Lei de Ohm diz que, a corrente elétrica é diretamente proporcional a DDP no circuito e a variação de resistência dependerá dessa tensão aplicada. Um dispositivo que funcione desta forma é chamado de "dispositivo ohmico". Componentes como o diodo e o transistor, que são feitos de semicondutor, não seguem esta lei, portanto são "dispositivos não-ohmicos".

  A segunda Lei de Ohm se refere a resistividade do material. Dependendo do comprimento, do tipo de material utilizado, de sua área, sua espessura, haverá uma oposição a passagem de elétrons. Clique aqui para ver a fórmula matemática para a segunda Lei de Ohm.

 

  Mas qual o motivo dos elétrons terem dificuldades ao passar por um condutor?

Clique aqui para descobrir!

 

  Os resistores utilizam materiais que não conduzem muito bem a corrente. Dependendo da quantidade deste material (que pode ser carvão, cerâmica, entre outros) aplicado no componente, ele irá gerar uma determinada oposição a passagem de corrente elétrica.

  Mesmo os materiais condutores (ouro e cobre, por exemplo) tem uma pequena resistência que pode ser considerada desprezível.

 

O CURTO CIRCUITO

  Já que estamos falando sobre resistência, convém falar sobre curto-circuito!

  Um curto-circuito é quando a resistência do circuito é igual a zero, e quando isso acontece, a corrente tende a ser infinita, pois neste caso qualquer número dividido por zero gera um valor infinito. Se você colocar um fio de cobre no polo positivo e outro no polo negativo de uma fonte de energia e interliga-los, isso gerará um curto circuito e a corrente infinita acabará danificando os fios.

 

O EFEITO JOULE

  Um curto-circuito também pode ser explicado pelo efeito Joule: todos os corpos são constituídos de átomos. Não notamos mas, um corpo qualquer possui uma agitação nos átomos que compõem sua estrutura, uma agitação que vai ficando mais acentuada a medida que o corpo vai ficando mais quente.

  A corrente elétrica aplicada em um filamento o sobrecarrega, isto é, os elétrons tem dificuldade em passar pelo condutor e acabam colidindo com os átomos que estão se agitando. Parte da energia cinética (energia do movimento) dos elétrons circulantes é transferida para o átomo, que aumenta seu estado de agitação, consequentemente deixando o filamento cada vez mais quente. A colisão entre os átomos se agitando faz com que o corpo fique cada vez mais quente.

  O Oxigênio colabora para a combustão do corpo, que já está muito quente. O cobre não dará conta de promover uma circulação de corrente infinita entre os polos. Apesar de ser um excelente condutor, ele tem seu limite. Isso vale para todos os componentes eletrônicos. Praticamente todos eles geram um pouco de calor, ou seja, parte da energia elétrica é transformada em energia térmica. Veja o que ocorre com um resistor no próximo parágrafo:

  Um resistor que esteja trabalhando acima do seu limite de tensão e circulação de elétrons (corrente) também acabará queimando devido ao excesso de calor gerado. A agitação dos átomos deixa o corpo cada vez mais quente, mas o resistor não consegue perder toda a energia térmica para o ambiente. Outra parte da energia dos elétrons circulantes pelo resistor também é transferida para os elétrons que compõem o átomo, fazendo com que ocorra o salto quântico. Ao retornarem para seus lugares originais no átomo, os elétrons liberam a energia que os fizeram saltar, ou seja, liberam fótons de luz. O resistor passa a emitir uma luz enquanto a agitação excessiva de seus átomos faz toda a sua estrutura entrar em colapso.

  Veja abaixo a animação de um resistor "queimando" por trabalhar acima de seus limites.

   Esta é uma breve explicação sobre o efeito Joule em um componente!

  Agora, vamos fugir um pouco do tema do artigo e estudar algumas coisas sobre frequência.

  Frequência é quantidade de eventos repetitivos que ocorrem num determinado período de tempo. Um evento é chamado de ciclo. A unidade de medida para a frequência é Hertz. Usamos esta unidade de medida para medir a quantidade de ciclos em um período de tempo de 1 segundo. Mas o que ela tem a ver com a eletrônica?

   Repare na onda senoidal acima. No caso desta onda há dois ciclos: ela começa no zero, parte até o nível baixo (que também é chamado de vale), sobe até o nível alto (que também é chamado de crista) e retorna ao zero. Neste exemplo, isso acontece duas vezes no período de 1 segundo, portanto esta onda tem 2 ciclos. A frequência desta onda é 2 Hertz.

  A energia elétrica que chega na tomada de sua casa, possui uma frequência de 60Hz, pois como vemos acima, nos textos e exemplos sobre corrente e tensão elétrica existe a corrente alternada e tensão alternada, então no caso da energia elétrica no Brasil, ocorre 60 oscilações do polo positivo ao negativo no período de um segundo.

  Ondas sonoras, ondas de rádio, cores, sinais analógicos e digitais possuem uma frequência que pode variar. Num circuito eletrônico digital, o sinal de sincronismo interno e externo dos chips é chamado de clock e é medido em Hertz. Veja o desenho abaixo.

   Esta é uma onda quadrada. Perceba que ela vai do nível zero ao nível alto, permanece um pouco no nível alto, desce ao nível zero e permanece um pouco no nível zero. Veja que isso aconteceu três vezes no período de um segundo, portanto a frequência desta onda é de 3 Hertz.

  Suponha que o processador(que é um circuito digital) de seu smartphone trabalhe com uma frequência de 1,5 GHz. Isso significa que este chip funciona com 1,5 bilhão de ciclos por segundo, do nível alto ao zero.

  Veja alguns outros exemplos:

  As cores que nosso olho é capaz de captar, também possuem uma frequência que vai de aproximadamente 3,84 a 7,69 THz (TeraHertz).

  Os seres humanos com audição perfeita, conseguem ouvir sons na faixa de frequência que vai de 20 Hz a 20.000 Hz(20 KHz).

  As ondas de rádio, utilizadas em transmissores de sinal de rádio AM e FM, TV, Wi-Fi, telecomunicações em geral, vai de 30 KHz a 300 GHz.

  Veja esta tabela com os prefixos e valores mais utilizados desta unidade:

  A frequência é detalhada ainda mais nos seguintes artigos do Hardware Central:

  Hardware - Clock - Clique aqui para descobrir!

  Cap. 1.2. Fórmulas matemáticas - Clique aqui para descobrir!

  Esta é só uma introdução de algo muito importante que faz parte de toda a tecnologia que nos cerca e que tem muita coisa a ser estudada.

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  Ficou com alguma dúvida? Tem uma opinião ou sugestão? É só escrever nos comentários ou entrar em contato pelo e-mail hardwarecentrallr@gmail.com

CRÉDITOS e FONTES:

 

Texto e desenhos: Leonardo Ritter

Referências: Livro "Eletrônica Para Autodidatas, Estudantes e Técnicos"; meu caderno de física da escola; Mundo da Elétrica; efeitojoule.com; Oficina da Net.

 

Última atualização: 22 de Julho de 2019.

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