Energia e fenmenos eltricos FSICA 10 CORRENTE ELTRICA

Energia e fenómenos elétricos

FÍSICA 10 CORRENTE ELÉTRICA E DIFERENÇA DE POTENCIAL CIRCUITO ELÉTRICO Um circuito elétrico é um conjunto de elementos elétricos ligados entre si. A história da eletricidade 2

FÍSICA 10 TABELA I – ALGUNS SÍMBOLOS UTILIZADOS NA REPRESENTAÇÃO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS Para facilitar a representação dos circuitos e tornar os esquemas mais universais, usam-se símbolos elétricos para representar cada um dos diferentes elementos. 3

FÍSICA 10 A Circuito elétrico de uma lanterna: montagem (A) e diagrama esquemático (B). 4

FÍSICA 10 CARGA A carga (Q) é uma propriedade elétrica das partículas atómicas que compõem a matéria. O valor da carga elétrica é medido no SI em coulomb (C). Um eletrão apresenta uma carga elétrica de 1, 602× 10 19 C, o valor mais pequeno de carga elétrica medido, e o seu módulo corresponde à carga elementar. A existência de duas partículas com carga elétrica conduz à existência de uma força elétrica entre elas. 5

FÍSICA 10 São considerados condutores elétricos os corpos que possuem quantidades consideráveis de partículas livres eletrizadas, eletrões ou iões. Nestes corpos é possível estabelecer com facilidade um movimento de cargas. O movimento de cargas elétricas também se pode efetuar em Os metais são exemplos de soluções líquidas e gasosas. bons condutores elétricos. Representação de iões positivos e negativos em movimento numa solução aquosa. Representação de eletrões livres em movimento num fio metálico. 6

FÍSICA 10 A B Recipientes independentes com diferentes níveis de água (A) e recipientes com diferentes níveis de água ligados por um tubo (B). Ao ligar os dois recipientes por um tubo, verifica-se que surge uma corrente de água ao longo do tubo, com sentido do recipiente com maior nível de água para o que tem o nível mais baixo. Esta corrente mantém-se enquanto houver desnível (U). 7

FÍSICA 10 Embora envolva forças de natureza distintas, um processo análogo tenderá a ocorrer se um fio de um condutor metálico for ligado às extremidades de uma pilha. A B Representação do fluxo de cargas num condutor metálico: movimento ordenado de eletrões livres (A); fluxo de cargas elétricas que atravessa a secção transversal (B). 8

FÍSICA 10 CORRENTE ELÉTRICA Movimento ordenado de cargas correspondendo à quantidade de carga que atravessa a secção transversal de um condutor por unidade de tempo. Um ampere corresponde ao movimento de uma carga de um coulomb que atravessa uma secção transversal de um condutor durante um segundo. 9

FÍSICA 10 SENTIDO CONVENCIONAL Sentido convencionado para a corrente elétrica, do polo positivo para o negativo. Representação do sentido convencional para a corrente elétrica. 10

FÍSICA 10 DIFERENÇA DE POTENCIAL ELÉTRICO Corresponde ao trabalho realizado para deslocar uma carga unitária entre dois pontos, ou seja, a energia transferida no deslocamento de carga. Um volt corresponde à diferença de potencial entre dois pontos quando é utilizado um joule de energia para mover uma carga de um coulomb de um ponto para o outro. 11

FÍSICA 10 Durante o movimento ao longo do circuito, a energia elétrica que o transportador carrega é transferida (a maior parte para a lâmpada) e transformada noutras formas de energia. Note-se que é apenas a energia elétrica que é cedida ao circuito, não é a carga nem a corrente elétrica. Representação da analogia da corrente elétrica com transportadores de eletricidade. A diferença de potencial da pilha pode ser entendida como a energia, por unidade de carga, que é fornecida ao circuito e a diferença de potencial da lâmpada como aquela que é utilizada pela lâmpada. 12

FÍSICA 10 CORRENTE CONTÍNUA E CORRENTE ALTERNADA CORRENTE CONTÍNUA Corrente elétrica que se efetua, ao longo do tempo, sempre no mesmo sentido. Esboço do gráfico de I = f(t) para uma corrente contínua (CC ou DC) produzida por uma pilha. 13

FÍSICA 10 CORRENTE ALTERNADA Corrente elétrica em que existe inversão do sentido ao longo do tempo. Esboço do gráfico de I = f(t) para uma corrente alternada (AC) como a que se utiliza nas habitações. 14

FÍSICA 10 Exemplo de gráficos da diferença de potencial elétrico e da corrente elétrica em função do tempo, associados a corrente contínua (A) e a corrente alternada (B). 15

FÍSICA 10 RESISTÊNCIA DE CONDUTORES FILIFORMES E RESISTIVIDADE Materiais onde é possível estabelecer uma corrente de eletrões com facilidade são considerados condutores elétricos, designando-se semicondutores quando a sua condutividade não é tão elevada. São considerados maus condutores elétricos os materiais que apresentam reduzida condutividade elétrica. A B C Fio de cobre usado como condutor elétrico (A), placa semicondutora de silício (B) e porcelana isoladora elétrica aplicada na fixação de cabos de alta tensão (C). 16

FÍSICA 10 RESISTÊNCIA ELÉTRICA Corresponde à oposição que um material oferece à passagem de corrente elétrica. A resistência elétrica tem como unidade no SI o ohm (Ω). As principais aplicações das resistências são limitar a corrente elétrica, a tensão elétrica e, em certos casos, transferir energia sob a forma de calor. A B C Exemplo de uma resistência fixa (A) e de resistências variáveis: potenciómetros (B) e reóstato (C). 17

FÍSICA 10 LEI DE OHM Estabelece que, para uma dada temperatura, a tensão elétrica entre os terminais de uma resistência é diretamente proporcional à corrente elétrica que o atravessa. Um ohm de resistência elétrica quando uma corrente elétrica de um ampere percorre um material em cujos terminais existe uma diferença de potencial elétrico de um volt. 18

FÍSICA 10 Curvas características da tensão elétrica em função da corrente elétrica para uma resistência linear (A) e para uma resistência não linear (B). 19

FÍSICA 10 RESISTIVIDADE Depende da natureza e da temperatura do material e traduz a dificuldade com que os eletrões se deslocam através desse material. Parâmetros usados na determinação da resistência elétrica de um material. Além da resistividade, a resistência elétrica depende da área da secção transversal e do comprimento do condutor filiforme. 20

FÍSICA 10 A resistência elétrica de um material é diretamente proporcional à sua resistividade e ao seu comprimento mas inversamente proporcional à área da sua secção transversal. 21

FÍSICA 10 TABELA II – RESISTIVIDADE DE ALGUNS MATERIAIS COMUNS, A 20 °C A resistividade de condutores é inferior à apresentada pelos semicondutores que, por sua vez, é inferior à dos maus condutores e isoladores. 22

FÍSICA 10 VARIAÇÃO DA RESISTIVIDADE COM A TEMPERATURA A temperatura a que se encontra um condutor tem implicação no valor da resistividade que este apresenta. De um modo geral, a resistividade e, portanto, a resistência elétrica dos metais aumentam com o aumento da temperatura. Gráfico da resistividade de vários metais em função da temperatura. 23

FÍSICA 10 EFEITO JOULE POTÊNCIA ELÉTRICA Mede a energia elétrica transferida por unidade de tempo e corresponde ao produto da tensão elétrica nos terminais de um elemento pela corrente elétrica que o atravessa. Para condutores óhmicos, em que se pode aplicar a Lei de Ohm, a potência também pode ser dada por P R I 2 ou P U 2. R 24

FÍSICA 10 ENERGIA DISSIPADA POR EFEITO JOULE Efeito térmico provocado pela passagem de corrente elétrica através de um condutor elétrico, que transfere energia como calor para a vizinhança. Efeito Joule no filamento de uma lâmpada de incandescência. 25

FÍSICA 10 A potência elétrica de um condutor sujeito ao efeito Joule corresponderá à potência por este dissipada quando é atravessado pela corrente elétrica. Pdissipada U I A energia dissipada como calor por um condutor no intervalo de tempo em que é atravessado pela corrente elétrica, pode ser determinada pela expressão: Edissipada U I t Para condutores óhmicos, em que se pode aplicar a Lei de Ohm, a energia dissipada também pode ser expressa por: Edissipada R I 2 t 26

FÍSICA 10 Dependendo da função do componente elétrico, o efeito Joule tanto pode ser benéfico como prejudicial. A B C Circuito elétrico danificado por excessivo aquecimento (A); conjunto de dissipação térmica do processador de um computador (cooler) (B); resistência elétrica de um aquecedor ao rubro (C). 27

FÍSICA 10 GERADORES DE CORRENTE CONTÍNUA Para manter uma corrente de água ao longo do tubo, terá de se utilizar uma bomba que crie e mantenha uma diferença de níveis de água nos dois recipientes (U). Mantendo a diferença de níveis constante, obtém-se uma corrente de água contínua ao longo do tubo. A bomba B faz mover a água e cria uma diferença de níveis. 28

FÍSICA 10 GERADOR ELÉTRICO Elemento responsável pela aplicação de uma diferença de potencial elétrico capaz de criar corrente elétrica no circuito. Para se obter uma corrente contínua num circuito a diferença de potencial elétrico aplicada ao circuito deverá ser constante. As baterias são exemplos de geradores de corrente contínua num circuito. FORÇA ELETROMOTRIZ Diferença de potencial elétrico de um gerador em circuito aberto, ou seja, corresponde à energia por unidade de carga fornecida pelo gerador. Gráfico da tensão elétrica em função da corrente elétrica para um gerador ideal. 29

FÍSICA 10 RESISTÊNCIA INTERNA A resistência interna de um gerador provoca dissipação de energia no próprio componente. É responsável pela diminuição da energia que o gerador, em funcionamento, pode transferir para o circuito elétrico. Os geradores elétricos reais apresentam sempre resistência interna, ainda que por vezes esta seja muito pequena e possa ser desprezada. A tensão elétrica nos terminais de um gerador em circuito aberto corresponde à sua força eletromotriz. Representação da resistência interna do gerador em circuito aberto. 30

FÍSICA 10 A diferença de potencial elétrico aplicada por um gerador num circuito fechado corresponde à diferença entre a sua força eletromotriz e a tensão elétrica decorrente da sua resistência interna. Representação da resistência interna do gerador em circuito fechado. 31

FÍSICA 10 CURVA CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR Curva do gráfico da tensão elétrica em função da corrente elétrica para um gerador. Num gerador real, para valores de correntes elétricas muito baixas, a tensão elétrica depende da corrente fornecida de um modo linear e o gráfico corresponde a uma reta que se traduz pela expressão: U Ri I Gráfico da tensão elétrica em função da corrente elétrica para um gerador real. Na curva característica, o módulo do declive da curva e a ordenada na origem correspondem, respetivamente, à resistência interna e à força eletromotriz do gerador. A força eletromotriz e a resistência interna são duas características de um gerador. 32

FÍSICA 10 ASSOCIAÇÕES EM SÉRIE E EM PARALELO O modo como os elementos que constituem um circuito elétrico estão ligados entre si é um fator muito importante a ter em conta quando se estudam estes circuitos. ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE Elementos elétricos ligados entre si de modo a constituírem apenas um caminho para a passagem da corrente elétrica. Diagrama esquemático de uma associação em série de resistências. Numa associação em série a corrente elétrica é a mesma em qualquer ponto e a tensão elétrica nos terminais da associação é igual à soma das diferenças de potencial elétrico nos terminais de cada elemento. 33

FÍSICA 10 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO Elementos elétricos ligados entre si de tal modo que se constituem vários caminhos para a passagem da corrente elétrica. Numa associação em paralelo a corrente elétrica no circuito principal é igual à soma das correntes elétricas das várias derivações existentes e a tensão elétrica nos terminais da associação é igual à diferença de potencial elétrico nos terminais de cada derivação existente. Diagrama esquemático de uma associação em paralelo de resistências. 34

FÍSICA 10 A corrente elétrica é medida com amperímetros que são instalados em série. Diagrama esquemático de um amperímetro instalado em série (A) e amperímetro (B). A tensão elétrica é medida com voltímetros instalados em paralelo. Diagrama esquemático de um voltímetro instalado em paralelo (A) e voltímetro (B). A resistência elétrica pode ser medida com ohmímetros instalados em paralelo num circuito aberto. Multímetro, aparelho com múltiplas funções como amperímetro, voltímetro ou ohmímetro. 35

FÍSICA 10 Associações em série têm como vantagem o facto de a corrente elétrica ser igual em qualquer ponto do circuito. No entanto, a tensão elétrica nos terminais deste tipo de associações é dividida por todos os elementos elétricos que a constituem. Numa associação em paralelo, pelo contrário, a corrente elétrica é dividida pelas várias derivações ao circuito principal, mas a diferença de potencial elétrico é a mesma para todas as derivações. Esquema de um circuito elétrico de uma habitação. 36

FÍSICA 10 CONSERVAÇÃO DA ENERGIA EM CIRCUITOS ELÉTRICOS A abordagem do conceito de resistência elétrica e do efeito Joule leva a pensar em dissipação de energia. Montagem de um circuito elétrico com elementos puramente resistivos. No entanto, nas transferências e transformações de energias envolvidas nos circuitos elétricos existe conservação de energia. 37

FÍSICA 10 Nesta situação, uma vez que a associação é em série: Uútil, pilha UR 1 UR 2 Uútil, pilha I UR 1 I UR 2 I Diagrama esquemático de um circuito elétrico com elementos puramente resistivos. Pútil, pilha PR 1 PR 2 Pútil, pilha t PR 1 t PR 2 t Eútil, pilha ER 1 ER 2 38

FÍSICA 10 Em cada resistência, segundo a lei de Ohm, UR RR I. Então: P R RR I 2 E R RR I 2 t Diagrama esquemático de um circuito elétrico com elementos puramente resistivos. Edissipada URi, pilha I t Ri I 2 t Uútil, pilha URi, pilha Eútil Epilha Edissipada A energia elétrica fornecida ao circuito pelo gerador (e que poderá ser utilizada pelos recetores) é igual à energia elétrica total gerada subtraída da energia dissipada na resistência interna. 39