A fiação elétrica em sua casa que mantém seu laptop, carregador de telefone e ferramentas menores, como geladeiras e fogões funcionando, consiste em vários circuitos elétricos interconectados. Eles são conectados a qualquer fonte de energia que forneça eletricidade para sua casa.
O objetivo dos circuitos é levar eletricidade e seu considerável potencial energético exatamente para onde precisam ir e conter os efeitos potencialmente prejudiciais da eletricidade no processo.
O que está acontecendo dentro de todos aqueles fios, que estão quase totalmente fora de sua vista? Para começar com o básico, os elétrons livres se moverão na presença de um campo elétrico, por razões físicas que serão descritas mais tarde. Se eles receberem um caminho de circuito fechado no qual fluirão, um circuito elétrico poderá ser criado.
Um circuito simples consiste apenas em uma fonte de tensão (diferença de potencial elétrico); um meio pelo qual os elétrons podem fluir, geralmente um fio; e alguma fonte de resistência elétrica no circuito. A maioria dos exemplos do mundo real são muito mais complexos, no entanto, e existem vários tipos de circuitos elétricos, todos vitais para o fluxo eficiente de eletricidade.
Carga elétrica e corrente
Os elementos conceituais básicos no mundo da eletricidade são corrente, tensão e resistência. Antes de explorá-los, é necessário olhar um pouco mais fundo, voltando à ideia dos elétrons livres. Um elétron, por convenção, carrega uma carga negativa com magnitude de 1,60 × 10-19 coulombs ou C. Como é o fluxo de elétrons que determina a corrente, as cargas em um circuito fluem para longe do terminal negativo e na direção do terminal positivo.
A "carga unitária" em física é padronizada como positiva e tem a mesma magnitude que a cargaeem um elétron. Uma carga positiva colocada perto de um terminal positivo experimentará "repulsão" e "vontade" de se mover para longe do terminal, ainda mais fortemente à medida que a distância se aproxima de zero. Nesse estado, a carga tem um potencial elétrico mais alto do que a alguma distância mais distante.
Assim, uma "carga" (sendo "positiva" implícita, a menos que indicado de outra forma) flui de áreas de voltagem mais alta para áreas de voltagem mais baixa. Esta é a diferença de potencial ou tensão referida na física, e sua magnitude determina em parte o fluxo de corrente em um circuito. A corrente elétrica chega em formas de corrente alternada (fluxo fásico "instável") e corrente contínua (fluxo uniforme); o último é o padrão moderno em uso em redes de energia elétrica.
- O fluxo de corrente é medido usando um dispositivo chamadoamperímetro. O mesmo dispositivo geralmente pode ser usado como umvoltímetropara medir a diferença potencial.
Lei de Ohm
A seção anterior pode ser amplamente resumida por uma lei matemática simples chamada lei de Ohm:
I = \ frac {V} {R}
Ondeeué atual emamperes(C / s), V é a tensão, ou diferença de potencial, emvolts(joules por C, ou J / C; observe o termo de energia no denominador) eRé a resistência emohms (Ω).
Em um circuito em série, as resistências do indivíduoresistoressão somados para calcular a resistência do circuito como um todo. Em circuitos paralelos, sobre os quais você lerá em breve, a regra é:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
OndeR1, R2e assim por diante são os valores individuais donresistores no circuito paralelo.
Definição de um circuito
Um circuito é um circuito fechado através do qual a carga elétrica flui como resultado de uma voltagem motriz. A corrente é a taxa de fluxo, medida como a quantidade de carga que passa por um determinado ponto no circuito por unidade de tempo.
Às vezes, é útil pensar na corrente em um circuito de fiação como análoga à água fluindo através de canos. A água fluirá de regiões de alto potencial de energia para regiões de menor potencial de energia. Alguma fonte precisaria usar energia para elevar a água de modo que ela flua morro abaixo. Para que haja um fluxo contínuo de água, uma vez que a água atinge o fundo, ela deve ser elevada de volta ao topo.Essa ação de levantar a água de volta ao topo é essencialmente o que uma bateria ou fonte de energia faz em um circuito elétrico.
O objetivo de um circuito é fazer algo útil com esse fluxo de carga. Todos os circuitos incluem algum tipo de elemento resistivo que retarda o fluxo de carga, assim como uma barragem retarda o fluxo de água de um reservatório. Se uma lâmpada for adicionada a um circuito, por exemplo, ela retarda o fluxo de carga e transforma a energia associada em luz.
Diagramas de circuito e elementos de circuito
Muitas vezes é útil esboçar um diagrama de um circuito se você receber alguma combinação deV, IeRe pediu para resolver para a quantidade desconhecida. Para fazer isso, use um conjunto de símbolos para simplificar o esboço.
•••Dana Chen | Ciência
Esses símbolos são então conectados com linhas retas para criar um diagrama de circuito.
•••Dana Chen | Ciência
Tipos de Circuitos
UMAcircuito em sériepossui elementos conectados em série ou um após o outro sem a ramificação do fio. A corrente que flui por todos os elementos conectados em série é a mesma, não importa quantos resistores sejam encontrados ao longo do caminho.
UMAcircuito paralelotem elementos conectados em paralelo - ou seja, um ponto nas ramificações do circuito, com fios indo para dois elementos diferentes e, em seguida, as ramificações se unem novamente.A tensão em cada elemento conectado em paralelo é a mesma.
Acircuito abertoé aquele em que nenhuma corrente pode fluir porque o loop foi quebrado em algum ponto. UMAcircuito fechadoé aquele em que o loop completo é formado e a corrente pode fluir. Claramente, o último tende a ser mais interessante de estudar.
UMAcurto circuitoé aquele em que os elementos resistivos são desviados e o fluxo de corrente é muito alto. Estes são geralmente indesejáveis, e dispositivos chamados disjuntores são instalados em circuitos para "quebrar" (abrir) o circuito e interromper o fluxo de corrente para proteger contra danos ao circuito e aparelhos elétricos, e para proteger contra incêndios.
Exemplos de circuitos elétricos
1. Um circuito em série inclui uma fonte de alimentação de 9 V (uma bateria, neste caso) e quatro resistores com valores de resistência de 1,5, 4,5, 2 e 1 Ω. Qual é o fluxo atual?
Primeiro, calcule a resistência total. Relembrando a regra dada na seção anterior, isso é simplesmente 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Assim, o fluxo atual é
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ text {A}
2. Agora imagine a mesma tensão e quatro resistores, mas com os resistores de 1,5-Ω e 4,5-Ω colocados em paralelo e os outros dispostos da mesma forma que antes. Qual é o fluxo atual?
Desta vez, calcule a resistência na parte paralela do circuito. Isso é dado por 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Não se esqueça de pegar o recíproco deste número para obterR!Isso é dado por 1 / 0,89 = 1,13 Ω.
Agora você pode tratar esta parte do circuito como um único elemento resistivo com uma resistência de 0,89 Ω, e todo o problema é resolvido como em um circuito em série: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Isso permite que você resolva para a corrente mais uma vez:V / Rtot= 9 V / 4,13 Ω =2,18 A.
3. Finalmente, com base na configuração do exemplo anterior, combine os resistores 2-Ω e 1-Ω em um circuito paralelo, produzindo dois conjuntos de circuitos paralelos que estão dispostos em série. Qual é o fluxo atual agora?
Resolva a resistência do novo circuito paralelo: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. A resistência total é, portanto, 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. A corrente no circuito novamente renovado é, portanto, 9 V / 1,79 Ω =5,03 A.
Esses exemplos ilustram que a distribuição de resistência entre resistores paralelos aumenta a quantidade de corrente que flui, diminuindo a resistência total, uma vez que a tensão não muda.