1 - Corrente Contínua

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FilipeRocha-Dezembro20

ELECTRICIDADECorrente Contnua1

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INTRODUO

Falar de electricidade implica falar emrandezas a arelhos leis circuitos e em tudo o

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que podemos relacionar com a electricidade.

Mas antes de falar em tudo isto necessrioperceber como so constitudos os corpos.

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Todos os corpos so constitudos por pequenaspartculas, que vo definir o tipo de material emcausa.


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CONSTITUIO DA MATRIA

A matria que se pode encontrar no estado slido,li uido ou asoso constituda or molculas e


estas podem ainda ser subdivididas em partculasmenores que so os tomos.

Exemplo:

1 molcula 2 tomos de 1 tomo de

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de gua

hidrognio

oxignioH2O H2 + O

ESTRUTURA DO TOMO

O tomo basicamenteformado or trs ti os

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de partculaselementares: electres,protes e neutres.

Os protes e osneutres esto noncleo do tomo e os

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electres giram emrbitas electrnicas volta do ncleo dotomo.


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CARGA ELCTRICA DAS PARTCULAS


electro igual cargado proto, porm de sinalcontrrio: o electropossui carga negativa (-)e o proto carga elctricapositiva (+). O neutro

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no possui cargaelctrica, isto , a suacarga nula.

RBITAS ELECTRNICAS

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Num tomo, os electres que giram em volta doncleo distribuem-se em vrias rbitas oucamadas electrnicas num total mximo de sete(K, L, M, N, O, P, Q).


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CARGA ELCTRICA DO TOMO

Em qualquer tomo, onmero de protes


contidos no seu ncleo igual ao nmero deelectres que giram volta dele, ou seja, a cargaelctrica do tomo nula,pois a carga positiva dosprotes anulada pela

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electres. Um tomo nesse estado

est electricamenteneutro.

IES POSITIVOS E IES NEGATIVOS

Um tomo quando electricamente neutro poderganhar (receber) ou perder (ceder) electres.

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Quando ele ganha um ou mais electres, dizemos quese transforma num io negativo.

Quando um tomo perde um ou mais electres,dizemos que ele se transforma num io positivo.

Exemplo: Se o tomo de sdio (Na) ceder um electro ao tomo de cloro(C ) passamos a ter um io positivo de sdio e um io negativo de

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cloro.

Cl Na+-

Io positivode sdio

Io negativode cloro


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ELECTRES DE VALNCIA

A rbita electrnica oucamada mais afastada do


ncleo a camada devalncia e os electres dessacamada so chamados deelectres de valncia.

Num tomo, o nmeromximo de electres de

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va nc a e o o. uan oum tomo tem oito electresde valncia diz-se que otomo tem estabilidadequmica ou molecular.

Electro de valncia

CONDUTORES

Os tomos com 1, 2 ou 3 electres de valncia tmuma certa facilidade em ced-los j que a sua

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camada de valncia est muito incompleta (paraestar completa deveria ter 8 electres devalncia).

Por exemplo, um tomo de cobre tem um electrode valncia o que faz com que ele ceda com muitafacilidade esse electro (electro livre).

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Nmero atmico do cobre = 29 (nmero total de electres notomo)

K=2 2n2 = 2x12 = 2L=8 2n2 = 2x22 = 8M=18 2n2 = 2x32 = 18N=1

K L M N29P


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ISOLADORES

Os tomos que tm entre 5 e 8 electres devalncia no cedem facilmente electres ue a


sua camada de valncia est quase completa(para estar completa deveria ter 8 electres devalncia).

O vidro, a mica, a borracha esto neste caso. Estes materiais no so condutores da corrente

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necessrio aplicar-lhes uma grande energia parapassar os electres de banda de valncia para abanda de conduo.

SEMICONDUTORES

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Nmero atmico doGermnio: 32

Nmero atmico doSilcio: 14

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Os tomos com 4 electres de valnciageralmente no ganham nem perdem electres, o que acontece com os materiais semicondutores,Germnio (Ge) e Silcio (Si).


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SEMICONDUTORESEnergia


Num material isolante necessrio aplicar muita energia (porexemplo, muita tenso elctrica) para passar os electres da banda de

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larga.

Pelo contrrio, num material condutor a passagem dos electres dabanda de valncia para a banda de conduo faz-se facilmente j queno existe banda proibida.

Os materiais semicondutores esto numa situao intermdia entreos materiais isoladores e condutores.

CIRCUITO ELCTRICO

No estudo de um circuito elctrico recorre-se porvezes sua analo ia com um circuito de ua

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por exemplo o representado na figura:

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Diferena de potencial hidrulico


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CIRCUITO ELCTRICO

No circuito hidrulico da figura, os dois depsitostm gua a nveis diferentes e esta diferena do


potencial hidrulico provoca um deslocamento degua do depsito mais cheio para o mais vazio.

Esta corrente de gua pra quando os doisdepsitos tiverem o mesmo nvel de gua.

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A partir daqui, para manter a corrente de gua necessrio que haja uma fonte que fornea guaao depsito da esquerda ou uma bomba que elevea gua da direita para a esquerda como a setaindica.

CIRCUITO ELCTRICO

Circuito elctrico um caminho fechadoercorrido or uma corrente de electres ue

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constitui a corrente elctrica.

Um circuito elctrico sempre constitudo por: Um gerador; Condutores e isoladores elctricos;

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pare os e pro ec o; Aparelhos de comando e corte; Aparelhos de medida e contagem; Aparelhos de regulao; Receptores (lmpadas, motores, irradiadores, etc).


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CIRCUITO ELCTRICO

Tendo em conta um circuito elctrico constitudo pordois condutores A e B ligados por um fio.


Se houver uma diferena de potencial elctrico entreA e B, vamos ter movimento de cargas elctricasentre A e B, que termina quando os dois condutoresatingirem o mesmo potencial elctrico isto , quandoa sua diferena de potencial for nula.

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Diferena de potencial elctrico

CIRCUITO ELCTRICO

Para manter esta diferena de potencial necessrio ue ha a uma fonte ue a mantenha

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no mesmo valor.

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Circuito elctrico com receptor


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DIFERENA DE POTENCIAL


ua o que em ma or po enc a

A B C D

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O que tem menor potencial o corpo B

O corpo C tem maior potencial que o B O corpo D tem maior potencial que o C


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TENSO ELCTRICA (U)

A primeira grandeza elctrica fundamental adi eren a de otencial ou tenso ue se

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representa pela letra U e se exprime na unidadechamada volt (V). Esta unidade mede-se com um

aparelho chamado voltmetro.

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TENSO ELCTRICA (U) O potencial de um ponto ou de um condutor a

diferena de potencial entre esse ponto ou esseFilipeRocha-Dezembro2009

condutor e o potencial que se tome para referncia ounvel zero.

Todos os aparelhos elctricos tm algumascaractersticas que convm respeitar numa utilizaocorrecta.

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Uma dessas caractersticas a sua tenso nominal,que deve ser entendida como o valor normal da tensode utilizao, valor este que vem indicado nosprprios aparelhos na designada chapa decaractersticas.

CORRENTE ELCTRICA (I)

Quando se fecha um circuito elctrico isto ,uando se estabelece um caminho fechado

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aparece nos condutores e nos restantescomponentes do circuito uma corrente elctrica,

desde que haja uma diferena de potencial entreas extremidades do circuito.

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-como sendo um movimento de cargas elctricasatravs dos condutores, do plo positivo, o demaior potencial elctrico, para o plo negativo, ode menor potencial.


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Mais tarde a teoria electrnica explicou que acorrente elctrica um movimento de cargas


negativas que esto associadas aos electreslivres dos tomos dos condutores.

Assim, e de acordo com este conceito, o sentido dacorrente elctrica o sentido do deslocamento doselectres; a este sentido designa-se sentido real

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.

O sentido real contrrio ao sentido adoptadoanteriormente e que se passou a designar sentidoconvencional da corrente.


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imos ento que a corrente e ctrica uma corrente eelectres; estes como lgico podem deslocar-se em maiorou menor quantidade.

Esta quantidade de electres ou de corrente elctricadesigna-se por intensidade de corrente, e representa-sesimbolicamente pela letra l.


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Intensidade de corrente a quantidade deelectricidade ue assa num onto de um


circuito, na unidade de tempo.

I intensidade da corrente elctrica (ampres A)Q quantidade de electricidade (coulombs C)t tempo (segundos s)

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EFEITOS DA CORRENTE ELCTRICA

Efeito trmico ou efeito Joule

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atravessado por uma corrente elctrica.Esse efeito a base de funcionamento dosaquecedores elctricos, chuveiros elctricos, secadoresde cabelo, lmpadas trmicas etc.

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Efeito luminoso


,elctrica atravs de um gs rarefeito faz com que eleemita luz. As lmpadas fluorescentes e os annciosluminosos. so aplicaes desse efeito. Neles h atransformao directa de energia elctrica em energialuminosa.

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Efeito magntico

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cria, na regio prxima a ele, um campo magntico.Este um dos efeitos mais importantes, constituindoa base do funcionamento dos motores,transformadores, rels, etc.

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Efeito qumico


, atravessada por uma corrente elctrica. aelectrlise. Esse efeito utilizado, por exemplo, norevestimento de metais: cromagem, niquelao, etc.

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FORAELECTROMOTRIZ (FEM)

Conforme j foi referido quando se ligam doispontos a potenciais diferentes, d-se um fluxo de

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electres at que a diferena de potencial seanula.

No entanto para alimentar um circuito elctrico necessrio manter a diferena de potencialconstante, para isso necessrio intercalar um

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gera or.

O gerador, por definio, um aparelho quemantm constante a diferena de potencial entreos seus terminais.


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FORAELECTROMOTRIZ (FEM)


imagem

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A fora electromotriz a capacidade que ogerador tem de manter constante a diferena depotencial aos seus terminais.

RESISTNCIA ELCTRICA (R)

Por experincia sabemos que nem todos os materiais secomportam do mesmo modo perante a corrente elctrica.

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Uns permitem com muita facilidade a passagem dacorrente de electres livres que constitui essa corrente,

como por exemplo os cobre, a prata e o alumnio e chamam-se bons condutores ou simplesmente condutores.

Outros oferecem grande dificuldade passagem da mesma-

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, -nquel.

Outros, ainda impedem a passagem da corrente elctrica edizem-se isoladores, como o caso do vidro e da cermica.


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Em electricidade chama-se resistncia oposioao deslocamento da corrente elctrica.


Resistncia elctrica de um condutor ou de outrocorpo qualquer a maior ou menor dificuldadeque ele apresenta passagem da correnteelctrica.

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RESISTIVIDADE ELCTRICA

Assim sendo, h que ter a noo de que noexistem condutores perfeitos; todos os materiais


tm uma resistncia elctrica maior que 0 ohms.

A resistncia de um condutor dependeessencialmente da natureza do material de que feito, atravs de uma sua caracterstica chamadaresistividade do material que se representa pela

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.

Outros factores que determinam a resistnciaelctrica de um condutor so as suas dimensesfsicas, comprimento e seco.

As dependncias referidas so expressas na frmulaque nos permite calcular a resistncia de um



condutor.

A resistividade elctrica de um material a

resistncia elctrica de 1metro de comprimento dessematerial com uma seco de 1 metro quadrado.

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Onde: R resistncia elctrica (ohm ) resistividade elctrica (ohm.milimetro2/metro .mm2/m) l comprimento do condutor (metro m) S seco do condutor (milmetro quadrado)


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A resistividade elctrica uma grandeza quede ende nica e exclusivamente das


caractersticas intrnsecas do material, ou seja,da sua estrutura atmica e molecular.

Deste ponto de vista podemos concluir que cadamaterial tem o seu prprio valor de resistividade

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.


MaterialResistividade (. mm2/m)

a 20 C

Prata 0 016FilipeRocha

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Cobre 0,017

Ouro 0,024

Alumnio 0,028

Tungstnio 0,055

Platina 0,11

Ferro 0,13

Chumbo 0,21

40

Maillechort 0,30

Manganina 0,42

Constantan 0,50

Ferro-nquel 0,80

Cromo-nquel 1,09

Carvo 10 a 80


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COEFICIENTE DE TEMPERATURA

Sabemos que as caractersticas dos materiais sofremalteraes se houver uma mudana de temperatura,


logo se o valor da temperatura mudar o valor daresistividade tambm mudar e o valor da suaresistncia elctrica tambm.

Para termos em conta estas variaes de resistnciafoi definido o conceito coeficiente de temperatura, que representado pela letra (alfa).

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O coeficiente de temperatura definido como avariao sofrida pela resistncia de 1 de umdeterminado material, quando a sua temperaturaaumenta de 1C.


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Material

temperatura (C-1)

Prata 0,004

Cobre 0,004

Ouro 0,004

Alumnio 0,004

Maillechort 0,0003

Manganina 0,00002

42

Constantan 0,00001

Ferro-nquel 0,0009

Cromo-nquel 0,00005

Carvo - 0,0003


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Deste modo temos que determinar as novasresistncias ara novas tem eraturas. Para tal


utilizam-se as seguintes expresses:

Onde: Rf resistncia elctrica final (ohm ), temperatura tf Ri resistncia elctrica inicial (ohm ), temperatura ti coeficiente de temperatura (C-1)

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f ti temperatura inicial C)

Onde: f resistividade elctrica final (ohm.milimetro2/metro .mm2/m),

temperatura tf i resistividade elctrica inicial (ohm.milimetro2/metro .mm2/m),

temperatura ti

LEI DE OHM

George Simon Ohm descobriu experimentalmente1826 ue ara ual uer condutor metlico

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existe uma proporcionalidade constante entre atenso aos seus terminais e a corrente que o

percorre:

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LEI DE OHM Em 1827 o mesmo George Simon Ohm enuncia a

chamada lei de ohm, que diz o seguinte:FilipeRocha-Dezembro2009

Lei de Ohm constante o quociente entre a tensoaplicada a um condutor (ou receptor trmico ou resistivo)linear e a intensidade de corrente que o percorre. A estaconstante de proporcionalidade d-se o nome de resistnciaelctrica R.

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Onde: R resistncia elctrica (ohm ) U tenso elctrica (volt V) I corrente elctrica (ampre A)

LEI DE OHM

A partir da lei de ohm podemos obter mais duasex resses:

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UR I

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LEI DE OHM Exemplo 1:

Calcule o valor da corrente elctrica numFilipeRocha-Dezembro2009

circuito, onde a tenso mede 10 volts e aresistncia de 20

U

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R I

LEI DE OHM

Exemplo 2: Suponhamos que aplicvamos 24V a um restato

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de 40 / 2A, e que fazamos trs ensaios: um comresistncia mxima (40), outro com meiaresistncia(20) e outro com da resistncia

(10). Complete o quadro:

U

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R I

12 40

12 20

12 10

0,3

0,6

1,2


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ASSOCIAO DE RECEPTORES

Como do conhecimento geral existem vriosti os de rece tores os uais transformam a


energia elctrica em diversas formas de energia.

Sendo os mais comuns, os seguintes receptores:lmpadas, calorficos, motores, acumuladores,etc.

49

Tendo eles comportamentos bastante distintos,podemos dividi-los em dois grandes grupos:receptores puramente resistivos e receptores comfora contra-electromotriz.

ASSOCIAO DE RECEPTORES

Tipos de associao

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associados de trs formas: associao em srie,associao em paralelo e associao mista.

Cada uma delas tem as suas caractersticas e as suasprprias aplicaes, dependendo da funo dosreceptores e do tipo de instalao.

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ASSOCIAO EM SRIE

Diz-se que dois ou mais receptores esto ligados em sriequando so ligados de tal forma que a corrente que percorre


um e es a mesma que percorre os ou ros o os.

Esta associao permite que a tenso em cada lmpadaseja inferior tenso total aplicada, permitindo assimaplicar no circuito lmpadas de tenso inferior da rede.Tem como desvantagem o facto de se uma das lmpadasfundir, as restantes ficam sem corrente.

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A A

L1 L2 L3

I I II

U

ASSOCIAO EM SRIE

Caractersticas:

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A tenso total aplicada (U) igual soma das tenses

parciais nas diferentes resistncias:

A resistncia total equivalente igual soma dasresistncias parciais:

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As tenses parciais em cada resistncia so, segundoa lei de ohm, directamente proporcionais aos valoresdas resistncias: , , etc.


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ASSOCIAO EM SRIE

Neste exemplo temos duas resistncias cada umadelas com um voltmetro em aralelo um


voltmetro em paralelo com todo o circuito paramedir a sua tenso e um ampermetro em srieque vai permitir medir a corrente do circuito.

AI

+12V B

A

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R1

U

R2

V

V

V

U1

U2

U = 12V

0V

CD

E

F

ASSOCIAO EM SRIE Analisando o circuito podemos concluir que existe uma queda de

tenso (12V) entre A e F.

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Percorrendo o circuito ponto a ponto verifica-se que entre A e B aqueda de tenso 0V pois estes pontos esto ao mesmo potencial,entre B e C vai existir uma queda de tenso provocada pelaresistncia (4V), entre C e D no h queda de tenso pois so pontos

com o mesmo potencial, entre D e E temos outra resistncia que vaiprovocar mais uma queda de tenso, neste caso de 8V e entre E e Fno h queda de tenso pois estes pontos esto ao mesmo potencial.

Em A e B temos12V

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m e emos Em E e F temos 0V

Entre A e F temos 12V, medidos pelo primeiro voltmetro (U) Entre B e E temos 12V, medidos pelo primeiro voltmetro (U) Entre B e C temos 4V, medidos pelo segundo voltmetro (U1) Entre D e E temos 8V, medidos pelo terceiro voltmetro (U2)


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ASSOCIAO EM PARALELO

Diz-se que dois ou mais receptores esto ligados emparalelo quando so submetidos mesma tenso, ou


,a mesma.

Esta associao a mais vulgarmente utilizada, poistorna os receptores independentes uns dos outros, ouseja, mesmo que um falhe os outros continuaro afuncionar.

I

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M

A A

R L

I1

U

A

V

I2 I3


Caractersticas:

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A intensidade total aplicada (I) igual soma das

intensidades parciais nas diferentes resistncias:

O inverso da resistncia total equivalente igual soma dos inversos das resistncias parciais:

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As tenses parciais em cada resistncia so, segundoa lei de ohm, directamente proporcionais aos valoresdas resistncias: , , etc.


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Existem no entanto dois casos particulares para oclculo da resistncia total e uivalente na


associao em paralelo: Quando as resistncias so todas iguais:

em que n o nmero de resistncias

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ASSOCIAO MISTA

Este tipo de associao consiste em ligar unsreceptores em srie e outros em paralelo, no mesmo

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.

Este tipo de associao s utilizado em situaes

muito especficas, como por exemplo: montagenslaboratoriais e circuitos internos de aparelhagemelctrica.

L2I2

58

A

L1

L3

I1

I3U

A


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DIVISOR DE TENSO

O divisor de tenso permite-nos obter vrios nveis detenso num circuito, quando no existem fontes de


a men a o var ve s que o perm am azer. s oconseguido atravs da ligao de resistncias no circuito.

uma aplicao especfica da associao em srie.

U1R

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U

U2R2

DIVISOR DE CORRENTE

O divisor de corrente permite-nos obter vrios nveisde corrente num circuito, para alimentar diferentes


cargas.

uma aplicao especfica da associao em paralelo.

I

I I

60

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U R1 R2


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ENERGIA

Acontece, certamente, haver dias em que noscansamos mais facilmente do que habitual, ou seja,


estamos com pouca energia, falta-nos fora pararealizar trabalhos ou tarefas.

O que afinal energia? A energia a capacidade que um corpo possui de produzir

trabalho.

61

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Exemplos: serrar uma t bua de madeira, levantar oudeslocar um peso, andar de bicicleta

No fim de contas o que acontece haver umatransferncia de energia ou transformao energtica.

TRANSFORMAES ENERGTICAS

A energia tem vrias provenincias ou fontes, quepodem ser classificadas em dois grupos:


Fontes renovveis Fontes no renovveis

As fontes renovveis so aquelas que,teoricamente, so inesgotveis. O sol, o vento, o movimento das guas, etc.

62

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As fontes no renovveis vo-se esgotando aolongo do tempo, tendo assim uma duraolimitada. O petrleo, o carvo, o urnio, etc.


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A partir destas fontes obtemos as respectivasenergias.


Energias renovveis Energia solar, energia elica, energia hidroelctrica, energia

das mars, etc.

Energias no renovveis Energia termoelctrica (a partir dos combustveis j

referidos)

63

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Podemos pois concluir que existem diversasformas de energia, como: energia qumica,energia trmica, energia elctrica, energiamecnica, energia magntica e electromagntica,etc.


A partir das diversas formas de energia podemosobter algumas transformaes energticas:


Energia elctrica em energia mecnica Energia mecnica em energia elctrica Energia elctrica em energia trmica Energia trmica em energia elctrica Etc.

Em qualquer dos casos, verifica-se a Lei da

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conservao da energia, que diz: Num sistemaenergtico, no h criao nem destruio de energia,mas apenas transformaes e transferncias deenergia; se o sistema for isolado, a energia totalmantm-se constante.


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LEI DE JOULE

Por vezes, no se fala em energia calorfica massim em uantidade de calor cu a unidade a


caloria (cal).

Onde: Q quantidade de calor (caloria cal) R resistncia elctrica ohm

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I intensidade de corrente elctrica (ampre A) t tempo de passagem da corrente (segundos s)

1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal

POTNCIA

Como vimos na lei de joule, a energia elctricaconsumida num rece tor de ende do intervalo de


tempo em que a corrente percorre o receptor.

No entanto nem todos os receptores so iguais,podemos ter duas resistncias diferentes aconsumir a mesma energia mas em intervalos de

68

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POTNCIA

Vejamos ento os seguintes exemplos: Dois rece tores diferentes consomem a mesma


energia: Receptor 1: consome 1500 J durante 3 s Receptor 2: consome 1500 J durante 1,5 s

Dois geradores diferentes geram a mesma energiaelctrica: Gerador 1: gera 1500 J durante 3 s

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era or : gera urante , s

Dois motores diferentes geram a mesma energiamecnica: Motor 1: gera 1500 J durante 3 s Motor 2: gera 1500 J durante 1,5 s

POTNCIA

Como podemos ver pelos exemplos, apesar da energiaconsumida ou fornecida ser sempre a mesma, ela


,seja, a velocidade de consumo ou fornecimento diferente. Para os casos apresentados temos:

Define-se assim o conceito genrico de potncia comoa energia absorvida ou fornecida na unidade detempo.

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Onde: P potncia (joule por segundo ou watt J/s ou W) W energia (joule J) t tempo de passagem da corrente (segundos s)

W

P t


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POTNCIA E ENERGIA ELCTRICA

Se tivermos um conjunto de receptores ligadosem srie em aralelo ou em associa o mista a


potncia elctrica total dada pela soma daspotncias elctricas individuais:

Assim como a energia elctrica total dada pela

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soma as energ as e c r cas n v ua s:

FORMULRIO GERAL


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