Aprenda neste artigo os principais conceitos de circuitos elétricos, bem como o que são circuitos elétricos.
Seções:
- Início
- O que são circuitos elétricos
- Carga elétrica
- Tensão elétrica
- Corrente elétrica
- Potência e energia elétrica
- Relacionando os conceitos
- Conheça o site
Usarei neste artigo uma linguagem simples para facilitar a compreensão dos conceitos básicos para o estudo de circuitos. Não é o objetivo aqui fazer muitas contas, então devo ficar mais na parte da explicação dos conceitos teóricos. Portanto, a abordagem aqui será bem diferente daquela de um livro teórico de física, que tem mais formalidade e abstração, mas que dificulta a compreensão de quem tem mais interesse no assunto como parte de curso técnico ou de engenharia.
O que são circuitos elétricos
A ideia de circuito aqui é a mesma usada em outros contextos (como circuito de corrida): você tem um percurso fechado por onde alguma coisa pode transitar, ou melhor dizendo, circular. Portanto, podemos definir circuito elétrico de uma forma bem simples: um percurso fechado por onde circulam cargas elétricas.
Um dos circuitos elétricos mais simples que você pode imaginar é aquele composto por uma pilha, fios elétricos e uma lâmpada incandescente. No final deste texto iremos retomar a este exemplo para entender melhor vários conceitos de circuitos elétricos. É um exemplo simples, mas os conceitos empregados são os mesmos que aparecem em circuitos elétricos/eletrônicos complexos como os que existem em placas do seu computador, por isso um exemplo deste é tão conveniente do ponto de vista didático.
Carga elétrica
Um conceito mais simples que podemos usar para entender carga elétrica é o de massa. É interessante porque nos ajuda a traçar um paralelo que facilita nossa compreensão do conceito de carga elétrica.
Massa é aquela propriedade da matéria que nós costumamos medir em quilos (quilogramas) ou seus múltiplos e submúltiplos. É o que na linguagem popular, erroneamente chamamos de 'peso'.
Um pacote de massa 10 kg apresenta 10x mais 'oposição' ao movimento que um pacote de massa 1 kg. Mesmo se a intenção não for levantar o pacote, mas sim mover para frente, percebemos uma oposição maior ao tentar tirá-lo do estado de repouso (parado) para o estado de movimento em uma certa velocidade.
Mas é quando tentamos levantar o pacote que percemos a diferença mais nítida. Isso acontece porque estamos submetidos à ação da gravidade, ou, falando de outra forma, ao campo gravitacional da Terra.
Pois bem, a carga elétrica é basicamente a versão elétrica da massa, porque ao mover um objeto com uma carga elétrica em um campo elétrico, percebemos semelhanças com a situação de mover um objeto com certa massa em um campo gravitacional.
No entanto, objetos com cargas elétricas também possuem massa, ou seja, os dois conceitos não são mutuamente excludentes. Estou apenas traçando um paralelo para facilitar a compreensão. Entenda que aqui neste texto eu estou simplificando os conceitos e usando analogias, fugindo um pouco das definições mais formais e abstratas de um livro de física, mas deixando as explicações mais didáticas.
A carga elétrica é bem perceptível no cotidiano na forma estática: ao encostarmos na tela de um monitor antigo, ao passarmos um pente no cabelo e vê-lo atrair pedaços de papel ou ao levar choque ao descer de um carro em clima seco. Mas além disso, como você aprenderá, cargas elétricas movimentam-se no interior de todos aparelhos elétricos e eletrônicos, possibilitando as mais diversas aplicações.
Tensão elétrica
Uma forma precisa de definir tensão elétrica (ou diferença de potencial elétrico) é a quantia de energia associada ao movimento de uma carga elétrica elétrica unitária. Observe que eu não estou dizendo que tensão elétrica é uma energia, porque são conceitos distintos. Para ficar mais claro, dizemos que 1 V (1 volt) = 1 J (1 joule) / 1 C (coulomb).
Para entender melhor isso, pense novamente na analogia com movimento de uma massa em um campo gravitacional. Se jogarmos uma bola de ferro pesada do alto de um prédio, sabemos que ela cai até o chão por ação da gravidade. Por causa da massa enorme do planeta Terra, existe um campo gravitacional que atrai objetos em sua direção. Sem precisar de detalhes mais específicos, você pode entender que associada à diferença de altura, existe uma diferença de potencial gravitacional entre o topo do prédio e o chão.
No topo do prédio, o potencial gravitacional é maior que embaixo no chão. Por isso, no topo, a bola de ferro tem mais energia potencial que em baixo, e se solta de cima, ela cai transformando essa energia potencial em movimento (energia cinética). A diferença de potencial gravitacional entre o topo do prédio e o chão é justamente uma proporção entre a energia potencial associada a esta altura e a massa da bola de ferro: ela denota a quantidade de energia por unidade de massa.
De forma bem similar, no caso elétrico, temos um potencial elétrico para cada posição do campo elétrico, com uma diferença de potencial elétrico associada. Observe na imagem: do lado esquerdo temos a situação da bola de ferro jogada do alto de um prédio, e no lado direito temos uma carga positiva solta em um campo elétrico.
No caso da bola de ferro, ela move-se por ação da gravidade da altura de potencial maior para o menor; de forma análoga, a carga positiva no campo elétrico formado pelas duas placas com cargas opostas move-se, por ação do campo elétrico, do potencial mais alto (placa superior) para o mais baixo (placa inferior). Se a carga fosse negativa, o movimento seria no sentido contrário (do menor potencial para o maior).
Portanto, de forma simplificada, a tensão elétrica mede o quanto de energia por unidade de carga elétrica, de forma que, quanto maior uma tensão de uma fonte (pilha, bateria, fonte ligada à tomada), mais energia ela fornece para a mesma unidade de carga elétrica, e isso é fundamental para a compreensão de como os circuitos elétricos (base de todos aparelhos elétricos e eletrônicos) funcionam.
Corrente elétrica
A ideia de corrente elétrica é até mais fácil de entender, na minha opinião. Vamos partir do básico: cargas elétricas podem se mover em determinadas circunstâncias. Elas podem se mover de forma desordenada (isto é, cada uma para um lado), ou de forma ordenada, geralmente provocada por algum fator externo (uma tensão elétrica).
Quando as cargas elétricas se movem de forma ordenada, indo todas no mesmo sentido, do ponto A para o ponto B, temos o que chamamos de corrente elétrica. No nosso exemplo, o ponto A pode ser uma ponta de um fio de cobre, e o ponto B, a outra. Desta forma, o valor da corrente elétrica mede o quanto de carga passa por uma seção transversal do fio a cada unidade de tempo.
A unidade padrão para medir corrente elétrica é o Ampère (A), de forma que 1 A corresponde a 1 Coulomb (C) passando por uma seção transversal do condutor a cada 1 segundo (s). Ou seja, temos que 1 A = 1 C / 1 s.
Potência e energia elétrica
Em um contexto geral, o conceito de potência mede o quanto de trabalho pode ser realizado por unidade de tempo. Como ela é uma grandeza calculada considerando o ritmo com que um trabalho é desempenhado, ela costuma estar associada a uma grandeza que meça velocidade ou rapidez.
O que é trabalho no nosso contexto? Definindo de forma simples, pode ser qualquer tarefa útil: levantar um peso, esquentar água, iluminar um cômodo, entre outros. Cada uma dessas tarefas demanda energia de alguma forma, e quanto maior a taxa com que esta energia é despendida, dizemos que maior é a potência.
No caso mecânico, a potência pode ser calculada multiplicando a força pela velocidade, de onde entendemos que a potência aumenta tanto com o aumento da força que um aparelho é capaz de proporcionar, quanto com o aumento da velocidade. Um exemplo que deixa isso bem claro é um elevador de prédio: se ele conseguir levantar as mesmas pessoas (ou seja, a mesma massa total) numa velocidade maior, a sua potência será maior; se ele levantar mais pessoas (ou seja, mais massa ainda) na mesma velocidade, a sua potência também será maior; e se ele levantar mais massa em uma velocidade maior também, então a potência será ainda maior que nos dois casos anteriores.
No caso elétrico, a situação é bem parecida: existe uma fórmula que diz que a potência elétrica é igual à tensão elétrica vezes a corrente elétrica (p = vi). Como vimos antes, quanto maior a corrente elétrica, mais carga elétrica passa por unidade de tempo, então esta fórmula também carrega a noção de quanto tempo o trabalho leva para ser realizado. Mas podemos deixar esta explicação para outro momento.
Agora deve ser um bom momento para explicar a diferença entre potência e energia. A energia mede o trabalho realizado em si, independente do tempo levado. A potência, por sua vez, mede quanta energia é transferida ou consumida por unidade de tempo. Vamos pensar em alguns exemplos:
- Elevador: Para subir 1000 kg a uma altura de 10 m, precisamos de cerca de 100000 J (joules) - não se preocupe com o cálculo deste valor aqui, só estou usando para traçar um paralelo com algo mais visível. Não importa se a ideia é subir isso levando 10 segundos ou 3 horas, a energia necessária é esta. Por outro lado, a potência que o motor do elevador precisa ter depende do tempo que queremos que esta operação leve. Para subir esses 1000 kg em 100 segundos, precisamos da potência 100000 J / 100 s = 1000 W (watts). Por outro lado, para subir mais rápido, em 10 s, precisamos de 100000 J / 10 s = 10000 W, ou seja, 10x mais potência, porque queremos que o trabalho seja executado em 10x menos tempo.
- Chuveiro elétrico: Agora vou dar um exemplo elétrico para contextualizar melhor com nosso caso elétrico. Se você usa chuveiro elétrico em casa, já deve ter percebido que ele vem com uma especificação de potência em W (watts). Por exemplo: 6000 W. Naturalmente, associamos este número à temperatura final em que ele consegue deixar a água. Quanto maior a potência, mais quente a água sai. Está certo, mas esta relação merece uma explicação. Suponha que você deseja esquentar a água a 50 graus Celsius. Em teoria, você consegue fazer isso tanto com um chuveiro de 2000 W quanto com um de 6000 W. A diferença está no tempo que levaria. Isso porque, sem fazer contas, entenda que para esquentar 10 L de água a 50 graus Celsius (a partir de 20 graus, por exemplo), a energia que precisamos não muda. Agora, com um chuveiro de 6000 W este aquecimento levaria 3x menos tempo que com o chuveiro de 2000 W. No caso do chuveiro, a água está correndo, então o chuveiro precisa ser capaz de fornecer a quantidade de calor necessária para a água naquele breve período que a água está dentro do chuveiro. Por isso, precisamos de um chuveiro potente para podermos abrir bastante o registro e ainda assim a água sair na temperatura desejada.
Relacionando os conceitos
No início falamos do exemplo mais simples de um circuito elétrico: uma pilha conectada a uma lâmpada. Pois bem, agora podemos relacionar todos os conceitos abordados neste texto para tudo ficar mais claro.
Os fios metálicos condutores, incluindo os que atravessam a lâmpada, contém cargas elétricas negativas livres (elétrons). Os elétrons livres nos fios metálicos podem circular de formas aleatórias e desordenadas no fio. Mas, enquanto uma tensão elétrica não for aplicada entre uma extremidade e a outra, os elétrons não vão se mover de forma ordenada.
Portanto, a pilha fornece o que o circuito precisa para que as cargas circulem de forma ordenada. De forma mais clara, a pilha possui a energia necessária para que os elétrons façam o percurso do pólo negativo da pilha, passando pela lâmpada, e chegando ao pólo positivo da pilha.
Lembra-se quando eu disse que a tensão elétrica (ou diferença de potencial) é uma proporção entre energia e carga elétrica? Pois bem, para cada elétron, a pilha fornece uma quantia de energia de acordo com a proporção da tensão elétrica.
Se a pilha é de 1.5 V, isso significa 1.5 J (joule - unidade de energia) para cada 1 C (coulomb - unidade de carga elétrica). Só que cada elétron tem carga elétrica em valor absoluto bem menor que isso, igual à carga elementar (e = 1.6 x 10^-19 C). Então, uma pilha de 1.5 V fornece a cada elétron a energia de 1.5 x 1.6 x 10 ^-19 C = 2.4 x 10^-19 J. É uma energia muito pequena, mas o elétron também é bem pequeno e leve, então é suficiente para induzir o movimento dos elétrons.
O movimento ordenado dos elétrons é o que chamamos de corrente elétrica, que é medida pelo fluxo de carga elétrica que passa por uma seção do fio por unidade de tempo. É como um fluxo/vazão de água numa tubulação, só que com partículas minúsculas dotadas de carga elétrica.
Por fim, ao passarem pela lâmpada, a energia que os elétrons receberam torna-se calor e luz, e a taxa com que essa energia é transferida nos dá a potência elétrica.
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