Circuitos e energia elétrica

Carga, corrente e diferença de potencial

A corrente média é I=ΔQ/Δt: quantidade de carga que atravessa uma secção por intervalo de tempo. A unidade ampere corresponde a coulomb por segundo. Num condutor metálico, os eletrões têm deriva no sentido oposto ao da corrente convencional. Esta última é definida pelo movimento que teriam cargas positivas. Escolher um sentido de referência não afirma que já sabemos o sentido físico.

A diferença de potencial relaciona variação de energia potencial elétrica com carga: ΔU=qΔV. Um volt corresponde a joule por coulomb. Corrente e tensão são grandezas diferentes: a corrente é definida através de uma secção, enquanto a tensão compara dois pontos. Pode existir tensão sem corrente num ramo aberto. A fonte não cria a carga que circula; usa outra forma de energia para manter uma diferença de potencial e transferir energia ao circuito.

Resistência e alcance da lei de Ohm

Num resistor óhmico sob condições aproximadamente constantes, a tensão nos terminais é proporcional à corrente: V=RI. A resistência R mede-se em ohm, Ω=V/A. A relação descreve um comportamento experimental; não é uma lei universal de todos os componentes. Díodos, filamentos que aquecem e outros elementos podem apresentar uma relação não linear ou dependente da temperatura.

Para um fio homogéneo, R=ρℓ/A num modelo uniforme: ρ é resistividade em Ω·m, ℓ comprimento e A área de secção. Um fio mais comprido apresenta maior resistência; uma secção maior permite menor resistência. As ligações ideais são tratadas com resistência nula, mas fios reais dissipam energia. A validade da aproximação depende de quanto essas quedas de tensão importam em comparação com as dos componentes estudados. Circuitos aqui são modelos e exercícios de baixa tensão.

Nós e conservação da carga

Um nó reúne ramos ligados por condutores ideais. Num regime estacionário, não há acumulação significativa de carga no nó. Portanto, a soma das correntes que entram iguala a soma das que saem. Esta é a lei dos nós de Kirchhoff, frequentemente escrita como soma algébrica das correntes igual a zero. Escolhe uma convenção, por exemplo entradas positivas, e mantém-na em toda a equação.

Se entram 0,8 A e saem 0,3 A por um ramo, devem sair 0,5 A pelo restante. Não se perde corrente nos resistores: neles a energia elétrica é transformada, mas a carga é conservada. Em série, sem ramificações, a corrente é a mesma em todos os componentes. Em paralelo, os ramos partilham os mesmos dois nós e têm a mesma tensão; as correntes podem ser diferentes conforme as resistências.

Malhas, sinais e resistências equivalentes

Num circuito concentrado em regime estacionário, sem fluxo magnético variável relevante a atravessar as malhas, a soma das mudanças de potencial numa volta fechada é zero. Ao atravessar uma fonte do terminal negativo para o positivo, soma-se uma elevação +V. Ao atravessar um resistor no sentido da corrente de referência, inclui-se uma queda −RI. Percorrer o resistor no sentido contrário dá +RI.

Em série, as quedas somam-se: V=I(R₁+R₂), logo R equivalente é a soma. Em paralelo, I=V/R₁+V/R₂, portanto 1/R equivalente=1/R₁+1/R₂. A resistência equivalente de resistores positivos em paralelo é menor que a menor resistência de ramo. Uma corrente calculada negativa não invalida a solução: significa que o seu sentido real é oposto ao escolhido. Verifica sempre se as equações respeitam os sentidos declarados.

Potência, energia e convenção passiva

A potência elétrica instantânea é p=vi quando v e i seguem a convenção passiva: a corrente de referência entra pelo terminal marcado positivo. Então p>0 significa que o componente absorve energia e p<0 que fornece energia. Num resistor com R>0, p=Ri²=v²/R≥0. Uma fonte que alimenta o circuito tem potência negativa nesta convenção, porque a corrente sai pelo terminal positivo.

Em corrente contínua constante, E=PΔt. Um watt é joule por segundo; um quilowatt-hora é energia: 1 kWh=3,6×10⁶ J. Não se deve escrever kW/h para energia consumida. Num modelo sem acumulação de energia em campos, a soma das potências de todos os componentes é zero: o que as fontes fornecem corresponde ao que os recetores absorvem. Este balanço é uma verificação independente das equações de corrente.

Fontes reais e interpretação responsável

Uma fonte real pode ser modelada por força eletromotriz ε e resistência interna r em série. Quando fornece corrente I, a tensão terminal é V=ε−Ir. A potência química ou de outro mecanismo convertida é εI; parte, I²r, aquece o interior e o restante chega ao circuito externo. A força eletromotriz mede-se em volts, apesar do nome histórico: não é força em newtons.

Um amperímetro ideal entra em série e tem resistência nula; um voltímetro ideal compara dois nós e tem resistência infinita. Esses ideais ajudam a analisar como medir altera um circuito real. Os exemplos numéricos usam fontes limitadas de baixa tensão e esquemas conceptuais. Instalações da rede exigem equipamento e pessoal qualificado; o objetivo desta unidade é interpretar modelos e balanços, sem instruções de intervenção em cablagem doméstica. Começa a resolução por nós e sentidos, passa às equações e termina com unidades e potência.

Exemplos resolvidos, sem saltar passos

Acompanha primeiro o raciocínio. Depois tapa a resolução e tenta reconstruí-la com as tuas palavras.

Agora, experimenta tu

Não há cronómetro. Escreve o que sabes, escolhe uma relação e justifica cada passo. As pistas e soluções ficam disponíveis quando precisares.

Erros que vale a pena evitar

O resistor consome a corrente.

A carga é conservada; o resistor transforma energia.

Em paralelo as correntes são sempre iguais.

As tensões são iguais; correntes dependem das resistências dos ramos.

Potência negativa significa necessariamente erro.

Com a convenção passiva, significa fornecimento de energia.