Noções Básicas
Provavelmente você já deve ter ouvido falar em uma dessas grandezas: corrente elétrica, tensão elétrica, resistência elétrica e potência elétrica. Se não ouviu, pelo menos já usou elas no seu dia-a-dia. Vamos a partir de agora aprender o que são essas grandezas, pois elas serão utilizadas ao longo do projeto de robótica. Para adquirir as primeiras noções sobre elas, assista o vídeo abaixo:
Introdução
Quando você liga um dispositivo eletrônico é necessário que para ele funcionar, exista uma fonte de tensão (bateria, pilha, “tomada”). Essa fonte de tensão é responsável por fornecer energia elétrica para o dispositivo. Por exemplo, para acender a lâmpada da animação ao lado está conectada uma pilha (fonte) a ela. Mas afinal, o que acontece a nível “microscópico” quando eu ligo essa fonte? Para entender isso precisamos compreender de que são constituídos os materiais.
Estrutura Atômica
Os materiais são constituídos por partículas pequenas chamadas de átomos. De forma simplificada, os átomos são compostos por elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons possuem carga elétrica positiva e os nêutrons não possuem carga elétrica. Estes compõem o núcleo do átomo. Já os elétrons, possuem carga elétrica negativa e “orbitam” o núcleo. A figura abaixo ilustra como é a estrutura do átomo.
Condutores e Isolantes
Os materiais podem ser classificados eletricamente em condutores e isolantes. (Existem outros materiais que não se encaixam dentro dos condutores e isolantes, que são chamados de semicondutores, mas não vamos falar deles aqui agora).
Os isolantes se caracterizam por não permitirem que as cargas elétricas se movimentem com facilidade. Podemos citar como exemplo a borracha e o plástico.
Os condutores elétricos permitem que os elétrons se movimentem com mais facilidade. Podemos citar exemplos de bons condutores elétricos os metais como: a prata, o ouro, o cobre, etc.
No simulador abaixo, veja o que acontece com a lâmpada ao clicar em cada um dos materiais para completar o circuito.
Grandezas Elétricas
Corrente
Uma grandeza física importante que você irá utilizar bastante é chamada de corrente elétrica. A corrente elétrica pode ser entendida como um movimento ordenado de cargas elétricas. Nos metais, as cargas elétricas que se movimentam ordenadamente são os elétrons livres. A animação abaixo mostra os elétrons livres se movendo ordenadamente em um condutor elétrico.
A corrente elétrica é quantificada através de sua intensidade. A intensidade da corrente elétrica (chamaremos apenas de corrente elétrica), que representaremos pela letra i, está relacionada com a quantidade de cargas elétricas que atravessam uma região de um condutor a cada segundo.
A unidade de medida padrão de corrente elétrica é o Ampére. Usaremos a letra “A” para indicar essa unidade de medida. Nos nossos circuitos eletrônicos, a corrente elétrica é baixa e usaremos submúltiplos do Ampère como o miliampère (mA) e o microampère (𝛍A).
1 miliampère = 1 mA = 0,001 A = \(10^{-3} A\)
1 microampère = 1 𝛍A = 0,000001 A = \(10^{-6} A\)
Contínua e alternada
De forma simplificada, corrente elétrica contínua (CC, ou em inglês DC - “direct current”) não muda de sentido. Se a corrente contínua é constante, além do sentido não mudar, sua intensidade não varia ao longo do tempo. Já a corrente alternada (CA, ou em inglês AC - “alternating current”) não muda de sentido ao longo do tempo.
As animações abaixo ilustram como a corrente se comporta em um circuito DC (figura acima) e em um circuito AC (figura abaixo).
Submúltiplos da corrente
Converta:
a) 500 mA para A
\[500 mA = 500 \times 10^{-3} = 500 \times 0.001 = 0.5 A\]b) 0,2 A para mA
\[0.2 A = 0.2 \times 10^3 = 0.2 \times 1000 = 200 mA\]c) 0,00004 A para 𝛍A
\[0.00004 A = 0.00004 \times 10^6 = 0.00004 \times 1000000 = 40 𝛍A\]Diferença de Potencial (ddp)
Falamos anteriormente que a corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas. Mas, o que provoca esse movimento ordenado?
A resposta da pergunta acima é a diferença de potencial elétrico, também chamada de ddp, voltagem ou tensão elétrica. Essa ddp é fornecida pela fonte de tensão (bateria, pilha, tomada) quando você a conecta no circuito.
Representaremos a ddp pela letra U. A unidade de medida de ddp é o Volts (V).
As fontes de tensão podem fornecer uma tensão contínua ou uma tensão alternada. Nos circuitos que serão criados nos projetos, utilizaremos fontes de tensão contínua.
Resistência
Podemos definir a resistência elétrica como uma grandeza física que é caracterizada pela dificuldade que um condutor pode oferecer à passagem de corrente elétrica.
A resistência elétrica R está relacionada com a corrente elétrica e a ddp de acordo com a seguinte relação:
\[R = \frac{U}{i}\]A unidade de medida de resistência é o Ohm representada pela letra grega ômega cujo símbolo é 𝛀.
Quando variamos a ddp U nos terminais de um condutor a corrente também irá variar. Se a resistência permanecer constante quando variamos a tensão (e por consequência a corrente), dizemos que o condutor é ôhmico.
Resistores
Os resistores são dispositivos que tem por função limitar a passagem de corrente elétrica em um trecho do circuito.
Ele possui diversos formatos (veremos outros mais na frente), mas o mais comum é mostrado na figura ao lado. Eles possuem dois terminais (“perninhas”) que podem ser ligados ao circuito em qualquer posição (não tem polaridade).
Chuveiros elétricos, lâmpadas incandescentes, churrasqueiras elétricas e outros dispositivos que podem ser encontrados na nossa casa possuem resistores que costumamos chamar de resistência.
Código de cores
No corpo dos resistores existem listras coloridas. Essas listras servem para identificar qual o valor de sua resistência elétrica.
A tabela abaixo mostra o código de cores para resistores que possuem quatro listras. As duas primeiras listras correspondem aos dígitos significativos, a terceira ao multiplicador e a quarta à tolerância.
Exemplo - Determinando a resistência de um resistor a partir do código de cores
Para determinar a resistência a partir do código de cores, deve-se posicionar a faixa mais afastada das outras para o lado direito. A leitura começa pelas faixas da esquerda. Vamos ver como se faz a leitura do exemplo abaixo:
1° faixa cor azul = 6
2° faixa vermelho = 2
3° faixa vermelho = 102 = 100
4° faixa cor dourado = 0,5% (tolerância)
Múltiplos do Ohm
Muitas vezes precisamos escrever esses valores em termo dos múltiplos, utilizando os prefixos k (quilo) e M (mega). Quando o prefixo k está antes da unidade, significa que o valor está sendo multiplicado por mil. Lembre-se de quilômetro. 2 km é igual a 2 x 1000 m = 2000 metros.
No exemplo anterior, utilizando o código de cores, encontramos a resistência do resistor como sendo 6200 𝛀 e tolerância de 5%. Esse valor poderia ser escrito da seguinte forma:
Já quando prefixo M encontra-se antes da unidade, significa que o valor está sendo multiplicado por 1000000 (um milhão). Por exemplo:
\[3000000 𝛀 = 3 \times 1000000 = 3 \times 10^6 = 3 M𝛀 \rightarrow 3 megaohms\]Logo temos 62 × 100 = 6200. isso significa que temos um resistor de 6200 𝛀 com uma tolerância de +-5% (5% de 6200 𝛀 é 310 𝛀).
A lei de Ohm
Georg Simon Ohm realizou várias experiências utilizando condutores elétricos. Através dessas experiências percebeu que quando aplicava uma ddp nos terminais de um condutor, uma corrente passava a circular por esse condutor. Quando aumentava a ddp, a corrente passava a aumentar proporcionalmente. Então:
\[\frac{U_1}{i_1} = \frac{U_2}{i_2} = \frac{U_3}{i_3} = R\]Vamos entender como seria isso utilizando o simulador abaixo:
Modifique o valor da ddp e veja o que acontece com a corrente e com a resistência elétrica.
Dessa forma, podemos relacionar as grandezas, diferença de potencial, corrente e resistência elétrica através da seguinte expressão:
\[U = R \times i\]U → ddp - tem como unidade padrão o Volt (V);
R → resistência elétrica - tem como unidade padrão o Ohm (𝛀);
i → intensidade da corrente elétrica - tem como unidade padrão o Ampère (A).
Circuito Elétrico
Circuito elétrico é um caminho fechado percorrido pela corrente elétrica, que na sua forma mais simples é formado por:
Um gerador (dispositivo que converte alguma forma de energia em elétrica - Ex. bateria, pilha)
Um condutor, responsável por ligar os elementos do circuito (Ex. fios) e a carga (não confundir com carga elétrica)
Um dispositivo que converte energia elétrica em outra forma de energia (lâmpadas, motores).
Perceba que para a lâmpada acender, o circuito elétrico deve estar fechado, como mostrado na figura da direita. Na figura da esquerda a lâmpada não acende.
Referências:
https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc/latest/circuit-construction-kit-dc_pt_BR.html
https://www.youtube.com/watch?v=ZAFW4zdXpbY