Circuitos elétricos e os seus 7 elementos fundamentais que você precisa dominar!

Se não domina, você deveria dominar os elementos fundamentais de um circuito elétrico.


5 elementos de um circuito elétrico (faltam 2...)
Essa imagem mostra 5 elementos. Faltam 2. Sabe quais são? Continue lendo para saber.

Conforme vamos avançando no estudo, muitos conceitos vão “ficando no sangue”, como dizem.

Para outros conceitos, ainda que sejam básicos, pode dar aquele “branco” às vezes, principalmente se você não trabalha diretamente com eles. Nesse momento pensamos algo como “Eu tinha que saber isso”.

Certo dia, numa aula de física na faculdade, o professor comentou: “Tem cara por aí que demonstra vários teoremas, usando cálculo avançado, mas confunde-se com alguns conceitos simples.”

E outro professor que tive, agora de eletrônica, comentou que o simples pode não ser tão trivial quanto aparenta. Você vai perceber que é bem por aí.

Não adianta só aceitar as informações do livro ou mesmo as explicações do professor, e depois fazer os cálculos e ficar feliz por ter acertado. Será que você realmente entendeu?

Para entender é necessário imaginar algumas situações específicas, que muitas vezes sequer são mostradas em livros. Isso pode ser profundo! Vou abordar isso em outros artigos.

Continue lendo o artigo para ler os seguintes tópicos e ver várias imagens:

  1. Circuito elétrico: conceitos iniciais
  2. Resistência
  3. Capacitância
  4. Indutância
  5. Fonte de tensão
  6. Fonte de corrente
  7. Circuito aberto
  8. Curto-circuito

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Circuito elétrico com placa com capacitor e indutor
Esses fios desencapados enrolados em torno de um núcleo formam um tipo específico de indutor. Essa grande peça cinza, que parece uma estante com prateleiras, é um dissipador de calor. Em outros artigos vou escrever sobre eles.

Conceitos iniciais em circuito elétrico

Circuito elétrico é um caminho fechado que pode ser percorrido por uma corrente elétrica.

A teoria dos circuitos trata dos efeitos da interligação de componentes cujas características já são conhecidas e não das razões que motivam os comportamentos dos componentes individuais.

A frase acima é excelente para iniciarmos o estudo da disciplina Circuitos Elétricos dos cursos de engenharia. Ela pode ser desmembrada para uma análise aprofundada. Veja abaixo.

Efeitos da interligação de componentes em circuito elétrico:

Ao mudarmos uma simples conexão em um circuito elétrico o resultado pode ser completamente diferente na saída de sinal ou em vários pontos do circuito. A imagem abaixo tem o circuito exemplo, com os pontos de medição de sinal pelo osciloscópio.

circuito exemplo de um circuito elétrico
Sinal será medido sobre o indutor L e sobre a saída em R2.

Veja na próxima imagem os sinais senoidais mostrados no osciloscópio:

sinais senoidais de um circuito elétrico

Agora vou mudar a interligação e quero que você observe o que aconteceu com o efeito no ponto de medição, como afirma a frase acima sobre circuitos elétricos.

sinal senoidal em circuito elétrico

Componentes trocados em circuito elétrico

Então, para a mesma entrada de tensão e alterando apenas a interligação de dois componentes, o efeito foi o aumento da amplitude do sinal.

O objetivo dessa comparação foi apenas exemplificar a frase do começo, sem mais análises. Agora vamos avançar para a segunda parte da frase.

A teoria do circuito elétrico não trata das razões que motivam os comportamentos dos componentes individuais.

Efeito que um circuito elétrico pode manufestar

Para encontrar as razões que motivam os comportamentos individuais de cada componente devemos estudar eletromagnetismo.

Devemos interpretar “razões que motivam” como o porquê do componente gerar determinado efeito no circuito.

No indutor temos o as espiras e o campo magnético. No capacitor temos as cargas acumuladas nos condutores e o campo elétrico.

São conceitos que a disciplina Circuitos Elétricos não aborda diretamente. Agora vou abordar alguns fundamentos, como: entradas e saídas; passo a passo geral para modelar circuitos elétricos. Todos conceitos bem básicos que serão aprofundados em próximos artigos.

Entrada e saída em um circuito elétrico

Circuitos são sistemas compostos de componentes elétricos, onde os sinais observados (incluindo-se as entradas e as saídas) são tensões e correntes.

Na entrada do circuito precisamos ter algo que forneça energia, isto é, que realize trabalho sobre as cargas que vão se mover pelos componentes do circuito.

A energia que vai realizar trabalho pode ser química, como nas baterias células de combustíveis. Pode ser energia mecânica, como nos geradores. Temos as termopilhas, com diferenças de potencial sendo geradas a partir de diferenças de temperatura. E vale citar as cada vez mais populares células solares.

Na saída do circuito está o nosso ponto de maior interesse, o ponto de aplicação. Se a saída não indicar o valor correto de tensão ou corrente, ou não mostrar o sinal desejado, não poderem utilizar o produto. Assim, não venderemos nosso produto.

Ou ainda, o aparelho poder servir como um intermediário, como uma etapa em que outros aparelhos são ligados a ele. Então, se a saída de um não funcionar adequadamente, todo o sistema poderá ser prejudicado.

Assim, se entrada ou saída falharem, não vai adiantar ter o melhor projeto de equipamento. Pessoas não serão servidas e produtos não serão vendidos.

Conceitos iniciais de modelagem matemática em circuitos elétricos

Circuito elétrico também envolve muito cálculo

É possível, experimentalmente, observar um sistema e tirar conclusões dos dados obtidos. Usando multímetros, osciloscópios e outros equipamentos de medição, isso é possível.

Mesmo assim é muito importante usar métodos analíticos para examinar as relações entre entrada e saída de circuitos elétricos.

Usando cálculos podemos: prever chances de sucesso; ter uma ótima compreensão de como o sistema está operando; eliminar problemas.

Desenvolver métodos analíticos envolve algumas etapas, como:

  1. Descrição matemática formulada para os componentes individuais. A descrição aproxima o comportamento do componente real (físico). Os cálculos não devem ser difíceis.
  2. Através de leis de interligação encontrar uma descrição matemática do efeito de interligação dos componentes.
  3. Representar o sistema por um modelo (ou sistema idealizado), baseado na descrição matemática dos componentes e de sua interligação.
  4. Determinar relações de entrada-saída, aplicando técnicas matemáticas conhecidas.

Para verificar a validade deste procedimento (etapas), os resultados analíticos são comparados com as observações experimentais. Sem boa concordância, a descrição matemática deve ser revisada.

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Resistência

Resistor para circuito elétrico
As faixas de cores formam o “código de cores” dos resistores. O valor de resistência é dado por esse código.

Resistência, como o próprio nome indica, oferece alguma dificuldade. Em circuitos elétricos, a resistência é uma oposição à passagem de corrente elétrica.

Ela está presente também em outros componentes, como capacitor e indutor. Em um fio ela também está presente.

A imagem acima mostra resistores, que são componentes feitos para ter a resistência como sua principal característica. Em outro artigo vou explicar sobre os resistores de valor variável.

Clique aqui para ver o código de cores de resistores.

Capacitância

Capacitores para circuito elétrico

Capacitores são componentes criados para ter a capacitância como o principal elemento. Eles possuem resistência, que não varia linearmente como no resistor, do item anterior.

Um capacitor é formado por dois condutores isolados entre si. Pode existir um material isolante entre os condutores (placas). Esse material recebe o nome de dielétrico.

Não vou entrar em detalhes agora, mas o dielétrico aumenta a capacitância. E é limitada a um valor máximo a diferença de potencial que pode ser aplicada entre as placas de um capacitor.

Capacitância em circuito elétrico
Conductive plates (placas condutoras) e Dielectric (dielétrico).

Clique aqui para ver capacitores SMD, aqueles bem pequenos.

Indutância

Indutores para circuito elétrico
Alguns tipos de indutores. Vou escrever um artigo só sobre eles.

Um indutor também possui resistência elétrica, como o capacitor. Enquanto o capacitor armazena energia no campo elétrico, o indutor armazena energia no campo magnético.

Na imagem acima você vê espiras, isto é, fios enrolados em torno de um núcleo. Quando uma corrente elétrica percorre essas espiras, um fluxo magnético surge na região central do indutor.

A indutância, então, é definida como:

[(número de espiras) X (Fluxo magnético)] / corrente elétrica

X —> Sinal de multiplicação

/ —> Sinal de divisão

Quando o campo magnético varia ao longo do tempo, uma tensão é induzida nas espiras.

Clique aqui para ver indutores SMD (os pequenos soldados em superfície).

Fonte de tensão

Pilhas para circuito elétrico
Pilhas. Esse é um bom exemplo por ser o mais próximo de nós. As mais comuns são as do tipo AA, com tensão de 1,5 V (volt)

Vendo a imagem acima, da pilha, intuitivamente sabemos que fonte de tensão é o elemento que fornece energia a um circuito elétrico.

Ligamos a fonte e então uma corrente elétrica é fornecida ao circuito. Essa corrente varia em função do que você liga na fonte. A relação matemática entre tensão e corrente é a energia fornecida, a potência (energia ao longo do tempo).

Assim, quando conectamos a fonte, precisamos conhecer os componentes do circuito para que a corrente possa ser calculada.

Uma fonte de tensão com valor zero equivale a um curto-circuito. Nessa situação, fala-se que a fonte está em repouso.

Os tipo de fonte serão abordados em outros artigos, mas a pilha da imagem acima é uma fonte independente (a tensão é quase constante, mesmo se o circuito “pedir” mais corrente).

Fonte de corrente

Fonte de tensão corrente para circuito elétrico
Fonte de tensão e corrente elétrica.

Fonte de corrente (independente) é o elemento que produz e mantém constante a corrente fornecida ao circuito. Essa corrente não depende do que é ligado nos terminais da fonte.

É assim em fontes ideais (usadas em modelos matemáticos simplificados). Nesse caso, teoricamente, a tensão no circuito poderia aumentar indefinidamente se ligássemos vários elementos associados da forma correta no circuito.

Nas fontes reais, que são as que usamos na prática, a resistência interna do equipamento limita a tensão que surge no circuito.

Energia infinita?

Se a fonte fosse ideal, bastaria ligar componentes associados de tal forma que fizesse a tensão aumentar sem limites. Isso seria gerar energia! Os problemas do mundo de falta de energia estariam resolvidos.

Energia é a variação de potência ao longo do tempo. Como potência é o produto entre tensão e corrente elétrica (V x I), se a tensão aumentasse sem limites, a energia também não teria limites.

Circuito aberto

circuito aberto em circuito elétrico
Isso vale para corrente contínua.

Importante começar informando que o circuito aberto aqui não é interromper o circuito simplesmente desconectando um elemento do circuito.

Não me refiro a usar sua mão ou um objeto para levantar um componente e desfazer a ligação. Se o circuito estiver ligado (energizado), você pode até provocar um acidente! Então, NÃO faça isso!

Como um dos 7 elementos fundamentais de um circuito elétrico, o circuito aberto é aquele que surge quando um componente apresenta determinado comportamento físico interno ao sistema (circuito elétrico fechado).

Essas explicações são válidas para corrente contínua. Em corrente alternada, os sinais que você na foto acima trocariam de posição, carregando e descarregando capacitores e indutores a cada troca de polaridade.

Um exemplo de circuito aberto é quando o circuito abre pela ação de um fusível. Ou pela ação eletromagnética de um relé.

Você não vê, mas ele está lá no circuito

Imediatamente após o circuito ser alimentado pela fonte (energizado), o indutor opõe-se à variação de corrente, e assim comporta-se como um circuito aberto.

Acontece o que você vê na imagem acima. Mais à esquerda na imagem, o circuito está interrompido, impedindo a passagem da corrente. É como se existisse uma resistência muito alta (centro da imagem).

O capacitor comporta-se como um circuito aberto só depois de ser totalmente carregado, quando então as cargas elétricas não vão mais atravessá-lo até que ele seja descarregado e volte a ter capacidade de acumular cargas.

Isso acontece em corrente contínua. Em corrente alternada é um pouco diferente, porque as polaridades que você vê na imagem acima se alternam.

Curto-circuito

curto-circuito em circuito elétrico

Analogamente ao que expliquei no item anterior, aqui, o elemento curto-circuito que surge em circuitos elétricos não é pegar um fio e ligar em quaisquer dois pontos do circuito. NÃO faça isso! Você pode gerar um acidente!

A imagem acima indica uma resistência igual a zero, que é a situação ideal – não realidade é aproximadamente zero. A corrente que passa por uma resistência tão baixa pode ser muito elevada! Por isso o meu alerta anterior!

Curto-circuito é o que o próprio nome indica, uma ligação que faz a corrente elétrica cortar caminho entre dois pontos de um circuito.

Quando ativamos uma chave (botão) estamos abrindo ou fechando o circuito, através de uma ação externa.

Você não vê, mas ele também está lá no circuito

Dê uma olhada na imagem acima. No item *a*, dois terminais são mostrados interligados por um fio. É assim que se comporta um capacitor assim que o circuito é alimentado (energizado). 

O indutor comporta-se como um curto-circuito só depois de algum tempo de alimentação do circuito.


Conclusão: nesse 7 começa um circuito elétrico!

Circuitos elétricos-transformador de distribuição

Você aprendeu aqui conceitos básicos dos 7 elementos fundamentais dos circuitos elétricos. Preferi não mostrar e explicar fórmulas matemáticas, o que vai ficar para próximos artigos.

Preferi não citar e diferenciar os nomes contínua/alternada para as correntes e tensões. Eu expliquei levemente sobre isso. Dei explicações baseadas em modelos ideais, por simplificação conceitual.

Não se engane, estes elementos estão presentes até nos seus modernos módulos de arduíno.

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