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  • Experimento 1 – Circuitos de corrente contínua

    Neste experimento iremos estudar alguns elementos simples de circuitos elétricos a partir de suas curvas características e iremos utilizar estas curvas para montar um circuito que represente a instalação elétrica de uma casa. Os materiais disponíveis para este experimento são:

    • fonte de corrente contínua
    • célula solar
    • pilhas recarregáveis
    • diodos LED
    • resistores diversos
    • chaves 
    • fios, multímetros, etc.

    Em muitos momentos será necessário desenhar e simular circuitos elétricos simples. Uma boa ferramenta para isto é o site CIRCUITLAB. Dêem uma olhada e pratiquem um pouco o uso desta ferramenta.

    Conceitos básicos sobre resolução de circuitos elétricos

    A resolução de circuitos elétricos pode ser realizada a partir das leis de Kirchhoff e do conhecimento das propriedades dos elementos que são colocados no circuito. Para utilizar as leis de Kirchhoff precisamos definir, em um circuito, o conceito de malha e nó. Uma malha é definida como qualquer percurso fechado em um circuito e um nó é definido como um ponto de interligação de três ou mais fios de um circuito, conforme mostra a figura 1. Nesta figura os pontos B e E correspondem a nós e as possíveis malhas são os percursos ABEF, ACDF ou BCDE.

    Figura 1 - Malhas e nós em um circuito elétrico simples.

    As leis de Kirchhoff, consequências das leis de conservação de energia e de carga elétrica podem ser resumidas em:

    1. A Lei das Tensões de Kirchhoff estabelece que é nula a soma algébrica das diferenças de potencial ao longo de uma malha qualquer. Esta lei é conseqüência da definição de potencial elétrico. Exceto para o caso de um circuito de uma única malha, o número de equações independentes que se obtém com a aplicação dessa lei é sempre menor que o número de malhas.
    2. A Lei das Correntes de Kirchhoff estabelece que é nula a soma algébrica das correntes que convergem para um nó de um circuito. As correntes que entram num nó são consideradas de sinal oposto às correntes que saem do nó. Esta lei é conseqüência da conservação de cargas.

    Na primeira lei estabelecemos uma relação entre os potenciais elétricos em uma malha e, na segunda, uma relação entre as correntes em um nó qualquer. Como exemplo, considerando a malha ABEF, podemos escrever, que, da primeira lei:

    \( V_{AB} + V_{BE} + V_{EF} + V_{FA} = 0 \)

    Podemos utilizar a segunda lei para escrever, por exemplo, que no nó B:

    \( i_1 + i_2 = i_3 \)

    Com isto podemos escrever quantas equações forem necessárias para descrever as correntes e tensões em todo o circuito estudado.

    A relação entre tensão e corrente depende dos elementos colocados no circuito. Um resistor possui uma relação diferente de um capacitor ou de um diodo, por exemplo.  Para estudar elementos de circuito resistivos lineares (ôhmicos) ou não lineares levantamos suas curvas características. Uma curva característica de qualquer elemento de circuito é definida como sendo o gráfico da corrente i (ordenada) em função da tensão V (abscissa). Esse gráfico serve para caracterizar o comportamento do elemento sob determinadas condições ambientais. Conhecendo-se a curva característica de um elemento qualquer é possível relacionar as tensões elétricas com as correntes e, assim, resolver completamente o circuito elétrico. Alguns elementos possuem curvas características simples, como o resistir ôhmico, e podemos estabelecer uma expressão matemática para esta curva (por exemplo, uma reta), tornando fácil a resolução do circuito. Em outros casos, as curvas características são mais complexas e a resolução do circuito se dá graficamente. 

    Para maiores detalhes sobre circuitos elétricos consulte o capítulo 10 do volume 3 do Curso de Física Básica, H. Moysés Nussenzveig.

    O experimento

    Nosso experimento será dividido em três blocos, cada um planejado para uma semana de atividades. Temos ainda uma quarta semana que pode ser utilizada para complementar o experimento, refazer medidas e análises. O objetivo final é projetar e construir um circuito elétrico que represente a instalação típica presente em uma casa com vários cômodos, alimentada por uma fonte de tensão elétrica. No espírito de buscar fontes renováveis de energia, estudaremos células fotovoltáicas e uma lâmpada incandescente, com o objetivo de simular a geração de energia solar, que é armazenada em  baterias (pilhas recarregáveis). A iluminação da casa será feita através de lâmpadas a base de LED, que consomem pouca energia.

    Para poder planejar e montar o circuito precisamos entender os seguintes aspectos:

    1. Como funciona uma célula fotovoltaica? Como ela produz tensão e corrente elétrica? 
    2. Como funciona uma bateria recarregável? 
    3. Como é o processo de armazenamento de energia produzida em uma célula fotovoltáica em uma bateria?
    4. Como funciona um LED? Quando ele é ligado a uma bateria, qual a energia que ele consome e como isto é convertido em luz?
    5. Conhecendo-se os elementos acima, como eu projeto e prevejo o funcionamento de um circuito que represente uma residência típica, alimentada por energia solar e iluminada com LEDs? 

    Os aspectos acima devem ser discutidos ao longo do relatório (não responda questões, veja o texto sobre relatórios, na aba GERAL). Para estudar estes aspectos, dividimos o experimento em três blocos de atividades da seguinte forma:

◄Extras
►Exp II