direita|thumb|Um circuito elétrico simples, constituído de uma fonte de tensão e de um resistor.
Um circuito elétrico é a ligação de elementos elétricos, tais como resistores, indutores, capacitores, diodos, linhas de transmissão, fontes de tensão, fontes de corrente e interruptores, de modo que formem pelo menos um caminho fechado para a corrente elétrica. Um circuito elétrico simples, alimentado por pilhas, baterias ou tomadas, sempre apresenta uma fonte de energia elétrica, um aparelho elétrico, fios ou placas de ligação e um interruptor para ligar e desligar o aparelho. Estando ligado, o circuito elétrico está fechado e uma corrente elétrica passa por ele. Esta corrente pode produzir vários efeitos: óticos, cinéticos, térmicos, acústicos, mecânicos, etc. Circuitos elétricos são conjuntos formados por um gerador elétrico, um condutor em circuito fechado e um elemento capaz de utilizar a energia produzida pelo gerador.
Definições
Nó - Ponto do circuito ao qual estão ligados dois ou mais elementos. Nó essencial - Ponto do circuito ao qual estão ligados três ou mais elementos. Caminho - Sequência de elementos ligados entre si na qual nenhum elemento é incluído mais de uma vez. Ramo - Caminho que liga dois nós. Ramo essencial - Caminho que liga dois nós essenciais, sem passar por outro nó essencial. Malha - Caminho cujo último nó coincide com o primeiro. Malha essencial - Malha que não inclui nenhuma outra malha. Circuito planar - Circuito que pode ser desenhado em um plano sem que os ramos se cruzem.
Circuitos Elétricos em Série e Paralelo
Circuito em Série: É o circuito onde todos os elementos se encontram interligados em série com a fonte de energia. No circuito em série a corrente elétrica é a mesma em todos os pontos do circuito e a tensão é dividida proporcionalmente. Circuitos em Paralelo: No circuito elétrico paralelo todos os elementos se encontram em paralelo com a fonte de energia. O circuito paralelo apresenta vários caminhos para a corrente, em um circuito em paralelo a tensão é a mesma em todos os pontos do circuito, porém a corrente varia de acordo com a resistência.
Expressões para diferença de potencial em elementos de circuito Resistores : Para resistores e, usando a convenção usual de corrente de portadores positivos (corrente convencional). Fontes de força eletromotriz (FEM): As fontes de força eletromotriz são dispositivos capazes de trocar energia com os portadores de cargas que as atravessam. Uma fonte de FEM pode fornecer energia aos portadores e aí a chamamos gerador ou receber energia dos portadores, caso em que as chamamos receptor. Capacitores: Nos capacitores a ddp aparece por causa da carga elétrica armazenada no elemento. Indutores: Indutores são elementos complexos de circuito. Eles podem ser classificados em: Auto-Indutores- Quando apenas o fluxo magnético produzido pelo próprio indutor o atravessa. Transformador ou Indutor Mútuo- Quando o fluxo magnético gerado em outros indutores também influencia o indutor em questão.
Leis elétricas
Uma série de leis se aplicam aos circuitos elétricos. Entre elas:
Leis de Kirchhoff: Lei das Correntes ou Lei dos Nós: A soma de todas as correntes que entram num nó é igual à soma de todas as correntes que saem do nó.
Lei das Tensões ou Lei das Malhas: A soma de todas as tensões geradas menos a soma de todas as tensões consumidas numa malha é igual a zero.
Lei de Ohm: A tensão entre as duas pontas de um resistor é igual ao produto da resistência e a corrente que flui através do mesmo.
Teorema de Thévenin: Qualquer circuito elétrico formado por fontes de tensão, fontes de correntes e resistores com dois terminais possui um circuito equivalente formado por uma fonte de tensão em série com um resistor. Teorema de Norton: Qualquer circuito elétrico formado por fontes de tensão, fontes de correntes e resistores com dois terminais possui um circuito equivalente formado por uma fonte de corrente em paralelo com um resistor.
Existe também um circuito simples,é composto de três elementos, um condutor ou rota (fio elétrico),uma fonte de energia (bateria),e um resistor elétrico (lâmpada), que é qualquer objeto que precise de eletricidade para funcionar.
Circuitos de corrente contínua
Os elementos de circuitos são produzidos com um tamanho padrão para facilitar sua montagem. Uma forma rápida de montar circuitos é usar uma placa de teste. Para construir circuitos mais duradouros, pode-se usar uma placa de circuito (Protoboard), que é constituída de um material isolador com furos e com pistas paralelas de cobre em um dos lados; o contato entre diferentes componentes é feito inserindo os terminais em furos que estejam na mesma pista, tal como na placa de teste, mas é preciso soldar os terminais sobre o cobre. Outro método que permite construir circuitos mais compactos, são as placas de circuito impresso (PCB). Um PCB é semelhante a uma placa de circuito, mas as pistas de cobre e os furos são desenhados sob medida para cada circuito específico.
Um circuito de corrente contínua, ou circuito c.c. (em inglês, Direct Current, d.c.), é um circuito em que todas as fontes de tensão têm força eletromotriz constante e todas as resistências são constantes. Caso se ligue condensadores no circuito, a corrente mudará em função do tempo (resposta transitória do circuito), mas passado algum tempo a carga e tensão nos condensadores atingirão os seus valores finais.
Fontes de tensão
As fontes de tensão CC são divididas em três categorias: baterias; geradores; e fontes de alimentação.
BateriasA bateria (usa reações químicas) é considerada por muitos a fonte CC mais comum. A bateria é a combinação de duas ou mais células compatíveis; a célula é uma unidade que converte a energia química ou solar em energia elétrica. As células são classificadas como primárias ou secundárias. A célula primária não pode ser carregada, mas a secundária pode, pois as reações químicas que ocorrem no seu interior são reversíveis. Portanto é muito mais vantajoso usar a célula recarregável, que não necessita de substituições frequentes.
GeradoresO gerador CC converte a energia mecânica em energia elétrica. Sua construção e operação diferem muito da bateria, sua capacidade de potência e tensão também na maioria das vezes são maiores que a da bateria. A indução eletromagnética é a base do funcionamento dos geradores elétrico e cada gerador produz uma corrente alternada.
Fontes de alimentação Uma fonte de tensão é constituída basicamente de quatro partes: o retificador, a parte transformadora, o regulador de tensão e o filtro capacitivo. As fontes mais usadas em laboratórios com o intuito de se obter uma tensão de corrente contínua estável são as que utilizam o processo de retificação e filtragem. Mesmo que ocorra variação na tensão, uma fonte de corrente ideal fornece uma corrente fixa a qualquer sistema eletroeletrônico.
Diagramas de circuito Para poder estudar um circuito mais facilmente, convém representá-lo por um diagrama de circuito. Por exemplo, a figura abaixo mostra o diagrama de circuito de um divisor de voltagem. Os pontos A, B e C são os 3 terminais de um potenciómetro (lado direito da figura), que é formado por um arco de círculo de um material condutor, entre os terminais nos dois extremos, A e C, e um contato móvel, ligado ao terminal central B, que pode ser deslocado sobre o arco condutor, rodando o eixo do potenciómetro. Assim, entre A e C temos uma resistência constante, , e entre A e B temos umas resistência que pode ser modificada, entre 0 e , rodando o eixo.
Entre os pontos A e C do potenciómetro foi ligada uma pilha com fem e e resistência interna r. As saídas do divisor de voltagem são os pontos A e B onde foi ligada uma resistência R. Quando o contato móvel, B, do potenciómetro é deslocado entre A e C, a diferença de potencial na resistência R será a mesma que nos pontos A e B, que é diretamente proporcional à resistência do potenciómetro entre A e B. Assim, consegue-se obter em R uma diferença de potencial que pode ser ajustada entre 0 e um valor máximo.
Outro exemplo de diagrama de circuito é a montagem usada para carregar um condensador e a seguir observar como diminui a diferença de potencial quando o condensador é descarregado através de um voltímetro. O diagrama do circuito é apresentado na figura abaixo.
Como a pilha é ligada por alguns instantes, para carregar o condensador, e é logo desligada, foi desenhado um interruptor que no estado fechado corresponde ao caso em que a pilha está ligada, e no estado aberto representa o caso em que a pilha está desligada.
O voltímetro foi representado no diagrama por meio da sua resistência interna . Geralmente, admite-se que o voltímetro não interfere com o circuito, sendo representado apenas pelas setas com sinais positivo e negativo, que indicam os pontos onde foram ligados os terminais positivo e negativo do voltímetro. Neste caso a resistência do voltímetro sim é importante e, por isso, foi desenhada. Um voltímetro ideal teria uma resistência infinita, que não permitiria que o condensador descarrega-se, permanecendo a sua diferença de potencial constante. Num voltímetro real, a carga no condensador produz uma corrente através do voltímetro, que faz com que a carga diminua e, consequentemente, a diferença de potencial decresça.
Leis dos circuitos A análise de um circuito consiste em calcular a corrente ou diferença de potencial em cada resistência e a carga ou diferença de potencial em cada condensador. Com essas grandezas podemos também determinar a potência que está a ser dissipada nas resistências e a energia armazenada nos condensadores. Para analisar os circuitos é conveniente usar duas regras gerais designadas de leis de Kirchhoff.
A primeira lei, a lei dos nós, ou lei das correntes, consiste em que em qualquer ponto de um circuito onde exista separação da corrente (nó), a diferença entre a soma das correntes que entram no ponto e a soma das correntes que saem é igual a zero. Por exemplo, no nó representado na figura ao lado, há uma corrente a entrar no nó, e duas correntes e a sair.
A lei das correntes implica:
Essa lei será válida sempre que as correntes sejam estacionárias; nomeadamente, quando a densidade da nuvem de cargas de condução permaneça constante dentro do condutor, sem existir acumulação de cargas em nenhum ponto; nesse caso, toda a carga que entra por um condutor, por unidade de tempo, deverá sair por outros condutores.
A segunda lei, designada de lei das malhas, ou lei das tensões, estabelece que a soma das diferenças de potencial, em qualquer caminho fechado (malha) num circuito, é sempre nula.
Por exemplo, no circuito da figura , podemos identificar 3 caminhos fechados (malhas): ABCDA, BEFCB e ABEFCDA.
Por cada uma dessas malhas existe uma equação associada, obtida pela lei das malhas, mas unicamente duas dessas equações serão independentes.
No caso da malha ABCDA, a lei das malhas é:
É fácil conferir que o resultado é nulo, tendo em conta que
Método das malhas
Nos circuitos com várias resistências foi sempre possível substituir as resistências por uma única resistência equivalente, permitindo assim calcular a corrente fornecida pela fonte e todas as outras correntes nas resistências.
Nos casos em que existem várias fontes ou quando não é possível associar resistências, ou capacitores, em série e em paralelo até obter uma única resistência (ou capacitor) equivalente, será útil usar o método das malhas. Por exemplo, no circuito da figura ao lado nenhuma das resistências está nem em série nem em paralelo com nenhuma outra.
Consequentemente, não é possível associar as resistências até obter uma única resistência equivalente.
Usaremos esse circuito da figura à direita para mostrar o fundamento do método das malhas. Na resolução de problemas não será preciso realizar a mesma análise que vamos fazer a seguir, mas bastará com aplicar as regras enunciadas no fim da seção, para escrever a matriz do circuito.