Resumo de eletricidade: corrente, tensão, resistência e circuitos
Por Tomás Rezende 10 min de leitura
Em 30 segundos
Corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas dentro de um condutor, e se mede pela quantidade de carga que passa por um ponto a cada segundo. Para que ela exista é preciso uma diferença de potencial entre dois pontos, a tensão, que funciona como o desnível que faz a água correr. O terceiro elemento é a resistência, a dificuldade que o material oferece à passagem. Nos condutores ôhmicos, os três se relacionam pela expressão U = R × i. A potência do aparelho, em watts, é o produto da tensão pela corrente, e diz com que rapidez ele converte energia elétrica em luz, calor ou movimento. Num circuito em série a corrente é a mesma em todos os pontos; num circuito em paralelo é a tensão que se repete.
O que corre dentro do fio
Num metal, os elétrons mais externos dos átomos circulam com relativa liberdade. Em situação normal eles se movem para todos os lados, ao acaso, e nada acontece de útil.
Quando se aplica uma diferença de potencial entre as duas pontas do fio, esse movimento desordenado ganha uma direção preferencial. É isso que se chama de corrente elétrica.
i = Q / Δt
A corrente mede a carga que atravessa uma secção do fio por unidade de tempo. A unidade é o ampère, e um ampère corresponde a um coulomb por segundo.
Convém saber que existem dois sentidos citados nos livros. O sentido real é o do movimento dos elétrons, do polo negativo para o positivo. O sentido convencional, adotado nos circuitos antes de os elétrons serem conhecidos, é o contrário, e continua sendo o usado nos exercícios.
As três grandezas, com uma analogia útil
| Grandeza | Unidade | Analogia com água |
|---|---|---|
| Tensão, ou ddp | volt (V) | O desnível que faz a água descer |
| Corrente | ampère (A) | A quantidade de água que passa por segundo |
| Resistência | ohm (Ω) | O estreitamento do cano, que dificulta a passagem |
A analogia ajuda a não inverter causa e efeito: o desnível existe primeiro, e o fluxo aparece por causa dele. Do mesmo modo, a tomada oferece tensão, e a corrente que circula depende do aparelho ligado nela.
Primeira lei de Ohm
Em certos condutores, mantida a temperatura, a razão entre tensão e corrente é constante:
U = R × i
Essa constante é a resistência. Condutores que se comportam assim são chamados de ôhmicos, e o teste é visual: num gráfico de tensão por corrente, eles produzem uma reta que passa pela origem.
Nem todo componente é ôhmico. Uma lâmpada incandescente, por exemplo, aquece muito e sua resistência aumenta com a temperatura, de modo que o gráfico é uma curva. A lei de Ohm não é uma lei universal da natureza; é a descrição do comportamento de uma classe de materiais.
Segunda lei de Ohm
A resistência de um fio depende de três fatores:
R = ρ × L / A
- ρ, a resistividade, que é característica do material e varia com a temperatura;
- L, o comprimento: quanto mais longo, maior a resistência;
- A, a área da secção transversal: quanto mais grosso, menor a resistência.
É por isso que o fio de um chuveiro é grosso e o de um abajur é fino, e por isso que linhas de transmissão muito longas precisam de tensão altíssima para não desperdiçar energia no caminho.
Potência e consumo
Potência é a rapidez com que a energia elétrica é convertida em outra forma: luz, calor, som ou movimento.
P = U × i
Substituindo a lei de Ohm, aparecem as outras duas formas, todas equivalentes:
P = R × i² e P = U² / R
A segunda explica o efeito Joule, que é o aquecimento produzido pela passagem de corrente. Ele é indesejado num cabo e é exatamente o que se quer num chuveiro, num ferro de passar ou numa churrasqueira elétrica.
Energia é potência multiplicada por tempo:
E = P × Δt
Na conta de luz, a unidade usada é o quilowatt-hora, que corresponde a um aparelho de 1 000 W funcionando por uma hora. Um chuveiro de 5 500 W ligado por 12 minutos, ou seja, 0,2 hora, consome 1,1 kWh.
Série e paralelo
Esta é a parte que mais cai, e a comparação resolve.
| Em série | Em paralelo | |
|---|---|---|
| Ligação | Um depois do outro, caminho único | Lado a lado, vários caminhos |
| Corrente | A mesma em todos | Divide-se entre os ramos |
| Tensão | Divide-se entre os componentes | A mesma em todos |
| Resistência equivalente | Soma das resistências | Menor que a menor delas |
| Se um queima | Todos apagam | Os outros continuam |
Para duas resistências em paralelo, o atalho é o produto dividido pela soma. Para três ou mais, soma-se o inverso de cada uma e inverte-se o resultado.
Por que a casa é ligada em paralelo. Duas razões, e as duas aparecem na tabela: cada aparelho recebe a tensão cheia da rede, e o defeito em um não desliga os demais. Luzes de enfeite antigas, ligadas em série, apagavam todas quando uma lâmpada queimava, e é por isso que ninguém liga uma residência assim.
Curto-circuito, fusível e disjuntor
Um curto-circuito acontece quando a corrente encontra um caminho de resistência quase nula entre dois pontos de tensões diferentes. Pela lei de Ohm, resistência muito pequena significa corrente altíssima, e o efeito Joule transforma isso em calor capaz de derreter o fio.
Fusível e disjuntor existem para interromper o circuito antes disso. O primeiro tem um filamento que derrete e precisa ser trocado; o segundo desarma e pode ser religado. Os dois protegem a instalação, e não o aparelho.
Como não errar na prova
Identifique primeiro a associação. Série ou paralelo decide o que se conserva, e sem isso a conta não tem caminho.
Marque as unidades. Miliampère e quilowatt aparecem no enunciado justamente para pegar quem não converte.
Confira o gráfico antes de aplicar a lei de Ohm. Se ele não é uma reta pela origem, o componente não é ôhmico e a resistência não é constante.
O que costuma cair
- A distinção entre corrente, tensão e resistência, que é o alicerce de qualquer questão do assunto.
- A primeira lei de Ohm e a identificação de quando um condutor é ôhmico pelo gráfico de tensão por corrente.
- A segunda lei de Ohm, que relaciona resistência com material, comprimento e área do fio.
- O cálculo de potência nas três formas equivalentes e o consumo de energia em quilowatt-hora.
- A associação de resistores em série e em paralelo, e o que se conserva em cada uma.
Onde quase todo mundo erra
A corrente vai sendo gastada conforme passa pelos aparelhos
Num circuito em série, a mesma corrente que entra num ponto sai do outro lado, porque carga não desaparece no caminho. O que o aparelho consome é energia, e isso aparece como queda de tensão sobre ele. Imaginar a corrente diminuindo a cada lâmpada leva a errar praticamente toda questão de circuito.
A tomada fornece corrente para o aparelho
A tomada fornece tensão, e é o aparelho que determina a corrente, conforme a sua resistência. Por isso um chuveiro e um carregador de celular ligados na mesma tomada puxam correntes muito diferentes. Trocar as duas palavras faz confundir o que é causa e o que é consequência no circuito.
A resistência de um fio é sempre a mesma, porque depende só do material
Depende de três coisas ao mesmo tempo, segundo a segunda lei de Ohm: da resistividade do material, do comprimento e da área da secção transversal. Fio mais longo resiste mais; fio mais grosso resiste menos. É por isso que instalações de alta corrente pedem cabos grossos, e não apenas cabos de bom material.
Se duas resistências estão juntas, é só somar para achar a equivalente
Somar só vale em série. Em paralelo a corrente ganha caminhos alternativos e a resistência equivalente fica menor do que a menor delas. Para duas resistências em paralelo, o cálculo rápido é o produto dividido pela soma: duas de 10 ohms resultam em 5 ohms, não em 20.
Quilowatt-hora é uma unidade de potência, como o watt
É unidade de energia, e o nome diz o processo: potência multiplicada por tempo. Um aparelho de 1 000 W ligado por uma hora consome 1 kWh; o mesmo aparelho ligado por dez minutos consome um sexto disso. Potência é o ritmo do consumo, energia é o total consumido, e a conta da luz cobra o segundo.
Um aparelho de 220 V ligado em 127 V só perde um pouco de potência
A perda é bem maior do que a intuição sugere, porque a potência varia com o quadrado da tensão quando a resistência é a mesma. Reduzir a tensão para pouco mais da metade derruba a potência para perto de um terço do valor original. É por isso que um chuveiro fora da tensão correta esquenta muito pouco, em vez de esquentar um pouco menos.
Cards de revisão
7 perguntas
- O que é corrente elétrica?
- O movimento ordenado de cargas num condutor, medido pela carga que atravessa uma secção por unidade de tempo.
- Qual é a unidade de corrente e o que ela significa?
- O ampère, que corresponde à passagem de um coulomb de carga por segundo.
- Que relação a primeira lei de Ohm estabelece?
- Que em certos condutores a tensão é o produto da resistência pela corrente, com a resistência permanecendo constante.
- De que depende a resistência de um fio?
- Da resistividade do material, do comprimento, que aumenta a resistência, e da área da secção, que diminui.
- Quais são as três formas de calcular potência elétrica?
- P = U × i, P = R × i², e P = U² / R. As três são equivalentes em um resistor.
- O que se conserva num circuito em série?
- A corrente, que é a mesma em todos os componentes. A tensão se divide entre eles.
- O que se conserva num circuito em paralelo?
- A tensão, que é a mesma em todos os ramos. A corrente se divide entre eles.
Tomás Rezende
Resumos de matemática, física e química
Escreve os resumos das ciências exatas, sempre explicando o sentido de cada fórmula antes da conta. Resolve cada exemplo do zero antes de escrever sobre ele e anota em que ponto a conta costuma travar. É ali que entra a armadilha de cada resumo.