Circuito elétrico
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.[carece de fontes?]
Uma série de leis se aplicam aos circuitos elétricos. Entre elas: 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. 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.
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. 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, R p {\displaystyle R_{p}} , e entre A e B temos umas resistência que pode ser modificada, entre 0 e R p {\displaystyle R_{p}} , rodando o eixo.
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 I 1 {\displaystyle I_{1}} a entrar no nó, e duas correntes I 2 {\displaystyle I_{2}} e I 3 {\displaystyle I_{3}} a sair.
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.
A corrente alternada, ou CA (em inglês AC - alternating current) é uma corrente elétrica cuja magnitude e direção da corrente varia ciclicamente, ao contrário da corrente contínua cuja direção permanece constante e que possui pólos positivo e negativo definidos. A forma de onda usual em um circuito de potência CA é senoidal por ser a forma de transmissão de energia mais eficiente. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas tais como triangular ou ondas quadradas. Cada forma de onda é uma forma de onda alternada fornecida por geradores de sinais disponíveis comercialmente. O termo alternada indica apenas que o valor da tensão ou da corrente se alterna, ao longo do tempo o sinal mais importante é a forma de onda alternada senoidal, com esse tipo de sinal encontrado na grande maioria das aplicações, as frases abreviadas como tensão CA e corrente CA sempre se referem a esse tipo de forma de onda, outra razão para dar atenção à tensão alternada senoidal é que esse tipo de tensão é gerado nas usinas de energia elétrica em todo o mundo. Outras razões incluem seu uso em diversos sistemas elétricos, eletrônicos, de comunicação e industriais. Além disso, esta forma de onda tem diversas características que resultam em uma resposta exclusiva quando a aplicamos aos componentes elétricos básicos.
História
Em 1845, quando ainda era um estudante, Gustav Kirchhoff contribuiu muito no campo dos circuitos elétricos, na espectroscopia, na emissão de radiação dos corpos negros e na teoria da elasticidade. É o autor de duas leis fundamentais da teoria clássica dos circuitos elétricos pois formulou as leis dos nós e das malhas Leis de Kirchhoff. Propôs a lei da emissão de radiação térmica em 1859, comprovando-a em 1861. Em 1854 transferiu-se para a Universidade de Heidelberg, onde colaborou em trabalhos sobre espectroscopia com Robert Bunsen, descobrindo juntamente com este os elementos césio e rubídio em 1861, estudando a composição química do Sol através do seu espectro.
Circuito LC
No circuito do lado esquerdo da figura abaixo, o interruptor S 1 {\displaystyle \mathrm {S} _{1}} tem estado fechado durante muito tempo e o interruptor S 2 {\displaystyle \mathrm {S} _{2}} aberto. Num instante que designamos t = 0 {\displaystyle t=0} abre-se o interruptor S 1 {\displaystyle \mathrm {S} _{1}} e, simultaneamente, fecha-se o interruptor S 2 {\displaystyle \mathrm {S} _{2}} . Assim, para t ≥ 0 {\displaystyle t\geq 0} o circuito equivalente é o que aparece no lado direito da figura. A impedância do condensador é 1 / ( C s ) {\displaystyle 1/(C\,s)} e a do indutor é L s {\displaystyle L\,s} . A lei de Ohm generalizada, V ~ = Z I ~ {\displaystyle {\tilde {V}}=Z\,{\tilde {I}}} deixa de ser válida para o indutor, porque no instante > t = 0 {\displaystyle >t=0} a sua corrente não era nula.
Potência dissipada nos circuitos
Em qualquer ponto num circuito de corrente alternada, a corrente é uma função sinusoidal. Em cada período de oscilação, a mudança de sinal da função sinusoidal indica que o sentido da corrente muda. O integral da função, em cada período é nulo. Isso quer dizer que a carga transferida é nula; durante metade do período há transporte de carga num sentido, mas no restante meio período a mesma carga é transportada no sentido inverso. Não existe transferência efetiva de carga nos circuitos de corrente alternada. As cargas de condução simplesmente oscilam à volta de uma posição de equilíbrio. Apesar de não existir transferência efetiva de cargas, existirá dissipação efetiva de energia, porque a oscilação das cargas está a ser contrariada pela resistência dos condutores e existe efeito Joule, independentemente do sentido da corrente.
Ressonância
A reatância equivalente num circuito varia com a frequência. Se o circuito inclui condensadores e indutores, a reatância será uma função da frequência. Quando a reatância for elevada, o módulo da impedância será elevado e o fator de potência baixo. Isso implica corrente máxima e potência média muito baixas. Nas frequências em que a reatância for menor, o módulo da impedância será menor e a potência dissipada maior. Em alguns casos (indutores em série com condensadores) poderá existir uma frequência intermédia, para a qual a reatância equivalente é nula. Nesse caso o módulo da impedância será mínimo, o fator de potência será máximo cos φ = 1 {\displaystyle \cos \varphi =1} e as fases da tensão e da corrente serão iguais (fasores na mesma direção e sentido). Quando isso acontece, diz-se que a tensão de entrada está em ressonância com o circuito. A frequência para a qual a reatância é nula é um valor característico do circuito, designado de frequência de ressonância.
Uma aplicação importante dos circuitos elétricos é no processamento de sinais. Os sinais a serem processados são tensões elétricas variáveis em função do tempo. Essas tensões podem ser produzidas, por exemplo, num microfone ou em diversos tipos de transdutores que são usados para medir pressões, temperaturas e outras propriedades físicas. O sinal elétrico produzido pelo transdutor constitui uma fonte de tensão ou corrente variável no circuito elétrico usado para o seu processamento. Neste seção designaremos por (sinal) qualquer grandeza que varie em função do tempo em alguma parte de um circuito. Por exemplo, uma tensão V ( t ) {\displaystyle V(t)} , uma corrente I ( t ) {\displaystyle I(t)} ou a carga Q ( t ) {\displaystyle Q(t)} num capacitor . Usando um til para designar as respectivas transformada de Laplace, nomeadamente, V ~ ( s ) {\displaystyle {\tilde {V}}(s)} , I ~ ( s ) {\displaystyle {\tilde {I}}(s)} e Q ~ ( s ) {\displaystyle {\tilde {Q}}(s)} .
Circuito RC
A figura ao lado mostra o diagrama de circuito para um capacitor, com carga inicial Q 0 {\displaystyle Q_{0}} , que é descarregado ligando-o a uma resistência R {\displaystyle R} . Esse circuito é designado de circuito RC. O instante t = 0 {\displaystyle t=0} em que o capacitor é ligado à resistência corresponde ao instante em que é fechado o interruptor no diagrama de circuito da figura baixo. Quando o capacitor começa a descarregar, a corrente nele será igual à taxa de diminuição da sua carga, − d Q / d t {\displaystyle -dQ/dt} . Em qualquer instante t ≥ 0 {\displaystyle t\geq 0} , a corrente e a diferença de potencial no condensador serão iguais à corrente I {\displaystyle I} e a diferença de potencial
