Princípios Básicos de Eletricidade e Eletrônica

1. O que é Eletricidade?

O primeiro problema, que todos os pretendentes a trabalhar com eletrônica encontram, é entender a funcionalidade dos aparelhos. O modo como a eletricidade se movimenta através das diversas partes de um circuito, que forças a impulsionam e de que modo a energia é convertida em calor, movimento ou luz nos dispositivos que fazem parte de um aparelho são algumas das dificuldades existentes.

Com a vasta experiência como professor, autor de livros e de projetos eletrônicos, percebo que existe uma grande dificuldade para que os praticantes da eletrônica entendam conceitos básicos como o de corrente e tensão, que são as grandezas que regem o funcionamentode todos os equipamentos eletrônicos.

A confusão entre essas duas grandezas causa não só uma dificuldade em entender como circuitos elementares funcionam como até problemas mais graves como a queima de dispositivos e acidentes envolvendo curto-circuitos e choques elétricos. Assim, nosso ponto de partida é justamente entender o significado da palavra eletricidade para depois passarmos ao seu modo de comportamento em circuito e medição.

Os circuitos elétricos e eletrônicos funcionam com correntes elétricas. Essas correntes nada mais são que o fluxo de cargas elétricas que passam pelos fios e pelos próprios componentes, carregando a energia necessária para funcionar. Veja a figura 1.

Estes elétrons saltam de átomo para átomo produzindo um fluxo de cargas que pode transportar energia. Este fluxo é denominado corrente elétrica. Em outros meios o fluxo de cargas ocorre de modo diferente. Assim, em uma solução, como água e sal, a corrente consiste na movimentação de íons, ou seja, os átomos perdem ou ganham elétrons transportando esta carga, conforme mostra a figura 2.

Nos gases, como no interior de uma lâmpada fluorescente, a corrente também consiste em um fluxo de íons, ou seja, átomos a emissão de radiação luminosa que tanto pode cair na faixa visível como perder ou ganhar elétrons. Nesta movimentação, com a ionização dos átomos, ocorre travioleta. Este efeito é aproveitado nestas lâmpadas. No entanto, como os elétrons possuem cargas negativas e se movimentam de um local que os tenha em excesso (pólo negativo ou corpo carregado negativamente) para um local que esteja em falta (pólo positivo ou corpo carregado positivamente) esse sentido do fluxo de corrente representa a corrente real.

Na prática entretanto é “esquisito” representar uma corrente indo do pólo negativo para o positivo de uma bateria. Como para cada elétron que se desloca em um sentido temos uma vaga que move- se no sentido oposto, nada impede que representemos uma corrente no sentido contrário, se fizermos a suposição que ela seja formada por cargas positivas. Assim, é comum adotarmos a representação da corrente do positivo para o negativo e denominarmos a corrente como “corrente convencional”.

Lembre-se então:

• Uma corrente elétrica é um fluxo de cargas elétricas ou um movimento ordenado de cargas elétricas
• A corrente real ou eletrônica fluido negativo para o positivo
• A corrente convencional vai do positivo para o negativo

Um ampère corresponde a passagem de 1 coulomb de cargas em cada segundo, tomado em uma secção transversal de um condutor, por exemplo, como ilustra a figura 3. Levando em conta que a carga de um elétron é 1,6 x 10 -19 C significa que em cada segundo, em uma corrente de 1 A passam por um ponto de um condutor 6,2 x 1018 elétrons, ou seja, 6 seguidos de 18 zeros! É uma quantidade razoavelmente grande. No Curso Básico de Eletrônica, tanto na versão impressa como em CD-ROM, os leitores poderão encontrar mais sobre este assunto.

1.2 Corrente, Tensão, Resistência e Potência 

É comum vermos profissionais utilizarem de maneiras erradas as grandezas elétricas, confundindo tensão, corrente e potência.

Quem já não ouviu dizer que tal aparelho funciona com uma “corrente” de 110 V ou algo semelhante? Vamos eliminar essa confusão!

Conforme analisamos, uma corrente elétrica consiste em um fluxo de cargas elétricas. Para medir esta corrente a unidade usada é o ampère (A).

Um ampère (1 A) corresponde a uma quantidade de cargas equivalente a 1 coulomb (1 C) passando por um ponto de um condutor em cada segundo. Levando em conta que cada elétron (ou lacuna) tem uma carga de 1,6 x 10 -19 C (coulombs), podemos ter a idéia de quantos elétrons estão se movendo num fio e passando por um certo trecho quando uma corrente de 1 A está sendo conduzida. Esta quantidade é enorme, da ordem de 1 seguido de 18 zeros elétrons em cada segundo!

Se você pensa que a velocidade desses elétrons é grande, está enganado. É neste ponto que entra então o conceito de tensão. Como um fluxo de água num encanamento, a eletricidade precisa ser “empurrada” por uma força externa. A ação responsável por isso é justamente o que se denomina tensão elétrica. Em outras palavras, quando pensamos em corrente elétrica, a tensão é a causa e a corrente é o efeito.

Temos então diversas formas de expressar essa força externa ou causa da corrente: Uma delas é tomar como referência a diferença de pressão ou força que existe entre s extremidades de um fio, por onde se estabelece a corrente. Confira a figura 4.

É como se tivéssemos um reservatório de água a dez metros de altura e estabelecermos um fluxo de água por um cano com a saída em cinco metros de altura. A diferença entre os níveis ou pressões da água é cinco metros, como exibe a figura 5.

Para a eletricidade podemos ter a caixa de água em “potencial” de 10 volts e a extremidade do fio em 5 volts de modo que a diferença de potencial ou ddp será de 5 volts. Em outras palavras, a circulação de uma corrente é a diferença de potencial entre as extremidades de um fio ou circuito.

Uma outra maneira é expressar a pressão que podemos ter em um encanamento de água tendo como referência, por exemplo, o nível do mar. Observe a figura 6.

Fazendo assim, não precisaremos saber qual é o potencial em que se encontra cada extremidade do fio. Podemos simplesmente dizer que o potencial ou tensão no fio é de tantos volts, referindo-se à força disponível para empurrar a corrente. Leve em conta que a outra extremidade se encontra no nível de referência ou zero, conforme mostra a figura 7.

Veja então que enquanto a tensão é a causa do movimento das cargas a corrente é o efeito, ou seja, o movimento dessas cargas. Sem tensão não há circulação de corrente, se bem que se possa manifestar uma tensão sem haver corrente.

Nos pólos de tomada de energia manifesta-se uma tensão para circular uma corrente, caso ligarmos algo entre estes pólos. No caso de pilhas e baterias, para indicar a presença desta tensão, sem corrente alguma circulando, fala-se em Força Eletromotriz ou F.E.M. Assim, para uma pilha comum a F.E.M. é de 1,5 V o que significa que é aproximadamente isso que medimos quando ela não esta fornecendo corrente a um circuito. No entanto, quando ela fornece corrente a tensão cai.

Para efeito de referência também é comum indicar como 0 V a tensão da terra. Assim, se um fio está com uma tensão de 20 V, por exemplo, e nada mais é dito, deduzimos que este valor é em relação à terra.

Entre os pólos de uma pilha, por exemplo, manifesta-se uma diferença de potencial, ou seja, existe a possibilidade da pilha aplicar uma tensão num circuito. No entanto, só haverá corrente no momento em que for ligado aos pólos da pilha um meio ou circuito por onde a corrente possa fluir. Numa tomada de energia existe uma “tensão” de 110 V, mas a corrente só vai existir, no momento em que algum aparelho for ligado a tomada. Quando tratamos de dispositivos que podem gerar energia elétrica podendo produzir uma corrente, utilizamos uma outra forma de expressar a “pressão elétrica”. Indicamos esta capacidade através do que se denomina Força Eletro-Motriz” ou F.E.M.

Quando uma corrente atravessa um meio condutor qualquer, como um fio condutor, ela encontra uma certa oposição. Essa oposição recebe o nome de “Resistência Elétrica” e é medida em ohms (Ω). Quando forçamos uma corrente através de um circuito, aplicando uma tensão que empurra os elétrons, a intensidade da corrente vai depender da resistência que o circuito apresenta. A resistência determina a relação entre a causa e o efeito através de uma lei fundamental da eletricidade a Lei de Ohm. Chamando de V a tensão, de I a corrente e de R a resistência podemos escrever: R = V/I

A partir desta fórmula podemos deduzir duas outras de grande importância para a eletrônica.

V = R x I (1)
I = V/R (2)

Pela fórmula (1) podemos calcular a “queda de tensão” em um circuito. Por exemplo, se em uma lâmpada cuja resistência apresentada pelo seu filamento é 10 ohms circula uma corrente de 0,5 A, podemos calcular a queda de tensão nesta lâmpada ou a tensão sob a qual é submetida, veja a figura 8.

Este cálculo é simples:
V = R x I = 10 x 0,5 = 5 V

Da mesma forma, utilizando a fórmula (2) podemos calcular a corrente que circula em um dispositivo qualquer, como uma lâmpada, quando conhecermos sua resistência e a tensão aplicada, ilustrada nafigura 9.

Para uma lâmpada de 20 ohms em que aplicamos 12 V temos uma corrente de:
I = V/R = 12/20 = 0,6 A

Nestes cálculos é muito importante observar as unidades elétricas para as grandezas envolvidas. Por exemplo, se a corrente for dada em miliampères devemos convertê-la para ampères para usar nos cálculos. Da mesma forma, uma resistência em quilohms deve ser convertida para ohms, para efeito de cálculos. Estamos ainda tratando de circuitos alimentados por tensões contínuas. Para outros tipos de tensão, como a alternada que encontramos nas tomadas de nossa casa, temos diferenças.

1.2.2 Corrente X Tensão=Potência

Um fato importante que todos devem ter em mente é que não pode-se criar energia a partir do nada. A energia entregue a um circuito elétrico depende tanto da tensão como da corrente. O valor de energia que um circuito pode receber em cada instante, ou seja, sua potência elétrica, depende da “força” com que as cargas elétricas são empurradas num fio e da sua quantidade

“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”. Com esta frase Lavoisier estabeleceu um dos mais importantes princípios da física.

Não podemos destruir matéria ou energia mas tão somente transformá-la. Assim, para a eletricidade é importante saber que não podemos criar energia a partir do nada. Assim, se uma pilha pode, no máximo, fornecer 1,5 V sob uma corrente de 0,2 A resulta numa potência de 0,3 W. Se, transformarmos a tensão desta pilha em 15 V, a corrente máxima só será de 0,02 A, pois a potência será mantida em 0,3 W. Muitos leitores às vezes escrevem-nos querendo aumentar os 12 V de uma bateria que fornece no máximo 1 A para 120 V, mas mantendo 1 A! Evidentemente isso é impossível pois estaríamos criando energia. Tenha isso sempre em mente: quando projetamos uma fonte de energia para um equipamento, ela deve fornecer o que o dispositivo alimentado consome, nunca menos!

A potência elétrica de um circuito, na figura 10, é concedida pelo produto da tensão pela corrente ou V x I.

A potência, medida em watts (W), é uma característica própria de um circuito e normalmente não pode ser alterada. No entanto, o modo como essa potência pode ser fornecida ao circuito pode ser modificado. Se um circuito precisar de 100 watts para funcionar, podemos projetá- lo de modo que seja alimentado por 20 volts, de modo que a corrente circulante no funcionamento normal (desprezando- se as perdas) será de 5 ampères. Como podemos projetá-lo para funcionar com 50 volts, onde a corrente será 2 ampères. Nos circuitos eletrônicos encontramos tensões de diversos valores, assim como correntes que dependem do que está sendo alimentado.

Em circuitos formados apenas por resistores ou componentes que comportam-se como resistores tais como lâmpadas incandescentes e elementos de aquecimento, toda a energia elétrica converte-se em calor.

A quantidade de energia convertida em calor é calculada pela Lei de Joule. Combinando a fórmula P = V x I, podemos obter duas outras fórmulas muito importantes para os cálculos elétricos e eletrônicos:

P = R x I2 (1)
P = V2/R (2)

Onde:

P é a potência em watts (W)
V é a tensão em volts (V)
R é a resistência em ohms (Ω)
I é a corrente em ampères (A)

Pela fórmula (1) podemos calcular a potência dissipada ou convertida em calor num dispositivo quando conhecemos sua resistência e a corrente que passa através dele. Exemplo: Qual é a potência dissipada por um resistor de 10 ohms quando percorrido por uma corrente de 2 ampères?

P = R x I2 = 10 x 22 = 10 x 2 x 2 = 40 watts

Pela fórmula (2) podemos calcular a potência dissipada num dispositivo quando conhecemos a tensão aplicada e sua resistência. Exemplo: Qual é a potência dissipada por um resistor de 20 ohms quando o ligamos a uma fonte de 6 V?

P = V2 /R = 62 /20 = 36/20 = 1,8 watts

Para outros equipamentos que não se comportam como resistores é possível calcular o consumo ou a quantidade de energia transferida utilizando as mesmas fórmulas. E, na alimentação externa dos aparelhos temos também diversas possibilidades. Um exemplo está na nossa instalação elétrica. Se tivermos um chuveiro que opera com uma potência de 2 200 watts, o que se considera razoável para dar um bom aquecimento a um fluxo normal de água temos duas possibilidades para alimentá-lo:

Se ligarmos esse chuveiro na rede de 110 V, para obter os 2 200 watts, a corrente que irá circular será de 20 ampères. Se ligarmos o mesmo chuveiro na rede de 220 V, a corrente será só de 10 ampères. Observe que não estamos economizando energia no segundo caso!

Pagamos pelos watts multiplicados pelo tempo que o chuveiro permanece ligado, e nos dois casos a potência é de 2 200 watts. Então, qual é a vantagem?

Os fios que transportam energia elétrica possuem uma resistência que depende de sua espessura e comprimento.

Da mesma forma, em função da espessura, os fios apresentam uma limitação à intensidade da corrente que podem conduzir. Assim, se utilizarmos a rede de 110 volts para transferir energia para um chuveiro e sua instalação usar fios longos teremos dois problemas a considerar.

O primeiro é que a corrente deve ser duas vezes maior do que se usarmos 220 volts, mesmo com a potência igual, o que significa que precisamos de fio mais grosso (sendo mais caro).

O segundo é que, as perdas ocorrentes em um fio dependem de sua resistência e também da corrente. Uma corrente mais intensa significa que, em um mesmo percurso temos perdas de energia maiores. Este é o motivo pelo qual damos preferência às tensões mais elevadas quando devemos alimentar circuitos de altas potências ou transmitir energia elétrica por meio de fios longos.

Tabelas e Unidades

Para o praticante da eletrônica é importante saber utilizar corretamente os múltiplos e submúltiplos das diversas unidades. A seguir as unidades principais com seus múltiplos e submúltiplos.

Múltiplos e Submútiplos

Para as unidades de corrente, tensão e potência que analisamos é comum utilizarmos múltiplos e submúltiplos para expressar ou valores muito grandes ou muito pequenos. A seguir damos os múltiplos e submúltiplos mais comuns:

a) Corrente

Unidade: ampère (equivale a passa em de uma carga de 1 coulomb por segundo por um ponto de um condutor)

Abreviação: A

Submúltiplos:

1 miliampère(mA) = 0,001 A ou 1 milésimo de ampère
1 microampère(uA) = 0,000001 A ou 1 milionésimo de ampère
1 nanoampère(nA) = 0,000000001 A ou 1 bilionésimo de ampère
1 picoampère(pA) = 0,000000000 A ou 1 trilionésimo de ampère

b) Tensão

Unidade: volt (equivale à tensão que aplicada a um condutor de 1 ohm de resistência faz fluir uma corrente de 1 ampère)

Abreviação: V

Múltiplos e submúltiplos:

1 microvolt (μV) = 0,000001 V ou 1 milionésimo de volt
1 milivolt (mV) = 0,001 V ou 1 milésimo de volt
1 quilovolt (kV) = 1000 V
1 megavolt (MV) = 1000000 V

c) Potência

Unidade: watt (equivale a produção de 1 joule por segundo)

Abreviação: W

Múltiplos e submúltiplos:

1 picowatt (pW) = 0,000000000001 W ou 1 trilionésimo de watt
1 nanowatt (nW) = 0,000000001 W ou 1 bilionésimo de watt
1 microwatt (μW) = 0,000001 W ou 1 milionésimo de watt
1 miliwatt (mW) = 0,001 W ou 1 milésimo de watt
1 quilowatt (kW) = 1000 W
1 Megawatt (MW) = 1000000 W
1 Gigawatt (GW) = 1000000000 W

1.2 – Circuito Elétrico Simples

O circuito elétrico mais simples que podemos encontrar é formado por uma fonte de energia (bateria), um sistema de condutores, um interruptor (que serve para ligar e desligar a corrente) e um dispositivo receptor, que converte a energia fornecida pela bateria em alguma outra forma de energia. Este circuito é ilustrado na figura 11.

Veja que precisamos possuir um circuito fechado para a circulação da corrente, de modo que a mesma saia do pólo positivo (convencional) passe pela carga e volte para a fonte de energia (bateria). Se imaginarmos que a corrente é formada por elétrons, que transportam a energia (eles não são a energia!), uma bateria não pode criar constantemente os elétrons para enviar para a carga. São sempre os mesmos que circulam, levando a energia da bateria até a carga, onde eles a entregam, e depois voltando à bateria para que sua energia seja reposta e voltem a circular.

É por este motivo que tanto faz interrompermos a corrente antes como depois da carga, conforme exibe afigura 12, se quisermos que deixe de receber energia.

Basta que os elétrons não tenham mais como circular para que a corrente cesse e a carga deixe de receber energia. Se for uma lâmpada, apagará. Se for um motor, irá parar de girar.

1.3 Ligações Série e Paralelo

Nos circuitos eletrônicos e elétricos é comum que uma única fonte de energia (bateria) alimente diversos dispositivos. Esses dispositivos são então ligados de diversas formas que determinam como a corrente fornecida pela fonte vai distribuir.

Da mesma forma, podemos ligar diversas fontes de energia em conjunto para que suas energias somem-se, e assim possamos alimentar mais cargas ou cargas com mais energia. Existem duas formas básicas de fazer a ligação dos diversos dispositivos de um circuitos. Tomamos inicialmente como exemplo a ligação das fontes de energia, que podem ser pilhas, representadas na figura 13.

a) Ligação Série

Quando ligamos pilhas ou outras fontes de energia elétrica, da maneira da figura 14, dizemos que estão associadas em série. Se todos os pólos positivos estiverem voltados para o mesmo lado, suas tensões somam-se. Um conjunto de seis pilhas de 1,5 V, por exemplo, resulta em uma tensão final de 9 V. Um conjunto de pilhas ou outros tipos de células formam o que denominamos “bateria”. Assim, uma pequena bateria de 9 V, confira na figura 15, é formada internamente por seis pequenas células ou pilhas de 1,5 V, ligadas em série.

Se uma das pilhas ou células estiver com a polaridade invertida, como a figura 16, sua tensão contrapõe-se às demais e com isso é subtraída.

Para o caso de cargas, também podemos ter a ligação em série. Tomando como exemplo pequenas lâmpadas. Elas estarão em série quando ligadas da forma da figura 17. Se tivermos cinco lâmpadas iguais e alimentarmos a série com uma tensão de 15 V, cada lâmpada receberá 3 V. Se as lâmpadas forem diferentes, a distribuição de tensão será desigual.

Você poderá calcular a quantidade que cada uma recebe aprofundando-se no assunto, aprendendo a usar a Lei de Ohm e as fórmulas das associações de resistores em série. Um fato interessante nesta ligação é que se uma das lâmpadas queimar, interromperá a corrente e com isso todas as demais apagarão. As lâmpadas de árvores de natal sãoligadas desta forma.

b) Ligação Paralelo

Na figura 18 temos o caso de pilhas ou baterias ligadas em paralelo. Neste caso, a tensão permanece a mesma, daí só podermos aplicar este tipo de ligação a pilhas e baterias se forem iguais. No entanto, a capacidade de fornecimento de energia dessas células somam-se.

Se a corrente máxima que cada bateria puder fornecer a uma carga for 1 A, ligando 3 em paralelo, a corrente máxima será 3 A. Na prática, esse tipo de associação não é conveniente, pois basta que uma das baterias se descarregue mais do que a outra ou tenha características diferentes, para que passe a drenar energia em lugar de fornecer. Esse desequilíbrio pode causar problemas de esgotamento rápido, sobrecargas e até mesmo o dano permanente das baterias. Para o caso de outras cargas, como lâmpadas, por exemplo, temos a ligação em paralelo mostrada na figura 19.

Todas as lâmpadas receberão a mesma tensão, e a corrente que vai circular por cada uma depende apenas da sua potência. A lâmpada de maior brilho e, portanto de maior consumo de corrente, será percorrida pela maior intensidade de corrente. Neste caso, entretanto, se uma das lâmpadas queimar ou for desligada as demais continuam a receber energia. Seu funcionamento é independente. Na instalação elétrica de nossas casas, as lâmpadas são ligadas desta mesma maneira.