Corrente e tensão
Quando você liga o interruptor de luz, a luz acende imediatamente, certo? Por que isso acontece? O que está acontecendo dentro dos fios em suas paredes e na lâmpada para fazer a lâmpada acender?
Se você pudesse ficar bem pequeno e olhar dentro dos fios que conectam o interruptor de luz e a lâmpada, você veria que quando você liga o interruptor, bilhões de minúsculos elétrons começam a se mover através dos fios deste circuito elétrico e sua energia é o que faz o lâmpada acesa.
Existem dois conceitos importantes que você deve entender para saber como funciona um circuito elétrico:
- A corrente é o fluxo de elétrons ao redor do circuito. Para que a corrente flua, os fios do circuito devem fazer um círculo completo. Se houver uma quebra em qualquer lugar, os elétrons não terão como atravessar a lacuna e a corrente irá parar. É por isso que a luz não acende até que você ligue o interruptor. A chave fecha uma lacuna no circuito e permite que a corrente flua.
- A tensão é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos do circuito. Certos elementos do circuito, como as baterias, são fontes de voltagem e fornecem energia aos elétrons para que eles se movam pelo circuito. Outros elementos, como a lâmpada, são resistores que pegam a energia fornecida pela bateria e a transformam em outras formas de energia, como a luz. Por causa disso, a tensão em um resistor será negativa.
Leis de Kirchoff
Nomeado em homenagem a seu criador, Gustav Kirchhoff, as leis de Kirchhoff podem ajudá-lo a entender a corrente e a tensão em um circuito e também podem ser usadas para analisar circuitos complexos que não podem ser reduzidos a uma resistência equivalente usando o que você já sabe sobre resistores em série e paralelo .
A lei de junção de Kirchhoff diz que a soma das correntes que entram em uma junção deve ser igual à soma das correntes que saem da junção. A corrente nunca é gasta em um circuito, então faz sentido que toda a corrente que vai para a junção deva voltar também.
A lei do loop de Kirchhoff diz que a soma das mudanças na tensão ao redor e no loop fechado em um circuito deve ser sempre zero. Isso significa que se você somar a tensão em cada elemento do circuito em todo o circuito, você obterá zero.
Um Exemplo de Problema
Vejamos como usar as duas leis de Kirchhoff para analisar um circuito complexo como o que está na sua tela agora:
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A primeira etapa é determinar quantas ramificações existem no circuito e definir uma variável de corrente para cada ramificação. Você precisa encontrar apenas uma corrente em cada ramificação, porque cada ponto em uma ramificação terá exatamente a mesma quantidade de corrente; mas ramos diferentes podem ter correntes diferentes.
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Neste circuito, você pode ver que temos três ramificações, e rotulamos as três correntes e definimos sua direção. Agora, como sabemos a direção da corrente em cada ramal? Nós não! Na maioria das vezes, em um circuito complexo como este, você não será capaz de dizer em qual direção a corrente fluirá em um ramo do circuito apenas olhando para ele.
Tudo bem! Você só precisa escolher uma direção e certificar-se de que todos os seus cálculos são consistentes com ela. Se você escolheu a direção errada, ao calcular a corrente, ela será negativa. Isso permitirá que você saiba que a corrente está realmente indo na direção oposta à que você previu.
Agora você pode usar a lei de junção para escrever a primeira equação que usaremos para analisar este circuito.
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A próxima etapa é rotular todas as baterias e resistores para que você saiba a direção da voltagem em cada um. Identifique as baterias observando qual lado é mais longo no diagrama de circuito. Por convenção, o lado longo de uma bateria em um diagrama de circuito é o lado positivo e o lado curto é o lado negativo.
Rotulamos os resistores com base na direção em que a corrente passa por eles. A corrente deve passar por cada resistor de POSITIVO para NEGATIVO. O lado do resistor pelo qual a corrente passa primeiro deve ser rotulado como positivo e o lado de onde sai deve ser rotulado como negativo.
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Agora, estamos prontos para aplicar a lei do loop. Antes de escrever qualquer equação, você deve primeiro identificar os loops. Mais uma vez, não importa em que direção você desenhe os loops, porque a lei do loop de Kirchhoff nos diz que a soma das tensões em torno de qualquer loop fechado é zero.
Neste problema, vamos escolher esses dois loops e rotulá-los S1 e S2:
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Comece no início de cada loop e some todas as tensões até voltar ao ponto de partida. Lembre-se de que a tensão em um resistor pode ser encontrada usando a Lei de Ohm , que é V = IR.
Use os sinais positivo e negativo com os quais você etiquetou as baterias e resistores para determinar se você precisa adicionar ou subtrair a tensão em cada elemento do circuito.
Se o seu loop vai de negativo para positivo à medida que você se move pelo elemento do circuito, você ADICIONA a tensão ao total. Se for de positivo para negativo conforme você se move através do elemento de circuito, você SUBTRAIRÁ a tensão do total.
Para os dois loops mostrados acima, você deve obter as duas equações da lei do loop a seguir que você está vendo na tela agora:
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Agora usamos as leis de Kirchhoff para obter três equações, uma da lei da junção e duas da lei do loop. Podemos resolvê-los como um sistema simultâneo de equações para encontrar a corrente em cada ramo. Você deve fazer com que as três correntes sejam:
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Resumo da lição
Vamos revisar o que aprendemos. Lembre-se de que a corrente é o fluxo de elétrons ao redor do circuito, enquanto a tensão é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos do circuito. As leis de Kirchhoff são usadas para nos ajudar a entender como a corrente e a voltagem funcionam dentro de um circuito. Eles também podem ser usados para analisar circuitos complexos que não podem ser reduzidos a uma resistência equivalente, usando o que você já sabe sobre resistores em série e paralelo.
Existem duas leis principais que Kirchhoff inventou.
- A lei de junção de Kirchhoff diz que a soma das correntes que entram em uma junção deve ser igual à soma das correntes que saem da junção.
- A lei do loop de Kirchhoff diz que a soma das mudanças na tensão ao redor e no loop fechado em um circuito deve ser sempre zero.
Agora você deve ser capaz de compreender melhor os circuitos complexos de forma eficaz.