Entendendo a Tensão Elétrica | Circuitos Elétricos
Continuando a nossa série sobre circuitos elétricos, nós vamos discutir hoje o conceito de uma grandeza muito importante que é a Tensão Elétrica, também chamada de diferença de potencial, ou ainda de voltagem (por favor, NUNCA use esse nome perto de um Engenheiro Eletricista ou de um Técnico, dói até na espinha!!!).
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1 - O qué tensão elétrica?
Bom, o objetivo desse artigo não é ficar entrando muito em definições físicas complexas para explicar os conceitos de circuitos elétricos. Com isso, eu vou tentar explicar o conceito de tensão elétrica por outro ângulo. Mas pra isso, eu preciso que você entenda um pouquinho do conceito de carga elétrica. Se você tiver dúvida nesse ponto, tudo bem, é só dar uma olhada nesse artigo aqui, que eu escrevi sobre esse tema. Então, clareado isso, imagine um material qualquer que seja eletricamente neutro, como o da Figura 1.
Figura 1 - Material Eletricamente Neutro
Sabemos que todo material neutro possui o mesmo número de cargas negativas (elétrons) e positivas (prótons). Mas, mais do que isso, se eu olhar para uma região desse material (como o retângulo tracejado na figura) eu também vou encontrar o mesmo número de prótons e elétrons, de modo que, esse pedaço também é eletricamente neutro.
1.1 - Separando as cargas dentro do material
Agora, imagine que de alguma maneira eu consiga fazer com que a quantidade de prótons e elétrons nas extremidades desse material seja diferente. O material vai continuar neutro, pois não mudamos o número total de elétrons e prótons, mas, como vai haver uma separação de cargas, ou seja, a densidade de portadores de carga será diferente entre as extremidades, isso vai fazer com que ocorra o surgimento de uma força elétrica dentro do material. Isso significa que os prótons vão atrair os elétrons e vice-versa. Essa força tem o valor definido pela Lei de Coulomb - Fe (não que isso importe agora, mas só pra saber). A Figura 2, ilustra essa condição.
Figura 2 - Efeito da separação de cargas em um material
Agora, por causa dessa força entre as cargas, é natural imaginar que os elétrons do lado negativo vão querer se movimentar para o lado positivo (estou falando de elétrons, por que, bom, prótons não se mexem, né gente?) e com isso equilibrar o material e ter todas as suas partes neutras. Logo, para que essa separação seja mantida, é necessário que exista algum mecanismo que produza no interior do material uma força contrária à força elétrica, por exemplo, uma reação química ou uma força elétrica externa.
1.2 - Conceito de potencial elétrico
Mas agora, vamos imaginar que um novo elétron livre (que significa que este elétron ganhou energia suficiente para deixar o seu átomo e poder ir passear pelo material) tenha surgido no interior do material. Essa força externa que promoveu a separação inicial das cargas vai então agir sobre esse novo elétron levando-o à extremidade negativa, lutando contra a força de repulsão daquele conjunto de cargas. É interessante observar que, essa força de repulsão também seguirá a Lei de Coulomb, assumindo que a carga desse elétron é q e que o total da carga elétrica na extremidade negativa seja Q, então a força elétrica será:
É importante notar que as cargas Q produzem um campo elétrico que irá interagir com qualquer outra carga (elétron) que venha a surgir no interior do material. Com isso, quando a força externa mover essa carga q para a extremidade, ela deverá realizar um trabalho (gastar energia) para que isso ocorra, lembrando que essa energia (W) pode ser calculada como W = Fe x d. Essa energia gasta pela força externa será absorvida pela carga q, na forma de energia potencial.
Por fim, podemos definir o conceito de potencial elétrico como sendo a energia potencial exibida por uma carga q divido pela sua carga, ou seja, V = W/q.
Com isso, podemos agora definir o conceito de tensão elétrica:
1.3 - Simplificando a definição
Podemos simplificar essa definição da seguinte forma: A tensão elétrica mede a energia potencial absorvida/gasta por uma quantidade de carga ao se deslocar do ponto A para o ponto B de um campo elétrico, normalizada pelo valor da carga. Assim, podemos escrever que
Algo que deve ser muito ressaltado, neste ponto, que a tensão é medida SEMPRE em relação a dois pontos, não existe tensão elétrica de um ponto só de um circuito. Outra coisa importante é que no sistema internacional de medidas, a unidade de tensão elétrica é o Volt [V], que significa J/C (joule/coulomb).
Voltando agora para o nosso exemplo, onde temos uma separação de cargas nas extremidades de um material fictício, podemos agora falar que essa separação gera uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre as extremidades desse material. Caso conectemos um fio condutor (externo) entre as extremidades desse material, como ilustra a figura 3, a força elétrica provocada pela separação das cargas irá agora encontrar um caminho (pelo fio) para fazer com que elétrons da extremidade negativa sejam levados para a extremidade positiva.
Assumindo que a força externa que originou a separação de cargas inicial ainda esteja lá, essa nova quantidade de elétrons que chegará pelo fio à extremidade positiva será novamente levado (pelo interior do material) à extremidade negativa e assim, tem início uma circulação de cargas entre o material e o fio, chamada de corrente elétrica (abordaremos o conceito de corrente elétrica em outro artigo).
Figura 3 - Efeito da colocação de um fio externo a um material com diferença de potencial
2 - Queda e elevação de tensão elétrica
Uma vez compreendido o conceito de tensão elétrica, podemos discutir algumas coisas importantes para circuitos elétricos, como o conceito de Queda e de Elevação de Tensão. Para isso, vamos considerar um circuito elétrico fechado com 3 elementos, como aquele mostrado na Figura 4. Neste momento, não nos importa que tipo de elementos são esses.
Figura 4 - Circuito fechado com medição de tensão (Voltímetro)
A Figura 4 nos mostra um circuito fechado com 3 elementos quaisquer e três pontos de interligação entre esses elementos: o ponto A, B e C. Um voltímetro (instrumento para medição de tensão elétrica) é utilizado para medir a diferença de potencial entre os pontos A e B, obtendo uma tensão de +10 V. Ok, mas o que isso significa? Vamos entender.
Note que o terminal positivo do voltímetro (vermelho) está ligado no ponto A e o negativo (preto), no ponto B. Assim, o voltímetro está nos comunicando que o potencial elétrico do terminal A é maior do que o do potencial B em 10 V, ou seja a tensão VAB = +10V.
Agora, se o voltímetro medisse a tensão entre o ponto B(+) e o ponto A(-), ou seja, os terminais do voltímetro fossem invertidos, como obviamente a medição não altera o comportamento do circuito, o que deveríamos enxergar na tela do instrumento seria -10V! O que esse sinal negativo indicaria? Ele indica que o terminal positivo do voltímetro foi colocado em um ponto do circuito em que o potencial elétrico é menor do que aquele onde foi colocado o terminal negativo, em outras palavras, que o ponto B tem um potencial menor do que o ponto A.
Bom, agora imagine que com esse mesmo voltímetro nós medimos a tensão entre o ponto B(+) e o ponto C(-) e encontramos uma tensão de -5V, indicando que o ponto C tem um potencial maior do que o ponto B em 5V. A Figura 5 ilustra essa situação. Além disso, imagine que uma carga elétrica de +1C circula no circuito no sentido A->B->C, como indicado na figura.
Figura 5 - Circuito fechado com uma carga circulando
De uma forma geral, podemos definir que:
- Queda de tensão - ocorre quando uma carga elétrica (ou uma corrente) entra no terminal positivo (maior potencial elétrico) e sai do terminal negativo (menor potencial elétrico) de um elemento;
- Elevação de tensão - ocorre quando uma carga elétrica entra no terminal negativo de um elemento e sai do terminal positivo;
- Considerando uma carga positiva, a energia gasta por ela ao atravessar um elemento de circuito pode ser calculada como o valor da queda de tensão x o valor da carga (W = V*C);
- Considerando uma carga positiva, a energia recebida por ela ao atravessar um elemento de circuito pode ser calculada como o valor da elevação de tensão x o valor da carga;
3 - Elementos Passivos x Ativos
O movimento natural de uma carga em um circuito, quando ela encontra um determinado elemento, depende principalmente do tipo de elemento (claro, existem outras leis da eletricidade que regem esse movimento, mas discutiremos isso em um outro artigo). Basicamente, podemos dizer que existem dois tipos de elementos em um circuito elétrico:
- Elementos passivos - Elementos que apenas consomem energia. Como exemplo, resistores, semicondutores e de uma forma mais ampla, podemos incluir aí os equipamentos que temos em casa (eletrodomésticos, eletrônicos, etc);
- Elementos ativos - Elementos que fornecem energia ao circuito. Como fontes de alimentação, baterias, geradores, etc.
Uma vez definido isso, podemos avaliar como uma carga elétrica naturalmente "gostaria" de se mover ao encontrar um elemento. Para isso temos que pensar no consumo/fornecimento de energia, o que nos dá:
- Em elementos passivos, as cargas positivas se movem no sentido da queda de tensão e as cargas negativas se movem no sentido da elevação de tensão;
- Em elementos ativos, as cargas positivas se movem no sentido da elevação de tensão e as cargas negativas no sentido da queda de tensão;
4 - Tensão c.c., c.a. e mista
Em circuitos elétricos, podemos encontrar sinais de tensão elétrica em basicamente três formatos:
- Tensão contínua (c.c.) - Este tipo de tensão se caracteriza por apresentar um valor constante (contínuo) de amplitude, invariante com o tempo;
- Tensão alternada (c.a.) - Este tipo de tensão se caracteriza por apresentar uma valor de amplitude variante com o tempo, que pode ser periódico (que possui um ciclo que se repete de tempos em tempos) ou não;
- Tensão mista - uma tensão mista possui ao mesmo tempo uma parcela contínua e uma parcela alternada.
A Figura 6 ilustra estes três tipos de tensão elétrica. Vejam que, o exemplo de tensão mista, apresenta um sinal triangular periódico (alternado), mas ela também possui uma média diferente de zero. Como uma tensão contínua é na prática uma tensão média, a onda possui uma parcela c.c..
Figura 6 - Tipos de tensão elétrica
É importante ressaltar que as parcelas alternadas podem se mostrar em diferentes formatos (senoidal, triangular, quadrada, trapezoidal, etc), a que nos referimos como forma de onda. Normalmente, as pessoas associam tensão alternada à ondas senoidais, por causa da forma de onda usada na rede de transmissão/distribuição de energia elétrica, mas qualquer forma de onda é uma representante do tipo c.a..
5 - Fontes de Tensão
As fontes de tensão são equipamentos capazes de produzir uma tensão elétrica para ser utilizada em um sistema elétrico ou eletrônico. Alguns exemplos de fontes de tensão são:
- Baterias e pilhas - Dispositivos que se valem de processos químicos para produzir uma separação de cargas entre dois terminais e com isso produzir (entre eles) uma tensão contínua. Ambos dispositivos possuem uma quantidade finita de carga elétrica armazenada, de modo que à medida que a fonte fornece energia à uma carga (elemento consumidor), essa carga elétrica é consumida. Quando essa carga armazenada se esgotar, a pilha/bateria perde a capacidade de fornecer uma tensão c.c. em seus terminais. Algumas baterias podem ser recarregadas, recuperando a carga armazenada e a capacidade de fornecimento de tensão do equipamento;
- Geradores rotativos - São máquinas elétricas que se valem de processos eletromecânicos para transformar uma energia mecânica em uma energia elétrica. Existem basicamente três tipos de geradores: Geradores em Corrente Contínua, Geradores Alternados Síncronos e Geradores Alternados Assíncronos. Não é nosso objetivo agora destrinchar cada um desses geradores, mas de uma forma simples, os Geradores em Corrente Contínua produzem uma Tensão c.c. cuja amplitude é dependente da velocidade de rotação do eixo da máquina elétrica, enquanto que os Geradores Alternados produzem uma Tensão c.a. em seus terminais, cuja frequência pode ser fixa (Síncronos) ou variável com o torque da máquina (Assíncronos). Esses Geradores estão presentes em Usinas Hidroelétricas, Térmicas e Eólicas;
- Fontes eletrônicas - As fontes eletrônicas são fontes de tensão utilizadas para a alimentação ou teste de equipamentos eletrônicos. Comumente as fontes de alimentação fornecem uma tensão c.c. de amplitude estável, enquanto fontes para teste de equipamentos, podem oferecer tensões c.c. ou c.a.. Estes equipamentos se conectam à rede elétrica e usam um sistema eletrônico para converter a tensão c.a. utilizada nessas redes (senoidal) para outro formato e amplitude;
A Figura 7 ilustra alguns exemplos dos tipos de fontes citados, ressaltamos, porém, que podemos encontrar diversos outros tipos de fontes em sistemas elétricos/eletrônicos, como por exemplo, painéis solares, células combustível, entre outros. De qualquer forma, todos estes equipamentos são responsáveis por produzir a tensão elétrica que iremos utilizar em nossos sistemas.
Figura 7 - Exemplos de Fontes de Tensão
5.1 - Representação de uma tensão em circuitos
A teoria de circuitos elétricos (e por conseguinte, de circuitos eletrônicos) busca representar os diversos elementos e equipamentos presentes em sistemas eletro-eletrônicos com modelos simplificados, que representem as suas principais características e, com isso, nos permita prever o seu comportamento em diferentes situações. Naturalmente, as fontes de tensão citadas acima são relativamente complexas e podem ser modeladas de muitas maneiras.
Em muitos cenários, podemos considerar que as fontes são fortes, ou seja, que conseguem atender o consumo da carga a ela conectada, sem alterar o valor da tensão em sua saída. Nestes casos, podemos simplificar o modelo do equipamento fonte de tensão, utilizando um elemento de circuitos para representá-lo chamado de Fonte Independente, cujos símbolos são mostrados na Figura 8.
Figura 8 - Simbologia de fontes independentes de tensão em circuitos
Uma fonte independente de tensão, em circuitos, é uma fonte de tensão que consegue sempre manter um determinado valor de tensão em seus terminais (seja ele c.c. ou c.a.), independentemente da carga alimentada. Observando pela Figura 8, notamos que existem diferentes formas de representar essas fontes: seja por um elemento genérico, ou por símbolos que especifiquem se a fonte é c.c. ou c.a. e o seu formato.
Outro tipo de representação de fontes de tensão em circuitos são as fontes dependentes de tensão, as quais possuem a simbologia mostrada na figura 9. Essas fontes indicam um elemento, cuja tensão não é fixa, mas dependente de alguma outra variável de um circuito, como a tensão em algum outro ponto do circuito, uma corrente, uma temperatura, etc. É um simbologia que muito usada para modelar alguns sensores e dispositivos eletrônicos controlados. Ao longo desta Série de Circuitos Elétricos, abordaremos as diferenças no uso das fontes dependentes e das independentes.
Figura 9 - Fonte dependente de tensão
Espero que este artigo tenha clareado o conceito de Tensão Elétrica para você. Não deixe de seguir o nosso blog, para mais conteúdos sobre eletrônica e também leia os demais artigos dentro desta série de circuitos elétricos. Abraço e até a próxima.
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