Objetivos:
- conhecer fonte de tensão e fonte de corrente
- saber
usar uma fonte de tensão ou de corrente conforme necessário
Considere o circuito da atividade 1 composto pela bateria e o resistor. Nesse
caso a tensão aplicada pela fonte U é igual à tensão sobre o resistor
UR e a corrente
gerada I é a corrente que atravessa o resistor IR. Ou seja, U/I = R.
De que maneira U e I mudam quando a resistência R muda ?
Antes de mais nada, observe que pelo menos uma das grandezas tem de mudar, se a
resistência e portanto a razão mudar. Em geral, num caso real, ambas as
grandezas mudam. Há dois casos ideais, extremos, nos quais apenas uma das
grandezas muda, que em muitos casos pode representar bem uma fonte real. Esses
casos são:
Fonte ideal de tensão: UR = U = constante IR = I = U/R |
Fonte ideal de corrente: IR = I = constante UR = U = RI |
Por exemplo, a bateria usada na atividade 1 dificilmente poderia ser considerada uma fonte ideal de tensão. Por outro lado, isso seria possível para uma bateria nova e sem uso. As fontes reais são classificadas como fontes de tensão ou fontes de corrente conforme se aproximem mais de um comportamento ou do outro.
A forma mais simples de descrever o comportamento de uma fonte de tensão ou
de corrente reais envolve apenas dois parâmetros, que são a força eletromotriz
(FEM) e e a resistência
interna r da fonte. A FEM é uma característica do processo interno da
fonte que dirige as cargas elétricas contra a diferença de potencial e converte
energia de uma forma em outra, e, no caso de uma bateria química, é uma
constante característica da reação química envolvida. A resistência interna
representa todos os processos dissipativos que ocorrem dentro da fonte e
portanto não pode ser nula num sistema real. Devido ao nosso interesse em
explorar a simetria que existe entre as variáveis U e I estamos
tratando da mesma forma a variável resistência interna r nas duas fontes.
Isso entretanto esconde uma diferença fundamental entre o significado de r
na fonte de tensão e na fonte de corrente, que está relacionada à limitação
de cada uma delas como fonte real e não ideal. Qual a diferença entre o que
estamos chamando de resistência interna nas duas fontes?
Figura 1: Uma fonte de real de tensão ou de corrente pode ser representada por uma fonte de tensão ideal que fornece a tensão e em série com uma resistência r. Ao se ligar os terminais da fonte através de um resistor de carga com resistência R flue uma corrente I no circuito. |
A corrente I depende da resistência total do
circuito, e é dada por A tensão fornecida pela fonte U está aplicada sobre o resistor, e sendo assim está relacionada com a corrente I que o atravessa por U = RI. Daí, Se o circuito estiver aberto (R = infinito) a corrente I é nula e a tensão entre os terminais da fonte é U = e. Em condições de curto-circuito (R = 0) a diferença de potencial U é zero e a corrente de curto-circuito é I = e/r. Para uma resistência R finita haverá uma corrente não nula e com isso uma queda de potencial na resistência interna igual a rI. |
Tanto uma fonte de tensão como uma de corrente podem ser representadas pelo diagrama da Figura 1: uma fonte de tensão ideal (quer dizer, uma fonte cuja tensão fornecida não varia), que fornece a tensão e, em série com uma resistência r. Entre os terminais da fonte se pode ligar um resistor de carga com resistência R fazendo com que flua uma corrente I no circuito.
O que distingue uma fonte de tensão de uma fonte de corrente é a magnitude da razão entre as resistências interna r e externa R. Essa propriedade também as distingue em relação ao uso que daremos a elas. O equipamento do nosso laboratório inclui fontes de tensão contínua reguláveis entre 0 e aproximadamente 30 V, que podem ser usadas como tais onde a situação requeira. Essas fontes possuem um limitador de corrente, de forma que não é possível se estabelecer a condição de curto-circuito, mas mesmo assim a corrente máxima é consideravelmente alta (0,15 ou 1,5 A), e portanto é necessário evitar que os terminais da fonte sejam ligados por uma resistência muito pequena. Usaremos a fonte de tensão como tal sempre que precisarmos manter uma tensão determinada e que a fonte tenha de ser conectada a uma resistência alta. Por outro lado, quando estivermos lidando com resistências muito baixas, precisaremos limitar a corrente, e para isso usaremos uma fonte de corrente regulável construída pela conexão da fonte de tensão regulável com um reostato de resistência r. Esta atividade é muito importante pois nela você aprenderá como montar e usar uma fonte de corrente, o que será necessário para muitas das atividades que se seguirão.
Fonte de tensão
Mostre que a queda de
tensão da fonte devido à corrente I depende da razão entre a resistência
de carga R e a resistência interna r, de forma que, se R>> r, a fonte de tensão
pode ser considerada como aproximadamente uma fonte de tensão ideal.
Fonte de corrente
Mostre que a a
corrente I fornecida pela fonte e que atravessa o resistor R
depende da razão R/r, de forma que se, R<< r, a fonte de
corrente pode ser considerada como aproximadamente uma fonte de corrente ideal.
Material: fonte de tensão regulável voltímetros cabos e grampos |
2.1 Fonte de tensãoNa atividade 1.1
você mediu tensão fornecida pela bateria em diferentes situações e notou
que os resultados obtidos foram muito diferentes entre si e do valor
esperado. A explicação para isso é que a bateria usada está gasta e sua
resistência interna está altíssima - para uma fonte de tensão. Quanto
menor a resistência pela qual a bateria estava descarregando, pior o
resultado. Porisso, quando você conectou os dois voltímetros em paralelo,
a leitura ficou igual ou pior do que a do pior deles, pois a resistência
diminuiu.
Já a fonte de tensão regulável do nosso laboratório não padece desse mesmo mal, e pode ser considerada como uma boa fonte de tensão. Você pode verificar isso medindo a tensão na saída da fonte com os mesmos voltímetros e combinação de voltímetros da atividade anterior, e vendo se existe alguma mudança perceptível. Medir a tensão fornecida pela fonte de tensão |
Ligação perigosa! A conexão do amperímetro à fonte
de tensão mostrada ao lado é imprópria: como a resistência do amperímetro
é pequena isso representa um curto-circuito, o que gera altas correntes
que devem ser evitadas; além disso, a própria medida (medir a corrente da
fonte de tensão) não faz muito sentido se for uma medida isolada ou se não
soubermos a resistência do amperímetro. |