Corrente, tensão, potência: características básicas da eletricidade

A eletricidade há muito é usada pelo homem para satisfazer suas necessidades, mas é invisível, não é percebida pelos sentidos, portanto é difícil de entender. Para simplificar a explicação dos processos elétricos, eles são frequentemente comparados às características hidráulicas de um fluido em movimento.

Por exemplo, ela vem ao nosso apartamento por fio Energia elétrica de geradores remotos e água da torneira de uma bomba de pressão. No entanto, o interruptor apaga as luzes e a torneira fechada evita que a água escorra pela torneira. Para fazer o trabalho, você precisa ligar o interruptor e abrir a torneira.

Um fluxo direcionado de elétrons livres através dos fios correrá para o filamento da lâmpada (uma corrente elétrica fluirá) que emitirá luz. A água que sai da torneira vai escorrer para a pia.

Essa analogia também permite entender as características quantitativas, relacionar a intensidade da corrente com a velocidade de movimento do líquido e estimar outros parâmetros.

A tensão de rede é comparada com o potencial de energia da fonte líquida. Por exemplo, um aumento na pressão hidráulica de uma bomba em um tubo criará uma alta velocidade de movimento do fluido e um aumento na tensão (ou a diferença entre os potenciais da fase - o fio de entrada e o zero de trabalho - a saída) aumentará a incandescência da lâmpada, a força de sua radiação.

A resistência do circuito elétrico é comparada à força de frenagem do fluxo hidráulico. A taxa de fluxo é afetada por:

• viscosidade líquida;

• entupimento e alteração na seção transversal dos canais. (No caso de uma torneira de água, a posição da válvula de controle.)

O valor da resistência elétrica é afetado por vários fatores:

• a estrutura da substância que determina a presença de elétrons livres em um condutor e afeta resistência; 

• área da seção transversal e comprimento do condutor de corrente;

• temperatura.

A potência elétrica também é comparada com o potencial energético do escoamento em hidráulica e é estimada a partir do trabalho realizado por unidade de tempo. A potência de um aparelho elétrico é expressa pela corrente consumida e pela tensão aplicada (para circuitos CA e CC).

Todas essas características da eletricidade foram estudadas por cientistas famosos que deram definições de corrente, tensão, potência, resistência e descreveram por métodos matemáticos as relações mútuas entre eles.

A tabela a seguir mostra as relações gerais para circuitos CA e CC que podem ser usadas para analisar o desempenho de circuitos específicos.

Vejamos alguns exemplos de seu uso.

Exemplo 1. Como calcular resistência e potência

Suponha que você queira selecionar um limitador de corrente para alimentar o circuito de iluminação. Conhecemos a tensão de alimentação da rede de bordo «U», igual a 24 volts e o consumo de corrente «I» de 0,5 amperes, que não deve ser excedido. De acordo com a expressão (9) da lei de Ohm, calculamos a resistência «R». R = 24/0,5 = 48 ohms.

À primeira vista, o valor do resistor é determinado. Contudo, isto não é o suficiente. Para o funcionamento confiável do sema, é necessário calcular a potência de acordo com o consumo atual.

De acordo com a operação da lei de Joule-Lenz, a potência ativa «P» é diretamente proporcional à corrente «I» que passa pelo fio e à tensão aplicada «U». Esta relação é descrita pela fórmula (11) na tabela abaixo.

Calculamos: P = 24×0,5 = 12 W.

Obtemos o mesmo valor se usarmos as fórmulas (10) ou (12).

Calcular a potência do resistor pelo consumo de corrente mostra que no circuito selecionado é necessário usar uma resistência de 48 Ohm e 12 W. Um resistor com potência menor não suporta as cargas aplicadas, esquenta e queima com corrente de tempo.

Este exemplo mostra a dependência de como a corrente de carga e a tensão da rede afetam a energia do usuário.

Exemplo #2. Como calcular a corrente

Para um grupo de tomadas destinadas a alimentar eletrodomésticos na cozinha, é necessário selecionar um disjuntor de proteção. A potência dos aparelhos de acordo com os dados do passaporte é de 2,0, 1,5 e 0,6 kW.

Responder. O apartamento usa uma rede CA monofásica de 220 volts. A potência total de todos os dispositivos conectados para funcionar ao mesmo tempo será 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Usando a fórmula (2), determinamos a corrente total do grupo de consumidores: 4100/220 = 18,64 A.

O disjuntor nominal mais próximo tem uma taxa de disparo de 20 amperes. Nós o escolhemos. Uma máquina com um valor inferior a 16 A desligará permanentemente por sobrecarga.

Diferenças nos parâmetros dos circuitos elétricos em corrente alternada

Redes monofásicas

Ao analisar os parâmetros dos aparelhos elétricos, é necessário levar em consideração as peculiaridades de seu funcionamento em circuitos de corrente alternada, quando, devido à influência da frequência industrial, aparecem cargas capacitivas nos capacitores (deslocam o vetor de corrente em 90 graus à frente do vetor de tensão) e nos enrolamentos da bobina - indutivo (a corrente está 90 graus atrás da tensão). Na engenharia elétrica são chamados de cargas reativas... Juntos, eles criam perdas de potência reativa «Q» que não fazem nenhum trabalho útil.

Com cargas ativas, não há mudança de fase entre a corrente e a tensão.

Desta forma, um componente reativo é adicionado ao valor ativo da potência de um aparelho elétrico em circuitos de corrente alternada, devido ao qual a potência total aumenta, o que geralmente é chamado de cheio e é indicado pelo índice «S».

Corrente senoidal alternada em uma rede monofásica

A corrente elétrica e a tensão de frequência variam com o tempo de maneira senoidal. Consequentemente, há uma mudança no poder. Determinar seus parâmetros em diferentes pontos no tempo não faz muito sentido. Portanto, os valores totais (integrantes) são selecionados para um determinado período de tempo, via de regra, o período de oscilação T.

Conhecer as diferenças entre os parâmetros dos circuitos de corrente alternada e contínua permite calcular corretamente a potência por corrente e tensão em cada caso específico.

Redes trifásicas

Basicamente, eles consistem em três circuitos monofásicos idênticos, deslocados entre si no plano complexo em 120 graus. Eles diferem ligeiramente nas cargas em cada fase, deslocando a corrente da tensão por um ângulo phi. Devido a essa irregularidade, uma corrente I0 é criada no condutor neutro.

Corrente senoidal alternada em uma rede trifásica

A tensão neste sistema consiste em tensões de fase (220 V) e tensões de linha (380 V).

A potência de um dispositivo de corrente trifásica conectado ao circuito é a soma dos componentes em cada fase. É medido usando dispositivos especiais: wattímetros (componente ativo) e varímetros (reativo). É possível calcular o consumo total de energia de um dispositivo de corrente trifásica com base nas medições do wattímetro e do varímetro usando a fórmula do triângulo.

Existe também um método de medição indireta baseado no uso de um voltímetro e amperímetro com cálculos posteriores dos valores obtidos.

Você também pode calcular o consumo total de corrente, conhecendo a magnitude da potência aparente S. Para isso, basta dividi-la pelo valor da tensão da rede.