Leis de Newton

 Sir Isaac Newton foi um estudioso inglês que viveu no século entre os séculos 17 e 18, ele estudou muitas coisas mas suas três leis sobre a dinâmica de corpos, nos seus estados de repouso e movimento, são até hoje a base da mecânica clássica. Suas três leis são descritas da seguinte maneira

1º Lei de Newton - Lei da Inércia

“Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele.”

Essa lei estipula que um corpo tende a manter o seu estado estático ou em movimento retilíneo uniforme, a menos que seja aplicada uma determinada aceleração sobre ele, essa aceleração é decorrente das forças aplicadas, se a soma das forças for 0, a aceleração também será 0, mas se a soma tiver outro valor então haverá aceleração.

2º Lei de Newton - o principio fundamental da dinâmica

Essa lei associa a força resultante em um corpo, com a sua massa para chegar na aceleração do corpo, da seguinte maneira:

Nessa fórmula teremos:

F: é a força que atua no corpo, se o corpo estiver sob a ação de múltiplas forças, usa-se a força resultante, a soma de todas elas.

a: é a aceleração, em muitos problemas vemos ele como um número real, mas na prática é um vetor aceleração com direção e sentido.

m: é a massa do corpo dada em [kg], cuidado para não confundir massa de um corpo com o seu peso, a massa é uma característica do objeto em questão, o peso é resultado da massa vezes a aceleração imposta à ela.

3⁰ Lei de Newton - Ação e reação

Para toda ação existe uma reação igual e oposta, essa lei impõe que sempre que um corpo aplica uma força sobre outro, ele sentirá uma resposta de mesmo módulo, mas no sentido oposto, da seguinte maneira:

Veja o esquema acima, nele temos o corpo 2 com uma massa de valor M, e o corpo 1, uma haste que usamos para empurrar o corpo 2. Se imprimirmos com 1 uma força de intensidade F, a ação F irá agir sobre 2, mas haverá uma reação -F que agirá sobre 1, essas forças atuam sobre corpos diferentes por isso elas não se anulam.

Diodo Zener

 Diodos do tipo zener são componentes usados para limitar a tensão que passa para determinadaa parte do circuito, seu símbolo é o seguinte:

Esses componentes funcionam como diodos retificadores normais quando são colocados em série com a parte desejada do circuito, mas se mostram realmente interessantes quando posicionados em paralelo e reversamente polarizados, diferente dos diodos retificadores que possuem regiões de zener apenas para tensões reversas muito altas, as tensões de zener dessa série de diodos é menor porém eles não queimam ao chegar nessa região eles passam a trabalhar como limitadores de tensão, o que permite seu uso da seguinte maneira:

Nesse circuito desejamos uma tensão sobre a carga que é inferior à tensão de alimentação V, poderiamos usar um divisor de tensão para ter um valor menor do que V na carga, mas isso não seria o suficiente, pois se V tivesse perturbações, ou não fosse uma corrente continua perfeita, poderiam haver pequenas variações na tensão sobre a carga, e em alguns casos ao trabalhar com componentes muito sensíveis isso não é aceitável, por isso o diodo zener é usado, para assegurar que mesmo na presença de algum ruído na alimentação, a carga terá apenas uma alimentação continua constante, por isso o zener está em paralelo com a carga, pois em um circuito paralelo a tensão nos dois ramos é a mesma.

Mas para onde vai a tensão excedente de V? Ela aparecerá em Rlim devido a corrente do circuito, mas cuidado o diodo não aceita qualquer corrente pois ele têm uma potência máxima que pode aquentar na região de zener, nesse circuito de exemplo o diodo utilizado 1N5927B tem as seguintes características, 1,5W de potência, e tensão de zener de 12V, com isso podemos dizer qual a corrente máxima que pode passar por esse diodo:

Da mesma maneira como existe uma tensão máxima, também adotamos uma corrente mínima de funcionamento, a  corrente mínima adotada geralmente é 10% da corrente máxima, então:

Com essas duas correntes e sabendo que a corrente que passa por Rlim é a soma da corrente do zener e da corrente da carga podemos determinar um intervalo de valores para Rlim:

Aqui Vz é a tensão do zener, no exemplo usado teriamos Vz=12 e V seria a alimentação. Aqui o valor de Rlim é obtido em um intervalo, e não um valor especifico, qualquer valor que adotássemos dentro desse intervalo faria o zener trabalhar entre sua corrente máxima e 0.1*Izmax, criando assim um leque de opções que podemos tomar.

Divisor de tensão e corrente

 Essas configurações de circuitos são em princípio muito simples, mas são de uma grande utilidade para o projeto e análise de circuitos elétricos e eletrônicos, entendendo cada uma delas, e como são aplicadas, poderemos usar variações para os mais diversos circuitos vamos ver uma a uma:

Divisor de tensão

Esse tipo de circuito funciona com a ideia de que, em um circuito série a corrente que passa pelos componentes é a mesma, então a queda de tensão em cada um será proporcional ao valor de sua resistência, dividido pela resistência das parcelas somadas, da seguinte maneira:

Perceba que V/(R1+R2) é a maneira que calculamos a corrente, então essa equação é apenas uma aplicação da lei de ohm V=R*I.

Nesse exemplo o circuito é de dois componentes, mas essa regra seria valida para qualquer número de componentes conectados em série, se fosse o caso o denominador teria a soma de mais parcelas.

Divisor de corrente

O divisor de tensão funciona para componentes que compartilhem a mesma corrente I, o divisor de corrente por sua vez é calculado para componentes com a mesma tensão,ligados em paralelo:

Em um circuito paralelo os dois ramos tem a mesma queda de tensão, e a corrente em cada ramo pode ser calculada como:

Nessa fórmula I é a corrente total que é dividida entre as cargas, ela pode ser calculada como:

Novamente o exemplo é com dois componentes, mas o circuito poderia ser de qualquer tamanho, isso só iria aumentar a complexidade dos cálculos, sempre que possível simplifique o circuito o máximo possível utilizando o método de Thévenin.

Note duas coisas importantes:

1) No divisor de tensão a queda de tensão em um componente depende do valor do mesmo, mas no divisor de corrente a corrente que passa por um componente depende do valor do outro; então se desejar mais corrente em R2 aumente o valor de R1.

2) Aqui usei resistores, mas essas contas também poderiam ser usadas para impedâncias, isso modificara o modo de se obter a corrente I.

Se familiarizar com esses circuitos é bom porque, ao analisar um circuito mais complexo, ao invés de analisar o circuito com as leis de Kirchhoff, o que é mais trabalhoso, podemos usar esses métodos para algumas simplificações.

Indutores

 Indutores são componentes com uma dualidade com os capacitores, eles são construidos, por meio de um condutor dando várias voltas, por cima de um núcleo, enquanto os capacitores não permitem a passagem da corrente continua e permitem a de corrente alternada, os indutores fazem o contrário: eles se comportam como curto circuitos para a corrente continua, e apresentam uma reatância conforme aumenta-se a frequência de um sinal alternado. essa reatância pode ser calculada como:

 

Nessa formula:

Xl: é a reatância indutiva dada em ohms, para o calculo da impedância ela será a parte complexa;

f: é a frequência em Hertz do sinal alternado

L: é a indutância em Henrys do componente em questão;

Perceba novamente a dualidade, substituindo L por C o cálculo da reatância capacitiva era isso elevado à -1, então quanto maior a frequência menor a reatância capacitiva, mas com a reatância indutiva ocorre o oposto. ela aumenta junto com a frequência, então para a corrente contínua um indutor não apresenta uma reatância complexa e é apenas um fio, mas para frequencias acima de 0 Hz a impedância será: a resistência do comprimento do fio na parte real, e a reatância acima como parte complexa. Normalmente quando trabalhamos com indutores comerciais, em circuitos a resistência do fio é tão baixa que pode ser desprezada, por isso muitos falam que um indutor é um curto circuito para corrente continua, isso pode ser válido para os componentes usuais de bancada, mas dependendo do circuito que estamos trabalhando, é melhor considerar a resistência real também é não apenas a parte complexa.

Indutores são feitos com um condutor enrolado, que pode ou não ter um núcleo magnético, o objetivo do núcleo é simplesmente conseguir indutores de maior valor, com menos voltas da bobina, reduzindo assim seu tamanho, indutores não são componentes polarizados, então quando montamos um circuito com eles não é necessário nos preocupar com qual lado será ligado onde.

No diagrama fasorial o Xl terá valor positivo e ficará acima do eixo real, preste atenção também que muitas cargas que ligamos em circuitos são indutores, um alto falante, um motor, são cargas indutivas que podem necessitar de atenção quando projetamos algo.

Capacitores em circuitos eletrônicos

 Já vimos anteriormente o que são capacitores e como podemos calcular seus valores (em Capacitores ) agora vamos ver o efeito desses dispositivos quando colocados em um circuito elétrico, os capacitores tem a característica de serem um circuito aberto para a corrente continua, e apresentarem uma reatância para a corrente alternada. essa reatância é calculada como:

 Quando desenhamos o diagrama fasorial Xc terá valor negativo, então o vetor estará abaixo do eixo real, e o capacitor também causa um atraso na fase, fazendo a corrente e a tensão saírem de sincronia, em um circuito capacitivo a tensão fica defasada em 90° em relação à corrente. Com essa reatância a corrente que um capacitor impõe é:

 Os capacitores podem ser de vários tipos, cerâmicos, eletrolíticos, poliéster, polarizados ou não: 

Capacitores cerâmicos são pequenas pastilhas geralmente da cor marrom:

 

 

Capacitores de alumínio eletrolítico são dispositivos de tamanho variados, dependendo de sua capacitância e tensão de operação:

 Os capacitores de alumínio eletrolítico são dispositivos polarizados, então eles devem ser colocados de maneira correta em um circuito, se isso não for observado o dispositivo irá queimar, e dependendo da tensão reversa ele pode até estourar, por isso preste atenção em como liga esses capacitores, o lado negativo possui uma faixa de sinalização, como pode ser visto na imagem.

 Efeitos dos capacitores:

Assim como resistores os capacitores podem ser conectados em série ou em paralelo com um trecho do circuito, em cada uma dessas configurações eles terão efeitos com utilizações diferentes vamos ver ambos:

• Capacitor em série

  Nesse tipo de configuração o circuito terá a seguinte forma:
  
   
  Os sinais senoidais e continuo representam, um dado de interesse que iremos trabalhar no circuito, e a polarização de um circuito eletrônico, respectivamente, isso porque a maior parte senão, todos os dispositivos eletrônicos devem ser polarizados  com corrente continua para trabalharem com sinais analógicos ou digitais. Caso observássemos esse circuito com um osciloscópio analógico, no ponto entre R4 e C1 haveria uma onda senoidal com um determinado offset, ou seja o ponto onde a senóide se torna negativa não estaria em 0, mas em algum outro valor, por causa da adição de um sinal de corrente contínua (CC),   e no ponto entre C1 e R1 haveria apenas a onda senoidal com a mudança de sinal em 0, isso porque o capacitor seria um circuito aberto para a corrente continua, mas não para o sinal alternado para o qual ele apresenta uma reatância, então a corrente continua irá passar totalmente por R4 em direção à GND, mas o sinal alternado irá ter um paralelo de R4 com Xc1 e R1. assim o sinal alternado irá tender a passar por R1 por seu valor ser muito menor que R4. Essa montagem é chamada de filtro de acoplamento ou desacoplamento.
  
  
  
  
  

  •  Capacitores em paralelo com uma carga:

    Esse tipo de circuito é usado quando queremos amenizar as variações de um sinal pulsado, pulsado significa que seu valor vai oscilar entre um valor e outro, mas não haverá troca de sinal na onda, veja a montagem:
     
    As formas de onda desse caso são um sinal pulsado, geralmente uma senóide retificada na entrada:
    
    
     e um sinal cujo máximo será o pico da senoide e vai decair um pouco até o próximo pico na saida:
     
    Essa pequena oscilação recebe o nome de ripple, e ocorre porque uma vez carregado, o capacitor atua como fonte quando o valor da senoide fica abaixo do valor de carga do capacitor, que no caso é o valor do pico da senoide, mas o capacitor não pode fornecer tanta corrente pois tem uma quantidade de energia limitada, por isso o sinal cai um pouco, podemos calcular o valor do ripple como:
     
    Imax é o valor da corrente para a tensão de pico;
    f é a frequência do sinal pulsado;
    C é a capacitância do dispositivo usado
    A onda de saida então poderá ser calculada como:
    
    
    
    
    Novamente Vp é a tensão no pico do pulso.