O que é uma queda de tensão em um circuito elétrico?
Nesta Questão de Engenharia Freqüente, vamos dar uma breve explicação conceitual das quedas de tensão e discutir a polaridade das quedas de tensão através de resistores, capacitores e indutores.
Voltagem, Trabalho e Fluxo de Corrente
Uma bateria converte energia química em energia elétrica, produzindo uma tensão – ou seja, uma diferença no potencial elétrico – através de seus dois terminais. Uma resistência é um componente que cria uma quantidade especificada de resistência à corrente elétrica. Quando conectamos os dois terminais de uma resistência aos dois terminais de uma bateria, os portadores de carga se movimentam através do circuito, e chamamos esta corrente elétrica.
Voltagem transmite a capacidade de fazer o trabalho de mover a carga de um ponto para outro. Uma bateria de 5 V, por exemplo, pode fazer 5 joules de trabalho por coulomb de carga. Quando a corrente está fluindo através de uma resistência, podemos medir a quantidade de trabalho (por unidade de carga) necessária para manter a corrente fluindo através da resistência.
Esta é a essência da queda de tensão: uma bateria (ou fonte de tensão) fornece energia para fazer o trabalho de carga em movimento. Quando a corrente está fluindo, componentes como resistores consomem energia, e a quantidade de trabalho por unidade de carga associada com a corrente fluindo através de um determinado componente é a queda de tensão do componente.
A queda de tensão por um componente é responsável por uma parte da tensão gerada pela bateria. Em outras palavras, o trabalho realizado pela bateria é dividido entre os componentes do circuito.
Nós podemos intuitivamente reconhecer que a condução de uma determinada quantidade de corrente através de uma maior resistência irá exigir mais trabalho. Assim, se dois resistores estão em série (o que significa que têm o mesmo fluxo de corrente), o resistor com mais resistência tem uma queda de tensão maior. Esta é a base para o funcionamento do circuito divisor de tensão.
Polaridade das quedas de tensão
Um resistor funciona sempre como uma carga – isto é, como um componente que consome energia. Se adotarmos o modelo convencional de fluxo de corrente, no qual a corrente flui da tensão mais alta para a tensão mais baixa, a queda de tensão através de um resistor é positiva onde a corrente entra no resistor e negativa onde a corrente sai do resistor:
Um modelo de fluxo de corrente retratando como uma queda de tensão é positiva onde a corrente entra no resistor e negativa onde sai do resistor.
Esta polaridade “opõe-se” à tensão da fonte: se ligássemos uma bateria com esta mesma orientação de polaridade, ela conduziria a corrente na direcção oposta (ou contrariaria a tensão da fonte, dependendo de como se pensa sobre ela).
Capacitores e indutores armazenam energia e, consequentemente, podem funcionar como uma carga ou como uma fonte. Quando actuam como cargas, têm a mesma polaridade tensão-queda que um resistor.
Quando actuam como cargas, os condensadores e indutores têm a mesma polaridade tensão-queda que um resistor.
A polaridade tensão-queda de um condensador não muda quando este começa a descarregar. Mesmo atuando como uma fonte, ele produz corrente cuja direção é oposta à da corrente de carga.
No entanto, quando um indutor descarrega, ele tenta manter o fluxo de corrente. Assim, a polaridade da queda de tensão do indutor muda, porque ele está gerando uma corrente cuja direção é a mesma da corrente de carga produzida pela fonte.