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Circuitos elétricos e eletrônicos


 Biofísica

A inventividade humana e o conhecimento progressivo da maneira como os materiais reagem à eletricidade propiciaram a elaboração de complexos sistemas de condução das cargas elétricas. Esse desenvolvimento levou a enormes avanços tecnológicos, nos quais o circuito elétrico teve participação fundamental.
Circuito elétrico ou eletrônico é um determinado agrupamento de componentes de comportamento elétrico bem definido e destinado à condução de cargas elétricas. Quando sua finalidade se relaciona à transmissão de potência, tais circuitos denominam-se elétricos; quando se destinam ao processamento de sinais elétricos, denominam-se eletrônicos. Os circuitos elétricos são também denominados circuitos de potência e freqüentemente se empregam associados a circuitos magnéticos. Por meio deles, pode-se transformar energia mecânica em energia elétrica e vice-versa, sendo muito utilizados em geradores e motores elétricos.


Leis e princípios matemáticos. O comportamento idealizado dos circuitos é descrito por meio de modelos matemáticos estudados na teoria das redes elétricas e eletrônicas, nas quais só se consideram as perdas de energia por dissipação, isto é, segundo o fenômeno de transformação da energia elétrica em energia térmica, de acordo com a lei de Joule. Nessa teoria os componentes ou elementos integrantes do circuito são analisados de um ponto de vista global e evita-se uma abordagem microscópica do material.
As variáveis elétricas mais utilizadas na descrição de tais circuitos são a tensão ou diferença de potencial, índice da energia elétrica que um ponto de um circuito possui em relação a outro ponto análogo; e a intensidade de corrente, que expressa a velocidade com que se deslocam as cargas elétricas. Para cada componente existe uma equação que relaciona a intensidade da corrente que circula através dele com a diferença de potencial existente entre seus extremos. Os componentes de um circuito se ligam de duas maneiras distintas: em série, quando a intensidade de corrente que circula entre seus elementos é a mesma; e em paralelo, quando a diferença de potencial entre todos os pontos terminais de seus elementos se mantém constante.
A análise de um circuito utiliza tais equações e as leis de Kirchhoff. A primeira lei de Kirchhoff sustenta que em um nó - ponto em que confluem três ou mais ramificações de uma rede ou circuito complexo - a soma das intensidades de corrente de todas as ramificações é zero. A segunda enuncia o princípio segundo o qual a soma de todas as diferenças de potencial ao longo de qualquer malha - conjunto fechado de ramificações - também é nula.
Um problema matemático freqüentemente encontrado no estudo dos circuitos envolve o cálculo dos valores da tensão e da intensidade de corrente nos diferentes  pontos de circulação, uma vez conhecidos seus valores iniciais e as fontes geradoras da tensão ou força eletromotriz. A resolução desse problema é facilitada com o auxílio dos teoremas de Thévenin e de Norton, que apresentam como artifício de cálculo a substituição de um dipolo, circuito com dois terminais, por outro mais simples, composto de um gerador e um componente eletricamente equivalente ao dipolo inicial.
Os métodos mais modernos da análise de circuitos baseiam-se no chamado cálculo operacional, capaz de transformar complexas equações integrais e diferenciais em equações algébricas, de resolução mais imediata, mediante a utilização de avançados conceitos matemáticos, tais como as transformadas de Fourier e Laplace e os números complexos, definidos como expressões do tipo a + bi, em que a e b são números reais e i2 = -1.


Tipos de circuito. Os circuitos são classificados de acordo com diversos critérios, como seu comportamento energético, as técnicas utilizadas em sua fabricação e o tipo de tensão a que são submetidos, se alternada ou contínua. Quanto ao comportamento energético, os circuitos elétricos ou eletrônicos se subdividem em ativos, quando são capazes de gerar energia, e passivos, quando absorvem a energia fornecida pelos circuitos ativos. São circuitos ativos os dos geradores, enquanto os das resistências, que dissipam energia elétrica em forma de calor, os das bobinas, que armazenam energia em forma de campo magnético, e os dos condensadores, que a acumulam em forma de campo elétrico, são exemplos de circuitos passivos.
São bastante diversificadas as funções exercidas pelos circuitos. Destacam-se os circuitos retificadores ou filtros, que selecionam sinais elétricos de acordo com sua freqüência, e os circuitos amplificadores, que aumentam a amplitude de um sinal. De especial importância para o avanço da informática foi o desenvolvimento dos circuitos designados como de comutação, entre eles os chamados flip-flop e os circuitos lógicos. No campo das comunicações são empregados circuitos tais como os geradores de dentes de serra, os moduladores, os detetores e conversores.
O desenvolvimento de materiais semicondutores, substâncias cristalinas de condutividade elétrica muito inferior à dos metais, permitiu a fabricação de novos componentes fundamentais na engenharia de circuitos, tais como os diodos e os transistores, além dos ditos circuitos integrados, pequenos módulos constituídos por grande número de componentes eletrônicos colocados sobre a superfície de uma lâmina ou pastilha.
Estes últimos foram os responsáveis pela miniaturização dos circuitos, a qual resultou em enorme diminuição tanto do preço como do consumo de energia, além de favorecer o aumento da velocidade e precisão com que os sinais elétricos são transmitidos e armazenados. Atualmente, pode-se integrar milhares de transistores em superfície de apenas quarenta milímetros quadrados, o que permite o processamento de sinais de amplitude mínima em comunicações, informática, reprodução de imagem e som etc.

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