Condução não linear

“Os avanços são feitos respondendo a perguntas. As descobertas são feitas questionando as respostas. ”

—Bernhard Haisch, Astrofísico

A Lei de Ohm é uma ferramenta matemática simples e poderosa para nos ajudar a analisar circuitos elétricos, mas tem limitações, e devemos entender essas limitações para aplicá-la adequadamente a circuitos reais. Para a maioria dos condutores, a resistência é uma propriedade bastante estável, amplamente não afetada pela tensão ou corrente.

Por esse motivo, podemos considerar a resistência de muitos componentes do circuito como uma constante, com a tensão e a corrente diretamente relacionadas entre si.

Por exemplo, a partir de nosso exemplo de circuito anterior com a lâmpada de 3 Ω, calculamos a corrente através do circuito dividindo a tensão pela resistência (I =E / R). Com uma bateria de 18 volts, a corrente do nosso circuito era de 6 amperes. Dobrar a tensão da bateria para 36 volts resultou em uma corrente duplicada de 12 amperes.

Tudo isso faz sentido, é claro, desde que a lâmpada continue a fornecer exatamente a mesma quantidade de atrito (resistência) para o fluxo de corrente através dela:3 Ω.

A relação tensão-corrente sobre a variação da resistência

No entanto, a realidade nem sempre é tão simples. Um dos fenômenos explorados em um capítulo posterior é o da mudança da resistência do condutor com a temperatura. Em uma lâmpada incandescente (o tipo que emprega o princípio da corrente elétrica aquecendo um filamento fino de arame até o ponto em que ele fica incandescente), a resistência do filamento do arame aumentará dramaticamente conforme ele aquece da temperatura ambiente à temperatura operacional.

Se tivéssemos que aumentar a tensão de alimentação em um circuito de lâmpada real, o aumento resultante na corrente faria com que o filamento aumentasse a temperatura, o que, por sua vez, aumentaria sua resistência, evitando assim novos aumentos na corrente sem novos aumentos na tensão da bateria .

Consequentemente, a tensão e a corrente não seguem a equação simples “I =E / R” (com R assumido como sendo igual a 3 Ω) porque a resistência do filamento de uma lâmpada incandescente não permanece estável para diferentes correntes.

O fenômeno da variação da resistência com as variações de temperatura é compartilhado por quase todos os metais, dos quais a maioria dos fios é feita. Para a maioria das aplicações, essas mudanças na resistência são pequenas o suficiente para serem ignoradas. Na aplicação de filamentos de lâmpadas de metal, a variação passa a ser bastante grande.

Este é apenas um exemplo de “não linearidade” em circuitos elétricos. Não é de forma alguma o único exemplo. Uma função “linear” em matemática é aquela que rastreia uma linha reta quando traçada em um gráfico. A versão simplificada do circuito da lâmpada com uma resistência de filamento constante de 3 Ω gera um gráfico como este:







O gráfico em linha reta da corrente sobre a tensão indica que a resistência é um valor estável e imutável para uma ampla gama de tensões e correntes de circuito. Em uma situação “ideal”, esse é o caso. Os resistores, que são fabricados para fornecer um valor de resistência estável e definido, se comportam de maneira muito semelhante ao gráfico de valores visto acima. Um matemático chamaria seu comportamento de "linear".

Uma análise mais realista de um circuito de lâmpada, no entanto, em vários valores diferentes de tensão da bateria geraria um gráfico desta forma:







O enredo não é mais uma linha reta. Ele aumenta acentuadamente à esquerda, à medida que a tensão aumenta de zero para um nível baixo. À medida que avança para a direita, vemos a linha se achatando, o circuito exigindo aumentos cada vez maiores na tensão para atingir aumentos iguais na corrente.

Se tentarmos aplicar a Lei de Ohm para encontrar a resistência deste circuito da lâmpada com os valores de tensão e corrente plotados acima, chegaremos a vários valores diferentes. Poderíamos dizer que a resistência aqui é não linear , aumentando com o aumento da corrente e da tensão. A não linearidade é causada pelos efeitos da alta temperatura no fio de metal do filamento da lâmpada.

Outro exemplo de condução de corrente não linear é por meio de gases como o ar. Em temperaturas e pressões padrão, o ar é um isolante eficaz. No entanto, se a voltagem entre dois condutores separados por um gap de ar aumentar bastante, as moléculas de ar entre o gap se tornarão “ionizadas”, tendo seus elétrons separados pela força da alta voltagem entre os fios.

Uma vez ionizado, o ar (e outros gases) tornam-se bons condutores de eletricidade, permitindo o fluxo de elétrons onde nenhum poderia existir antes da ionização. Se tivéssemos que plotar a sobretensão de corrente em um gráfico, como fizemos com o circuito da lâmpada, o efeito da ionização seria claramente visto como não linear:







O gráfico mostrado é aproximado para um pequeno entreferro (menos de uma polegada). Um entreferro maior produziria um potencial de ionização mais alto, mas a forma da curva I / E seria muito semelhante:praticamente nenhuma corrente até que o potencial de ionização fosse alcançado, e depois disso, condução substancial.

A propósito, esse é o motivo pelo qual os relâmpagos existem como ondas momentâneas, em vez de fluxos contínuos de elétrons. A voltagem acumulada entre a terra e as nuvens (ou entre diferentes conjuntos de nuvens) deve aumentar até o ponto em que supere o potencial de ionização do entreferro antes que o ar ionize o suficiente para suportar um fluxo substancial de elétrons.

Assim que o fizer, a corrente continuará a conduzir através do ar ionizado até que a carga estática entre os dois pontos se esgote. Assim que a carga se esgota o suficiente para que a tensão caia abaixo de outro ponto limite, o ar deioniza e retorna ao seu estado normal de resistência extremamente alta.

Muitos materiais isolantes sólidos exibem propriedades de resistência semelhantes:resistência extremamente alta ao fluxo de corrente abaixo de algum limite crítico de tensão e, em seguida, uma resistência muito mais baixa em tensões além desse limite.

Uma vez que um material de isolamento sólido tenha sido comprometido por quebra de alta tensão , como é chamado, muitas vezes não retorna ao seu estado de isolamento anterior, ao contrário da maioria dos gases. Ele pode isolar mais uma vez em tensões baixas, mas sua tensão limite de ruptura terá diminuído para um nível inferior, o que pode permitir que a ruptura ocorra mais facilmente no futuro.

Este é um modo comum de falha na fiação de alta tensão:danos ao isolamento devido à quebra. Essas falhas podem ser detectadas através do uso de medidores de resistência especiais que empregam alta tensão (1000 volts ou mais).

Componentes com resistência não linear

Existem componentes de circuito especificamente projetados para fornecer curvas de resistência não lineares, sendo um deles o varistor . Normalmente fabricados a partir de compostos como óxido de zinco ou carboneto de silício, esses dispositivos mantêm alta resistência em seus terminais até que uma certa tensão de "disparo" ou "quebra" (equivalente ao "potencial de ionização" de um entreferro) seja alcançada, ponto em que sua resistência diminui dramaticamente.

Ao contrário do colapso de um isolador, o colapso do varistor é repetível:isto é, ele é projetado para resistir a colapsos repetidos sem falha. Uma imagem de um varistor é mostrada aqui:







Existem também tubos especiais cheios de gás projetados para fazer quase a mesma coisa, explorando o mesmo princípio em funcionamento na ionização do ar por um raio.

Outros componentes elétricos exibem curvas de corrente / tensão ainda mais estranhas do que isso. Alguns dispositivos realmente experimentam uma diminuição na corrente conforme a tensão aplicada aumenta . Como a inclinação da corrente / tensão para este fenômeno é negativa (angulação para baixo em vez de para cima conforme avança da esquerda para a direita), é conhecido como resistência negativa .







Mais notavelmente, tubos de elétrons de alto vácuo conhecidos como tetrodos e diodos semicondutores conhecidos como Esaki ou túnel diodos exibem resistência negativa para certas faixas de voltagem aplicada.

A Lei de Ohm não é muito útil para analisar o comportamento de componentes como esses, onde a resistência varia com a tensão e a corrente. Alguns até sugeriram que a "Lei de Ohm" deveria ser rebaixada do status de "Lei" porque não é universal. Pode ser mais preciso chamar a equação (R ​​=E / I) de definição de resistência , adequado a uma determinada classe de materiais sob uma faixa estreita de condições.

Para o benefício do aluno, no entanto, assumiremos que as resistências especificadas nos circuitos de exemplo são estável em uma ampla gama de condições, a menos que especificado de outra forma. Eu só queria expor você a um pouco da complexidade do mundo real, para não dar a falsa impressão de que todos os fenômenos elétricos podem ser resumidos em algumas equações simples.



REVER:

• A resistência da maioria dos materiais condutores é estável em uma ampla gama de condições, mas isso não é verdade para todos os materiais.
• Qualquer função que pode ser traçada em um gráfico como uma linha reta é chamada de linear função. Para circuitos com resistências estáveis, o gráfico de sobretensão de corrente é linear (I =E / R).
• Em circuitos onde a resistência varia com as mudanças na tensão ou na corrente, o gráfico da corrente sobre a tensão será não linear (não é uma linha reta).
• Um varistor é um componente que muda a resistência com a quantidade de voltagem impressa nele. Com pouca voltagem, sua resistência é alta. Então, em uma certa tensão de “ruptura” ou “disparo”, sua resistência diminui drasticamente.
• Resistência negativa é onde a corrente através de um componente realmente diminui à medida que a voltagem aplicada aumenta. Alguns tubos de elétrons e diodos semicondutores (mais notavelmente, o tetrodo tubo e o Esaki , ou túnel diodo, respectivamente) exibem resistência negativa em uma certa faixa de tensões.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de resistência negativa
• Planilha de coeficiente de resistência de temperatura