Mais sobre a “polaridade” AC

Os números complexos são úteis para a análise do circuito CA porque fornecem um método conveniente de denotar simbolicamente a mudança de fase entre as grandezas CA, como tensão e corrente.

No entanto, para a maioria das pessoas, a equivalência entre vetores abstratos e quantidades reais de circuitos não é fácil de entender. No início deste capítulo, vimos como as fontes de tensão CA recebem valores de tensão de forma complexa (magnitude e ângulo de fase), bem como marcações de polaridade.

Como a corrente alternada não tem “polaridade” definida como a corrente contínua, essas marcações de polaridade e sua relação com o ângulo de fase tendem a ser confusas. Esta seção foi escrita na tentativa de esclarecer algumas dessas questões.

A tensão é inerentemente relativa quantidade. Quando medimos uma tensão, temos a opção de conectar um voltímetro ou outro instrumento de medição de tensão à fonte de tensão, pois há dois pontos entre os quais a tensão existe e dois cabos de teste no instrumento para fazer a conexão.

Em circuitos CC, denotamos a polaridade das fontes de tensão e as quedas de tensão explicitamente, usando os símbolos “+” e “-”, e usamos cabos de teste do medidor codificados por cores (vermelho e preto). Se um voltímetro digital indicar uma tensão CC negativa, sabemos que seus cabos de teste estão conectados “para trás” à tensão (cabo vermelho conectado a “-” e cabo preto a “+”).

As baterias têm sua polaridade designada por meio de simbologia intrínseca:o lado da linha curta de uma bateria é sempre o lado negativo (-) e o lado da linha longa sempre o lado positivo (+):(Figura abaixo)

Polaridade da bateria convencional.



Embora fosse matematicamente correto representar a tensão de uma bateria como uma figura negativa com marcações de polaridade invertida, seria decididamente não convencional:(Figura abaixo)

Marcação de polaridade decididamente não convencional.



A interpretação dessa notação pode ser mais fácil se as marcações de polaridade "+" e "-" forem vistas como pontos de referência para cabos de teste do voltímetro, o "+" significa "vermelho" e o "-" significa "preto". Um voltímetro conectado à bateria acima com fio vermelho no terminal inferior e fio preto no terminal superior indicaria de fato uma tensão negativa (-6 volts).

Na verdade, esta forma de notação e interpretação não é tão incomum quanto você pode pensar:ela é comumente encontrada em problemas de análise de rede DC, onde as marcas de polaridade “+” e “-” são inicialmente desenhadas de acordo com uma suposição fundamentada e, posteriormente, interpretadas como corretas ou “para trás” de acordo com o sinal matemático da figura calculada.

Em circuitos CA, porém, não lidamos com quantidades "negativas" de voltagem. Em vez disso, descrevemos em que grau uma tensão ajuda ou se opõe a outra por fase :a mudança de tempo entre duas formas de onda. Nunca descrevemos uma tensão CA como sendo de sinal negativo, porque a facilidade da notação polar permite que os vetores apontem em uma direção oposta.

Se uma tensão CA se opõe diretamente a outra tensão CA, simplesmente dizemos que uma está 180o defasada da outra.

Ainda assim, a voltagem é relativa entre dois pontos e temos uma escolha em como podemos conectar um instrumento de medição de voltagem entre esses dois pontos. O sinal matemático da leitura de um voltímetro CC tem significado apenas no contexto das conexões do cabo de teste:em qual terminal o cabo vermelho está tocando e em qual terminal o cabo preto está tocando.

Da mesma forma, o ângulo de fase de uma tensão CA tem significado apenas no contexto de saber qual dos dois pontos é considerado o ponto de “referência”. Por causa desse fato, as marcas de polaridade “+” e “-” são freqüentemente colocadas pelos terminais de uma tensão CA em diagramas esquemáticos para dar ao ângulo de fase declarado um quadro de referência.

Leitura do voltímetro por conexão do cabo de teste

Vamos revisar esses princípios com alguns recursos gráficos. Primeiro, o princípio de relacionar as conexões dos cabos de teste com o sinal matemático de uma indicação de voltímetro CC:(Figura abaixo)

As cores dos terminais de teste fornecem um quadro de referência para interpretar o sinal (+ ou -) da indicação do medidor.



O sinal matemático do display de um voltímetro DC digital tem significado apenas no contexto das conexões do cabo de teste. Considere o uso de um voltímetro CC para determinar se duas fontes de tensão CC estão ajudando ou opostas uma à outra, supondo que ambas as fontes não tenham suas polaridades rotuladas.

Usando o voltímetro para medir através da primeira fonte:(Figura abaixo)

(+) A leitura indica que o preto é (-), o vermelho é (+).



Esta primeira medição de +24 na fonte de tensão do lado esquerdo nos diz que a ponta preta do medidor realmente está tocando o lado negativo da fonte de tensão # 1, e a ponta vermelha do medidor realmente está tocando o positivo. Portanto, sabemos que a fonte nº 1 é uma bateria voltada para esta orientação:(Figura abaixo).

A fonte de 24 V é polarizada (-) para (+).



Medindo a outra fonte de tensão desconhecida:(Figura abaixo)

(-) A leitura indica que o preto é (+), o vermelho é (-).



Esta segunda leitura do voltímetro, no entanto, é negativa (-) 17 volts, o que nos indica que o cabo de teste preto está na verdade tocando o lado positivo da fonte de tensão 2, enquanto o cabo de teste vermelho está na verdade tocando o negativo. Assim, sabemos que a fonte # 2 é uma bateria voltada para o oposto direção:(Figura abaixo)

a fonte de 17 V está polarizada (+) para (-)

Deve ser óbvio para qualquer estudante experiente de eletricidade CC que essas duas baterias são opostas uma à outra. Por definição, tensões opostas subtraem um do outro, então subtraímos 17 volts de 24 volts para obter a tensão total entre os dois:7 volts.

Poderíamos, no entanto, desenhar as duas fontes como caixas indefinidas, rotuladas com os valores exatos de tensão obtidos pelo voltímetro, as marcas de polaridade indicando a colocação do cabo de teste do voltímetro:(Figura abaixo)

Leituras do voltímetro conforme lidas nos medidores.

Significado das marcações de polaridade

De acordo com este diagrama, as marcas de polaridade (que indicam a colocação do cabo de teste do medidor) indicam as fontes que auxiliam uns aos outros. Por definição, auxiliando as fontes de tensão add um com o outro para formar a voltagem total, então adicionamos 24 volts a -17 volts para obter 7 volts:ainda a resposta correta.

Se deixarmos as marcações de polaridade guiar nossa decisão de adicionar ou subtrair valores de tensão - se essas marcações de polaridade representam o verdadeiro polaridade ou apenas a orientação do cabo de teste do medidor - e inclua os sinais matemáticos desses valores de tensão em nossos cálculos, o resultado sempre estará correto.

Novamente, as marcações de polaridade servem como quadros de referência para colocar os sinais matemáticos dos valores de tensão no contexto adequado.

O mesmo é verdade para tensões AC, exceto que ângulo de fase substitui o sinal matemático . A fim de relacionar várias tensões AC em diferentes ângulos de fase entre si, precisamos de marcações de polaridade para fornecer quadros de referência para os ângulos de fase dessas tensões. (Figura abaixo)

Tome por exemplo o seguinte circuito:

O ângulo de fase substitui o sinal ±.



As marcações de polaridade mostram essas duas fontes de tensão ajudando uma à outra, então, para determinar a tensão total no resistor, devemos adicionar os valores de tensão de 10 V ∠ 0 ° e 6 V ∠ 45 ° juntos para obter 14,861 V ∠ 16,59 °.

No entanto, seria perfeitamente aceitável representar a fonte de 6 volts como 6 V 225 °, com um conjunto invertido de marcações de polaridade, e ainda chegar à mesma tensão total:(Figura abaixo)

Inverter os cabos do voltímetro na fonte de 6 V altera o ângulo de fase em 180 °.



6 V ∠ 45 ° com negativo à esquerda e positivo à direita é exatamente o mesmo que 6 V ∠ 225 ° com positivo à esquerda e negativo à direita:a inversão das marcações de polaridade complementa perfeitamente a adição de 180 ° ao designação do ângulo de fase:(Figura abaixo)

Inverter a polaridade adiciona 180 ° ao ângulo de fase



Ao contrário das fontes de tensão CC, cujos símbolos definem intrinsecamente a polaridade por meio de linhas curtas e longas, os símbolos de tensão CA não têm marcação de polaridade intrínseca. Portanto, quaisquer marcas de polaridade devem ser incluídas como símbolos adicionais no diagrama e não há uma maneira "correta" de colocá-las.

Eles devem, no entanto, se correlacionar com o ângulo de fase dado para representar a verdadeira relação de fase dessa tensão com outras tensões no circuito.



REVER:

• As marcações de polaridade às vezes são fornecidas para tensões CA em esquemas de circuito, a fim de fornecer um quadro de referência para seus ângulos de fase.

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de análise de rede AC