Você já deve ter percebido que ao carregar a bateria de seu celular, o aparelho aquece, certo?

Isso mostra que nem toda a energia elétrica que chega ao celular é convertida em carga da bateria; parte dela é perdida na forma de calor.

A TV ligada também aquece pelo mesmo motivo: parte da energia elétrica é perdida na forma de calor.

Quanto desperdício, não?

Sim!

Isso acontece porque os elementos dos circuitos não são ideais, ou seja, eles perdem parte da energia recebida.

Até mesmo o fio elétrico perde energia na forma de calor. Você já reparou que o fio aquece quando o equipamento está ligado?

Neste artigo, veremos por que isso ocorre.

Os elementos de circuito do mundo real se aproximam dos modelos ideais, mas inevitavelmente serão imperfeitos.

Uma variação simples do ideal é que componentes físicos como resistores (R), indutores (L) e capacitores (C) têm algum grau de variação em torno do valor ideal (quanto menor essa variação ou tolerância, mais caro ele custará). Componentes reais nunca têm exatamente os valores especificados.

Um componente real não é só aquele componente, mas uma composição de outros elementos.

Vamos discutir o caso de um resistor real para exemplificar: como os fios ligados a um resistor geram um campo magnético ao redor, isso vai, inevitavelmente, expor algumas propriedades indutivas. Além disso, resistores são feitos de materiais condutores e, geralmente, são dispostos perto de outros condutores. Juntos, esses condutores agem como as placas de um capacitor. Então, resistores reais também exibem algumas propriedades de indutores e capacitores – lógico que em uma escala menor do que a resistência.

Esses efeitos, chamados parasíticos, podem ser relevantes em altas frequências ou quando há variação drástica na tensão ou corrente.

As propriedades dos componentes reais são sensíveis ao seu ambiente. A maioria dos componentes apresenta algum grau de sensibilidade à temperatura; os parâmetros variam para cima ou para baixo, dependendo de quão quente ou frio está o componente. Se seu circuito tem de trabalhar sob uma grande variação de temperatura, você vai querer saber o comportamento com a temperatura do componente que você utiliza.

Nota: Nos temas de Ciências cobertos pela Academia Khan, você não terá de se preocupar com os efeitos parasíticos. Eles são mencionados aqui para você saber que eles existem.

Ao construir resistores reais, o objetivo é criar um componente que chegue tão perto quanto possível do desempenho do resistor ideal.

O valor da resistência de um resistor depende de duas coisas: do que ele é feito e de seu formato. O volume do material afeta quão difícil é para os elétrons fluir por ele. Você pode pensar em quantas vezes os elétrons se chocam com os átomos no material à medida que tentam fluir por ele. Essa propriedade do material é chamada resistividade.

Você vai ouvir falar também em condutividade, que é justamente o inverso de resistividade.

Depois de selecionar o material com uma resistividade definida, a resistência do resistor é determinada por sua forma.

Um resistor mais longo tem uma resistência maior que um resistor mais curto, porque os elétrons sofrem mais colisões ao passar através da "selva" de átomos do material.

Um resistor com maior área de seção reta tem resistência menor que um resistor com área de seção reta menor, porque os elétrons têm um número maior de caminhos disponíveis para seguir.

Um resistor real quebra (ou seja, queima e é destruído) se a potência dissipada por ele for maior do que aquela que o material de que ele é feito pode suportar. Os resistores trazem um limite de potência que não deve ser excedido. Se você tentar dissipar 1 watt em um resistor de 0,12 watt, você pode acabar com uma peça queimada, que não é mais um resistor.

As faixas coloridas do resistor axial convencional indicam o valor e a tolerância do resistor, segundo a tabela de cores mostrada na Figura 2.

As faixas do resistor da Figura 1 são laranja, laranja, marrom e dourado.

Observe na tabela de cores dos resistores que a cor laranja está associada ao número 3. Como as duas primeiras linhas do resistor da figura 1 são laranjas, temos, então, o valor 33.

A terceira faixa indicada no resistor é sempre o multiplicador. No caso do resistor da Figura 1, a terceira linha é marrom, que na tabela corresponde ao multiplicador 10. Assim, o valor da resistência fica $33.10=330\Omega$‍.

A quarta faixa do resistor está associada à tolerância; a cor dourada indica que a tolerância é 5%.

Juntando todas essas informações, sabemos o valor da resistência do resistor mostrado na Figura 1, que é igual a $330\Omega \pm 5$‍.

Na Figura 3, mostramos um resistor de montagem superficial.

O valor da resistência é codificado no código de três dígitos: 102, ou seja, $10$‍\times$$‍10^2$=10$‍\times$100=1000\Omega$‍.

Na Figura 4, temos o exemplo de um resistor em um circuito integrado. Nesse tipo de resistor, o projetista seleciona uma das camadas do circuito integrado com alta resistividade e cria (desenha) um padrão de serpentina para atingir a resistência desejada.

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Ao fazer capacitores reais, o objetivo é criar um componente que se aproxime o melhor possível, em desempenho, do capacitor ideal.

Um capacitor é construído a partir de duas superfícies condutoras colocadas próximas uma da outra. Entre as placas, pode existir ar ou qualquer outro tipo de material isolante. O valor da capacitância depende de uma série de fatores: a área das placas, a distância entre elas (a espessura do isolante) e as propriedades físicas do material isolante.

Na Figura 5, mostramos alguns capacitores reais.

Capacitores cilíndricos (preto, azul escuro ou prata, canto superior esquerdo) são feitos de duas placas de metal laminadas enroladas para maximizar a área das placas para atingir valores de grande capacitância em uma embalagem compacta.

Os capacitores em forma de círculo (azul-turquesa e laranja, canto inferior esquerdo) são simplesmente dois discos metálicos de frente um para o outro, separados por um isolante.

Capacitores ajustáveis (branco, à direita) têm ar como isolante. Um conjunto de placas gira para se sobrepor mais ou menos à área, ao conjunto estacionário de placas. Os capacitores variáveis de ar são usados para sintonizar rádios, por exemplo.

A queima do capacitor ocorre quando a tensão se torna tão grande que o isolamento entre as placas se rompe. Com isso, uma faísca pode pular através do isolamento e queimar as placas. Capacitores reais têm uma taxa de tensão que não deveria ser excedida.

Visto que o capacitor tem fios de conexão, ele tem uma pequena resistência parasitária e indutância.

O material que separa as placas do capacitor é supostamente isolante, ou seja, não permite a passagem de corrente. Mas nem todos os isolantes são perfeitos, então pequenas correntes podem passar através deles. Esses chamados vazamentos de correntes parecem fluir direto através do capacitor, mesmo quando a tensão não está.

Na Figura 6, mostramos um capacitor de montagem de superfície. Correntes de fuga podem fluir entre suas extremidades metálicas através do resíduo deixado durante o processo de solda, se a placa de circuito não for limpa.

Um capacitor de montagem de superfície é construído pelo entrelaçamento de muitas camadas de placas de eletrodo condutivo e camadas de isolamento cerâmico (Figura 7).

Quando criamos um indutor, o objetivo é chegar o mais perto possível do indutor ideal.

Uma análise completa de como um indutor realmente funciona é um tópico avançado e vai além do escopo deste artigo. O que se segue aqui é uma descrição simplificada de como o indutor funciona.

Qualquer material condutor pelo qual passa uma corrente, gera um campo magnético no seu entorno, como representado pelas linhas vermelhas na Figura 8. O campo magnético ao redor de um fio enrolado em forma de bobina torna-se concentrado no interior desta.

Como o indutor funciona?

Uma carga em movimento dá origem a um campo magnético. Uma mudança no campo magnético dá origem a um campo elétrico, que, por sua vez, pode levar cargas a se moverem (corrente).

A corrente gera um campo magnético, e o campo magnético gera uma corrente. Essa dança tem um efeito de reforço tanto na corrente quanto no campo magnético nos indutores. Esse é o funcionamento e a origem do nome do indutor: a corrente e o campo magnético induzem um ao outro.

Os indutores são feitos pelo enrolamento de um fio metálico numa bobina. O campo magnético pode ser intensificado ainda mais se for colocado um material magnético adequado dentro da bobina.

No indutor em forma toroidal (Figura 9), o fio é enrolado em torno de um núcleo de material ferro/cerâmico chamado ferrita. Todavia, você não pode ver o núcleo de ferrita na forma de uma rosquinha, porque ele é coberto pelo fio de cobre.

O núcleo da ferrita concentra e intensifica o campo magnético, o que aumenta o valor da indutância.

Indutores reais diferem dos ideais de algumas formas importantes. Uma vez que os indutores são feitos de fios compridos, eles muitas vezes possuem resistência parasítica significativa. Outra característica não desprezível dos indutores é que eles ocupam muito espaço. O campo magnético existe em um espaço em torno e dentro do indutor, e a bobina de fio tem que ser grande o bastante para circundar uma grande porção de campo magnético, caso se queira atingir uma indutância significativa.

Terminamos com a surpreendente foto de um indutor de núcleo de ar (Figura 10). Essa enorme bobina de cobre (um indutor) era parte de uma estação de telégrafo sem fio construída em Nova Jersey em 1912. Ela podia enviar uma mensagem a uma distância de 6400 quilômetros, cruzando o Oceano Atlântico até a Alemanha. Uau! Desnecessário dizer que a maioria dos indutores são muito menores.

Figura 1: Eletronics

Figura 2: Código de cores dos resistores

Figura 3: 1 kiloohm SMD 0603 resistor

Figura 4: Resistor em circuito integrado

Figura 5: Capacitores reais

Figura 6: SMD capacitor

Figura 7: MLCC-Construction

Figura 8: Basic Inductor with B-field (Adaptada)

Figura 9: RLC series (Adaptada)

Figura 10: Large antenna loading coil