Física do ensino fundamental · Grades 1–9
23Circuitos em série
No ano passado, um cordão de luzinhas de festa ficou apagado porque uma única lâmpada faltava — e prometemos que aquela arrumação tinha um nome. Aqui está ele: o circuito em série, o jeito mais simples de pôr muitos jogadores numa mesma volta. Ele tem regras rígidas da casa, e uma lanterna na sua gaveta vem obedecendo a elas esse tempo todo.
23.1 Uma volta, vários jogadores
Definição 23.1 (Em série)
Os jogadores de um circuito estão em série quando ficam numa única volta, um depois do outro, como contas num mesmo colar: a estrada da corrente passa pelo primeiro, depois pelo segundo, depois pelo terceiro, sem nenhuma bifurcação. Um circuito montado assim é um circuito em série.
Método 23.2 (Montar o circuito)
Com uma pilha, duas lâmpadas, um interruptor e fios:
- comece no terminal da pilha, com um fio até o interruptor;
- leve um fio do interruptor à primeira lâmpada, e da primeira lâmpada à segunda;
- feche a volta: da segunda lâmpada de volta ao terminal da pilha;
- aperte o interruptor e observe as duas lâmpadas juntas.
Percorra a volta com o dedo antes de ligar: se em algum momento o seu dedo tiver de escolher entre duas estradas, não é um circuito em série.
23.2 As regras da casa
Proposição 23.3 (Regras da volta única)
Num circuito em série:
- tudo ou nada: uma falha em qualquer ponto — um interruptor aberto, uma lâmpada queimada, um fio solto — e todos os jogadores param na hora;
- a ordem não importa: troque as lâmpadas de lugar, mude o interruptor para o outro lado da volta — tudo se comporta exatamente como antes;
- repartição: quanto mais lâmpadas na volta, mais fraco o brilho de cada uma; o empurrão da pilha é repartido pelo colar inteiro.
Exemplo 23.4 (Vendo as regras)
Monte o circuito de duas lâmpadas e teste cada regra. Desrosqueie qualquer uma das lâmpadas: as duas apagam — regra um (o soquete vazio é uma falha). Troque as duas lâmpadas de lugar, ou ponha o interruptor entre elas: nenhuma mudança — regra dois. Agora remonte com uma lâmpada só: ela brilha visivelmente mais forte sozinha do que brilhava com a parceira — regra três, ao contrário.
Exemplo 23.5 (As luzinhas de festa, resolvidas)
O velho mistério agora deixou de ser mistério: as luzinhas de festa estão em série, dezenas de contas num mesmo colar. Uma lâmpada faltando é uma falha, e a regra um apaga o cordão inteiro. Encontrar a lâmpada culpada testando uma por uma ensinou a regra um a gerações de famílias, do jeito mais difícil — os cordões modernos são feitos de outro jeito, como o ano que vem vai mostrar.
Observação 23.6 (O interruptor manda em todo mundo)
A regra dois tem uma consequência prática: um único interruptor, colocado em qualquer ponto da volta, manda em todos os jogadores dela. É por isso que um interruptor de parede controla uma fileira inteira de luminárias de teto — e por isso, pelo mesmo motivo, você não consegue apagar só uma lâmpada de um cordão em série sem apagar todas.
23.3 Mais pilhas no colar
Exemplo 23.7 (Uma atrás da outra)
As pilhas também podem entrar na fila em série — mas elas são mais exigentes que as lâmpadas: precisam ficar uma atrás da outra, com o de cada pilha encostando no da seguinte. Duas pilhas enfileiradas assim empurram juntas, e a lâmpada brilha nitidamente mais forte do que com uma só. Vire uma das pilhas — cara a cara — e os dois empurrões brigam entre si: a lâmpada não recebe nada.
Exemplo 23.8 (Dentro da lanterna)
Abra uma lanterna: as pilhas entram uma atrás da outra num tubo — uma fila pronta — e depois a lâmpada e o interruptor de botão completam uma única volta pela carcaça. Uma lanterna é um circuito em série no bolso. E agora você sabe por que ela apaga se uma única pilha for colocada ao contrário: cara a cara, os empurrões se anulam.
23.4 Exercícios
Exercício 23.1 ★
O que quer dizer “em série”? Qual imagem do dia a dia o capítulo usa para isso?
Solução
Solução de Exercício 23.1.
Os jogadores ficam numa única volta, um depois do outro, sem bifurcação — como contas enfiadas num mesmo colar.
Exercício 23.2 ★
Enuncie as três regras da casa do circuito em série.
Solução
Solução de Exercício 23.2.
Tudo ou nada (uma falha para todo mundo); a ordem não importa (trocar os jogadores de lugar não muda nada); repartição (mais lâmpadas na volta quer dizer cada uma brilhando mais fraco).
Exercício 23.3 ★
No circuito de duas lâmpadas, a lâmpada 2 é desrosqueada. O que acontece com a lâmpada 1, e por quê? Qual regra está em ação?
Solução
Solução de Exercício 23.3.
A lâmpada 1 também apaga. O soquete vazio é uma falha na volta única, e a regra um — tudo ou nada — para todos os jogadores ao mesmo tempo.
Exercício 23.4 ★
Zoe muda o interruptor de antes da lâmpada 1 para depois da lâmpada 2. O que muda no comportamento do circuito? Qual regra diz isso?
Solução
Solução de Exercício 23.4.
Nada muda: o interruptor continua mandando nas duas lâmpadas exatamente como antes. Regra dois — a ordem na volta não importa.
Exercício 23.5 ★
Uma pilha acende bem uma lâmpada. Preveja o brilho com: duas lâmpadas em série; três lâmpadas em série. O que está sendo repartido?
Solução
Solução de Exercício 23.5.
Duas lâmpadas: cada uma nitidamente mais fraca do que a lâmpada sozinha era. Três: mais fracas ainda. O que está sendo repartido é o empurrão da pilha pelo colar inteiro.
Exercício 23.6 ★
Como duas pilhas precisam ficar para empurrar juntas? Desenhe a fila com o e o marcados em cada pilha.
Solução
Solução de Exercício 23.6.
Uma atrás da outra: o de uma encostando no da seguinte, para que as duas empurrem no mesmo sentido pela volta. Desenho: enfileirados numa linha.
Exercício 23.7 ★
Percorra a volta de uma lanterna: diga os jogadores que a corrente visita do da pilha de volta até o dela.
Solução
Solução de Exercício 23.7.
A partir do : pela tira de metal da carcaça até o interruptor de botão, pelo interruptor até a lâmpada, pelo filamento aceso da lâmpada, e depois de volta pelo tubo — passando pela segunda pilha, uma atrás da outra — até o da primeira pilha. Uma volta, sem bifurcação.
Exercício 23.8 ★
Um circuito de campainha tem uma pilha, um botão e a campainha em série. Onde você poderia acrescentar um segundo botão para que a campainha toque só quando os dois botões estiverem apertados?
Solução
Solução de Exercício 23.8.
Em qualquer ponto da mesma volta — por exemplo logo depois do primeiro botão. Em série, os dois botões precisam estar fechados para completar a estrada única, então a campainha só toca quando os dois estão apertados ao mesmo tempo.
Exercício 23.9 ★
Um cordão de dez luzinhas de festa em série está apagado. Todas as lâmpadas parecem boas. Descreva um plano paciente, usando uma lâmpada sabidamente boa, para encontrar a queimada.
Solução
Solução de Exercício 23.9.
Troque a primeira lâmpada pela lâmpada sabidamente boa; se o cordão acender, a lâmpada retirada era a culpada. Se não acender, ponha a original de volta e passe para o segundo soquete, e assim por diante ao longo do cordão. Em algum soquete o cordão vai acender — a lâmpada que acabou de sair é a conta queimada.
Exercício 23.10 ★★
A lanterna de Tom usa duas pilhas e brilha forte. Depois de trocar as pilhas no escuro, ela não acende nada — e mesmo assim as duas pilhas novas estão cheias, a lâmpada está boa e nenhum fio está solto. O que Tom fez, e por que a lanterna continua apagada? (Veja o Exemplo 23.7.)
Exercício 23.11 ★★
Uma engenheira precisa colocar um botão de parada de emergência numa máquina cujo motor fica numa única volta com a pilha dele. Ela diz: “Qualquer ponto da volta serve.” Ela está certa? E por que o plano dela falharia se o circuito da máquina tivesse estradas com bifurcação? (O capítulo do ano que vem tem o nome dessas estradas.)
Solução
Solução de Exercício 23.11.
Ela está certa: numa volta única, um interruptor em qualquer ponto manda em tudo — a ordem não importa. Com estradas que se bifurcam, a corrente poderia desviar do interruptor dela por outro ramo, e o motor talvez continuasse funcionando; circuitos com bifurcações exigem mais cuidado na hora de escolher onde pôr o interruptor (são os circuitos em paralelo do ano que vem).