Physics · Livro 1 · Grades 1–9

Física do ensino fundamental

Física do ensino fundamental · Grades 1–9

41Circuitos elétricos e segurança

Três anos de voltas, lâmpadas e ramos fizeram de você um construtor de circuitos. Neste ano você vira uma coisa mais rara: um escritor de circuitos. Os eletricistas de todos os países leem e desenham a mesma língua sem palavras — e a gramática dela, mais um capítulo de sabedoria de segurança conquistada a duras penas, é o que separa uma instalação esperta de dedos queimados.

41.1 A língua sem palavras

Definição 41.1 (Esquema elétrico)

Um esquema elétrico é o desenho padronizado de um circuito: cada dispositivo aparece pelo símbolo combinado dele, e os fios aparecem como linhas retas de cantos em ângulo reto. Um esquema mostra como o circuito está ligado — quem alimenta quem, o que se divide onde — e ignora de propósito como os fios de verdade serpenteiam pela mesa.

O alfabeto: seis símbolos carregam quase todos os circuitos deste livro. As mesmas marcas são lidas de oficina em oficina no mundo inteiro.
O alfabeto: seis símbolos carregam quase todos os circuitos deste livro. As mesmas marcas são lidas de oficina em oficina no mundo inteiro.

Método 41.2 (Da mesa para o papel, e de volta)

Para desenhar um circuito montado:

  1. liste os dispositivos e escolha o símbolo de cada um;
  2. percorra a volta real com o dedo, a partir do ++ da pilha, anotando a ordem dos dispositivos e cada divisão;
  3. redesenhe como um retângulo organizado: símbolos bem espaçados, fios retos, cantos em ângulo reto — as mesmas ligações, sem serpentear.

Para montar a partir de um esquema, faça a tradução ao contrário — e depois confira, como sempre: toda volta percorrida a partir do ++ precisa chegar ao −- passando por pelo menos um dispositivo.

Exemplo 41.3 (Mesmo circuito, dois retratos)

Sobre a mesa: uma pilha, um emaranhado de fios com garras jacaré passando por cima de um estojo, uma lâmpada apoiada num livro, um interruptor balançando. No papel: um retângulo calmo — pilha à esquerda, interruptor em cima, lâmpada à direita. O emaranhado e o retângulo são o mesmo circuito: cada ligação é idêntica. Para decidir se dois circuitos são o mesmo, faça uma única pergunta: quem está ligado a quem?

Exemplo 41.4 (Motores e campainhas entram no jogo)

Dois recém-chegados ao seu kit se comportam exatamente como lâmpadas num esquema: o motor (símbolo: um M num círculo) gira sempre que a corrente passa por ele — ventiladores, carrinhos, furadeiras; a campainha (um círculo com um traço) soa sempre que é alimentada — campainhas de porta, alarmes. As regras de série e paralelo valem para eles sem mudança: um interruptor em série manda neles; ramos em paralelo os tornam independentes.

41.2 Regras antigas na língua nova

Exemplo 41.5 (Ler um esquema como um profissional)

Diante de qualquer esquema, interrogue-o com o passeio de dedo do capítulo dos circuitos em paralelo: a partir do ++, percorra todas as estradas até o −-. Todos os dispositivos numa mesma estrada: série — uma falha para tudo, a ordem é livre, o brilho é repartido. Estradas que se dividem em pontinhos de nó: paralelo — ramos independentes, brilho total em cada um, e a posição do interruptor vira uma decisão de verdade. A língua mudou; as leis, não.

Leia antes de montar: um interruptor na estrada comum e depois uma divisão — lâmpada num ramo, motor do ventilador no outro. O interruptor manda nos dois; os ramos ignoram os problemas um do outro.
Leia antes de montar: um interruptor na estrada comum e depois uma divisão — lâmpada num ramo, motor do ventilador no outro. O interruptor manda nos dois; os ramos ignoram os problemas um do outro.

41.3 O capítulo das cicatrizes

As regras de segurança da eletricidade foram pagas com incêndios e coisas piores. Aqui estão elas, com os motivos — um profissional conhece os dois.

Definição 41.6 (Curto-circuito)

Um curto-circuito acontece quando uma estrada condutora nua liga diretamente os dois lados de uma pilha (ou de uma tomada), pulando todos os dispositivos. Sem nada de útil no caminho, a corrente dispara desenfreada — os fios esquentam, o isolamento derrete, as pilhas se estragam e a fiação da rede elétrica pode pegar fogo. O capítulo de circuitos do ano que vem estuda o vilão de perto; neste ano, aprenda a cara dele e mantenha-o fora das suas montagens.

Observação 41.7 (Os seguranças da casa)

Olhe dentro do quadro de força lá em casa: fileiras de pequenos interruptores — os disjuntores — um para cada ramo do grande circuito em paralelo da casa. Cada um monta guarda no ramo dele: se um defeito deixa a corrente disparar — um curto-circuito, uma tomada sobrecarregada — o guarda se desliga num piscar, cortando o ramo antes que os fios superaqueçam. Quando um disjuntor “desarma”, ele não está aprontando: acabou de fazer o único trabalho dele. Encontre o defeito antes de rearmá-lo.

Observação 41.8 (As regras, com os motivos)

  1. Experiências só com pilha; tomada, nunca. A rede empurra centenas de vezes mais forte — através de pele úmida, ela pode parar um coração.
  2. Nenhum fio nu atravessado direto sobre uma pilha. Isso é um curto-circuito: pilhas arruinadas, fio quente, dedos queimados.
  3. Água e eletricidade da rede nunca dividem o alcance de um cômodo: nada de aparelhos perto da banheira, nada de mãos molhadas em plugues — pele úmida é condutora.
  4. Nunca enfie nada numa tomada. O guarda do quadro de força é rápido, mas você jamais deve apostar nele.
  5. Fios danificados vão para o lixo, e não para a gaveta: isolamento rachado é uma cerca com buraco.

41.4 Exercícios

Exercício 41.1 ★

O que um esquema elétrico mostra com fidelidade, e o que ele ignora de propósito?

Solução

Solução de Exercício 41.1.

Com fidelidade: as ligações — qual dispositivo se junta a qual, onde as estradas se dividem. Ignorados: o comprimento, a cor e o serpentear dos fios de verdade sobre a mesa.

Exercício 41.3 ★

Desenhe o esquema de uma campainha de porta: pilha, botão e campainha numa única volta. Por que a campainha para quando o dedo sai do botão?

Solução

Solução de Exercício 41.3.

Um retângulo: pilha, botão e campainha numa única volta. Tirar o dedo abre o interruptor — uma falha na única estrada — e a lei da volta silencia a campainha na hora.

Exercício 41.4 ★

Dois circuitos são montados com a mesma caixa de peças: eles são “o mesmo circuito”? Qual pergunta única decide?

Solução

Solução de Exercício 41.4.

Não necessariamente. A pergunta que decide: quem está ligado a quem? Os mesmos dispositivos com as mesmas ligações — mesmo circuito, por mais diferentes que os emaranhados pareçam.

Exercício 41.5 ★

No esquema com lâmpada e motor do capítulo, o que acontece com o ventilador se a lâmpada queimar? E com os dois se o interruptor abrir? Quais regras antigas respondem?

Solução

Solução de Exercício 41.5.

O ventilador continua girando: a morte da lâmpada apaga só o ramo dela — é a independência do paralelo. O interruptor aberto fica na estrada comum, antes da divisão, então ele para os dois: a regra dos postos de comando.

Exercício 41.6 ★

O que é um curto-circuito, e por que ele esquenta os fios? Diga duas vítimas dele.

Solução

Solução de Exercício 41.6.

Uma estrada condutora nua ligando diretamente os dois lados da fonte, pulando todos os dispositivos: a corrente dispara sem obstáculo e os fios esquentam. Vítimas: a pilha (descarregada e arruinada), o isolamento do fio — e, na rede elétrica, às vezes a casa inteira.

Exercício 41.7 ★

Um disjuntor do quadro de força desarmou. O que ele acabou de fazer pela casa? O que deve ser feito antes de rearmá-lo?

Solução

Solução de Exercício 41.7.

Ele cortou o ramo dele num piscar porque a corrente começou a disparar — um defeito, e não um capricho. Encontre e conserte o defeito (tire da tomada o suspeito, inspecione o ramo) antes de rearmar o guarda.

Exercício 41.8 ★

Dê o motivo por trás de cada regra: nada de aparelhos perto da banheira; fios danificados para o lixo; brincadeiras com pilha sim, tomada nunca.

Solução

Solução de Exercício 41.8.

Banheira: a pele úmida conduz, e o empurrão da rede através de um corpo molhado pode ser mortal. Fios danificados: isolamento rachado é uma cerca com buraco — os dedos podem encontrar o cobre. Pilha sim, tomada nunca: o empurrão da pilha é pequenininho; o da tomada é centenas de vezes mais possante.

Exercício 41.9 ★★

Traduza para um esquema (em palavras ou desenho): uma pilha; do ++ dela, um fio até um interruptor fechado; do interruptor, uma divisão — um ramo passando por uma campainha, outro por uma lâmpada; os ramos se juntam e voltam ao −-. Preveja o que se ouve e o que se vê, e o que muda se apenas o ramo da campainha ganhar um interruptor extra, aberto.

Solução

Solução de Exercício 41.9.

Esquema: pilha, interruptor fechado na estrada comum e depois uma divisão — ramo da campainha e ramo da lâmpada — juntando-se de volta até o −-. Previsão: a lâmpada acende e a campainha soa, de forma independente. Com um interruptor extra aberto no ramo da campainha: silêncio ali, mas a lâmpada continua acesa — os interruptores de ramo mandam só no ramo deles.

Exercício 41.10 ★★

Um ventilador de brinquedo é ligado assim: ++ da pilha ao motor, motor ao −- da pilha e — “para dar firmeza” — um fio nu extra ligando direto o ++ ao −-. O ventilador mal gira e o fio extra esquenta. Diagnostique com a Definição 41.6: qual estrada a corrente está preferindo, e por que a montagem é perigosa?

Solução

Solução de Exercício 41.10.

O fio extra é um curto-circuito: uma estrada nua e direta do ++ ao −-. A corrente prefere a estrada fácil e vazia ao motor trabalhador, então o ventilador passa fome enquanto o fio-atalho carrega a disparada e esquenta — descarregando a pilha e convidando queimaduras. Tire o fio da “firmeza”.

Exercício 41.11 ★★

O truque de oficina do avô: antes de tocar em qualquer luminária, ele desliga o interruptor de parede dela e o disjuntor do ramo inteiro no quadro de força. Usando o raciocínio da ligação em série, explique o que cada corte consegue — e por que o homem cuidadoso faz os dois.

Solução

Solução de Exercício 41.11.

O interruptor de parede abre a volta da própria luminária — a estrada da lâmpada está cortada. O disjuntor abre o ramo inteiro mais acima — assim, mesmo que a fiação da luminária esteja com defeito ou o interruptor de parede esteja mal identificado, o ramo está morto. Duas falhas em série: qualquer uma sozinha já para a corrente, e as duas juntas perdoam um engano sobre qualquer uma delas.

Exercício 41.12 ★★★

Projete a instalação de um teatro de fantoches: um interruptor geral que apaga tudo; duas luzes de palco que precisam falhar de forma independente; um motor de cortina e uma campainha de início de espetáculo, cada um com o seu próprio interruptor de comando. Descreva (ou desenhe) o esquema — quais dispositivos ficam na estrada comum, quais ficam em ramos, onde cada interruptor se senta — e confira o seu projeto contra todas as regras de série e paralelo que você domina.

Solução

Solução de Exercício 41.12.

Pilha, depois o interruptor geral na estrada comum e depois quatro ramos paralelos: luz de palco 1; luz de palco 2; motor da cortina com o interruptor em série dele; campainha com o interruptor em série dela. Conferências: o geral manda em tudo (estrada comum); as luzes falham de forma independente (ramos separados); o motor e a campainha obedecem cada um ao seu interruptor (em série dentro do ramo) e ignoram um ao outro (em paralelo entre ramos).

41.5 Problema: A instalação do galpão do quintal

Problema 41.1

Problema de fim de semana — uma família instala a rede do galpão do quintal; esquemas antes das chaves de fenda; a lista de conferência do inspetor

A família planeja no papel a redezinha do galpão, movida a pilha — como fazem os profissionais.

Parte I — O plano no papel. A lista de desejos: uma luminária de teto comandada na porta; uma luminária de bancada com interruptor próprio; um ventiladorzinho de ventilação (motor) com interruptor próprio.

  1. Por que os três dispositivos precisam ficar em ramos paralelos, e não numa volta em série? Dê dois confortos que seriam perdidos em série.
  2. Cada ramo carrega o seu próprio interruptor. Em que cada interruptor manda, e em que nenhum deles manda?
  3. Onde um interruptor geral precisa ficar para apagar e silenciar o galpão inteiro de uma vez?
  4. Desenhe (ou descreva com precisão) o esquema completo: pilha, interruptor geral, três ramos, quatro interruptores ao todo.

Parte II — A montagem, inspecionada.

  1. Montada e ligada, a luminária de teto acende — mas fraca, e a luminária de bancada só acende quando o interruptor do ventilador está fechado. O passeio de dedo descobre que a luminária de bancada e o ventilador dividem um mesmo ramo, um atrás do outro. Diga o nome dessa arrumação e explique os dois sintomas com as regras antigas.
  2. Dê o conserto de um fio só que restaura o plano.
  3. Durante a arrumação, uma chave de fenda encosta por um instante nos dois terminais nus da pilha e esquenta. Diga o nome do acontecimento e o que a família deve conferir na pilha depois disso.
  4. O pai-inspetor acrescenta uma regra: “toda emenda encapada, nenhum cobre nu em lugar nenhum”. Contra quais dois perigos essa única regra protege?

Parte III — A noite da tempestade.

  1. Noite de chuva: o telhado do galpão pinga sobre a bancada. Por que a família não deve tocar na fiação com as mãos molhadas, mesmo num galpão movido a pilha — e por que o mesmo toque seria muito mais grave na casa, ligada à rede elétrica?
  2. As luzes da casa piscam e um disjuntor desarma. O que o disjuntor detectou, e qual é a ordem sábia de ações?
  3. De manhã: a família discute acrescentar uma campainha de porta — campainha no galpão, botão na casa, fio duplo comprido entre os dois. Em série ou em paralelo com a rede do galpão? De onde vem a corrente dela? Esboce a volta.
  4. Escreva a carta de segurança de três linhas da família para o galpão, uma linha para cada tema: tomadas, água, fios nus.
Solução

Solução de Problema 41.1.

1. Em série, um dispositivo queimado ou desligado apagaria tudo, e os três dispositivos repartiriam o empurrão, todos fracos e mortiços. O paralelo mantém cada dispositivo independente e na força total. 2. Cada interruptor manda exatamente no dispositivo do próprio ramo; nenhum deles manda nos outros ramos. 3. Na estrada comum, entre a pilha e a primeira divisão — antes de todos os ramos. 4. Pilha →\to interruptor geral →\to nó que se divide em três ramos — (luminária de teto ++ interruptor dela), (luminária de bancada ++ interruptor dela), (motor do ventilador ++ interruptor dele) — juntando-se de novo e voltando à pilha. 5. Eles estão em série num mesmo ramo: repartem o empurrão (os dois fracos — a luminária de teto fraquinha era, na verdade, o sintoma da dupla da bancada), e o interruptor do ventilador, que fica na estrada compartilhada, manda nos dois. 6. Separe-os: passe um fio novo para que a luminária de bancada ganhe o próprio ramo ligado à alimentação — assim cada uma fica na força total e independente. 7. Um curto-circuito entre os terminais. Confira se a pilha ainda entrega corrente — os curtos descarregam e podem arruinar as células (uma pilha morna merece aposentadoria). 8. Curtos-circuitos (fios nus se encontrando) e choques ou queimaduras (dedos encontrando cobre nu). 9. A pele úmida conduz muito melhor que a seca; até a montagem com pilha merece a disciplina das mãos secas — e, na casa, o mesmo toque encontra o empurrão da rede, centenas de vezes mais possante: possivelmente mortal. Os hábitos precisam ser treinados no circuito seguro. 10. O disjuntor detectou que corrente demais estava disparando pelo ramo dele — um defeito, provavelmente chuva numa luminária. Ordem sábia: deixar o disjuntor desligado, desligar e inspecionar o ramo, consertar ou secar o defeito e só então rearmar. 11. Uma volta própria, separada da rede do galpão (ou como mais um ramo em paralelo na pilha do galpão): pilha, botão na casa, fio duplo comprido, campainha no galpão e de volta — uma campainha de porta é uma volta em série própria, por mais longe que os fios dela se estiquem. 12. Por exemplo: “Tomadas: as nossas experiências terminam na pilha — a tomada não é nossa. Água: mãos molhadas não tocam fiação nenhuma, dentro nem fora de casa. Fios nus: toda emenda encapada; um fio nu é um defeito, e não um atalho.”

Termos definidos neste capítulo

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