Physics · Livro 1 · Grades 1–9

Física do ensino fundamental

Física do ensino fundamental · Grades 1–9

55A intensidade da corrente e o amperímetro

“Corrente forte, corrente fraca” — falamos assim há anos, dosando brilho e agarrada no olhômetro. O olhômetro se aposenta hoje. A força da corrente ganha um nome, uma unidade e um instrumento; e a primeira coisa que o instrumento prova é uma lei que você suspeita há muito tempo e nunca mediu.

55.1 A intensidade e a unidade dela

Definição 55.1 (Intensidade)

A intensidade II de uma corrente elétrica mede quão forte é a marcha: quanta carga elétrica desfila por um ponto do circuito a cada segundo — a vazão da corrente, como a de um rio é água por segundo. A unidade dela é o ampère (A\mathrm{A}), em homenagem a um grande pioneiro das leis da eletricidade; os circuitos do dia a dia falam muitas vezes em miliampères: 1 mA=0.001 A1\,\mathrm{mA} = 0.001\,\mathrm{A}, um milésimo.

Exemplo 55.2 (Ampères para conhecer de vista)

Uma lampadinha indicadora bebe uns 0.02 A0.02\,\mathrm{A} — 20 mA20\,\mathrm{mA}; uma lâmpada de lanterna, cerca de 0.3 A0.3\,\mathrm{A}; a grande lâmpada do farol de um carro, 5 A5\,\mathrm{A}; uma chaleira a todo vapor, 10 A10\,\mathrm{A}; um motor de carro dando a partida engole 100 A100\,\mathrm{A} da bateria; um raio, no milésimo de segundo dele, enfia dezenas de milhares de ampères pelo canal. E a escala do perigo é séria: correntes de alguns centésimos de ampère atravessando um corpo humano já podem ser fatais — o respeito começa bem abaixo de um ampère.

Observação 55.3 (A pessoa e a unidade)

Escrita por extenso, a unidade vai em minúscula — “uma corrente de dois ampères” — enquanto a palavra com maiúscula nomeia a pessoa, como em toda unidade que homenageia um cientista. O símbolo A\mathrm{A} continua maiúsculo. Você vai reencontrar essa convenção em breve, duas vezes.

55.2 O amperímetro

Definição 55.4 (Amperímetro)

Um amperímetro mede a intensidade. Ele conta a marcha que passa por dentro dele — então precisa ser inserido em série, dentro da própria volta que ele mede, como um pedágio na estrada. Construído para atrapalhar a marcha o mínimo possível, ele quase não se opõe à corrente — e é também por isso que um amperímetro ligado por engano direto nos terminais de uma pilha é um curto-circuito com mostrador: a maneira clássica de quebrar um.

Método 55.5 (Medir uma intensidade)

  1. desligue o circuito; abra a volta no lugar onde a corrente deve ser contada;
  2. encaixe o amperímetro na abertura: corrente entrando pelo terminal A\mathrm{A} e saindo pelo terminal comum, de modo que o sentido convencional entre pela porta da frente do aparelho;
  3. num aparelho de várias escalas, comece pela maior escala e vá descendo até a leitura ficar confortável no mostrador — protegendo o aparelho de surpresas;
  4. feche o interruptor, leia — e escreva a unidade.

A ligação ao contrário num aparelho de ponteiro joga o ponteiro contra o batente; os digitais apenas mostram um sinal de menos, perdoando estudantes diariamente.

O amperímetro toma o lugar dele na volta: um pedágio em série, contando a marcha que acende a lâmpada.
O amperímetro toma o lugar dele na volta: um pedágio em série, contando a marcha que acende a lâmpada.
A realidade da bancada: um instrumento, duas pontas de prova, e a corrente do circuito vira um número no visor.
A realidade da bancada: um instrumento, duas pontas de prova, e a corrente do circuito vira um número no visor.

55.3 A primeira lei medida

Proposição 55.6 (Uma volta, uma intensidade)

Num circuito em série, a intensidade é a mesma em todos os pontos da volta. Mude o amperímetro de lugar — antes da lâmpada, depois dela, ao lado da pilha: a leitura não muda. O que cinco anos de lâmpadas igualmente brilhantes sugeriam, o aparelho agora enuncia em números: nada é consumido pelo caminho; uma estrada, uma marcha, um II.

Três pedágios numa volta só: antes, entre e depois das lâmpadas, todo amperímetro informa os mesmos 0.30\, A.
Três pedágios numa volta só: antes, entre e depois das lâmpadas, todo amperímetro informa os mesmos 0.30 A0.30\,\mathrm{A}.

Exemplo 55.7 (Lendo as letras miúdas da lei)

A lei diz ao longo de uma volta, e não aconteça o que acontecer com a volta. Acrescente uma segunda lâmpada em série e a marcha enfraquece em todo lugar de uma vez — talvez os 0.30 A0.30\,\mathrm{A} caiam para 0.17 A0.17\,\mathrm{A} —, mas enfraquece igualmente em todo lugar: os três pedágios concordam também com o número novo. Uma volta, uma intensidade — seja qual for essa intensidade no momento.

Exemplo 55.8 (Uma espiada no nó)

Ponha pedágios num par em paralelo: estrada principal, 0.50 A0.50\,\mathrm{A}; ramo um, 0.30 A0.30\,\mathrm{A}; ramo dois, 0.20 A0.20\,\mathrm{A}. A soma sugestiva não é acaso — as marchas que entram num nó e as que saem dele precisam se equilibrar, já que carga nenhuma é criada ou destruída numa bifurcação da estrada. A lei completa, com a companheira dela para a tensão, dá as cartas no capítulo depois do próximo; os seus aparelhos já a encontraram.

Observação 55.9 (O multímetro)

O tijolo amarelo da oficina — o multímetro — dobra o amperímetro e vários outros instrumentos dentro de uma caixa só, com um seletor. Seletor em A\mathrm{A} ou mA\mathrm{mA}, pontas nos bornes certos, e ele é o seu amperímetro, com regras de série e tudo mais. Dois capítulos deste livro já moram dentro dele; um terceiro se muda para lá no próximo capítulo — com regras de ligação, atenção, opostas.

55.4 Exercícios

Exercício 55.1 ★

O que a intensidade mede, na linguagem dos rios? Dê a unidade e o símbolo dela, e converta 250 mA250\,\mathrm{mA} em ampères.

Solução

Solução de Exercício 55.1.

A vazão da corrente — a carga que passa por segundo, como um rio conta água por segundo. Unidade: o ampère, A\mathrm{A}; 250 mA=0.25 A250\,\mathrm{mA} = 0.25\,\mathrm{A}.

Exercício 55.2 ★

Ligue a intensidade à cena: 0.02 A0.02\,\mathrm{A}; 0.3 A0.3\,\mathrm{A}; 10 A10\,\mathrm{A}; 100 A100\,\mathrm{A} — chaleira, lampadinha indicadora, motor dando a partida, lâmpada de lanterna.

Solução

Solução de Exercício 55.2.

0.02 A0.02\,\mathrm{A}: lampadinha indicadora. 0.3 A0.3\,\mathrm{A}: lâmpada de lanterna. 10 A10\,\mathrm{A}: chaleira. 100 A100\,\mathrm{A}: motor dando a partida.

Exercício 55.3 ★

Por que um amperímetro precisa ser inserido em série? A que ele foi construído para quase não se opor, e que acidente isso torna possível?

Solução

Solução de Exercício 55.3.

Ele conta apenas a marcha que passa por dentro dele, então precisa ficar dentro da estrada — em série. Ele quase não se opõe à corrente; ligado direto nos terminais de uma pilha, vira portanto um curto-circuito com mostrador.

Exercício 55.4 ★

Liste os quatro passos de uma medida de intensidade bem feita. Por que começar pela maior escala?

Solução

Solução de Exercício 55.4.

Desligar e abrir a volta; encaixar o aparelho com a corrente entrando pelo terminal A\mathrm{A} e saindo pelo comum; começar pela maior escala e ir descendo; ligar, ler, escrever a unidade. A maior escala primeiro para que uma corrente inesperadamente forte encontre o ajuste mais robusto em vez de arrebentar um delicado.

Exercício 55.5 ★

Enuncie a lei “uma volta, uma intensidade”. Que velha observação sobre brilhos iguais ela transformou em números?

Solução

Solução de Exercício 55.5.

Num circuito em série, a intensidade é a mesma em todos os pontos da volta. Ela transformou em números a velha observação de que duas lâmpadas iguais em série brilham exatamente igual, estejam onde estiverem.

Exercício 55.6 ★

Um amperímetro antes de um motor em série marca 0.45 A0.45\,\mathrm{A}. O que ele vai marcar depois do motor? E ao lado da pilha?

Solução

Solução de Exercício 55.6.

0.45 A0.45\,\mathrm{A}, e 0.45 A0.45\,\mathrm{A}: uma volta, uma intensidade.

Exercício 55.7 ★

Uma segunda lâmpada entra numa volta em série e os 0.30 A0.30\,\mathrm{A} do amperímetro viram 0.17 A0.17\,\mathrm{A}. A lei falhou? Explique as letras miúdas.

Solução

Solução de Exercício 55.7.

Não. A lei promete um único valor ao longo da volta num dado momento, e não o mesmo valor depois de a volta ser reconstruída. A segunda lâmpada enfraqueceu a marcha — igualmente em todo lugar: todos os pedágios agora concordam com 0.17 A0.17\,\mathrm{A}.

Exercício 55.8 ★

Um amperímetro digital marca −0.25-0.25 A\mathrm{A}. O que o estudante fez, e qual é a gravidade disso?

Solução

Solução de Exercício 55.8.

Ligou o aparelho ao contrário — corrente entrando pelo terminal comum. Num aparelho digital, inofensivo: o sinal de menos é a punição inteira (um aparelho de ponteiro teria batido no batente).

Exercício 55.9 ★★

Estrada principal, 0.60 A0.60\,\mathrm{A}; ramo um, 0.35 A0.35\,\mathrm{A}. Quanto carrega o ramo dois, e por que raciocínio? O que marca o pedágio do segundo nó?

Solução

Solução de Exercício 55.9.

0.60−0.35=0.25 A0.60 - 0.35 = 0.25\,\mathrm{A} — o nó precisa se equilibrar: o que entra sai. O pedágio do segundo nó marca os 0.60 A0.60\,\mathrm{A} reunificados.

Exercício 55.10 ★★

Um estudante liga o amperímetro em paralelo com a lâmpada “para comparar os dois”. Preveja as duas consequências — para a lâmpada e para o aparelho — e diga que vilão o estudante construiu sem querer.

Solução

Solução de Exercício 55.10.

Em paralelo, o aparelho quase sem esforço é um desvio: a lâmpada, abandonada, apaga, enquanto o aparelho carrega uma corrente em disparada, limitada por quase nada — um curto-circuito através do instrumento, queimando o fusível interno dele se a sorte ajudar. O estudante construiu o vilão do capítulo de segurança.

Exercício 55.11 ★★

Duas lâmpadas iguais em paralelo carregam 0.30 A0.30\,\mathrm{A} cada uma. Quanto carrega a estrada principal da pilha? Uma terceira lâmpada igual entra em paralelo: preveja a nova carga da estrada principal e diga o que se esgota mais depressa.

Solução

Solução de Exercício 55.11.

A estrada principal carrega a soma: 0.60 A0.60\,\mathrm{A}. Um terceiro ramo igual a leva a 0.90 A0.90\,\mathrm{A} — e a pilha, servindo três marchas inteiras, se esgota mais depressa que tudo.

Exercício 55.12 ★★★

Projete o plano de medida completo de um circuito em paralelo de dois ramos (lâmpada e motor): quantas posições de amperímetro são necessárias para conhecer todas as correntes do circuito; o número mínimo de medidas que basta (uma pode ser deduzida — por qual equilíbrio?); e a ordem das operações que nunca deixa um aparelho ligado perigosamente.

Solução

Solução de Exercício 55.12.

Correntes a conhecer: o II da estrada principal e a de cada ramo (I1I_1, I2I_2) — três ao todo (os trechos da volta depois dos nós repetem essas). Duas medidas bastam: meça duas quaisquer, e o equilíbrio do nó I=I1+I2I = I_1 + I_2 entrega a terceira. Ordem segura: circuito desligado; encaixar o aparelho na estrada escolhida; maior escala; ligar; ler; desligar antes de mudar o aparelho de lugar — e o aparelho nunca, em passo nenhum, faz ponte entre dois pontos de estradas diferentes.

55.5 Problema: A bancada de metrologia

Problema 55.1

Problema de fim de semana — dia de qualificação na oficina de eletrônica; quatro estações, um amperímetro em cada uma; a licença do aprendiz

Para ganhar direito de bancada, cada aprendiz percorre quatro estações de medida. Leve o capítulo junto.

Parte I — Estação um: a volta simples. Pilha, interruptor, uma lâmpada.

  1. Descreva, passo a passo, a inserção do amperímetro para medir a corrente da lâmpada.
  2. A leitura: 280 mA280\,\mathrm{mA}. Expresse-a em ampères.
  3. O examinador muda o seu aparelho para o outro lado da pilha. Preveja a leitura, citando a lei.
  4. “E se eu tivesse dois amperímetros nesta volta ao mesmo tempo?” Onde eles poderiam ficar, e o que mostrariam?

Parte II — Estação dois: o par em série. Duas lâmpadas diferentes, A mais brilhante que B, em série.

  1. Um aprendiz prevê: “A brilhante A carrega mais corrente que a fraca B.” Teste a previsão com a lei — e concilie as correntes iguais com os brilhos desiguais (o que precisa ser diferente entre as lâmpadas?).
  2. O aparelho marca 150 mA150\,\mathrm{mA} entre A e B. Escreva todas as outras correntes da volta.
  3. A lâmpada B é curto-circuitada por um fio com garras. Preveja a nova leitura e o comportamento das duas lâmpadas.
  4. O examinador pede uma frase sobre por que a oficina proíbe garras atravessadas na pilha e permite a demonstração atravessada em B.

Parte III — Estação três: o nó. Um ramo com lâmpada e um ramo com motor, em paralelo.

  1. Estrada principal: 0.52 A0.52\,\mathrm{A}; ramo da lâmpada: 0.30 A0.30\,\mathrm{A}. A corrente do ramo do motor, pelo equilíbrio?
  2. O motor trava (ainda ligado, mas sem girar) e o ramo dele sobe para 0.40 A0.40\,\mathrm{A}. Supondo que o ramo da lâmpada mantenha os 0.30 A0.30\,\mathrm{A} dele, quanto carrega agora a estrada principal — e que guarda da oficina está de ouvido atento?
  3. A lâmpada é desenroscada. Preveja as três leituras dos pedágios.
  4. Por que a pilha se esgota mais depressa com os dois ramos saudáveis — onde a generosidade é paga?

Parte IV — A licença.

  1. Escreva o juramento do aprendiz: três linhas — onde um amperímetro fica e onde ele nunca fica; o que uma volta garante; o que um nó equilibra.
Solução

Solução de Problema 55.1.

1. Desligar; abrir a volta entre a lâmpada e a pilha; encaixar o amperímetro, corrente entrando por A\mathrm{A} e saindo pelo comum; maior escala e ir descendo; ligar; ler; escrever a unidade. 2. 0.28 A0.28\,\mathrm{A}. 3. 280 mA280\,\mathrm{mA} de novo — uma volta, uma intensidade: o pedágio conta a mesma marcha dos dois lados. 4. Em qualquer lugar da volta — os dois em série, em posições quaisquer: os dois mostram 280 mA280\,\mathrm{mA}. 5. A lei veta a previsão: lâmpadas em série carregam corrente idêntica. A diferença está nas próprias lâmpadas — construções desiguais transformam a mesma marcha em luz desigual (os próximos capítulos dão nome ao que difere). 6. Em todos os pontos da volta: 150 mA150\,\mathrm{mA} — antes de A, depois de B, ao lado da pilha. 7. B morre (abandonada pelo desvio) e a volta, tendo perdido uma opositora, carrega uma marcha mais forte: o aparelho sobe — e a lâmpada A brilha mais na mesma medida. 8. “Atravessado em B, o desvio ainda deixa a lâmpada A guardando a volta; atravessado na pilha, não sobraria nada — e uma marcha sem guarda é o capítulo do incêndio, não uma demonstração.” 9. 0.52−0.30=0.22 A0.52 - 0.30 = 0.22\,\mathrm{A}. 10. 0.40+0.30=0.70 A0.40 + 0.30 = 0.70\,\mathrm{A} — e o fusível (ou disjuntor) do ramo que guarda a linha do motor está de ouvido bem atento: motores travados são a maneira como os guardas ganham o salário deles. 11. Ramo da lâmpada: 0 A0\,\mathrm{A}; ramo do motor: os 0.40 A0.40\,\mathrm{A} dele, sem mudança (independência do paralelo); estrada principal: 0.40 A0.40\,\mathrm{A}. 12. A generosidade é paga na pilha: dois ramos saudáveis bebem duas marchas inteiras, e a corrente somada da estrada principal esvazia a reserva mais depressa. 13. Por exemplo: “Um amperímetro fica dentro da estrada, nunca atravessado nela. Uma volta garante uma intensidade — em todo lugar, sempre. E um nó fecha as contas dele: as marchas que entram são iguais às que saem, até o miliampère.”

Termos definidos neste capítulo

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