Fundamentos de Circuitos Elétricos

894 Pages·2013·15.855 MB·Portuguese

by  Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku

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quinta-feira, 24 de janeiro de 2013 18:03:08
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#SAMBARILOVE
ENGENHARIAELÉTRICA
EELETRÔNICA
VS Gráfica VS Gráfica VS Gráfica VS Gráfica
CYAN MAG YEL BLACK
#SAMBARILOVE
A374f Alexander, Charles K.
Fundamentos de circuitos elétricos [recurso eletrônico] /
Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku ; tradução: José
Lucimar do Nasci¬mento ; revisão técnica: Antônio Pertence
Júnior. – 5. ed. – Dados eletrônicos. – Porto Alegre : AMGH,
2013.
Editado também como livro impresso em 2013.
ISBN 978-85-8055-173-0
1. Engenharia elétrica. 2. Circuitos elétricos. I. Sadiku,
Matthew N. O. II. Título.
CDU 621.37
Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB 10/2052
#SAMBARILOVE
Charles K. Alexander Matthew N. O. Sadiku
Departamento de Engenharia Departamento de
Elétrica e Computação Engenharia Elétrica
Cleveland State University Prairie View A&M University
FUNDAMENTOS DE
CIRCUITOS
ELÉTRICOS
5a Edição
Tradução:
José Lucimar do Nascimento
Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações (PUC/MG)
Especialista em Sistemas de Controle (UFMG)
Professor e Coordenador de Ensino do CETEL
Revisão técnica:
Antonio Pertence Júnior
Engenheiro Eletrônico e de Telecomunicações (IPUC/MG)
Mestre em Engenharia pela UFMG
Professor da Universidade FUMEC/MG
Membro da SBMAG (Sociedade Brasileira de Eletromagnetismo)
Versão impressa
desta obra: 2013
2013
#SAMBARILOVE
Obra originalmente publicada sob o título
Fundamentals of Electric Circuits, 5th Edition
ISBN 0073380571 / 9780073380575
Original edition copyright ©2013, The McGraw-Hill Companies, Inc., New York, New York 10020. All rights reserved.
Gerente editorial: Arysinha Jacques Affonso
Colaboraram nesta edição:
Editora: Viviane R. Nepomuceno
Assistente editorial: Caroline L. Silva
Capa: Leandro Correia (arte sobre capa original)
Leitura final: Carolina Hidalgo
Editoração: Triall Composição Editorial Ltda.
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
AMGH Editora Ltda., uma parceria entre GRUPO A EDUCAÇÃO S.A. e McGRAW-HILL EDUCATION.
Av. Jerônimo de Ornelas, 670 – Santana
90040-340 – Porto Alegre – RS
Fone: (51) 3027-7000 Fax: [phone]
É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios
(eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros) sem permissão expressa da Editora.
Unidade São Paulo
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SAC 0800 703-3444 – www.grupoa.com.br
IMPRESSO NO BRASIL
PRINTED IN BRAZIL
#SAMBARILOVE
dedicado a nossas esposas, Kikelomo e Hannah,
cuja compreensão e apoio verdadeiramente fizeram
este livro possível.
matthew e Chuck
#SAMBARILOVE
Os Autores
Charles K. Alexander é professor de engenharia elétrica e computação do Fenn
College of Engineering na Cleveland State University, Cleveland, Ohio. É também
diretor do CREATE (Center for Research in Electronics and Aerospace Techno-
logy), um centro de pesquisa em eletrônica e tecnologia aeroespacial. De 2002
a 2006, foi reitor do Fenn College of Engineering. De 2004 a 2007 foi diretor do
Ohio ICE, um centro de pesquisa em instrumentação, controle, eletrônica e sen-
sores (uma coalizão entre a CSU, o Case, a University of Akron e diversas indús-
trias de Ohio). De 1998 a 2002, foi diretor interino do Institute for Corrosion and
Multiphase Technologies e professor-convidado de engenharia elétrica e ciência
da computação na Ohio University. De 1994 a 1996, foi decano de engenharia e
ciência da computação na California State University, Northridge.
De 1989 a 1994, foi decano interino da faculdade de engenharia da Temple
University e, de 1986 a 1989, professor e chefe do Departamento de Engenharia
Elétrica dessa mesma universidade. No período de 1980 a 1986, ocupou os mes-
mos cargos na Tennessee Technological University. Foi professor-adjunto e profes-
sor de engenharia elétrica na Youngstown State University, de 1972 a 1980, onde
recebeu o título de professor ilustre em 1977, em reconhecimento pelo seu “ensino
e pesquisa de excelência”. Foi professor-assistente de engenharia elétrica na Ohio
University, de 1971 a 1972. Obteve os títulos de PhD (1971) e MSEE (1967), pela Charles K. Alexander
Ohio University, e BSEE (1965), pela Ohio Northern University.
Alexander atua como consultor em 23 companhias e organizações gover-
namentais, entre as quais a Força Aérea e a Marinha norte-americanas, e vários
escritórios de advocacia. Recebeu mais de US$ 85 milhões em fundos para pes-
quisa e desenvolvimento para projetos que vão desde energia solar a software
para engenharia. É autor de 40 publicações e mais de 500 artigos especializados
e apresentações técnicas, inclusive uma série de aulas em vídeo e caderno de
exercício, coautor de Fundamentals of Electric Circuits, Problem, Solving Made
Almost Easy e da 5a edição do Standard Handbook of Electronic Engineering, da
McGraw-Hill.
Alexander é membro do IEEE e atuou como seu presidente e CEO em 1997. Em
1993 e 1994, foi vice-presidente do IEEE e presidente do United States Activities
Board (USAB). Em 1991 e 1992, foi diretor da Região 2, trabalhando no RAB
(Regional Activities Board) e USAB. Também foi membro do Educational Activi-
ties Board. Exerceu os cargos de presidente do USAB Member Activities Council
e vice-presidente do USAB Professional Activities Council for Engineers, bem
como presidiu o RAB Student Activities Committee e o USAB Student Profes-
sional Awareness Committee.
Em 1998, recebeu o Distinguished Engineering Education Achievement
Award do Engineering Council e, em 1996, o Distinguished Engineering Edu-
cation Leadership Award do mesmo grupo. Ao se tornar membro do IEEE em
1994, a menção dizia “pela liderança no campo do ensino da engenharia e pelo
desenvolvimento profissional dos estudantes de engenharia”. Em 1984, recebeu
a IEEE Centennial Medal e, em 1983, o IEEE/RAB Innovation Award, dado ao
membro do IEEE que tivesse apresentado as melhores contribuições para as me-
tas e objetivos do RAB.
vii
#SAMBARILOVE
viii Os Autores
Matthew N. o. sadiku é, atualmente, professor da Prairie View A&M Univer-
sity. Antes de passar a trabalhar pela Prairie View, lecionava na Florida Atlantic
University, Boca Raton e na Temple University, Filadélfia. Trabalhou também na
Lucent/Avaya e na Boeing Satellite Systems.
Sadiku é autor de mais de 170 artigos especializados e mais de 30 livros, entre
os quais Elements of Electromagnetics (Oxford University Press, 3a edição, 2001),
Numerical Techniques in Electromagnetics (2a edição, CRC Press, 2000), Simu-
lation of Local Area Networks (com M. IIyas, CRC Press, 1994), Metropolitan
Area Networks (CRC Press, 1994) e Fundamentals of Electric Circuits (com C. K.
Alexander, McGraw-Hill). Seus livros são usados no mundo todo e alguns deles
foram traduzidos para os idiomas coreano, chinês, italiano e espanhol. Recebeu o
prêmio McGraw-Hill/Jacob Millman Award, em 2000, por contribuições destaca-
das no campo da engenharia elétrica. Foi presidente do IEEE Region 2 Student Ac-
tivities Committee e editor-associado do IEEE Transactions on Education. Obteve
seu título de PhD pela Tennessee Technological University, Cookeville.
matthew n. o. sadiku
#SAMBARILOVE
Prefácio
Você pode estar se perguntando por que escolhemos para a capa desta edição
uma foto de um veículo robô para exploração em Marte da NASA. Na ver-
dade, escolhemos por várias razões. Primeiro, o espaço representa a fronteira
mais emocionante para todo o mundo! Segundo, a maior parte do veículo robô
consiste em diversos tipos de circuitos, que devem trabalhar sem necessidade
de manutenção, porque quando o veículo robô estiver em Marte, será difícil
encontrar um técnico!
O veículo robô tem um sistema de alimentação que fornece toda a energia
necessária para movê-lo, ajudá-lo a recolher amostras e analisá-las, transmitindo
os resultados e recebendo instruções da Terra. Uma das questões mais importan-
tes que surge como um problema é o comando do veículo robô que leva cerca de
20 minutos para as comunicações serem transmitidas da Terra para Marte, fazen-
do que o veículo robô não execute rapidamente mudanças exigidas pela NASA.
O que acho mais incrível é que um dispositivo eletromecânico sofisticado
e complicado como esse pode funcionar com tanta precisão e confiabilidade
depois de voar milhares de quilômetros e cair saltando no solo, embora envolto
em uma estrutura inflada. Você pode ver um vídeo fantástico de uma animação
incrível da chegada desse veículo no planeta Marte em: http://www.youtube.
com/watch?v=5UmRx4dEdRI. Divirta-se!
Destaques
Novidades desta edição
O Capítulo 13 apresenta um modelo para acoplamento magnético que conduz
o estudante a uma análise mais fácil, bem como melhora a sua capacidade
de encontrar erros. Utilizamos esse modelo com sucesso há anos e senti que
era chegado o momento de adicioná-lo ao livro. Além disso, há mais de 600
novos problemas no final de cada capítulo, que foram editados, bem como os
problemas práticos.
Como dito anteriormente, acrescentamos também o uso MultiSimTM da
National Instruments nas soluções para quase todos os problemas resolvidos
com o uso do PSpice®. Uma versão limitada do programa MultiSim, bem
como alguns arquivos para a prática de exercícios, pode ser acessada no
site da McGraw-Hill (www.mhhe.com/alexander). Os tutoriais do PSpice,
MATLAB® e KCIDE, todos em português, estão no site do Grupo A.
Adicionamos 43 novos problemas no Capítulo 16, para melhorar o uso
das poderosas técnicas de análise no domínio s que são usadas para determinar
tensões e correntes em circuitos.
O que foi mantido das edições anteriores
Um curso de análise de circuitos talvez seja o primeiro momento em que os es-
tudantes terão contato com a engenharia elétrica. Este também será o momento
ix
#SAMBARILOVE
x Prefácio
em que poderemos melhorar algumas das habilidades que eles necessitarão
mais tarde quando aprenderem a projetar circuitos.
Um dos destaques desta edição é a seção de Problemas ao final de cada capí-
tulo, em que constam questões cujo objetivo é estimular os estudantes a elaborar
problemas. Essas questões foram desenvolvidas para melhorar as competências
que representam uma parte importante no processo de projetos de circuitos. Sabe-
mos que em um curso fundamental de circuitos não é possível desenvolver com-
pletamente essas habilidades, e que para desenvolvê-las totalmente os estudantes
precisam vivenciar os projetos, que é uma atividade normalmente reservada para
o seu último ano de curso. Isso não significa que algumas das competências não
possam ser desenvolvidas e exercitadas em um curso de circuitos.
Este livro já incluía questões abertas que ajudam os estudantes a usarem
a criatividade, essencial no aprendizado de projetos. Queríamos acrescentar
muito mais nessa importante área e, por isso, desenvolvemos uma abordagem
exatamente com essa finalidade. Quando desenvolvemos problemas para se-
rem resolvidos, o nosso objetivo é que o estudante aprenda mais sobre a teoria
e o processo de resolução de problemas. Por que não propor problemas de pro-
jeto aos estudantes? Isso é exatamente o que fazemos em cada capítulo. Dentro
do conjunto de problemas comuns, temos um conjunto de problemas no qual
pedimos ao estudante que elabore um problema para ajudar outros estudan-
tes a entenderem melhor um conceito importante. Isso produz dois resultados
importantes. O primeiro é uma melhor compreensão da base teórica, e o se-
gundo é o desenvolvimento de algumas habilidades básicas de projeto. Assim,
estamos aplicando de forma eficaz o princípio básico de aprender ensinando.
Essencialmente, todos nós aprendemos melhor quando ensinamos um assunto,
e sabemos que a elaboração de problemas eficazes é uma parte fundamental do
processo de ensino. Os estudantes também devem ser incentivados a desenvol-
ver problemas, quando apropriado, que tenham resultados significativos e não
necessariamente manipulações matemáticas complicadas.
Outra vantagem interessante do nosso livro é que existe um total de 2.447
Exemplos, Problemas práticos, Questões para revisão e Problemas no final dos
capítulos. As respostas para todos os Problemas práticos são apresentadas na
sequência de seu enunciado em cada capítulo, e as respostas dos Problemas
ímpares são apresentadas no Apêndice D.
A metodologia de ensino desta 5a edição continua sendo a mesma das edi-
ções anteriores: apresenta a análise de circuitos de uma forma mais clara, atrativa
e fácil de entender que outros livros de circuitos, e ajuda os estudantes a sentirem
interesse no estudo de engenharia. Para isso, usamos as seguintes estratégias:
• Aberturas dos capítulos e resumos
Cada capítulo inicia com uma discussão sobre como aperfeiçoar habili-
dades que contribuam para a resolução bem-sucedida de problemas, bem
como para carreiras de sucesso ou, então, por uma orientação vocacional
sobre uma subdisciplina da engenharia elétrica. Esta é seguida por uma
introdução que associa o capítulo atual com os capítulos anteriores e enu-
mera os objetivos do capítulo. O capítulo se encerra com um resumo dos
principais conceitos e fórmulas.
• Metodologia para a resolução de problemas
O Capítulo 1 introduz um método de seis etapas para a resolução de pro-
blemas envolvendo circuitos, que é adotado de modo consistente ao longo
do livro e em suplementos de outras formas, como mídia, para promover
práticas de resolução de problemas bem fundamentadas.
#SAMBARILOVE
Prefácio xi
• Estilo de escrita voltado para o estudante
Todos os princípios são apresentados de forma clara, lógica e em passo a
passo. Evitamos o máximo possível a prolixidade e o fornecimento de de-
talhes em excesso que poderiam ocultar conceitos e impedir a compreensão
geral do material.
• Fórmulas em quadros e termos-chave
Fórmulas importantes são apresentadas em quadros como maneira de aju-
dar os estudantes a distinguir o que é essencial daquilo que não é. Da mes-
ma forma, para garantir que eles compreendam claramente o significado do
assunto, são definidos e destacados termos-chave.
• Hipertextos
São usados hipertextos como ferramenta pedagógica. Eles atendem a di-
versos objetivos, como dicas, referências a outros trechos da obra, alertas,
lembretes para não cometer certos erros comuns e ideias para a resolução
de problemas.
• Exemplos resolvidos
No final de cada seção é fornecida grande quantidade de exemplos detalha-
damente resolvidos, que são considerados parte do texto e explicados de
forma clara, sem exigir que o leitor deduza etapas faltantes. Esses exem-
plos dão aos alunos um perfeito entendimento da solução e confiança para
resolverem os problemas por si só, e parte deles é resolvida de duas ou três
maneiras diferentes.
• Problemas práticos
Para ser mais didático, cada exemplo ilustrativo é seguido imediatamente
por um problema prático com a resposta. Os estudantes podem seguir o
exemplo, passo a passo, para resolver o problema prático sem ficar vascu-
lhando páginas ou ver as respostas no final do livro. O problema prático
também se destina a verificar se os estudantes compreenderam o exem-
plo precedente e também reforçará o entendimento do material antes que
passem para a seção seguinte. As soluções completas para os problemas
práticos estão disponíveis no site do Grupo A.
• Seções com aplicações
A última seção em cada capítulo é dedicada a aspectos de aplicação prática
dos conceitos estudados no capítulo. O material visto é aplicado a pelo me-
nos um ou dois dispositivos ou problemas práticos, ajudando os estudantes
a ver como os conceitos são aplicados a situações da vida real.
• Questões para revisão
Dez questões de revisão no formato múltipla escolha são fornecidas no fi-
nal de cada capítulo com as respectivas respostas. As questões para revisão
se destinam a abordar os pequenos “truques” que os exemplos e os proble-
mas talvez não abordem, e servem como dispositivo para autoavaliação e
ajudam os estudantes a determinar seu nível de domínio sobre os conceitos
apresentados no capítulo.
• Ferramentas de computador
Reconhecendo as exigências da ABET® (Accreditation Board of Engi-
neering and Technology) em relação a ferramentas computacionais inte-
gradas, é incentivado o uso do PSpice, do MultiSim, do MATLAB e do KCIDE
for Circuits em nível facilitado para o estudante. O PSpice é abordado logo
no início, de modo que os estudantes se familiarizem e usem essa ferramen-
ta ao longo do livro. Os tutoriais sobre esses softwares, exceto do MultSim,