Eletrodinâmica
Eletrodinâmica
A eletrodinâmica é uma área da física que estuda o comportamento das cargas elétricas em movimento.
Um exemplo comum de eletrodinâmica são os raios. Para sua formação é preciso que ocorram diversas cargas com sinais opostos entre o solo e a nuvem e vice-versa ou somente entre as nuvens. Quando isso acontece, a intensidade de atração dessas cargas é tão forte que acaba gerando descargas elétricas.
Outro exemplo é a geração de energia elétrica. A partir do momento em que as partículas dos elétrons recebem uma carga proveniente de um gerador, uma corrente elétrica é formada, ou seja, a energia elétrica. A Corrente Elétrica é o movimento das cargas elétricas em um condutor elétrico. Para que um material seja condutor de eletricidade, é necessário que seus elétrons estejam livres (são aqueles que recebem energia e pulam para outra camada eletrônica).
Um exemplo desses materiais são os metais como o ouro, cobre, ferro, alumínio, etc. Eles são chamados de condutores metálicos.
Qualquer material que transporta essa eletricidade esquenta e recebe o nome de condutor. Isso acontece por que os elétrons se agitam entrando em atrito com outros elétrons e com o núcleo. Essa propriedade é conhecida como resistência elétrica.
Outro tipo são os supercondutores, os materiais como a cerâmica diminuem à passagem dos elétrons. Há também os isolantes que são materiais como a madeira, a água e a borracha que impedem a movimentação dos elétrons.
Circuito Elétrico
Os circuitos elétricos são parte do estudo do eletromagnetismo: a união dos dois fenômenos, a eletricidade e o magnetismo. Os circuitos estão contidos em resistores, indutores, capacitores, diodos, linhas de transmissão, fontes de tensão, fontes de corrente e interruptores, a fim de formarem caminhos fechados (formação cíclica) para a corrente elétrica.
Para uma boa compreensão sobre eles, é preciso saber o que é uma corrente elétrica, diferença potencial, potência e resistência.
Potência
No dia a dia, as pessoas encontram, nos aparelhos elétricos, informações sobre sua potência, mas o que é isso?
Bem, na Física, ela significa a quantidade de energia transformada ou transmitida por unidade de tempo. A potência é bem simples de ser calculada. Quando se coloca uma carga 'q' em um local com o potencial elétrico equivalente a V, teremos:
U = q. V
Em que 'U', significa o valor a ser encontrado, no caso, a energia potencial; a letra V será o valor do potencial elétrico e a letra 'q' a carga. Mas se o potencial tiver o valor de V1 e, um outro potencial num lugar diferente, representado por V2, a diferença será igual a:
ΔV = V2 – V1
O delta V significa a variação do potencial elétrico, que é igual o potencial final menos o inicial. Essa diferença para uma carga, equivale à seguinte operação:
ΔU = q. ΔV
Em que a variação de energia potencial será igual à carga multiplicada pela variação do potencial elétrico.
Ainda no conceito físico, a diferença de potencial nada mais é que a voltagem. A voltagem é relativa à quantidade de energia perdida ou adquirida pelos elétrons, quando há um deslocamento deles. As correntes elétricas possuem também uma intensidade. Essa é a quantidade de carga medida por tempo que atravessa um dado ponto. É calculada mediante ao número de elétrons que passam, por segundo, em certo local do circuito.
A intensidade é representada pela letra 'I' e sua unidade é o ampère (A), cujo valor é coulomb por segundo (C/s).
A letra V é a diferença de potencial, calculada em volts. A potência, nas operações, é simbolizada por 'P'; a resistência, por meio da letra grega (?), que significa ohm. Seu valor é igual a volts sobre ampère.
Resistores
Dentro da eletrodinâmica são estudados os resistores, que são componentes elétricos que tem o objetivo de definir a intensidade da corrente elétrica.
Os resistores são componentes representados pela letra R. Eles têm a função de transformar a energia elétrica em energia térmica, como, por exemplo, o chuveiro elétrico. Esse fenômeno chama-se efeito Joule. Além disso, eles regulam a quantidade de corrente elétrica que passa por um circuito. Os resistores são feitos de carbono ou silício e se opõem a passagem da corrente.
A oposição é denominada de resistência elétrica (ohm) e causa a queda da tensão em alguma parte do circuito, mas sem levar à queda da corrente. Essa, que é a mesma desde o começo até o fim do circuito, não se altera. Os resistores ideais são aqueles que se mantêm constante sem depender da tensão que passar pelo dispositivo. Para uma corrente elétrica passar pelo resistor, é preciso fazer aplicação da voltagem, como na seguinte fórmula que é a primeira lei de Ohm:
V = R . I
A letra V representa a voltagem, que é igual à resistência multiplicada pela intensidade. A potência dissipada no resistor, em relação ao tempo que ele leva para transformar a energia elétrica em térmica – o tempo para a água do chuveiro esquentar, por exemplo.
P = V . I
Desenvolvendo essa equação, temos que:
P = V . I I = R. I
Logo:
I = R. I²
Associação de Resistores
Os resistores são usados em dispositivos eletrônicos. Eles são classificados em dois tipos, os fixos e os variáveis. Além disso, a resistência que mede a relação da tensão que passa pela corrente elétrica e é calculada em Ohms, unidade do Sistema Universal de Unidades (SI). Os resistores funcionam também como semicondutores.
Os metais são, praticamente, materiais condutores e possuem baixa resistência em relação à passagem de corrente elétrica. Existem diferentes materiais que funcionam como isolantes ou como condutores dessa corrente. A água tem baixíssima resistividade, portanto, a energia passa livremente. Para calcular corretamente o coeficiente de resistividade encontrada em cada material, é necessário se ater à seguinte fórmula, que a segunda lei de Ohm:
R = ρ L
A
Onde ρ é o coeficiente de resistividade do material, L é comprimento, e A a área.
Resistores em Série
Os resistores estão situados em dois tipos de ligação: em série e em paralelo ou circuito misto, em que temos a ligação em série e paralelo ao mesmo tempo. Porém, a resistência nas correntes desses circuitos sempre será única, denominada como resistência equivalente, representada por Req ou Rt. Nos circuitos em série, é estabelecida uma sequência de um resistor seguido de outro, unidos na mesma corrente. Um exemplo das ligações em paralelo são aquelas luzes colocadas de enfeite nas árvores de natal.
As correntes são constantes e a queda de tensão é dada pela soma de todas as resistências. O resistor que possui maior capacidade é o que dissipará também mais potência.
Rt = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
Por exemplo, se em um circuito ligado em série, tem-se o primeiro resistor R1, com o valor de 50 Ω. O segundo, com um valor de 30 Ω. E, um terceiro R3, que é igual a 20 Ω. Então, de acordo com a fórmula, tem-se:
R1 = 50 Ω
R2 = 30 Ω
R3 = 20 Ω
Req = R1 + R2 + R3
Req = 50 + 30 + 20
Req = 100 Ω
Resistores em Paralelo
Os circuitos em paralelo são formas de conexão dos componentes eletrônicos. São usados nas instalações de circuitos de lâmpadas, em que os terminais positivos são ligados em outros negativos, o que diferencia da ligação em série. Nas conexões em paralelo, há mais de um caminho que a corrente percorre, além de se dividir entre os elementos que compõem o circuito. A corrente circula na ligação e é resultado da soma da corrente em cada resistor.
Uma diferença recorrente nas instalações em paralelo, é o fato dos resistores serem independente uns dos outros. Dessa forma, quando queima uma lâmpada de um circuito em paralelo, ela queima sem que prejudique as demais, o que ocorre diferentemente nas associações em série. A diferença de potencial em todas é distinta e os resistores de menor resistência, são os que dissipam maior potência.
Para calcular a resistência equivalente (Req) de uma associação em paralelo, tem-se:
1 = 1 + 1 + 1 + 1
Req R1 R2 R3 Rn
Se cada resistor possuir a mesma capacidade, ou seja, o valor igual, a conta que deve ser feita é a seguinte:
Req = R/N
Em que R é o valor de cada resistência e N é o número de resistores do circuito.
Porém, diferentemente das associações em série, as ligações em paralelo possuem alguns detalhes a mais. Por exemplo, se um circuito tiver duas resistências de valores diferentes, deve-se utilizar a seguinte operação:
Req = R1|| R2 = R1 x R2
R1 + R2
Outro detalhe que deve atenção é o fato de que, se o circuito tem mais de três resistores, é necessária a equivalência entre o primeiro resistor R1 e o segundo resistor R2. O resultado disso será multiplicado e depois será dividido com o terceiro resistor. Acompanhe na fórmula abaixo.
Req = R1, 2 || R3 = R1, 2 x R3
R1, 2 x R3
Capacitores
Os capacitores são pedaços de metal que guardam energia num campo elétrico. Eles consistem em dois eletrodos que armazenam cargas contrárias, que são separadas por isolantes. Ao aplicar a diferença de potencial nos capacitores, é acumulada uma carga 'q' positiva e uma carga '-q' , negativa. As cargas são proporcionais à quantidade de voltagem, como segue a fórmula, abaixo:
q = C. V
Onde C é o coeficiente de capacitância, diferente para cada um deles. O resultado é dado por coulomb sobre volt (C/V).
Os capacitores, se ligados em série, darão a seguinte equação:
1 = 1 1 ou C = C1 x C2
C C1 + C2 C1 + C2
Lembrando que essa operação é a mais simples e usada apenas em circuitos em série.
Corrente Elétrica
A corrente elétrica é um fluxo onde ocorre um deslocamento de partículas que foram eletricamente carregadas tanto positivas, quanto negativas. Atualmente, utilizamos a corrente elétrica em tudo que envolva a eletricidade. Isso acontece quando ligamos algum aparelho eletrônico em uma pilha ou numa tomada. Esse processo não conseguimos visualizar, mas ao ligarmos o aparelho, elétrons livres que estão nos condutores, começam a se movimentar e a transformar energia para o funcionamento do aparelho.
Grande parte dos países utiliza a energia elétrica como fonte energética. Entre os seus produtores, o Brasil fica atrás apenas do Canadá e Estados Unidos, sendo que 98% da energia feita no país é dessa natureza. Outra prova da força da eletricidade no país é que uma das maiores hidroelétricas do mundo fica aqui: a usina Itaipu, localizada em Foz do Iguaçu e Ciudad del Este e pertence ao Brasil e ao Paraguai.
A eletricidade realmente é importante para fornecer as ferramentas que criamos para em nosso dia a dia. Televisão, computadores, máquinas de lavar roupa e muitos objetos que são comuns para os lares brasileiros são movidos à base de energia elétrica. Mas para chegar ao alto nível de aproveitamento, foi uma longa jornada.
Toda essa cultura de uso da energia elétrica começou com Tales de Mileto, quando fazia pesquisas com um material chamado âmbar que, ao ser esfregado na pele de uma ovelha, começou a atrair outros corpos. De lá para cá, foram várias descobertas relacionadas a atração magnética, campos elétricos, diferenças de potencial, dentre outros.
Alguns dispositivos servem para usar a corrente elétrica para fins diversos, como é o caso dos resistores. É um equipamento usado, dentre outros exemplos, no chuveiro elétrico para aquecer a água. Resistores, capacitores, transformadores e todos os equipamentos que estão relacionados a esse fenômeno. Cada um age de uma forma: enquanto o resistor serve para “diminuir a força” de uma corrente elétrica, os transformadores colocam-no numa outra potência. O uso de todos esses aparelhos numa “linha” única, é o chamado circuito elétrico, que tem função de delimitar um único caminho para a corrente elétrica percorrer.
A corrente elétrica está presente até em nosso corpo, por meio dos impulsos que os neurônios recebem e enviam para o cérebro. Esses impulsos servem para andar, respirar, detectar dor e, para resumir, fazer o corpo funcionar. Algo assim, tão presente na vida, merece ser estudado e visto com maior intimidade por todos e, com certeza, é um assunto que interessa.
O que é Corrente Elétrica?
Corrente elétrica é o movimento ordenado de partículas elétricas por meio de um corpo. No estado natural, essas partículas, como elétrons cátions ou ânions, ficam livres na natureza e em agitação pelas condições térmicas ambientes. No entanto, quando é criado um campo elétrico, essas partículas seguem um fluxo em sentido comum, através de um corpo que tenha capacidade pra isso. Essa capacidade se baseia no fato de haver, ou não, partículas eletrizadas no interior de um corpo. Os que têm muitas partículas são chamados condutores. E existem os que quase não têm e, portanto, não permitem que uma corrente elétrica passe por eles; são chamados de condutores.
O campo elétrico é um espaço que sofre força elétrica. Esse tipo de campo acontece por ação de partículas elétricas como elétrons, prótons ou íons, e compreende o espaço em que essas partículas possam agir, seja qual for o sentido dessa força. Dependendo do corpo que sofrer essa ação, ele pode ser atraído ou afastado.
Os campos elétricos são criados possibilitando uma diferença de potencial elétrico, chamado também de tensão. Essa tensão é a razão para a movimentação de elétrons. Essa diferença é exemplificada em pilhas e baterias. Esses objetos têm excesso de energia num polo e falta dela no outro. Essa diferença de potencial entre as duas pontas é chamada de tensão elétrica. Essa tensão fará com que a energia, polarizada num lado, passe para o outra. Baseado nesse conceito, as pilhas e baterias cedem energia a aparelhos como lanternas e relógios.
Condutores são bons instrumentos para que uma corrente elétrica ocorra porque, dentro de si, esse material tem muitas partículas eletrizadas. Os metais, em geral, têm essa característica. Além desses, há o gás ionizado, que é rico em cátions (partículas de carga positiva) e elétrons (partícula elétrica de valor negativo) livres dentro dele. Outro exemplo de condutor são soluções eletrolíticas (soluções que estão ionizadas, com íons livres, por isso são bons condutores). No caso dos isolantes, ocorre o contrário: não há presença de muitas dessas partículas elétricas. Borracha, cerâmicas, óleo e silicone são exemplos de materiais que têm poucas dessas partículas e, portanto, não servem para transportar uma corrente elétrica.
A corrente elétrica é amplamente usada nos utensílios que utilizamos no cotidiano. O chuveiro elétrico, por exemplo, em conjunto com a ação de resistores, faz o trabalho de aquecer a água. Aliás, exemplos para demonstrar a corrente elétrica são numerosos. Talvez o mais visível e clássico seja o raio. O raio é uma corrente elétrica que “passa” de uma parte a outra da atmosfera por uma grande diferença de potencial entre esses dois pontos.
De acordo com o sentido da tomado pelas partículas, a corrente elétrica pode ser classificada em: corrente elétrica real (quando a corrente está no sentido tomado pelos eléctrons) e corrente convencional (quando o sentido é definido pelo movimento das cargas positivas). Além do sentido que a corrente elétrica toma, existem cálculos e estudos destinados para saber a velocidade em que os elétrons (ou seja, qual for a partícula eletrizada em questão) circulam dentro do condutor (chamado velocidade de deriva), a densidade da corrente, que é a relação entre o espaço do condutor em relação à quantidade de partículas elétricas que circulam por ele.
A densidade da corrente é importante, por exemplo, para que não ocorra acidentes com fiações elétricas. Pois, quando a densidade é muito alta, há uma dissipação de energia elétrica em forma de calor, esse calor poder derreter fios e até causar explosões. Ou seja, essa mediação é importante para deixar a densidade num valor seguro.
O cuidado com a densidade da corrente elétrica é aplicado principalmente em circuitos elétricos. Esses circuitos são ligações entre aparatos que trabalham com energia elétrica. São objetos como os resistores, transformadores, capacitores, etc. A função desses circuitos é formar um único caminho fechado para que a corrente elétrica possa passar.
Tipos de Correntes Elétricas
Assim, existe a corrente real que é aquela que ocorre de acordo com o sentido do movimento dos elétrons, e a corrente convencional quando há a movimentação de cargas positivas. Geralmente, para gerar uma corrente elétrica utilizamos materiais condutores que são aqueles que facilitam a movimentação dos elétrons.
Os metais são portadores de cargas elétricas, as soluções eletrolíticas, que possuem carga elétrica com íons, gases que possuem íons e elétrons, nesse caso, acontece uma movimentação de elétrons ou íons para a geração da corrente elétrica. Quando o material não permite essa movimentação de elétrons ele é chamado de isolante, um exemplo disso é a madeira.
Existem dois tipos de correntes elétricas, uma é a contínua realizada por baterias e pilhas e a outras é a corrente alternada realizada por usinas ou geradores que transformam qualquer tipo de energia em elétrica.
Assim, o sentido da corrente elétrica será o mesmo dos portadores de cargas elétricas. A intensidade da corrente elétrica pode ser medida pela seguinte equação abaixo e ela será maior a medida que os elétrons percorrem o caminho num menor intervalo de tempo:
im = ΔQ
Δt
im: intensidade média da corrente elétrica
ΔQ: carga total (C)
Dt: intervalo de tempo (s)
A unidade de intensidade de corrente elétrica utilizada é o a ampère (A).
Efeitos da Corrente Elétrica
Os efeitos produzidos por uma corrente elétrica são intensos
e são conhecidos como efeito joule ou térmico, químico, fisiológico e magnético.
Efeito Joule ou Térmico
Quando ocorre um efeito térmico que também é conhecido como efeito joule, acontecem vários choques do elétron em um condutor, por causa da corrente elétrica. À medida que os átomos recebem energia, eles vibram com mais intensidade, aumentando assim a temperatura do condutor, gerando um aquecimento. Num experimento, se passarmos uma corrente elétrica por um resistor, que irá converter energia elétrica em térmica, o resistor espalha a energia e a transforma em calor. Com isso, a potência total do sistema é reduzida. Esse efeito é utilizado nos chuveiros elétricos.
Efeito Químico
Já o efeito químico acontece quando em determinadas reações químicas há a passagem de uma corrente elétrica. Um exemplo disso são os recobrimentos de metais.
Efeito Magnético
Quando aparece um campo magnético na região perto da corrente magnética, diz-se que ocorreu um efeito magnético produzido por uma corrente elétrica.
Efeito Fisiológico
Quando a corrente elétrica entra em contato com o corpo de um ser humano ocorre um choque elétrico, pois ela atinge o sistema nervoso fazendo com que ocorram contrações musculares no corpo, esse efeito é chamado de fisiológico.
Geradores
Outro exemplo de utilização das correntes elétricas acontecem com os geradores, que são dispositivos utilizados para transformar qualquer energia em energia elétrica.
Os geradores podem ser mecânicos (usinas hidrelétricas), térmicos (usinas térmicas), nucleares (usinas nucleares), eólicos (energia produzida por ventos), foto-voltaicos (bateria solar) e químicos (baterias e pilhas). Eles não são geradores de carga elétrica, mas fornece energia elétrica proveniente de outras fontes de energia.
Campo Magnético produzido pela corrente elétrica
Como a corrente elétrica trabalha com as cargas elétricas em movimento, o que ocorre neste caso é a movimentação de íons ou elétrons que escapam dos átomos e são transferidos para outros átomos.
Hans Christin Oersted realizou um experimento em 1820 com um fio retilíneo que conduz corrente elétrica é capaz de gerar um campo de indução magnética ao seu redor. Ele concluiu ainda que o sentido do campo magnético irá depender do sentido da corrente.
Cargas Elétricas
A carga elétrica de uma substância é o valor relativo à sua quantidade de prótons, elétrons, nêutrons e fótons. Essa carga pode ser neutra, positiva ou negativa, dependendo desses valores. Qualquer coisa que conhecemos tem uma carga elétrica, mesmo não sendo facilmente perceptível. Isso porque tudo no mundo é formado por átomos que, por sua vez, são formados por átomos. O núcleo dos átomos é formado por nêutrons, prótons e outras cargas: parte que representa as cargas positivas. Ao redor do núcleo, os elétrons (cargas negativas do átomo) ficam orbitando em volta do núcleo. Um corpo pode estar negativo ou positivo, dependendo da quantidade de elétrons que ele contiver.
As partículas de elétrons são as de carga negativa, prótons positivas e nêutrons são neutras. Segundo a lei de que os opostos se atraem, descrita pele primeira vez em 1773 por Charles François de Cisternay du Fay, as partículas negativas são atraídas por positivas. Em contrapartida as negativas com outras negativas se repelem. O mesmo acontece quando há duas partículas positivas próximas: a tendência é que se separem. Isso explica o movimento dos elétrons em torno do núcleo, já que esse contém partículas positivas e o elétron é de carga negativa.
Cada elemento da natureza tem seu determinado número de elétrons que rodeiam o núcleo de seus átomos. Essa quantidade é a necessária para deixar essa substância com carga neutra (mesmo número de cargas negativas e positivas). Quando alguma força age sobre um elemento, a ponto de “roubar” uns elétrons desse átomo, ele deixa de estar neutro e fica com carga positiva (tendo o número de cargas positivas e negativas, a retirada de um elétron, que é negativo, o número de partículas positivas estará em maior número). Já em outros casos, quando um átomo ganha elétrons, sua carga fica negativa.
A carga elétrica de um material é definido por essa variação de átomos. Essa variação de carga elétrica é medida por meio de cálculos físicos. Os resultados dessas operações físicas é dado na unidade coulomb. A unidade é uma homenagem a um físico francês: Charles Augustin de Coulomb. Outras contas que utilizam corrente elétrica e que têm outras medidas são: carga elementar (representado por “e”), Ampére-hora (representado por “Ah”) Abcoulomb (representado por “AbC”) e Statcoulomb (representado por“StC”).
O hidrogênio, por exemplo, tem apenas dois elétrons circulando em volta do núcleo. Quanto menor o número de elétrons, mais difícil é tirar um elétron desse corpo, portanto, é muito difícil fazer com o hidrogênio fique positivo. Essa troca de elétrons pode acontecer, por exemplo, quando há uma ligação entre materiais, diferentes ou iguais. Sendo que, nessa troca, todos os componentes da ligação devem estar com o devido número de elétrons em torno de seu núcleo.
Outro modo de ter movimentação de elétrons entre dois corpos é a fricção de dois corpos. Nesse movimento, há a passagem de carga para outros corpos. Uma experiência fácil de ser feita e que comprova esse efeito é friccionar uma caneta no cabelo e, assim que terminar esse movimento, encostar essa caneta em pedaços pequenos de papel. Os pedaços de papel grudarão na caneta sem esforço. E isso se explica porque, ao esfregar a caneta no cabelo, ela perde elétrons, que são repostos quando a caneta entra em contato com os pedaços de papel.