Eletricidade básica

Uma das buscas que mais aparecem aqui no Efeito Joule é “eletricidade básica”, percebo que muitos eletricistas e técnicos eletrônicos nos procuram ao iniciar seus estudos básicos em eletricidade.

Para ajuda-los a encontrar melhor os assuntos relacionados a eletricidade básica listei os tópicos relacionados neste post. Basta clicar nos títulos dos assuntos para acessar os conteúdos relacionados a eletricidade básica.

Na eletrostática estudamos as partículas carregadas eletricamente, ou seja, a eletrostática é a parte da física em que estudamos as cargas elétricas.

Para entender bem os conceitos que vou introduzir neste texto é importante que você conheça a estrutura da matéria, ou seja, o átomo. Então sua primeira leitura para iniciar os estudos em eletrostática é sobre o átomo.

Na leitura sobre o átomo vimos que o âmbar adquire a propriedade de atrair pequenos pedações de palha o que levou a curiosidade humana a iniciar o entendimento deste fenômeno.

Hoje sabemos que dois objetos ao serem atritados podem trocar cargas elétricas e, desta maneira, ficam eletrizados. Sabemos também que cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas elétricas de sinais opostos se atraem. Bem, todos estes conceitos formam a base da eletrostática, para entendê-los leia os textos abaixo.

Eletrização, condutores e isolantes.

Chamamos de condutores os corpos onde as partículas portadoras de carga elétrica conseguem se mover sem dificuldade, os corpos onde isso não acontece chamamos de isolantes.

A eletrização é o processo pelo qual um corpo fica eletrizado. Quando um corpo ganha elétrons dizemos que ele foi eletrizado negativamente, pois o número de elétrons no corpo é maior que o número de prótons no mesmo. E quando um corpo perde elétrons o número de prótons no corpo é maior que o de elétrons, então, dizemos que o corpo está positivamente eletrizado.

Carga elétrica

Para entender o conceito de carga elétrica vamos estudar um pouco a estrutura do átomo e as partículas portadoras de carga elétrica que o constituem. No núcleo do átomo estão os prótons e os nêutrons, e girando em torno deste núcleo estão os elétrons. Um próton em presença de outro próton se repele, o mesmo ocorre com os elétrons, mas entre um próton e um elétron existe uma força de atração, como no exemplo do âmbar e da palha. Desta maneira, atribuímos ao próton e ao elétron uma propriedade física denominada carga elétrica.

Lei de Coulomb

Charles Augustin Coulomb desenvolveu uma teoria que chamamos hoje de Lei de Coulomb. A Lei de Coulomb trata da força de interação entre as partículas eletrizadas, as partículas de mesmo sinal se repelem e as de sinais opostos se atraem.

O físico Charles Coulomb utilizou para estudar estas forças, um equipamento que ele mesmo desenvolveu. A balança de torção. Este equipamento consiste em um mecanismo que calcula a intensidade do torque sofrido por uma partícula que sofre repulsão.

Energia elétrica

A energia elétrica pode ser definida como a capacidade de trabalho de uma corrente elétrica. Como toda Energia, a energia elétrica é a propriedade de um sistema elétrico que permite a realização de trabalho. Ela é obtida através de várias formas. O que chamamos de “eletricidade” pode ser entendido como Energia Elétrica se, no fenômeno descrito a eletricidade realiza trabalho por meio de cargas elétricas.

A energia elétrica pode ser um subproduto de outras formas de Energia, como a mecânica e a química. Através de turbinas e geradores podemos transformar estas formas de energia em eletricidade.

Tensão elétrica e diferença de potencial (ddp)

Considere um aparelho que mantenha uma falta de elétrons e uma de suas extremidades e na outra um excesso. Este aparelho é chamado gerador e pode ser uma pilha comum. A falta de elétrons em um pólo e o excesso em outro origina uma diferença de potencial (d.d.p.). Um aparelho elétrico só funciona quando se cria uma diferença de potencial entre os pontos em que estiver ligado para que as cargas possam se deslocar.

Ao lado uma ilustração do amigo Tainan Rocha, confira outras ilustrações no blog do artista.

Potencial elétrico

Num texto anterior abordamos de maneira simplificada a idéia de diferença de potencial elétrico. Agora vamos avançar no conceito de potencial elétrico e nas equações para obtenção do potencial e da diferença de potencial elétrico.

Abaixo podemos observa a representação de um campo elétrico formado entre duas placas paralelas carregadas com cargas elétricas de mesa intensidade, mas sinais opostos.

Corrente elétrica

Corrente elétrica, entender este conceito facilita o entendimento de muitos fenômenos da natureza. A corrente elétrica, e a eletricidade propriamente dita, estão presentes a todo tempo ao nosso redor e até em nós mesmos.

Podemos citar vários exemplos:

Na natureza: o relâmpago, uma grande descarga elétrica produzida quando se forma uma enorme tensão entre duas regiões da atmosfera.

Resistor

O resistor é um dispositivo cujas principais funções são: dificultar a passagem da corrente elétrica e transformar Energia Elétrica em Energia Térmica por Efeito Joule. Entendemos a dificuldade que o resistor apresenta à passagem da corrente elétrica como sendo resistência elétrica. O material mais comum na fabricação do resistor é o carbono.

Na grande maioria dos casos observamos a seguinte representação gráfica do resistor:

Resistência Elétrica

Os metais são bons condutores de corrente elétrica, mas alguns são melhores condutores que outros. O metal mais utilizado em nossas instalações elétricas é o cobre. Porque é um bom condutor e, também não é muito caro. Sabemos que a prata é melhor condutora que o cobre e, o chumbo é pior condutor que eles.

Mas o que significa esta diferença entre o cobre, a prata e o chumbo? Por que um é melhor condutor que outro?

Lei de Ohm

A Lei de Ohm afirma que, ao percorrer um resistor (R) a corrente elétrica (i) é diretamente proporcional à tensão (U).

U = R. i

Onde:
U : representa a tensão (ddp).
R: a resistência do resistor ou condutor.
i: corrente elétrica.

A resistência elétrica e as dimensões do condutor

Agora vamos falar um pouso sobre a relação entre a resistência elétrica e as dimensões do condutor. Esta relação foi estudada por um grupo de cientistas que realizaram vários experimentos de eletricidade. Muitos destes experimentos estavam relacionados à resistência elétrica, e nestes, verificou-se que a resistência (R) de um resistor é diretamente proporcional ao comprimento (l) do resistor, inversamente proporcional à área da secção transversal (A) e depende do material do qual o resistor é feito.

Associação de Resistores

Em nosso dia-a-dia utilizamos vários aparelhos elétricos onde são empregados circuitos com dois ou mais resistores. Em muitos destes circuitos, um único resistor deve ser percorrido por uma corrente elétrica maior que a suportada, e nestes casos utiliza-se uma associação de resistores. Em outras aplicações vários resistores são ligados um em seguida do outro para obter o circuito desejado, como é o caso das lâmpadas decorativas de natal.

O Efeito Joule

Quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente elétrica, ocorre a transformação de energia elétrica em energia térmica. Este fenômeno é conhecido como Efeito Joule, em homenagem ao Físico Britânico James Prescott Joule (1818-1889).

Esse fenômeno ocorre devido o encontro dos elétrons da corrente elétrica com as partículas do condutor. Os elétrons sofrem colisões com átomos do condutor, parte da energia cinética (energia de movimento) do elétron é transferida para o átomo aumentando seu estado de agitação, conseqüentemente sua temperatura. Assim, a energia elétrica é transformada em energia térmica (calor).

Gerador elétrico

O gerador elétrico é um mecanismo que transforma energia mecânica, química ou outra forma de energia em energia elétrica. O gerador elétrico mais comum é o dínamo (gerador de corrente contínua) de bicicleta, que já estudamos em “como funciona um dínamo”.

O gerador elétrico é o agente do circuito que o abastece, fornecendo energia elétrica às cargas que o atravessam.

Receptor elétrico

Um receptor elétrico é todo elemento do circuito elétrico que transforma energia elétrica em outra forma de energia que não seja calor. Devemos lembrar que os dispositivos que transformam energia elétrica em energia térmica apenas são os resistores e, desta maneira, evite confundir estes últimos com os receptores elétricos.

Bons exemplos de receptores elétricos são os motores elétricos, como os utilizados nos ventiladores e liquidificadores. Nestes casos a energia elétrica é transformada em energia mecânica que é a energia útil do aparelho, energia térmica e até mesmo energia sonora que formam a energia dissipada pelo aparelho. Simbolizamos a energia dissipada nos receptores com um resistor interno (r’).

Potência elétrica

Potência elétrica é uma grandeza física que aparece em várias questões do vestibular, logo, é um assunto que deve ser estudado com muita atenção. Para utilizar da forma correta as equações de potência elétrica é importante entender o conceito de potencia que vimos em um dos textos anteriores, só para lembrar: Na física, potência pode ser definida como a quantidade de energia liberada em certo intervalo de tempo, ou seja, quanto maior a energia liberada em um menor intervalo de tempo maior será a potência.

A energia elétrica entre dois pontos de um condutor é igual ao trabalho realizado pelas cargas elétricas entre estes dois pontos, ou seja:

Circuitos elétricos

Agora que já estudamos uma boa quantidade de conceitos de eletricidade vamos utilizar estes conceitos para entender e resolver exercícios com circuitos elétricos. O circuito elétrico é formado por uma ou mais fontes de energia elétrica, fios condutores e algum elemento de circuito como resistores, capacitores e receptores. O circuito elétrico estará completo quando a corrente elétrica, que sai de um dos terminais da fonte de energia, percorre os componentes do circuito e fecha seu percurso no outro pólo da fonte de energia.

Elementos de um circuito elétrico

Escolhi alguns elementos utilizados em circuito elétrico que acredito serem os mais comuns. A idéia é apresentar os principais elementos que compõem um circuito elétrico e oferecer a possibilidade de entender melhor cada um deles. Para saber mais sobre cada elemento específico basta clicar no nome e você será direcionado à página do elemento do circuito.

Linhas de força ou linhas de campo

Para entender melhor este texto sobre linhas de força ou linhas de campo você deve ler o post sobre o conceito de campo elétrico.

Com o objetivo de representar o campo elétrico através de diagramas, Faraday introduziu o conceito de linhas de força que também chamamos de linhas de campo. Estas linhas vão ajudar a definir a direção da força elétrica ou magnética, e a densidade do campo elétrico ou magnético em qualquer região do espaço.

O conceito de Campo Elétrico

No texto sobre a Lei de Coulomb, falamos sobre a força elétrica que age entre duas partículas eletrizadas através do campo elétrico. Neste texto vamos entender o conceito de campo elétrico.

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Foi descoberta por um filosofo grego chamado Tales de Mileto que, ao esfregar um âmbar a um pedaço de pele de carneiro, observou que pedaços de palhas e fragmentos de madeira começaram a ser atraídas pelo próprio âmbar.
Do âmbar (gr. élektron) surgiu o nome eletricidade. No século XVII foram iniciados estudos sistemáticos sobre a eletrificação por atrito, graças a Otto von Guericke. Em 1672, Otto inventa uma maquina geradora de cargas elétricas onde uma esfera de enxofre gira constantemente atritando-se em terra seca. Meio século depois, Stephen Gray faz a primeira distinção entre condutores e isolantes elétricos.
Durante o século XVIII as maquinas elétricas evoluem até chegar a um disco rotativo de vidro que é atritado a um isolante adequado. Uma descoberta importante foi o condensador, descoberto independentemente por Ewald Georg von Kleist e por Petrus van Musschenbroek. O condensador consistia em uma maquina armazenadora de cargas elétricas. Eram dois corpos condutores separados por um isolante delgado.
Mas uma invenção importante, de uso pratico foi o pára-raios, feito por Benjamin Franklin. Ele disse que a eletrização de dois corpos atritados era a falta de um dos dois tipos de eletricidade em um dos corpos. esses dois tipos de eletricidade eram chamadas de eletricidade resinosa e vítrea.
No século XVIII foi feita a famosa experiência de Luigi Aloisio Galvani em que potenciais elétricos produziam contrações na perna de uma rã morta. Essa diferença foi atribuída por Alessandro Volta ao fazer contato entre dois metais a perna de uma outra rã morta. Essa experiência foi atribuída a sua invenção chamada de pilha voltaica. Ela consistia em um serie de discos de cobre e zinco alterados, separados por pedaços de papelão embebidos por água salgada.
Com essa invenção, obteve-se pela primeira vez uma fonte de corrente elétrica estável. Por isso, as investigações sobre a corrente elétrica aumentaram cada vez mais.
Depois de um tempo, são feitas as experiências de decomposição da água. Em 1802, Humphry Davy separa eletronicamente o sódio e potássio.
Mesmo com a fama das pilhas de Volta, foram criadas pilhas mais eficientes. John Frederic Daniell inventou-as em 1836 na mesma época das pilhas de Georges Leclanché e a bateria recarregável de Raymond-Louis-Gaston Planté.
O físico Hans Christian Örsted observa que um fio de corrente elétrica age sobre a agulha de uma bússola. Com isso, percebe-se que há uma ligação entre magnetismo e eletricidade.
Em 1831, Michael Faraday descobre que a variação na intensidade da corrente elétrica que percorre um circuito fechado induz uma corrente em uma bobina próxima. Uma corrente induzida também é observada ao se introduzir um ímã nessa bobina. Essa indução magnética teve uma imediata aplicação na geração de correntes elétricas. Uma bobina próxima a um ima que gira é um exemplo de um gerador de corrente elétrica alternada.
Os geradores foram se aperfeiçoando até se tornarem as principais fontes de suprimento de eletricidade empregada principalmente na iluminação.
Em 1875 é instalado um gerador em Gare du Nord, Paris, para ligar as lâmpadas de arco da estação. Foram feitas maquinas a vapor para movimentar os geradores, e estimulando a invenção de turbinas a vapor e turbinas para utilização de energia hidrelétrica. A primeira hidrelétrica foi instalada em 1886 junto as cataratas do Niágara.
Para ocorrer a distribuição de energia, foram criados inicialmente condutores de ferro, depois os de cobre e finalmente, em 1850, já se fabricavam os fios cobertos por uma camada isolante de guta-percha vulcanizada, ou uma camada de pano.
A Publicação do tratado sobre eletricidade e magnetismo, de James Clerk Maxwell, em 1873, representa um enorme avanço no estudo do eletromagnetismo. A luz passa a ser estendida como onda eletromagnética, uma onde que consiste de campos elétricos e magnéticos perpendiculares à direção de sua propagação.
Heinrich Hertz, em suas experiências realizadas a partir de 1885, estuda as propriedades das onde eletromagnéticas geradas por uma bobina de indução; nessas experiências observa que se refletidas, refratadas e polarizada, do mesmo modo que a luz. Com o trabalho de Hertz fica demostrado que as ondas de radio e as de luz são ambas ondas eletromagnéticas, desse modo confirmando as teorias de Maxwell; as ondas de radio e as ondas luminosas diferem apenas na sua freqüência.
Hertz não explorou as possibilidades práticas abertas por suas experiências; mais de dez anos se passa, até Guglielmo Marconi utilizar as ondas de radio no seu telegrafo sem fio. A primeira mensagem de radio é transmitida através do Atlântico em 1901. Todas essas experiências vieram abrir novos caminhos para a progressiva utilização dos fenômenos elétrico sem praticamente todas as atividades do homem.

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