O que é Eletricidade:

Eletricidade é o ramo da física que tem como objeto de estudo os fenômenos relativos à eletrostática, eletrocinética e eletromagnetismo.

Segundo a lei da conservação da energia, é uma das formas que pode adotar a energia e que dá lugar a múltiplos fenômenos, tais como caloríficos, mecânicos, luminosos etc. Baseia-se no movimento das cargas elétricas, estando, portanto, vinculada ao estado dos átomos do material considerado. Este diz-se que se encontra no estado neutro quando há igualdade de cargas positivas e negativas no seu interior, encontrando-se no estado positivo quando há deficiência de elétrons e negativo quando estes estão em excesso. Estes estados dão, por sua vez, lugar ao aparecimento de forças elétricas de atração e repulsão, dependentes do sinal das cargas. A sua intensidade é maior do que a das forças gravíticas, sendo originadas mediante distribuições adequadas daquelas cargas, o que provoca o aparecimento de campos elétricos em seu redor.

O nome eletricidade provém do vocábulo grego êlektron (âmbar), devido ao conhecimento que havia desde a Antiguidade, observado, entre outros, por Tales de Mileto, do fenómeno da atração eletrostática de corpos ligeiros provocada por uma vareta de âmbar previamente friccionada (eletrificação por fricção).

Corrente elétrica

O deslocamento livre de elétrons no interior do material (um metal, por exemplo) provoca a aparição da chamada corrente elétrica, a qual origina efeitos físicos diversos, tais como o efeito de Joule (calorífico), a eletrólise (químico) ou a indução magnética (magnético).

O transporte da corrente elétrica, a qual pode ser, de acordo com a sua forma de propagação, alterna ou contínua, pode se dar igualmente em condições adequadas, no seio de gases e líquidos.

Eletricidade e magnetismo

Existe uma ligação próxima entre a corrente elétrica e o campo magnético, dado que este é gerado pela presença de cargas em movimento e, inversamente, a sua variação pode dar origem ao aparecimento de uma corrente elétrica (indução). A integração dos campos elétrico e magnético origina o campo eletromagnético de cujo estudo se ocupa o eletromagnetismo.

Em 1826, H. C. Oersted descobriu experimentalmente a relação entre a eletricidade e o magnetismo, ao observar o desvio de uma agulha magnetizada, provocado pela influência da corrente elétrica que percorria um condutor colocado na sua proximidade. Um pouco mais tarde, F. Aragó magnetizou uma agulha colocada sob a influência de um condutor enrolado em espiral; entretanto, Ampère descobriu que as correntes se atraem ou repelem ao percorrerem condutores na mesma direção ou em direções contrárias, o que o levou a inventar o eletroíman abrindo assim o campo ao eletromagnetismo.

Em 1831, Faraday iniciou a transformação da energia elétrica em trabalho mecânico (indução eletromagnética), fazendo rodar alguns ímans previamente colocados junto a um circuito, o que permitiu descobrir uma nova forma de gerar eletricidade e demonstrar assim a íntima relação entre esta e o magnetismo.                                                                   

LEI De Ohm                                                                                                                            

Em vários circuitos elétricos é muito comum a associação de resistores. Isso é feito quando se deseja obter valor de resistência maior do que aquele que é fornecido por um resistor apenas. Os resistores podem ser associados de três maneiras básicas que são: associação em série, associação em paralelo e associação mista. 

 

Associação em Série 

Esse é o tipo de associação onde os resistores são ligados um em seguida do outro, de modo a serem percorridos pela mesma corrente elétrica. Veja, no esquema abaixo, como fica a associação de alguns resistores em série:

A diferença de potencial (ddp) total aplicada entre os pontos A e B é igual a soma das ddps de cada resistor, ou seja:

U_T = U₁ + U₂ + U₃

E a resistência equivalente, para esse tipo de associação, é dada pela soma de todas as resistências que fazem parte do circuito, veja como fica:

R_eq = R₁ + R₂ + R₃

É importante destacar que a resistência equivalente desse tipo de circuito será sempre maior que o valor de apenas um resistor. Se no circuito elétrico existir nresistores, todos com iguais resistências, a resistência equivalente pode ser calculada da seguinte forma:

R_eq = nR

Associação em Paralelo 

Nesse tipo de associação os resistores são ligados um do lado do outro, de forma que todos os resistores ficam submetidos à mesma diferença de potencial, veja como fica o esquema de um circuito com associação de resistores em paralelo:

A corrente elétrica total que circula por este tipo de circuito é igual à soma da corrente elétrica que atravessa cada um dos resistores, ou seja:

i = i₁ + i₂ + i₃

O valor da resistência equivalente desse tipo de circuito elétrico é sempre menor do que o valor de qualquer uma das resistências que compõem o circuito. E para calcular o seu valor, o da resistência equivalente, podemos utilizar a seguinte equação matemática:

Associação Mista 

É o tipo de associação que há a mistura de associação em série e em paralelo, assim como mostra o esquema abaixo:

Para descobrir a resistência equivalente desse tipo de associação deve-se considerar os tipos de associação de forma separada, bem como suas características.

CORRENTE ELÉTRICA

A corrente elétrica é formada por elétrons livres em movimento organizado. A energia elétrica transportada pela corrente nada mais é do que a energia cinética dos elétrons. Assim, nos circuitos elétricos, a energia cinética dos elétrons livres pode transformar-se em energia luminosa ou em energia cinética dos motores, por exemplo.

Ao percorrer o circuito, do pólo negativo da pilha até o pólo positivo, os elétrons livres perdem totalmente a energia que transportavam. E sem a reposição dessa energia não seria possível a permanência de uma corrente elétrica.

A função de uma pilha é, portanto, fornecer a energia necessária aos elétrons livres do fio, para que eles permaneçam em movimento.

Dentro da pilha, os elétrons adquirem energia ao serem levados do pólo positivo ao negativo. Ao chegarem ao pólo negativo, movimentam-se novamente pela parte externa do circuito até alcançarem o pólo positivo, e assim sucessivamente.

Ao levar um certo número de elétrons do pólo positivo para o negativo, a pilha cede a eles uma certa quantidade de energia. O valor da energia que esses elétrons recebem, dividido pela quantidade de carga que eles têm, é a tensão elétrica existente entre os pólos da pilha. Nas pilhas comuns, esse valor é 1,5 volt.

Em geral, um circuito elétrico é constituído por um conjunto de componentes ligados uns aos outros e conectados aos pólos de um gerador. Uma bateria de carro ou uma pilha, pode funcionar como gerador

CARGA ELÉTRICA

Qualquer tipo de matéria é formada por átomos. Estes são tão minúsculos que nenhum microscópio comum permite vê-los. Uma fileira de dez milhões de átomos não chega a medir um milímetro. Contudo, os átomos não são as menores partículas da matéria: eles próprios se compõem de partículas ainda menores, chamadas partículas subatômicas. No centro de todo átomo existe um conjunto formado por dois tipos de partículas: os prótons e os nêutrons. Esse conjunto de partículas é o núcleo do átomo. À volta deste núcleo, como se fossem satélites, giram os elétrons, partículas em movimento permanente. As trajetórias desses elétrons se organizam em camadas sucessivas chamadas órbitas eletrônicas.

Os prótons do núcleo e os elétrons das órbitas se atraem entre si. A esta força de atração recíproca chamamos de força elétrica. É a força elétrica que mantém os elétrons girando à volta dos prótons do núcleo. Sem ela, os elétrons se perderiam no espaço e os átomos não existiriam.

Os elétrons, entretanto, repelem outros elétrons e os prótons repelem outros prótons. Dizemos, por isto, que as partículas com carga igual se repelem e as partículas com carga oposta se atraem. Convencionou-se chamar a carga dos prótons de positiva (+) e as carga dos elétrons de negativa (-).

Normalmente, cada átomo é eletricamente neutro, em outras palavras, tem quantidades iguais de carga negativa e positiva, ou seja, há tantos prótons em seu núcleo, quantos elétrons ao redor, no exterior. Os prótons estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos. Somente os elétrons podem ser transferidos de um corpo para outro.

Podemos dizer que um corpo está eletrizado quando possui excesso ou falta de elétrons. Se há excesso de elétrons, o corpo está eletrizado negativamente; se há falta de elétrons, o corpo está eletrizado positivamente.

A quantidade de elétrons em falta ou em excesso caracteriza a carga elétrica Q do corpo, podendo ser positiva no primeiro caso e negativa no segundo.

CARGA ELÉTRICA

A carga elétrica é uma das propriedades fundamentais da matéria associada a algumas partículas elementares (partículas que constituem os átomos como: prótons, elétrons, pósitrons, nêutrons, neutrinos, etc.). Cada partícula elementar recebe um valor numérico que representa sua quantidade de carga elétrica. A carga elétrica é medida indiretamente pelos cientistas. Algumas partículas não possuem carga e são chamadas de neutras. O nêutron é um exemplo desse tipo de partícula. O elétron e o próton receberam um valor de carga elétrica denominado carga elementar, representado pela letra e. Na época de suas descobertas não se pensava em algo mais primitivo que essas partículas, por isso o nome elementar. Hoje se conhece partículas com cargas menores do que a carga elementar e, por convenção, esse termo se mantém em uso.

Experimentalmente, com a observação de efeitos de atração e repulsão em corpos eletrizados, deduziu-se que eles também ocorrem nessas partículas. Caracterizou-se assim a existência de dois tipos de carga elétrica: a carga do próton e a carga do elétron. A diferença entre elas se fez através dos sinais "+" e "-", respectivamente. Esses experimentos mostraram que cargas de mesmo tipo se repelem e de tipos contrários se atraem.

CARGA ELÉTRICA

A existência de atração e repulsão foi descrita pela primeira vez em termos de cargas elétricas por Charles François de Cisternay du Fay em 1773. Investigando-se a eletrização por atrito concluiu-se que existem dois tipos de carga: carga positiva e carga negativa, como mostra a figura abaixo.


Tipos de cargas

Conservação da carga

Normalmente um corpo é neutro por ter quantidades iguais de cargas positivas e negativas. Quando o objeto I transfere carga de um dado sinal para o objeto II, o objeto I fica carregado com carga de mesmo valor absoluto, mas de sinal contrário. Esta hipótese, formulada pela primeira vez por Benjamin Franklin, é considerada a primeira formulação da lei de conservação de carga elétrica.

Quantização da carga

Em diversos problemas que serão abordados neste curso, assumiremos a existência de cargas distribuídas continuamente no espaço, do mesmo modo como ocorre com a massa de um corpo. Isto pode ser considerado somente uma boa aproximação para diversos problemas macroscópicos. De fato, sabemos que todos os objetos diretamente observados na natureza possuem cargas que são múltiplos inteiros da carga do elétron

onde a unidade de carga , o coulomb, será definida mais adiante. Este fato experimental foi observado pela primeira vez por Millikan em 1909.

CARGA ELÉTRICA

A matéria é formada de pequenas partículas, os átomos. Cada átomo, por sua vez, é constituído de partículas ainda menores, no núcleo: os prótons (positivos) e os nêutrons (sem carga); na eletrosfera: os elétrons (negativos).

Às partículas eletrizadas, elétrons e prótons, chamamos "carga elétrica".

Condutores de eletricidade

São os meios materiais nos quais há facilidade de movimento de cargas elétricas, devido a presença de "elétrons livres". Ex: fio de cobre, alumínio, etc.

Isolantes de eletricidade

São os meios materiais nos quais não há facilidade de movimento de cargas elétricas. Ex: vidro, borracha, madeira seca, etc.

Princípios da eletrostática

Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e de sinais contrários se atraem.

negativo -------- neutro -------- positivo

Num sistema eletricamente isolado, a soma das cargas elétricas é constante.

Corpo negativo: O corpo ganhou elétrons
Corpo neutro: Número de prótons = Número de elétrons
Corpo positivo: O corpo perdeu elétrons

Medida da carga elétrica

Dq = - n.e (se houver excesso de elétrons)
Dq = + n.e (se houver falta de elétrons)
e = 1,6.10-19 C

Dq = quantidade de carga (C)
n = número de cargas
e = carga elementar (C)
unidade de carga elétrica no SI é o coulomb (C)

É usual o emprego dos submúltiplos:
1 microcoulomb = 1mC = 10-6C
1 milecoulomb = 1mC = 10-3C