Eletrodinâmica

Corrente Elétrica:

Consideremos um fio metálico. Como o fio é um material condutor, ele apresenta muitos elétrons livres. Os elétrons livres movimentam-se desordenadamente dentro do fio.

Define-se corrente elétrica como sendo o movimento ordenado de elétrons, como mostrado no exemplo acima.

Corrente elétrica: movimento ordenado de elétrons promovido por uma diferença de potencial.

É importante lembrar que os elétrons livres, apesar de possuírem um movimento ordenado, colidem continuamente com os átomos do material, seguindo trajetórias irregulares e com velocidades médias relativamente pequenas.

1.1. Sentido da Corrente Elétrica:

Como observamos no exemplo anterior que o sentido do movimento dos elétrons é oposto ao sentido do vetor campo elétrico no interior do condutor. O sentido da corrente observado no exemplo é chamado de sentido real da corrente.

Porém, por uma convenção internacional, adota-se a corrente no sentido oposto ao real, como se ocorresse o deslocamento de cargas positivas. A justificativa dessa inversão não pode ser tratada nesse momento, pois faltam elementos teóricos.

Lembre-se, daqui para frente sempre que nos referirmos ao sentido da corrente, estamos falando do sentido convencional.

1.2. Cálculo da Intensidade da Corrente Elétrica

Consideremos um fio metálico de área de seção transversal S.

Definimos a intensidade média da corrente como sendo a razão entre a quantidade de carga elétrica que atravessou a seção S e o intervalo 

de tempo necessário para que a carga passe por S. Observe o esquema a seguir:

2. Elementos do Circuito Elétrico

Definimos um circuito elétrico como sendo um conjunto de caminhos que permitem a passagem da corrente elétrica, no qual aparecem outros dispositivos elétricos ligados a um gerador.

2.1. Gerador elétrico

É um dispositivo capaz de transformar uma modalidade de energia qualquer em energia elétrica. O gerador não gera ou cria cargas elétricas. Apenas fornece energia às cargas elétricas que o atravessam. O gerador estabelece a diferença de potencial (U) para proporcionar a corrente elétrica.

Existem geradores de corrente contínua e de corrente alternada.

Exemplos de geradores: pilhas, baterias, alternadores, etc.

2.2. Receptor elétrico

É um dispositivo que transforma energia elétrica em outra modalidade de energia − não exclusivamente térmica.

O principal receptor é o motor elétrico, que transforma energia elétrica em mecânica, além da parcela de energia dissipada sob a forma de calor.

2.3. Resistor elétrico

É um dispositivo que transforma a energia elétrica integralmente em energia térmica (calor). Os resistores também são usados para limitar a corrente elétrica em alguns dispositivos eletrônicos.

Exemplos: os aquecedores, o ferro elétrico, o chuveiro elétrico, a lâmpada comum e os fios condutores em geral.

2.4. Dispositivos de manobra

São elementos que servem para acionar ou desligar um circuito elétrico. De forma geral são ligados de tal forma a permitir ou impedir a passagem da corrente elétrica.

Exemplos: chaves e interruptores.

2.5. Dispositivos de segurança

São dispositivos que, ao serem atravessados por uma corrente de intensidade maior que a prevista, interrompem a passagem da corrente elétrica, preservando da destruição os demais elementos do circuito. Normalmente funcionam por efeito joule. Os exemplos mais comuns são os fusíveis e os disjuntores.

Observe o esquema de um circuito elétrico simples a seguir.

Nesse caso, como a chave está aberta, não existe um caminho fechado para a passagem da corrente elétrica. Dessa forma não existe corrente elétrica percorrendo o circuito. No esquema a seguir a chave está fechada. Dessa forma existe um percurso fechado para que a corrente percorra o circuito. Observe que a corrente que passa pelo gerador, pela chave, pelo fusível e pelo resistor é a mesma, pois existe apenas um caminho para a passagem dos elétrons.

3. Leis de Ohm

1ª Lei de Ohm

Considere um resistor como o da figura a seguir, mantido a uma temperatura constante, percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i, e submetido a uma diferença de potencial U.

Caso a ddp seja alterada para valores U1, U2, …., o resistor será percorrido por novas correntes i1, i2, …. George Simon Ohm verificou experimentalmente, que mantida a temperatura constante, a razão entre a ddp aplicada ao resistor e a
corrente que passa pelo mesmo resulta em uma constante característica do resistor.

A grandeza R é denominada resistência elétrica do resistor. A resistência depende das características físicas do resistor e de sua temperatura.

Para o sistema internacional de unidades, temos:

chamado de resistor ôhmico.

Observações:

•  Quanto maior o valor da resistência de um resistor, maior é a dificuldade para a passagem da corrente elétrica pelo resistor.
•  A dificuldade de passagem da corrente elétrica está associada as colisões dos elétrons da corrente elétrica com os átomos do material.
• Os fios condutores que usamos para conectar os elementos do circuito elétrico possuem resistência elétrica muito pequena. Na maior parte dos exercícios esse valor será desprezado.
• Observando a Lei de Ohm (U =R.I ) observamos que se trata de uma função linear cujo gráfico
  U X i  é uma reta que passa necessariamente pela origem.

4. Potência e Energia Elétrica.

A noção de potência elétrica é um conceito fundamental da eletricidade. Uma carga em movimento dentro de um condutor transforma energia que pode resultar em aquecimento ou no funcionamento de um motor. Este tema possui um caráter prático, pois é através da potência que compreendemos os gastos de energia nos dispositivos elétricos.

O uso do conceito de potência elétrica nos permite calcular o consumo de energia elétrica em nossa casa. ela potência elétrica podemos compreender como funcionam os dispositivos que transformam energia elétrica em energia térmica, como os chuveiros, torradeiras, aquecedores ou fornos elétricos.

Potência Elétrica

A potência pode ser entendida como a quantidade que uma forma de energia é transformada em outra forma de energia por unidade de tempo. Para que uma energia seja transformada em outra deve existir alguma força realizando trabalho. O trabalho realizado pela(s) força(s) é igual a quantidade de energia transformada. Logo:

Entenda as etiquetas dos eletrodomésticos

Sempre que compramos um dispositivo elétrico devemos observar a etiqueta que descreve as características elétricas do equipamento. Vamos analisar a etiqueta de alguns equipamentos.

A. Lâmpadas

A luminosidade de uma lâmpada está ligada a potência dissipada por ela. A lâmpada apresentará uma luminosidade normal se ela for ligada dentro das condições nominais. Para uma lâmpada incandescente, temos:

Quando a diferença de potencial nos terminais da lâmpada é maior que a ddp nominal, a potência dissipada pela lâmpada é maior  que a potência nominal. Nessa situação a lâmpada pode queimar.

Quando uma lâmpada queima, o filamento (resistor) se funde interrompendo a passagem da corrente pela lâmpada, fazendo com que ela se apague.

B. Pilha ou bateria:

Quando observamos a bateria acima, observamos a seguinte descrição: 12V/18Ah. Essa especificação nos garante que a diferença de potencial nos pólos da bateria é de 12V e que a bateria tem a capacidade de fornecer uma corrente de 18A durante 1h. Caso a corrente solicitada pelo sistema seja menor que 18A, o tempo de uso da bateria será maior que uma hora.

A autonomia de uma bateria pode ser obtida pela equação a seguir:

O resultado alcançado é estimado, pois para ser preciso a bateria deveria ser nova e estar plenamente carregada, além de o circuito eletrônico manter um consumo fixo.

C. Chuveiro Elétrico

O funcionamento do chuveiro elétrico é bem simples. Quando abrimos o chuveiro, a pressão da água em sua parte interna aciona um interruptor. Com isso a corrente elétrica passa por um resistor que aquece a água por efeito Joule. A figura a seguir mostra o resistor de chuveiro.

Observe que o resistor possui três terminais. Para entendermos como funciona esse resistor, observe o diagrama simplificado a seguir.

Na aula anterior vimos que quando a corrente elétrica passa por um por um aparelho elétrico sua energia potencial (ou apenas energia elétrica) pode ser aumentada ou diminuída. A energia elétrica consumida do sistema elétrico ou fornecida ao sistema elétrico pode ser obtida pela equação a seguir: