Magnetismo

Magnetismo é a parte da Física que estuda os materiais magnéticos, ou seja, que estuda materiais capazes de atrair ou repelir outros que ocorre com materiais eletricamente carregados.

A primeira referência conhecida sobre uma substância capaz de atrair outras é a de Tales de Mileto. Em uma de suas viagens a Ásia ( na época província da Grécia ) para Magnésia ( nome da região da Ásia ) constatou que pequenas pedrinas estavam sendo atraídas na ponta de ferro do seu cajado. Então estudou tal fenômeno e descobriu o magnetismo e a eletricidade.

Mas esses fenômenos nunca despertaram um grande interesse, até os século XIII, quando as bússolas passaram a ser usadas. Algumas pessoas tentaram explicar os magnetismos durante essas épocas, mas só nos século XIX, quando Oersted iniciou os Eletromagnetismos e Maxwell formulou leis que descreviam esses fenômenos, que um estudo mais completo se iniciou.

Atualmente, estudar isoladamente o magnetismo e o eletromagnetismo não faz muito sentido. Materiais magnéticos são amplamente utilizados em motores, transformadores, dínamos, bobinas, etc, ou seja, em equipamentos elétricos e o próprio magnetismo é explicado em termos do movimento dos elétrons.

O magnetismo está intimamente ligado ao movimento dos elétrons nos átomos, pois uma carga em movimento gera um campo magnético. O número e a maneira como os elétrons estão organizados nos átomos constituintes dos diversos materiais é que vai explicar o comportamento das substâncias quando sobre influência de um campo magnético de uma segunda substância (leia sobre a Teoria dos Spins).

A maneira para determinar se um material é magnético ou não é colocá-lo sobre a influência de um campo magnético (campo criado pelo movimento de cargas elétricas). Se aparecerem forças ou torques, se trata de uma substância magnética. Isso é verdadeiro para todas as substâncias, mas em algumas o efeito é bem mais evidenciado, e essas são chamadas de magnéticas.

Materiais diamagnéticos são aqueles que são ligeiramente repelidos pelos ímans. O campo magnético gerado pelo imã faz com que o movimento dos elétrons se altere, como se uma corrente elétrica estivesse passando pelo material, e assim gerando um outro campo magnético. Esse campo se alinha em direção oposta ao do imã, e isso causa a repulsão.

Os paramagnéticos são os materiais que são ligeiramente atraídos pelos imãs. Eles possuem elétrons desemparelhados que se movem na direção do campo magnético, diminuindo a energia. Sem a influência do campo, o material mantém os spins de seus elétrons orientados aleatoriamente. Essa última frase é a que diferencia as substâncias paramagnéticas das ferromagnéticas. Essas últimas mantêm os spins de seus elétrons alinhados da mesma maneira, mesmo que sejam retiradas da influência do campo magnético. Esse alinhamento produz um outro campo e por isso materiais ferromagnéticos são usados para produzir magnetos permanentes. Materiais ferromagnéticos são: O Ferro, o Níquel, o Cobalto e ligas que contenham, pelo menos um desses elementos.

Os materiais diamagnéticos e paramagnéticos costumam ser classificados como não-magnéticos, pois seus efeitos, quando sob influência de um campo magnético, são muito pequenos. Já os ferromagnéticos são as substânciasfortemente atraídas pelos ímãs.

É importante saber que campos magnéticos são diferentes de campos elétricos, embora um gere o outro. Como já explicado, o primeiro se origina do movimento de cargas elétricas, enquanto que o campo elétrico surge apenas com uma carga, não importando seu momento. O campo magnético é perpendicular ao campo elétrico.

As extremidades dos ímãs são conhecidas como pólos magnéticos, sendo um o pólo norte ( N ) do ímã e a outra o pólo sul ( S ) e esses pólos são inseparáveis do ímã, mesmo sendo cortados dele, surgem outros pólos sul e norte, sendo que os pólos opostos se atraem e os pólos iguais se repelem.

Magnetismo da Terra

O magnetismo terrestre é causado pela movimentação de seu núcleo, que é supostamente dividido em uma parte sólida e uma líquida, ambas compostas de ligas metálicas de ferro, em que a movimentação da parte líquida em relação à parte sólida, causa a indução de um campo magnético muito forte no núcleo que é quase totalmente barrado pelo manto, composto principalmente de material eletricamente isolante. Assim, apenas uma parte desse poderoso campo pode ser percebida acima da superfície.

O magnetismo terrestre tem o seu pólo sul magnético próximo ao pólo norte geográfico, assim também como o pólo norte magnético é próximo do pólo sul geográfico, com estes dois pólos magnéticos interagindo da mesma forma que os pólos de um ímã. Contudo se formos analisar, o magnetismo nos acompanha desde nossos antepassados.

Geradores elétricos

Curto-circuito, rendimento, potência e equação

Antes de falarmos em geradores elétricos, vamos imaginar um poço em um sítio e o desejo de bombear a sua água. Para isto é necessária uma bomba de sucção que tem por finalidade criar uma diferença de pressão entre os pontos do encanamento. Esta diferença é responsável por colocar a água em movimento podendo, assim, ser armazenada em uma caixa d'água. É claro, que se a bomba for desligada, o movimento da água cessará. Ela realiza um trabalho positivo já que está levando a água para um ponto de maior energia potencial.

Funcionamento do gerador elétrico

Agora vamos levar esse mesmo raciocínio para o funcionamento de um gerador elétrico. No artigo sobre corrente elétrica, mostramos que para ter um movimento ordenado de cargas elétricas, é necessário uma diferença de potencial que é obtida por um dispositivo muito conhecido por nós: o gerador elétrico.

Os geradores elétricos aparecem diariamente nas mais diferentes formas, como pilhas domésticas, baterias de automóveis e também no interior das grandes usinas geradoras de eletricidade. O papel deles no circuito elétrico é muito similar ao da bomba de sucção citada no início do artigo.

Pólos positivo e negativo

Sabemos que um gerador possui dois pólos, um positivo e outro negativo, ou seja, um pólo de maior e outro de menor potencial elétrico. Quando ligamos os terminais de um circuito nos pólos do gerador, teremos um movimento ordenado de cargas elétricas, isto é, a corrente elétrica. O gerador tem como função levar as cargas elétricas negativas para o pólo negativo da bateria, ou seja, um lugar em que essas cargas nunca chegariam naturalmente. Feito isto, elas irão fluir por meio do circuito na direção dos potenciais mais elevados.

Observe que algo muito parecido ocorre com a bomba de sucção, pois ela está elevando a água para pontos aos quais ela nunca chegaria naturalmente, como é o caso da caixa d'água. E, a partir daí, ela é distribuída automaticamente pela força da gravidade fazendo com que chegue a pontos de menor energia potencial.

Equação característica e o símbolo do gerador elétrico

Como já foi dito acima, existem dois pólos no gerador: o positivo e o negativo. Quando um circuito é ligado a esses pólos, ele foi ligado a uma diferença de potencial que será de agora em diante simbolizada pela letra U. O símbolo de um gerador em um circuito elétrico é dado pela seguinte figura.





OE é a força eletromotriz que, na verdade, é a diferença de potencial do gerador quando ele não está ligado ao circuito, ou seja, para um gerador em aberto temos que U = E. Quando o ligamos a um circuito, teremos a diferença de potencial U menor que a força eletromotriz E. Isto acontece porque o gerador apresenta uma resistência elétrica que é definida como resistência interna r.

A diferença de potencial lançada no circuito será a diferença entre a força eletromotriz E pela diferença de potencial que foi aplicada na resistência interna no gerador. Desse raciocínio, temos a equação característica do gerador.





Observe que o termo r.i da equação, na verdade, é a primeira Lei de Ohm aplicada na resistência interna do gerador.

O gerador em curto-circuito

O gerador é posto em curto-circuito quando os seus pólos são ligados diretamente por um fio condutor de baixa resistência. Quando isso acontece, a diferença de potencial entre os pólos é igual a zero e assim se obtém uma corrente definida como corrente de curto circuito (icc) que é a maior possível a passar pelo gerador.





Na figura acima, temos um esquema de um gerador em curto-circuito. Perceba que, na equação característica, foi substituído o zero no lugar da diferença de potencial. No fim, e em destaque, temos a equação que dá o valor da corrente de curto-circuito, que é a razão entre a força eletromotriz e a resistência interna.

A curva característica do gerador

A curva característica de um gerador é um gráfico da diferença de potencial pela corrente que flui pelo gerador. Esse gráfico é uma reta, pois a equação característica do gerador, que estabelece a relação entre a diferença de potencial e a corrente elétrica, é a do primeiro grau. E ela nos fornecerá uma função decrescente, pois temos o termo "-r.i". A curva característica está representada na figura a seguir.





Observe pelo gráfico que quando i = 0 temos que U = E, e que a maior corrente possível é a de curto-circuito.

A potência no gerador

Quando o gerador é ligado a um circuito, começa a fluir uma corrente nele, pois a finalidade do gerador é manter uma diferença de potencial U. A potência útil do gerador é definida pelo produto da diferença de potencial lançada no circuito pela corrente que flui nele.

P_U = U.i

O gerador real também possui uma resistência elétrica e ela é uma fonte de dissipação, por isso além de uma potência útil, também teremos uma dissipada. Ela está apresentada no artigo sobre a potência elétrica e é definida a seguir.

P_D = r.i²

A soma da potência útil pela da dissipada no circuito dará a potência total do gerador que é definida pelo produto da força eletromotriz pela corrente elétrica.

P_t = E.i

O rendimento no gerador

Define-se rendimento como sendo a divisão daquilo que está sendo usado pelo total fornecido para essa utilização. Aplicando essa idéia a um gerador teremos que o rendimento do mesmo é definido como sendo a potência útil dividida pela total.





Para um gerador real, o valor esperado para o rendimento está no intervalo maior que zero e menor que um. Não pode ser igual a zero, pois este rendimento indica que o gerador está com defeito e não pode ser igual a um, pois desse modo ele seria um gerador ideal, ou seja, com resistência interna igual a zero. É muito comum multiplicarmos o valor do rendimento por cem, pois desse modo teremos o resultado percentual do rendimento.

Ponte de Wheatstone

Diagrama do circuito. Rx é a resistência desconhecida a ser medida; R1 e R3 são resistores cujos valores são conhecidos e R2 é um potenciômetro. Se a razão no ramo conhecido (R2/R1) é igual a razão entre as resistências no outro ramo (R3/Rx), então a tensão elétrica entre os dois pontos centrais será zero e nenhuma corrente fluirá entre estes pontos. Neste caso, o Amperímetro deverá mostrar o valor zero (0 ampére) e poderemos dizer que o circuito está balanceado.

A ponte de Wheatstone é um aparelho elétrico usado como medidor de resistências elétricas. Foi inventado por Samuel Hunter Christie em 1833, porém foi Charles Wheatstone quem ficou famoso com o invento, tendo-o descrito dez anos mais tarde.

O circuito é composto por uma fonte de tensão, um galvanômetro e uma rede de quatro resistores, sendo três destes conhecidos. Para determinar a resistência do resistor desconhecido os outros três são ajustados e balanceados até que a corrente elétrica no galvanômetro caia a zero.

Aplicações

Medição de Resistência (década); Medição de Temperatura (NTC, PTC); Medição de Pressão (Strain Gage); Medição de Peso (Strain Gage).

Este tipo de circuito pode ser usado para se determinar a tensão mecânica. Sendo Rx um resistor sensível a compressão e os outros três resistores de valores conhecidos, a força aplicada ao resistor variável será proporcional ao valor da resistência desse resistor.

Cálculo do Resistor desconhecido

Para calcular o Valor da resistência elétrica (dado em OHMs) do resistor desconhecido (Rx) basta fazer a relação de proporcionalidade. Como os três resistores encontram-se associados em paralelo, pode-se fazer a relação: R1 x R3 = Rx x R2. Se já houver três valores de resistência conhecidos então fica fácil determinar o oculto.

Circuitos Elétricos

Circuitos Elétricos

Introdução
Essa Teoria I vai abrir um novo mundo em seus conhecimentos ¾ o mundo da Eletricidade.
Ela lhe ensinará o que são circuitos elétricos e explicará os significados de corrente elétrica, tensão elétrica e resistência elétrica. Você também irá conhecendo, aos poucos, os tipos mais importantes de componentes ou elementos que participam dos circuitos elétricos. Após o entendimento dessa parte teórica, recomendados que faça alguns exercícios relativos a esse assunto.

Vamos estudar:

Circuito de uma lanterna de mão
Corrente elétrica
Tensão elétrica
O sentido convencional da corrente elétrica
Resistência elétrica
A lei de Ohm

Circuito de uma lanterna de mão

Ö Você alguma vez já desmontou complemente uma lanterna de mão para analisar como ela funciona?
Veja na ilustração abaixo como são dispostas as várias partes de uma típica lanterna de mão:

Estrutura de uma lanterna elétrica

Ö Por que o projetista escolheu essa particular combinação de materiais?

As partes metálicas da lanterna são postas para conduzir a corrente elétrica quando a lanterna é posta para funcionar e, além disso, foram escolhidas para resistirem aos esforços físicos aos quais são submetidas.

A mola metálica, por exemplo, não só permite caminho elétrico para a corrente como também mantém no lugar, sob pressão, as pilhas em seu interior. As partes metálicas do interruptor têm que garantir bom contato elétrico e não ficarem danificadas pelo uso contínuo.

Uma lanterna também tem partes feitas com material não condutor de corrente elétrica, tais como plásticos e borrachas. A cobertura de plástico dessa lanterna é um isolante elétrico. Sua forma é importante para que se tenha um manuseio cômodo. Sua cor a tornará mais ou menos atraente aos olhos do usuário.

Como você verá, os circuitos elétricos conterão sempre partes que conduzem e partes que não conduzem correntes elétricas. O segredo todo, nos circuitos elétricos, é delimitar um caminho pré planejado para a corrente.

A lâmpada incandescente e o refletor compõem o sistema óptica da lanterna. A posição da lâmpada dentro do refletor deve ser tal que permita a obtenção de um feixe estreito de luz.

Uma lanterna é um produto elétrico simples, mas muita gente já perdeu noites de sono em seus projetos para que você tenha um dispositivo que trabalhe bem.

Ö Você pode pensar em alguma outra coisa que o projetista deva levar em consideração na produção em massa de lanternas?

Um modo "mais científico" para descrever uma lanterna implica no uso de um diagrama de circuito. Nele, as partes relevantes da lanterna serão representadas através de símbolos:

Diagrama de circuito de uma lanterna elétrica

Nesse circuito foram representadas simbolicamente, duas células voltaicas (pilhas) ¾ formando uma bateria ¾ , um interruptor e uma lâmpada incandescente. As linhas no diagrama representam condutores metálicos (fios) que conectam as partes entre si formando o circuito completo.

Um circuito elétrico é necessariamente um percurso fechado. Na lanterna, o fechamento do interruptor completa o circuito, permitindo a passagem da corrente elétrica.

Lanternas às vezes falham! Isso acontece quando as partes metálicas do interruptor ou da lâmpada não entram efetivamente em contato (devido à sujeiras ou ferrugens), quando a lâmpada "queima" (interrupção em seu filamento) ou quando as pilhas "pifam" (esgotam suas energias químicas armazenadas, popularmente, ficam 'descarregadas'). Em qualquer um desses casos, o circuito estará incompleto.

Corrente elétrica

Uma corrente elétrica é um fluxo ordenado de partículas carregadas (partículas dotadas de carga elétrica). Em um fio de cobre, a corrente elétrica é formada por minúsculas partículas dotadas de carga elétrica negativa, denominadas elétrons -- eles são os portadores da carga elétrica.

No fio de cobre (ou de qualquer outro metal) os elétrons naturalmente lá existentes vagueiam desordenadamente (têm sentidos de movimentos aleatórios) até que, por alguma ordem externa, alguns deles passam a caminhar ordenadamente (todos no mesmo sentido) constituindo a corrente elétrica. A intensidade dessa corrente elétrica vai depender de quantos desses portadores, em movimento bem organizado passam, por segundo, por um região desse fio.

A corrente elétrica, num circuito, é representada pela letra I e sua intensidade poderá ser expressa em ampères (símbolo A), em miliampères (símbolo mA) ou outros submúltiplos tal qual o microampères (símbolo mA).

Um ampère (1 A) é uma intensidade de corrente elétrica que indica a passagem de 6,2x10¹⁸ elétrons, a cada segundo, em qualquer seção do fio. Esses 6,2x10¹⁸ elétrons (uma quantidade que escapa ao nosso pensamento) transportam uma carga elétrica total cujo valor é de um coulomb (1 C). 'coulomb'(símbolo C) é a unidade com que se medem as quantidades de cargas elétricas.

Se indicarmos a quantidade total de carga elétrica que passa pela seção de um fio por Q (medida em coulombs) e o intervalo de tempo que ela leva para passar por essa seção por Dt (medido em segundos), a intensidade de corrente elétrica I (medida em ampères) será calculada por:

I = Q : Dt

Conversões:
1 A = 1 000 mA = 1 000 000 mA Þ 1 A = 10³ mA = 10⁶ mA

1 mA = 1/1 000 A = 1 000 mA Þ 1 mA = 10^-3 A = 10³ mA

1 mA = 1/1 000 000 A = 1/1000 mA Þ 1 mA = 10^-6 A = 10^-3 mA

Ö O que uma "corrente elétrica" significa para você?

Ö Que unidade é usada para medir essas correntes? Quais os submúltiplos dela?

Ö Através de que materiais a corrente pode fluir facilmente?

Ö Cite alguns materiais que atrapalham ou mesmo impedem o fluxo de corrente elétrica através deles.

Ö O que é um circuito elétrico?

Tensão elétrica

Ö No circuito da lanterna, o que provoca a circulação da corrente?

É algo produzido pelas células voltaicas (as pilhas). Esse algo, causa da corrente elétrica, é a tensão elétrica ou diferença de potencial (d.d.p.) que surge entre os terminais da pilha (pólo positivo e pólo negativo).

Vamos explicar isso um pouco mais, não podemos nos contentar com a introdução acima: o que uma pilha realmente faz, quando em funcionamento, é uma conversão de energia; ela converte energia química (que está armazenada nas substâncias químicas que estão dentro dela) em energia elétrica. Quanto de energia química é convertida em energia elétrica, e transferida para cada coulomb de carga elétrica que é movimentado dentro dela, é o que caracteriza a tensão elétrica nos terminais da pilha.
Essa grandeza é indicada pela letra U e é medida na unidade volt (símbolo V).

Assim, falar que a tensão U entre os terminais de uma pilha é de 1,5 V significa dizer que ela fornece 1,5 J de energia elétrica para cada 1,0 C de carga que a atravessa.

Nota: J é o símbolo de joule, a unidade oficial de energia.

Do mesmo modo, falar que a tensão elétrica entre os terminais de uma bateria (associação conveniente de células voltaicas) é de 12 V, significa dizer que: cada 1,0 C de carga elétrica que passa por dentro dela e sai pelo pólo positivo, leva consigo 12 J de energia elétrica. Claro, a energia química da bateria diminui de 12 J e, com o uso contínuo ela irá "pifar", ficar sem energia. O termo popular para isso, lembra-se, é "descarregada".

Se indicarmos por U a tensão nos terminais da pilha (ou bateria etc.), por Q a quantidade de carga elétrica que a atravessa e por E a quantidade de energia que ela fornece para essa carga, teremos:

U = E : Q

Em nosso circuito da lanterna, quando as pilhas estão novas, a tensão fornecida por elas é total, a corrente elétrica circulante é intensa e a lâmpada brilha vivamente. Algum tempo depois, já com mais uso, a tensão fornecida por elas diminui, a intensidade de corrente no circuito diminui e a lâmpada brilha mais fracamente. Eventualmente não acenderá mais; as pilhas "pifaram"!

Cada célula voltaica provê cerca de 1,5 V de tensão entre seus terminais (pólos). Duas células conectadas uma em seguida à outra, em série, (pólo positivo de uma encostado no pólo negativo da outra)proverão cerca de 3,0 V. Três pilhas em série proverão cerca de 4,5 V etc.

Símbolo da pilha e pilhas conectadas em série.

Ö Qual desses arranjos acima faria a lâmpada acender com maior brilho?

Lâmpadas incandescentes são projetadas para funcionarem com uma certa tensão particular (e alguma tolerância) mas, usando uma mesma lâmpada adequada, quanto maior a tensão maior será o seu brilho.

Nota: Há um código de cores nas pérolas das pequenas lâmpadas incandescentes. A "pérola" é aquela bolinha de vidro dentro da lâmpada que sustenta os fios que vão ao filamento.

Ö Você já reparou nisso? De que cor é a pérola da lâmpada em sua lanterna de duas pilhas (3 V)?

Como já salientamos, no sentido exato, uma bateria consiste no arranjo conveniente de duas ou mais células voltaicas. Esses arranjos (ou associações) podem ser em série, em paralelo ou mista (combinações adequadas de séries e paralelos).
Observe essas associações:

Células associadas em série, paralelo e mista.

Uma célula individual pode prover uma pequena intensidade de corrente por muito tempo, ou uma grande intensidade por pouco tempo. Conectando-se as células em série aumentamos a tensão elétrica total disponível, mas isso não afeta o tempo de vida útil das células. Por outro lado, se as células (iguais) forem conectadas em paralelo, a tensão não fica afetada, continua os mesmos 1.5 V, mas o tempo de vida da bateria é dobrado.

Uma lâmpada de lanterna percorrida por corrente de intensidade 300 mA (usando pilhas tipo C, alcalinas)deveria funcionar por cerca de 20 horas antes das pilhas esgotarem-se. Isso traduz, de certo modo, o quanto de energia química está armazenada na pilha e quanto de energia elétrica pode ser utilizada até ela "pifar". O linguajar popular chama isso de "capacidade de armazenamento" e é indicado em ampères-hora (A-h).

Exemplificamos: Uma bateria selada para "no-break" trás as indicações ¾ 12V, 7Ah ¾ . Isso indica que ela está capacitada a manter um corrente de intensidade 7A durante 1 h, ou manter uma corrente de intensidade 3,5A durante 2h, ou 1A durante 7h etc.

Fazendo experiências com pilhas: pilhas são assuntos da Química, especificamente da Eletroquímica. Didaticamente, a química desenvolve esse assunto a partir da pilha de Daniel onde, em particular discute-se a eletrólise. A eletrólise você pode encontrar em nossas Salas de Exposições, Sala da Química - Foguete - Eletrólise. Nessa mesma Sala você encontrará o experimento sobre, 'como fazer pilhas com batatas' e colocar relógio digital em funcionamento usando as 'baterias de batatas' ou, permitam-me, as "bataterias".

Ö O que é tensão elétrica ou diferença de potencial?

Ö O que é uma bateria?

Ö Em que unidade(s) mede(m)-se a 'capacidade de armazenamento' de uma célula?

O sentido convencional da corrente elétrica

Um terminal (pólo) de uma célula (pilha) ou bateria é positivo, enquanto o outro é negativo. É conveniente pensar em corrente elétrica como algo fluindo do pólo positivo para o pólo negativo. Esse sentido de percurso (do + para o -) é denominado sentido convencional da corrente elétrica. Setas colocadas nos diagramas sempre indicam esse sentido convencional. Porém, você deve ficar atento que esse só seria o sentido correto se o fluxo ordenado (corrente) fosse constituído por partículas com carga positiva.

Em um fio de cobre, os portadores de carga elétrica são os elétrons. Elétrons são
negativamente-carregados e então devem fluir do negativo para o positivo. Isto significa que, realmente, o sentido do fluxo de elétron é oposto ao escolhido como "sentido da corrente convencional".

A corrente elétrica nos mais variados sistemas elétricos e eletrônicos envolve freqüentemente três espécies de portadores de cargas elétricas: os elétrons (-), os ânions (íons negativos) e os cátions (íons positivos). Como exemplo, em transistores, a corrente é formada por fluxos ordenados de elétrons (todos num mesmo sentido) e por "buracos" (todos em sentido oposto ao dos elétrons) que se comportam como portadores de carga positiva.

Quando o comportamento de um circuito elétrico/eletrônico está sendo analisado, de modo geral, não interessa saber que tipo de portador (com carga positiva ou com carga negativa)está participando da corrente elétrica. Em alguns casos, no eletromagnetismo por exemplo, esse conhecimento é indispensável para que possa ser previsto com precisão o efeito da corrente elétrica.

Uma pilha provê uma tensão elétrica com polaridade fixa (o pólo positivo nunca ficará negativo e vice-versa), de forma que fluxo da corrente se dará sempre no mesmo sentido. Por isso ela é denominada corrente contínua ou CC, em contraste com a corrente elétrica domiciliar, que é mantida por um gerador que provê tensão elétrica constantemente variável. A polaridade nos terminais desse tipo de gerador é tal que a corrente inverte seu sentido de percurso 60 vezes a cada segundo de funcionamento. Isso dá lugar a uma corrente alternada ou AC. Nela, os portadores de carga elétrica invertem seu sentido de percurso, num incessante vai-vem.

Ö O que é "sentido convencional da corrente elétrica"?

Ö O comportamento dos circuitos eletrônicos pode ser sempre analisado com precisão ao assumirmos para a corrente esse sentido convencional?

Resistência elétrica

Se interligarmos diretamente o pólo positivo de uma bateria automotiva com seu pólo negativo mediante um grosso fio de cobre, iremos conseguir uma corrente elétrica de enorme intensidade durante um curto intervalo de tempo. Em alguns segundos o interior da bateria começará a ferver!

Em uma lanterna não acontece isso. Parte do circuito da lanterna limita o fluxo de cargas, mantendo a intensidade da corrente com valores adequados. Algumas outras partes não afetam substancialmente esse fluxo. A propriedade elétrica dessas partes, umas dificultando o fluxo de cargas e outras não, caracterizam uma grandeza denominada resistência elétrica.

A mola, as lâminas do interruptor e as conexões da lâmpada são feitas de metal apropriado, de considerável espessura, oferecendo uma baixa resistência à corrente elétrica. Por outro lado, o filamento da lâmpada é feito com outro material (tungstênio) e de pequena espessura, oferecendo uma alta resistência à corrente elétrica. O fluxo de cargas através desse trecho de grande resistência (o filamento) causa um grande aquecimento que o leva ao brilho-branco, o qual passa a emitir luz visível. No ar, esse filamento se oxidaria de imediato (combustão) e seria volatilizado. Para impedir isso, todo ar é retirado de dentro do bulbo da lâmpada e substituído por um outro gás não oxidante.

A resistência elétrica (R) dos condutores, ou seja, quanto de dificuldade eles impõem à passagem da corrente elétrica, é medida em ohms (símbolo W ).

Ö Se uma bateria feita com duas pilhas tamanho C, em série, provê uma tensão elétrica U = 3 V, nos terminais de uma lâmpada incandescente, mantendo uma corrente elétrica de intensidade I = 300 mA = 0,3 A, qual a resistência elétrica R desse filamento?

Isso é calculado assim, e mais adiante verá o porque:

R = U : I = 3V : 0,3A = 10W

Os valores de resistências elétricas que participam de circuitos eletrônicos podem variar desde alguns ohms, passar pelos milhares de ohms (quiloohms) e chegar aos megaohms.

Os componentes eletrônicos projetados com o propósito de oferecerem resistência elétrica de valores particulares são chamados de resistores.

Nota importante: Conceituar 'resistência elétrica' em termos de 'dificuldade' ou 'oposição' á passagem da corrente elétrica é apenas uma técnica macroscópica e simplista para contornar a conceituação microscópica dos efeitos observados quando portadores de carga elétrica interagem com a matéria. As partículas constituintes da corrente elétrica (portadores) chocam-se (interação de campos) com as partículas do próprio condutor. O número de choques por unidade de volume é o conceito fiel e microscópico para a grandeza "resistência elétrica'.
A grande façanha da lei de Ohm, conforme pode ser demonstrado, é que o resultado da 'operação' U/I (duas grandezas de fácil medição) é justamente a medida do número de choques por unidade de volume (uma contagem de difícil realização prática).

Ö Que partes da lanterna limita o fluxo da corrente?

Ö Que unidade é usadas para a medida da resistência elétrica de um condutor? Quais seus múltiplos?

Ö Que símbolos gráficos são usados habitualmente para representar:

1. diferença de potencial (tensão)?

2. intensidade de corrente elétrica?

3. resistência elétrica de um condutor?

Eletrodinâmica - Resistores Elétricos

1. Corrente Elétrica
É todo movimento ordenado de cargas elétricas.

Intensidade média da corrente elétrica
Seja Q o valor absoluto da carga elétrica que atravessa a secção transversal de um condutor, num certo intervalo de tempo. A intensidade média de i da corrente é dada por:

Sendo n o número de elétrons que constituem a carga elétrica Q e e a carga elétrica elementar, temos:

Propriedade gráfica
No gráfico da intensidade instantânea da corrente elétrica em função do tempo, a área é numericamente igual à carga elétrica que atravessa a secção transversal do condutor, no intervalo de tempo.

2. Resistores
É todo elemento de circuito cuja função exclusiva é efetuar a conversão de energia elétrica em energia térmica (Ex: Chuveiro).

Primeira lei de Ohm
A primeira Lei de Ohm estabelece a lei de dependência entre a causa (diferença de potencial U) e o efeito (intensidade da corrente i) para um resistor:

Segunda lei de Ohm

Associação de resistores

Todos os resistores são percorridos pela mesma corrente elétrica.
A tensão total é a soma das tensões parciais.

U_total = U₁ + U₂
R_total = R₁ + R₂

Para n resistores e n tensões:

Associação em Paralelo

Todos os resistores estão sob mesma tensão.
A intensidade da corrente total é a soma das intensidades das correntes parciais.
O inverso da resistência equivalente é a soma dos inversos das resistências associadas.

i_total = i₁ + i₂
1 / R_total = 1 / R₁ + 1 / R₂

Para n resistores em paralelo:

Leis da Eletrodinâmica e o Princípio da Relatividade

1 - As Leis da Eletrodinâmica e o Princípio da Relatividade

Essência da teoria da relatividade.

O desenvolvimento da eletrodinâmica levou à revisão das noções de espaço e tempo.

De acordo com as noções clássicas de espaço e tempo, consideradas inabaláveis ao longo dos séculos, o movimento não exerce nenhuma influência no tempo (o tempo é absoluto), e as medidas lineares de qualquer corpo não dependem do fato de o corpo estar em movimento ou não (o comprimento é absoluto) .

A teoria da relatividade especial de Einstein é um novo estudo do espaço e do tempo, vindo substituir as noções antigas (clássicas).

O princípio da relatividade na mecânica e na eletrodinâmica.

Depois de Maxwell, na segunda metade do séc. XIX, ter formulado as leis fundamentais da eletrodinâmica, surgiu a seguinte questão: será que o princípio da relatividade, verdadeiro para os fenômenos mecânicos, se estende aos fenômenos electromagnéticos? Por outras palavras, decorrerão os processos electromagnéticos (interação da cargas e correntes, propagação das ondas eletromagnéticas, etc.) igualmente em todos os sistemas inerciais? Ou ainda, o movimento uniforme e retilíneo, não influenciando os fenômenos mecânicos, exercerá alguma influência nos processos eletromagnéticos?

Para responder a esta questão era necessário verificar se se modificariam as leis principais da eletrodinâmica na passagem de um sistema inercial para outro ou se, à semelhança das leis de Newton, elas se conservariam. Só no último caso seria possível deixar de duvidar sobre a veracidade do princípio da relatividade nos processos electromagnéticos e considerar este princípio como uma lei geral da Natureza.

As leis da eletrodinâmica são complexas e a resolução deste problema não era nada fácil. No entanto, raciocínios simples pareciam ajudar a encontrar a resposta certa. De acordo com as leis da eletrodinâmica, a velocidade de propagação das ondas electromagnéticas no vácuo é igual em todas a direções e o seu valor é c = 3.1010 cm/s. Mas, por outro lado, de acordo com o princípio da composição de velocidades da mecânica de Newton, a velocidade só pode ser igual a c num dado sistema. Em qualquer outro sistema, que se mova em relação ao sistema dado com velocidade v , a velocidade da luz deveria ser igual a

Isto significa que se é verdadeiro o princípio da composição de velocidades, então, na passagem de um sistema inercial para outro, as leis da eletrodinâmica deverão alterar-se de tal modo que neste sistema a velocidade da luz, em vez de ser igual a c ,será igual a

.

De forma verificou-se que existiam algumas contradições entre a eletrodinâmica e a mecânica de Newton, cujas leis estão de acordo com o princípio da relatividade. As tentativas de resolver as dificuldades que surgiram foram feitas em três direções diferentes.

A primeira possibilidade consistia em declarar que o princípio da relatividade não se podia aplicar aos fenômenos electromagnéticos. Este ponto de vista foi defendido pelo grande físico holandês G. LORENTZ, fundador da teoria eletrônica. Os fenômenos electromagnéticos eram vistos, desde o tempo de Faraday, como processos que decorriam num meio especial, que penetra em todos os corpos e ocupa todo o espaço - " o éter mundial " . Um sistema inercial parado em relação ao éter é, segundo Lorentz, um sistema privilegiado. Nele, as leis da eletrodinâmica de Maxwell são verdadeiras e têm uma forma mais simples. Só neste sistema a velocidade da luz no vácuo é igual em todas as direções.

A segunda possibilidade consiste em considerar as equações de Maxwell falsas e tentar modificá-las de tal modo que com a passagem de um sistema inercial para outro (de acordo com os habituais conceitos clássicos de espaço e de tempo) não se alterem . Tal tentativa foi feita, em particular, por G.HERTZ. Segundo Hertz, o éter é arrastado totalmente pelos corpos em movimento e por isso os fenômenos electromagnéticos decorrem igualmente, independentemente do fato do corpo estar parado ou em movimento. O princípio da relatividade é verdadeiro.

Finalmente, a terceira possibilidade da resolução das dificuldades consiste na rejeição das noções clássicas sobre o espaço e tempo para que se mantenha o princípio da relatividade e as leis de Maxwell. Este é o caminho mais revolucionário, visto que significa a revisão das mais profundas e importantes noções da física. De acordo com este ponto de vista, não são as equações do campo magnético que estão incorretas, mas sim as leis da mecânica de Newton, as quais estão de acordo com a antiga noção de espaço e tempo. É necessário alterar as leis da mecânica, e não as leis de eletrodinâmica de Maxwell.

Só a terceira possibilidade é que é correta. Einstein desenvolveu-a gradualmente e criou uma nova concepção do espaço e do tempo. As duas primeiras possibilidades vieram a ser rejeitadas pela experiência.

Quando Hertz tentou mudar as leis da eletrodinâmica de Maxwell verificou-se que as novas equações não podiam explicar muitos fatos observados. Assim, de acordo com a teoria de Hertz, a água em movimento deverá arrastar completamente consigo a luz que se propaga nela, visto que ela arrasta o éter, onde a luz se propaga. A experiência mostrou que na realidade isso não se passava.

A experiência de Michelson. O ponto de vista de Lorentz, de acordo com o qual deve existir um certo sistema de referência, vinculado ao éter mundial, que se mantém em repouso absoluto, também foi rejeitado por experiências diretas.

Se a velocidade da luz só fosse igual a 300 000 km/s num sistema vinculado ao éter, então, medindo a velocidade da luz em qualquer outro sistema inercial, poder-se-ia observar o movimento deste sistema em relação ao éter e determinar a velocidade deste movimento. Tal como num sistema que se mova em relação ao ar surge vento, quando se dá o movimento em relação ao éter (isto, claro, admitindo que o éter existe) deveria surgir "vento de éter". A experiência para verificação do "vento de éter" foi realizada em 1881 pelos cientistas americanos A. MICHELSON e E. MORLEY, segundo uma idéia avançada 12 anos antes por Maxwell.

Nesta experiência compara-se a velocidade da luz na direção do movimento da Terra e numa direção perpendicular. A medição foi feita com grande exatidão com o auxílio de um instrumento especial - interferômetro de Michelson. As experiências foram realizadas a diferentes horas do dia e em diferentes épocas do ano. Mas obteve-se sempre um resultado negativo: não foi possível observar o movimento da Terra em relação ao éter.

Esta situação é semelhante à que se verificaria se, deitando a cabeça de fora pela janela de um automóvel à velocidade de 100 km/h, não sentíssemos o vento soprando contra nós.

Deste modo, a hipótese da existência de um sistema de referência privilegiado também foi rejeitada experimentalmente. Por sua vez, isto significava que não existe nenhum meio especial, "éter", ao qual se possa vincular esse tal sistema privilegiado.

Eletrodinâmica - Eletrodinâmica - Lei de OHM - Resistência elétrica

1: A corrente elétrica

Chama-se corrente elétrica à carga elétrica em movimento.

2: Efeitos principais da corrente elétrica

A carga elétrica em movimento, isto é, a corrente elétrica, possui certas propriedades que a carga elétrica em repouso não possui. As mais importantes são: 1) Efeito térmico 2) Campo magnético produzido pela corrente elétrica 3) Efeito químico 4) Efeitos fisiológicos

3: O mecanismo da corrente elétrica

A corrente elétrica é carga elétrica em movimento. Pois bem, podemos acrescentar agora que a corrente elétrica sempre consiste no movimento de íons, ou de elétrons que escapam dos átomos e vão passando de um átomo a outro.

4: Diferentes tipos de condução

Toda corrente elétrica é constituída pelo movimento de íons ou de elétrons. Mas, por uma questão didática, costuma-se considerar três casos de condução. 1. Condução eletrônica ou condução metálica 2. Condução eletrolítica 3. Condução gasosa

5: Diferença de potencial

6: Intensidade de corrente elétrica

7: Unidade de intensidade de corrente do sistema CGSES

Um statampère ou unidade de intensidade de corrente elétrica do sistema CGSES é a intensidade constante de uma corrente elétrica tal que, durante um segundo, passa por uma secção transversal do condutor à carga elétrica de uma unidade CGSES de carga.

8: A formação do sistema MKS em eletricidade

O sistema MKS, que é bem mais novo que o CGSES, também tem sofrido diversas modificações. Essas modificações tem consistido sempre na mudança da unidade tipicamente elétrica que deve ser adicionada às três unidades mecânicas (metro, quilograma, segundo) para com as quatro se constituir o sistema de unidades elétricas.

9: Lei de OHM - resistência elétrica

Por definição chama-se resistência elétrica de um condutor ao quociente da diferença de potencial entre seus extremos pela intensidade de corrente elétrica correspondente.

10: Relação entre a resistência elétrica e as dimensões do condutor

Entre as resistências de um condutor e suas dimensões existem as duas relações seguintes: 1ª Lei: A resistência elétrica de um condutor homogêneo é diretamente proporcional ao seu comprimento 2ª Lei: A resistência elétrica de um condutor homogêneo é inversamente proporcional à área de sua secção transversal

11: Unidade de resistência elétrica

a. Sistema CGSES b. Sistema MKS

12: O ampère absoluto e o ampère internacional - o ohm absoluto e o ohm internacional

"A Formação do Sistema MKS em Eletricidade", é chamado ampère absoluto. Um ampère internacional é a intensidade de uma corrente elétrica constante que deposita 1,118 miligramas de prata por segundo quando passa em uma solução de nitrato de prata. "Unidade de Resistência Elétrica ", é chamado ohm absoluto. Um ohm internacional é a resistência, a 0oC, de uma coluna de mercúrio de 106,300 centímetros de comprimento e massa 14,4521 gramas.

13: Unidades de resistividade

14: Condutância e condutividade

15: Variação da resistência com a temperatura

A resistência de um condutor varia com a temperatura. No caso dos metais a resistência aumenta quando a temperatura aumentar. Mas, há certas substâncias cuja resistência diminui à medida que a temperatura aumenta; as principais são o carbono e o telúrio.

16: Energia absorvida para passagem de corrente elétrica através de um condutor

17: Potência absorvida para passagem de corrente elétrica através de um condutor

18: Associação de condutores

Os condutores podem ser associados de dois modos: em série, e em paralelo (ou em derivação).

19: O círculo elétrico

Os condutores por onde a corrente vai passar devem ser ligados a um gerador de modo tal a formar um caminho fechado para os íons ou os elétrons. A esse caminho fechado chamamos circuito elétrico.

20: Reostatos

Reostatos são resistências variáveis. Podem ser de dois tipos: de resistência variável continuamente e de resistência variável descontinuamente.

21: Caixa de resistências

A caixa de resistência é um conjunto de resistências de valores determinados, que podem ser colocadas ou retiradas do circuito pela maneira que explicaremos. Elas tem esse nome porque as suas resistências são sempre colocadas no interior de uma caixa, para que fiquem protegidas.

22: Resistências padrões

Nos laboratórios há resistências padrões, que são resistências cujos valores são conhecidos com grande precisão. Antigamente havia padrões constituídos com mercúrio. Mas esses estão praticamente abandonados. Atualmente se usam padrões de fios metálicos.

23: Nota Histórica

24: Exercícios propostos

Desenvolvimento formal

A Eletrodinâmica Quântica é uma teoria abeliana de calibre, dotada de um grupo de calibre U(1).

O campo de calibre que media a interação entre campos de spin 1/2, é o campo eletromagnético, que se apresenta sob a forma de fótons.

A descrição da interação se dá através da Lagrangiana para a interação entre elétrons e pósitrons, que é dada por:

onde e sua adjunta de Dirac são os campos representando partículas eletricamente carregadas, especificamente, os campos do elétron e pósitron representados como espinores de Dirac.

Eletrodinâmica

Eletrodinâmica é a parte da física que estuda a energia elétrica em movimento.
Como sabemos, a energia elétrica é muito importante para o mundo de hoje. Sem ela, você não poderia estar visualizando esta página na internet, nem acender lâmpadas ou televisores.
Para começar a estudar essa matéria, é necessário saber algumas coisas estudadas em química. Os átomos são formados por prótons, nêutrons e elétrons. Os elétrons podem estar “presos” ao núcleo, ou seja, não estão livres e não podem se mover livremente. Os elétrons livres é que farão o transporte da energia elétrica (corrente elétrica). Por isso dividimos as substâncias químicas em condutores e não condutores.

Condutores de eletricidade
Para que um material seja condutor de eletricidade, é preciso que ele tenha elétrons livres para que a energia seja transportada dentro da substância. Exemplos de condutores são os metais (cobre, ouro), etc.

Quando os elétrons viajam entre os átomos de uma substância, eles “esbarram” em outros elétrons e no próprio núcleo, fazendo com que os átomos se agitem mais, causando um aumento de temperatura do material. É por isso que qualquer material que transporte eletricidade, irá esquentar. Essa é uma propriedade chamada resistência elétrica.

Existem também os materiais chamados de Supercondutores, que são substâncias que oferecem pouquíssima resistência à passagem de elétrons. Exemplos deles são materiais cerâmicos, que em temperatura normal, se comportam como isolantes, mas se a temperatura for abaixo de 196º negativos, se tornam condutores.

Isolantes (não condutores)
São os materiais que não possuem elétrons livres, e portanto não conseguem transportar energia elétrica. Exemplos de isolantes são a borracha, plásticos, porcelana, água pura (a água de torneira e a água mineral conduzem eletricidade, mas por causa das impurezas (outros minérios) contidas no líquido).

Carga elementar
Cada elétron possui uma carga (e), cuja unidade é o Coulomb (C), e vale 1,6 . 10^-19C.

Carga quantizada
É a quantidade de carga elétrica em um determinado número de elétrons. A equação é bastante simples:

Q = n . e

onde n é o número de elétrons e e é carga elementar (1,6 . 10^-19)

CAPACITORES ELÉTRICO

Também chamado de condensador, ele é um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e conseqüente energia eletrostática, ou elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material que é chamado de dielétrico. Dielétrico é uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. A utilização dos dielétricos tem várias vantagens. A mais simples de todas elas é que com o dielétrico podemos colocar as placas do condutor muito próximas sem o risco de que eles entrem em contato. Qualquer substância que for submetida a uma intensidade muito alta de campo elétrico pode ser tornar condutor, por esse motivo é que o dielétrico é mais utilizado do que o ar como substância isolante, pois se o ar for submetido a um campo elétrico muito alto ele acaba por se tornar condutor.

Os capacitores são utilizados nos mais variados tipos de circuitos elétricos, nas máquinas fotográficas armazenando cargas para o flash, por exemplo. Eles podem ter o formato cilíndrico ou plano, dependendo do circuito ao qual ele está sendo empregado.

Capacitância

É denominada capacitância C a propriedade que os capacitores têm de armazenar cargas elétricas na forma de campo eletrostático, e ela é medida através do quociente entre a quantidade de carga (Q) e a diferença de potencial (V) existente entre as placas do capacitor, matematicamente fica da seguinte forma:

No Sistema Internacional de Unidades a unidade de capacitância é o farad (F), no entanto essa é uma medida muito grande e que para fins práticos são utilizados valores expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) e picofarads (pF). A capacitância de um capacitor de placas paralelas, ao ser colocado um material dielétrico entre suas placas, pode ser determinado da seguinte forma:

Onde:

ε_o é a permissividade do espaço;
A é a área das placas;
d é a distância entre as placas do capacitor.

BLINDAGEM ELETROSTÁTICA

Como sabemos, o campo elétrico no interior de um condutor em equilíbrio eletrostático é nulo.
Uma aplicação pratica dessa propriedade é a Blindagem Eletrostática, que é um dispositivo empregado na proteção de aparelhos contra as influências elétricas. Constitui-se, basicamente, numa capa ou rede metálica que envolve o aparelho que se quer isolar.
A blindagem eletrostática mostra que uma pessoa dentro de um carro atingido por um raio nada sofrerá, pois a estrutura metálica do carro isola o seu interior das influencias elétricas externas.
Na pratica, isso pode ser comprovado facilmente, utilizando-se de uma gaiola com um passarinho no poleiro. Eletrizam-se as grades metálicas da gaiola e o passarinho continuará como se nada estivesse acontecendo.






Nota:
Em 1755, numa carta a um amigo, Benjamim Franklin escreveu: “Eletrizei uma caneca de prata (de meio litro) e nela introduzi uma esfera de cortiça (material isolante) pendurada num fio de seda, até que ela tocasse o fundo da caneca. A esfera não foi atraída pela caneca (como aconteceria se ela tocasse o lado de fora). O fato é singular.” Eu não sei explicar!!! A explicação foi dada no século XIX, por Michael Faraday, através da seguinte experiência: Eletrizou uma grande gaiola metálica, até que ela soltasse faíscas; usando um eletroscópio, verificou que:
1º. O interior da gaiola não ficou eletrizado; 2º. As cargas em excesso foram tão distanciadas umas das outras que se concentraram na superfície da gaiola.