Fundamentos de Eletricidade: Eletrostática e Eletrodinâmica

ELETRICIDADE BÁSICA ELETROSTÁTICA E ELETRODINÂMICA 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 e Isolantes Condutores de eletricidade São os meios materiais nos quais há facilidade de movimento de cargas elétricas devido à 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 Medida da Carga Elétrica Δq ne se houver excesso de elétrons Δq ne se houver falta de elétrons e 161019 C Onde Δq quantidade de carga C n número de cargas e carga elementar C unidade de carga elétrica no SI é o coulomb C Campo Elétrico Existe uma região de influência da carga Q onde qualquer carga de prova q nela colocada estará sob a ação de uma força de origem elétrica A essa região chamamos de campo elétrico O campo elétrico E é uma grandeza vetorial A figura abaixo mostra a orientação do campo elétrico para uma carga positiva e para uma carga negativa Grandeza vetorial só pode ser caracterizada quando tem intensidade direção e sentido Relembrando ENERGIA POTENCIAL 7 Energia Potencial Gravitacional Energia Potencial Elástica Energia Potencial Elétrica ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA A carga positiva pode deslocar a carga de prova até o infinito A carga negativa pode deslocar menos a carga de prova A carga positiva tem mais condições de transferir energia para a carga de prova A energia potencial deve ser maior próximo da carga positiva POTENCIAL ELÉTRICO Potencial elétrico é a capacidade que um corpo energizado tem de realizar trabalho ou seja atrair ou repelir outras cargas elétricas O potencial elétrico existe independentemente do valor da carga q colocada num ponto desse campo O potencial elétrico mede a energia elétrica por unidade de carga de prova Calculase a energia potencial elétrica num ponto pela equação O potencial elétrico é medido em VOLT V Movimento dos elétrons Nos metais os elétrons das últimas camadas são fracamente ligados a seu núcleo atômico podendo facilmente locomoverse pelo material Geralmente este movimento é aleatório ou seja desordenado não seguindo uma direção privilegiada Quando o metal é submetido a uma diferença de potencial elétrico ddp como quando ligado aos dois pólos de uma pilha ou bateria os elétrons livres do metal adquirem um movimento ordenado A esse movimento ordenado de elétrons damos o nome de corrente elétrica Intensidade e Medida da Corrente Elétrica A intensidade de corrente elétrica é dada por Onde Δq é a quantidade de carga que atravessa a secção reta do condutor num determinado intervalo de tempo Δt A quantidade de carga não é igual ao número de elétrons que atravessam a secção reta do condutor pois Δq ne e é a carga do elétron No SI a intensidade de corrente elétrica medida em coulombC por segundos é denominada ampère A designação que homenageia o matemático francês André Marie Ampère que tinha grande interesse pela Eletricidade 1Coulombsegundo 1Cs 1A Na Corrente Contínua CC o sentido do campo elétrico E permanece sempre o mesmo e o sentido de i também não se altera Fonte elétrica As fontes elétricas são fundamentais na compreensão da eletrodinâmica pois elas que mantém a diferença de potencial ddp necessária para a manutenção da corrente elétrica Num circuito elétrico a fonte elétrica é representada pelo símbolo abaixo Símbolo de fonte elétrica no circuito O pólo positivo representa o terminal cujo potencial elétrico é maior O pólo negativo corresponde ao terminal de menor potencial elétrico Circuito elétrico simples O sistema formado por um fio condutor com as extremidades acopladas aos pólos de um gerador é considerado um circuito elétrico simples no qual a corrente elétrica se dá através do fio No fio condutor os elétrons se deslocam do pólo negativo para o pólo positivo Nesse deslocamento há perda de energia elétrica devido a colisões dos elétrons com os átomos do material Exemplo de Circuito Simples A figura abaixo mostra a representação gráfica de um circuito elétrico contendo um gerador uma lâmpada e fios condutores Circuito Elétrico Corrente Contínua CC AMPERÍMETRO é o instrumento que fornece o valor da intensidade da corrente elétrica Quando a corrente elétrica é muito pequena o aparelho usado para a sua medida é o galvanômetro Tratase de um aparelho semelhante ao amperímetro só que bem mais sensível com capacidade para efetuar medições de pequenas correntes elétricas Veja abaixo alguns exemplos de amperímetros Amperímetro de Bancada Alicate amperímetro Montagem de um amperímetro num circuito elétrico Resistores De onde provém o calor fornecido por aparelhos como ferro elétrico torradeira chuveiro e secadora elétrica Por que a lâmpada fica quente depois de acesa Esse aquecimento acontece pela transformação da energia elétrica em calor fenômeno denominado efeito Joule decorrente da colisão de elétrons da corrente com outras partículas do condutor Durante a colisão a transformação de energia elétrica em calor é integral Condutores com essa característica são denominados resistores Resistência elétrica e Lei de Ohm A resistência elétrica é uma grandeza característica do resistor e mede a oposição que seus átomos oferecem à passagem da corrente elétrica Considere o resistor representado no trecho do circuito abaixo onde se aplica uma ddp U e se estabelece uma corrente de intensidade i Lei de Ohm Definese como resistência elétrica R do resistor o quociente da ddp U aplicada pela corrente i que o atravessa RUi A unidade de resistência elétrica no SI é ohm Ω RUi 1 ohm 1Volt1ampère O físico e professor universitário alemão Georges Simon Ohm 17871857 verificou experimentalmente que para alguns condutores o quociente entre a ddp U e a correspondente intensidade i da corrente elétrica é constante e que essa constante é a resistência R do resistor A relação URi se transformou na primeira lei da eletrodinâmica conhecida como Lei de Ohm Todo resistor que obedece à Lei de Ohm é denominado resistor ôhmico cujo gráfico U x i é o seguinte Para resistores que não obedecem à 1a Lei de Ohm conhecidos como condutores nãoôhmicos ou nãolineares o gráfico U x i pode ser representado como a seguir Potência elétrica Num chuveiro elétrico em funcionamento que quantidade de energia elétrica é transformada em calor por segundo Será que tanto no inverno quanto no verão essa quantidade é a mesma Em Eletrodinâmica a quantidade de energia transformada por unidade de tempo é denominada potência elétrica A partir de P U2R podese entender o que acontece no chuveiro elétrico quando a chave é mudada da posição de inverno para a de verão No inverno a potência dissipada pelo resistor do chuveiro deve ser maior que no verão portanto como U é constante a resistência do chuveiro é menor Observe que nesse caso circula pelo resistor do chuveiro uma corrente maior do que aquela que circula com a chave na posição de verão E consumida P t E consumida 12 kW 5 h E consumida 6 kWh Custo 6 kWh 050 Custo R 300 Exemplo Aparelho de 1200 W ligado por 5 h Associação de resistores Resistores em Série Nesse tipo de associação a corrente elétrica percorre todos os resistores antes de retornar à tomada Resistência equivalente de um circuito em série A introdução da resistência equivalente em um circuito não modifica o valor da corrente elétrica temos URi Sabendo que U U1 U2 U3 temos Req i R1 i R2 i R3 i Dividindo os membros da igualdade pela corrente i temos Req R1 R2 R3 Em geral numa associação de resistores em série a resistência equivalente Req é igual à soma das resistências individuais Resistores em paralelo Quando vários resistores estão associados em paralelo a ddp entre os terminais de cada resistor é a mesma e consequentemente a ddp entre os terminais da associação também é a mesma Nesse tipo de associação os elétrons retornam à tomada cada vez que passam por um resistor De acordo com a 1ª Lei de Ohm a corrente que atravessa cada um dos resistores é inversamente proporcional à respectiva resistência E a corrente total que atravessa o conjunto de resistores em paralelo é igual à soma das correntes que atravessam cada resistor individualmente Resistência equivalente de um circuito em paralelo