Juliana: Eletricidade

Introdução

A eletricidade corresponde a cerca de 30 a 40% da energia usada no mundo. E deve crescer bastante no futuro. Porque a tecnologia utilizada para a obtenção de energia elétrica é bem dominada, está em franco desenvolvimento e adapta-se facilmente às tendências de globalização, descentralização e busca de maior eficiência. E é, também, extremamente adequada para fornecer os principais serviços de energia que desejamos atualmente.

Eletricidade

História da eletricidade

A história da eletricidade começa com uma descoberta do filósofo e sábio grego Thales de Mileto, no século VI antes de Cristo. Ele notou que o âmbar (resina fóssil, sólida, mas frágil, proveniente de um pinheiro da época terciária), ao ser atritado (esfregado) com um tecido qualquer ou com a pele de um animal, adquiria a propriedade de atrair pequenos fragmentos de palha, pedacinhos de folhas secas, fios de cabelo e outros objetos leves.
Foi assim, a partir de uma observação tão simples e aparentemente insignificante, que teve início o estudo do conjunto de fenômenos naturais que envolvem a existência de cargas elétricas estacionárias ou em movimento, fenômenos esses tão presentes na nossa vida diária e ligados ao desenvolvimento e ao progresso: a eletricidade.
Entretanto as observações sistemáticas de fenômenos elétricos só começaram a ser feitas cerca de 2000 anos mais tarde, quando se destacam os trabalhos de W. Gilbert. Este médico inglês observou, em seus estudos, o comportamento de vários outros corpos que, ao serem atritados, atraíam outros, como ocorria com o âmbar, com a diferença de que essa atração se manifestava sobre qualquer corpo, mesmo que não fosse leve.
Hoje, dentro do âmbito do conhecimento científico, encontra-se a Eletrotécnica, ciência que estuda as leis que reagem a eletricidade, bem como os processos técnicos a empregar para produzi-la, transportá-la e utilizá-la, com a maior vantagem.

Matéria e Substância

Matéria é tudo que existe no universo, ou seja, é tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço.
Uma porção limitada de matéria constitui um corpo. Os corpos são formados por tipos particulares de matéria: as substâncias. Assim, a diferença entre o vidro, a madeira e a água ocorre porque cada tipo particular de matéria é uma substância com características próprias.

Moléculas e átomos

Molécula é a menor parte de uma substância. As moléculas são partes tão pequenas, que não podem ser vistas mesmo com o auxílio dos microscópios.
Ainda assim, cada molécula é constituída de átomos.
O que caracteriza uma molécula é o tipo de átomo que a constitui, a quantidade deles, e o modo como são combinados para construí-la.

Prótons, nêutrons e elétrons

Durante muito tempo se acreditou que o átomo fosse a menor parte da matéria. Tanto assim que o seu próprio nome (do grego a = sem e tomo = dividir) significa “o que não se pode dividir”.
Atualmente, sabe-se que o átomo se compõe de prótons, nêutrons e elétrons.
A estrutura do átomo consiste em um núcleo central, formado por dois tipos de partículas simples e indivisíveis: os prótons e os nêutrons. Os prótons têm carga elétrica positiva, e os elétrons não têm carga.

Modelo Atômico de Bohr

A disposição das partículas do átomo (prótons, nêutrons e elétrons), conforme a teoria atômica foi proposta pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885 - 1962) que caracteriza uma semelhança muito grande com o nosso sistema solar, ou seja:
O Núcleo representa o Sol, e é constituído por prótons e nêutrons.
Os elétrons giram em volta do núcleo em órbitas planetárias:

Os elétrons que giram em órbita mais externas do átomo, são atraídos pelo núcleo com menor força do que os elétrons das órbitas mais próximas. Estes elétrons mais afastados são denominados elétrons livres, e podem, com muita facilidade, desprender-se de suas órbitas.
Devido a esta característica, podemos dizer que, os elétrons livres sob uma tensão elétrica darão origem à corrente elétrica.

A facilidade ou a dificuldade de os elétrons livres se libertarem ou se deslocarem de suas órbitas determina a condutibilidade elétrica da matéria ou substância.

Ou seja:
Se os elétrons se libertarem com facilidade de suas órbitas, como é o caso dos metais como o ouro, a prata, o cobre, o alumínio, a platina, etc. Serão denominados condutores elétricos.
Entretanto, se os elétrons têm dificuldade de se libertarem de suas órbitas, isto é, estão "presos" ao núcleo, como é o caso do vidro, cerâmica, plástico, baquelite, etc., são denominados isolantes elétricos.

Notas importantes:
Ressalte-se, ainda, uma classe de materiais que tem propriedades intermediárias entre os condutores e os isolantes: a dos semicondutores.
Exemplo: silício, germânio, etc., muito importantes na fabricação de transitores e de circuitos integrados e fundamentais para a montagem de aparelhos eletrônicos, dentre os quais os computadores.

Condutância

A facilidade que a corrente elétrica encontra, ao percorrer os materiais, é chamada de condutância. Essa grandeza é representada pela letra G.
Resistência

Os materiais sempre oferecem certa oposição à passagem da corrente elétrica. Essa dificuldade que a corrente elétrica encontra ao percorrer um material é a resistência elétrica, normalmente representada pela letra R.

É medida em ohms (W). Quanto maior a resistência, menor é a corrente que passa.
Esta pode ser maior ou menor dependendo do material do qual é feito o condutor.

Para medir a resistência existem os seguintes instrumentos:

Ohmímetro: para medidas em Ohm;
Microhmímetro: para medidas em Microhm;
Miliohmímetro: para medidas em Miliohm;
Kilohmímetro: para medidas em Kilohm;
Megôhmetro: para medidas em megaohm.

A condutância é o inverso da resistência

Todo material condutor de corrente elétrica apresenta certo grau de condutância e de resistência. Quanto maior for a condutância do material menor será sua resistência. Se o material oferecer resistência, proporcionalmente apresentará pouca condutância.
A condutância e a resistência elétrica se manifestam com maior ou menor intensidade nos diversos tipos de materiais.

Tensão e corrente elétrica

Nos fios, existem partículas invisíveis chamadas elétrons livres, que estão em constante movimento de forma desordenada.
Para que estes elétrons livres passem a se movimentar de forma ordenada, nos fios, é necessário haver uma força que os empurre. A esta força é dado o nome de tensão elétrica (U).
Esse movimento ordenado dos elétrons livres nos fios, provocado pela ação da tensão, forma uma corrente de elétrons. Essa corrente de elétrons livres é chamada de corrente elétrica (I).

Podemos dizer então que:

Tensão: é a força que impulsiona os elétrons livre nos fios. Sua unidade de medida é o volt (V).
Corrente elétrica: é o movimento ordenado dos elétrons livres nos fios. Sua unidade de medida é o ampère (A).

Medidas da tensão elétrica

Sempre que se modifica a estrutura dos átomos de um corpo, este fica eletrizado. Se tivermos dois corpos com cargas elétricas diferentes, haverá entre eles uma diferença de potencial (d.d.p.) elétrico.
É importante, em todos os campos de aplicação da eletricidade, sabermos o valor da tensão da d.d.p. Para isso, existe a unidade de medida chamada volt, e um instrumento para medi-la, o voltímetro.

Medidas da corrente elétrica

Para se determinar a grandeza (intensidade) de uma corrente elétrica, tornou-se necessário estabelecer uma unidade-padrão.
Falar em elétrons que passam por segundo num condutor é impraticável, pois os números envolvidos nos problemas seriam enormes. A fim de se eliminar esse inconveniente, fez-se o uso de uma unidade de carga-elétrica – o Coulomb (C) – que corresponde a 6,25 x 1018 elétrons.
A intensidade de corrente elétrica é medida em ampère e corresponde à quantidade de coulombs que passa por segundo em um condutor.
Uma intensidade de 1 coulomb por segundo equivale a 1 ampère .

O instrumento que mede intensidade de corrente é o amperímetro. Além desse instrumento há outros:

Microamperímetro = medida em microampère;
Miliamperímetro = medida em miliampère;
Quiloamperímetro = medida em quiloampère.

Corrente contínua e corrente alternada

Corrente contínua

Uma corrente é considerada contínua quando não altera seu sentido, ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa.
A maior parte dos circuitos eletrônicos trabalha com corrente contínua, embora nem todas tenham o mesmo "rendimento".

Corrente contínua constante - Diz-se que uma corrente contínua é constante, se seu gráfico for dado por um segmento de reta constante, ou seja, não variável. Este tipo de corrente é comumente encontrado em pilhas e baterias.

Corrente contínua pulsante - Embora não altere seu sentido as correntes contínuas pulsantes passam periodicamente por variações, não sendo necessariamente constantes entre duas medidas em diferentes intervalos de tempo.
Esta forma de corrente é geralmente encontrada em circuitos retificadores de corrente alternada.

Corrente alternada

Dependendo da forma como é gerada a corrente, esta é invertida periodicamente, ou seja, ora é positiva e ora é negativa, fazendo com que os elétrons executem um movimento de vai-e-vem.
Este tipo de corrente é o que encontramos quando medimos a corrente encontrada na rede elétrica residencial, ou seja, a corrente medida nas tomada de nossa casa.

Lei de OHM

A lei de OHM é uma fórmula matemática que estabelece a relação entre as três grandezas fundamentais da eletricidade: a corrente, a resistência e a tensão (tensão: também conhecida como diferença de potencial). Foi descoberta pelo alemão S. Ohm.

As grandezas elétricas são representadas por símbolos (letras), veja a seguir.

Grandeza Símbolo Unidade

Tensão U ou V Volt (V)
Corrente I Ampère (A)
Resistência R Ohn (Ω)
Potência P Watts (W)

Enunciando a lei de OHM:

Tensão – A diferença de potencial entre os terminais de um circuito é igual ao produto da resistência desse circuito pela intensidade da corrente elétrica que passa por tal circuito.
V = R.I

Corrente – A intensidade da corrente elétrica que percorre o circuito é igual à divisão da diferença de potencial entre os terminais desse circuito pela resistência que esse circuito apresenta à passagem da corrente elétrica.
I = V/R

Resistência – A resistência que um circuito, apresenta a passagem da corrente elétrica é igual à divisão da diferença de potencial (tensão) entre os terminais desse circuito pela intensidade da corrente que por ele passa.
R = V/I

Potência – Existe ainda uma grandeza que é muito utilizada em eletrônica, não faz parte da lei de OHM, mas está ligada diretamente a ela. É a potência elétrica. Saber qual a potência elétrica na dissipação de calor dos componentes eletrônicos e seus circuitos é de extrema importância para o bom funcionamento dos mesmos.
A potência elétrica produzida é medida em WATTS, sua unidade é o W e seu símbolo de grandeza é o P.
P = V.I
A potência elétrica é igual ao produto da tensão pela intensidade da corrente que percorre a resistência.

Eletrostática, Eletrodinâmica e Eletromagnetismo

Didaticamente, o estudo da eletricidade foi dividido em três partes, a saber: Eletrostática, Eletrodinâmica e Eletromagnetismo.

Eletrostática: estuda as propriedades e a ação mútuas das cargas elétricas em repouso em relação a um sistema inercial de referência.

Eletrodinâmica: é a parte da eletricidade que estuda, analisa e observa o comportamento das cargas elétricas em movimento. À movimentação das cargas elétricas, cujos exemplos existem em grande número, inclusive em nosso organismo, como minúsculas correntes elétricas nervosas que propiciam a nossa atividade muscular.

Eletromagnetismo: é o nome que se dá ao conjunto de teorias que Maxwell, apoiado em outras descobertas, desenvolveu e unificou para explicar a relação existente entre eletricidade e o magnetismo.

Correntes e eletromagnetismo

A corrente elétrica num condutor produz campo magnético em torno dele, com intensidade proporcional à corrente e inversamente à distância.

Indutância

Os indutores produzem campo magnético ao conduzirem correntes. A indutância é a relação entre o fluxo magnético e a corrente que o produz. É medida em Henry, H.

Campos e forças

Um campo magnético produz uma força sobre cargas elétricas em movimento, que tende a fazê-las girar. Quando estas cargas deslocam-se em um condutor, este sofre a ação de uma força perpendicular ao plano que contém o condutor e o campo.
A Intensidade do Campo Magnético (H) é determinada pela força que exerce sobre uma carga elétrica em movimento.

Leis de Kirchhoff

A resistência, a corrente e a tensão de um circuito complexo são facilmente obtidas decompondo-se o circuito, se todos os valores de cada parte do circuito forem conhecidos. Entretanto, algumas podem não ser conhecidas, ou talvez você se interesse apenas por uma parte do circuito.
Para solucionar facilmente qualquer parte de um circuito complexo, duas regras gerais são usadas:
Uma relativa à corrente e a outra relativa à tensão. Estas regras são as leis de Kirchhoff – a primeira lei para a corrente e a segunda para a tensão.

1ª Lei (lei dos nós) – a soma das correntes que chegam a um nó é igual à soma das correntes que saem do nó.
i1 + i4 = i2 + i3

2ª Lei (lei das malhas) – Num circuito fechado (ramo), a soma das quedas de tensão nas resistências é igual à soma das tensões aplicadas.
v1 + v2 + v3 + v4 = 0

Choque elétrico

A gravidade do choque elétrico – que age diretamente no sistema nervoso do corpo humano, podendo provocar desde pequenas contrações musculares até a morte – é determinada tanto pela intensidade da corrente elétrica como pelo caminho que ela percorre no corpo da pessoa.
A menor intensidade da corrente que percebemos como formigamento é de 1mA (miliampère). Uma corrente com intensidade de 10mA faz a pessoa perder o controle muscular. O valor entre 10mA até 3ª pode ser mortal se atravessar o tórax da pessoa, pois atinge o coração, modificando seu ritmo e fazendo com que ele pare de bombear o sangue; a pessoa então pode morrer em poucos minutos. Intensidades acima de 3ª levam à morte certa por asfixia em poucos segundos. O choque mais grave é o que atravessa o tórax, pois afeta o coração. Nesse caso, mesmo uma intensidade não muito alta da corrente pode ser fatal. Por outro lado, uma corrente de alta intensidade que circule de uma perna a outra pode resultar só em queimaduras locais, sem lesões mais sérias.

O imagem abaixo mostra a porcentagem da corrente elétrica que passa pelo coração em função do tipo de contato.