Carga elétrica e processos de eletrização

O que você deve saber

As cargas do elétron e do próton são opostas e convencionou-se atribuir ao elétron carga negativa e ao próton,

carga positiva e essas cargas têm o mesmo módulo, mas sinais diferentes; esse valor tem como símbolo e, denominado quantidade de carga elementar e de valor, em módulo e=1,6.10-19 C (coulomb (C), unidade de carga elétrica no sistema internacional SI).

A carga elétrica total de um corpo é uma grandeza quantizada, ou seja, ela é sempremúltiplo inteiro da carga

elétrica elementar e=1,6.10-19C --- Q/e=n (número inteiro.

Submúltiplos do coulomb (C):

- 1 mC (milicoulomb) = 10-3C

- 1 μC (microcoulomb)= 10-6C

-1 nC (nanocoulomb)= 10-9C

- 1 pC (picocoulomb)=10-12C

Como os elétrons são fracamente presos ao átomo e como estão nas camadas externas são eles que se deslocam.

Num átomo neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Se um átomo neutro ganhou elétrons ele está eletrizado com carga

negativa (no elétrons>no prótons) e é denominado íon negativo. Se um átomo neutro perdeu elétrons ele está eletrizado com carga positiva (no elétrons<no prótons) e é denominado íon positivo.

A eletrização de um corpo é semelhante à eletrização de um átomo.

Em todo sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas elétricas é constante.

Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas elétricas de sinais opostos se atraem.

Condutores e isolantes

Condutores – Os átomos dos metais (ferro, ouro, platina, cobre, prata e outros), corpo humano, o solo, o ar

úmido, etc. têm seus elétrons da última camada eletrônica fracamente unidos, e podem perdê-los com facilidade. Esses elétrons recebem o nome de elétrons livres.

Devido à facilidade de fornecer elétrons livres, esses corpos são chamados decondutores elétricos e usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos, pois são bons condutores do fluxo de elétrons livres.

Importante:

Quando um condutor neutro (oco ou maciço) é eletrizado recebendo, por exemplo, elétrons, na região indicada

nas figuras,

esses elétrons em excesso se repelem e como o material é condutor (permitem a movimentação de elétrons livres) eles tendem a se deslocarem ficando o mais longe possível, que é sua superfície externa.

Todo condutor eletrizado, quando ligado a terra se descarrega. Se ele estiver eletrizado com carga negativa, ao ser

ligado à terra

(ou tocado com o dedo, pois o corpo humano é bom condutor elétrico), o excesso de elétrons se desloca para a terra, deixando-o neutro. Se ele estiver eletrizado com carga positiva, ao ser ligado à terra (ou tocado com o dedo), os elétrons da terra são atraídos para ele, descarregando-o. A Terra tem capacidade de descarregar qualquer corpo por ser praticamente neutra e muito grande.

Nas soluções líquidas condutoras os portadores de carga são os íons e nos gases são ionizados são os íons e os

elétrons.

Isolantes – os átomos de algumas substâncias como a madeira seca, a mica, o vidro, a cerâmica, o plástico, a

borracha, o ar seco, etc. não permitem a passagem do fluxo de elétrons ou deixam passar apenas um pequeno número deles. Seus átomos têm grande dificuldade em ceder ou receber os elétrons livres, pois estão fortemente unidos às últimas camadas eletrônicas. São os chamados materiais isolantes, usados para recobrir os fios, cabos e aparelhos elétricos.

Importante: Como os isolantes não permitem a movimentação de elétrons livres, neles, os elétrons não se deslocam e ficam na região onde foram colocados.

Resistores - Primeira Lei de Ohm - Potência elétrica em um resistor

Efeito Joule - num condutor metálico, os elétrons livres da corrente elétrica, durante suas movimentações, sofrem continuamente colisões com os átomos da rede cristalina desse condutor, transferindo a eles parte de sua energia cinética e, como resultado, os átomos do

condutor, como um todo, passam a vibrar com uma energia maior. Esse aumento do “nível de vibração” dos átomos do condutor provocam um aumento de sua temperatura, fazendo-o liberar energia térmica (calor). Esse fenômeno é denominado efeito Joule..

Nos circuitos elétricos existem, além de outros elementos, os geradores e os receptores. A função dos geradores é transformar qualquer tipo de energia em energia elétrica. Exemplos:pilhas e baterias, nas quais ocorrem a conversão de energia química em energia elétrica; Nas usinas hidrelétricas ocorre a transformação de energia mecânica das águas em movimento em energia elétrica, através de geradores, etc.. A função dos receptores é transformar energia elétrica em quaisquer outros tipo de energia. Exemplos: ventilador - transforma energia elétrica em energia mecânica e térmica; aparelho de som – transforma energia elétrica em sonora e térmica, televisão – transforma energia elétrica em sonora, luminosa e térmica, etc

Quando um receptor transforma energia elétrica exclusivamente em energia térmica (efeito Joule), ele é denominado resistor.

Exemplos: chuveiro elétrico, lâmpada incandescente, forno de resistência elétrica, etc.

Os resistores são também usados em um circuito para aumentar ou diminuir a intensidade da corrente elétrica que os percorre.

Resistência elétrica de um resistor – representa a medida da dificuldade imposta à movimentação das cargas elétrica que o atravessam (corrente elétrica), e é definida como a razão entre a diferença de potencial (U) nos terminais do resistor e a intensidade da corrente elétrica ( i ) que o atravessa:

A expressão acima é conhecida como Lei de Ohm

Um ohm (1Ω) é o valor da resistência elétrica entre dois pontos P e Q de um condutor quando, sob diferença de potencial de 1 volt

(1V) é percorrido por uma corrente elétrica constante de 1 ampère (1A).

Representação simbólica:

Primeira lei de Ohm – Se a resistência elétrica de um resistor for constante, a diferença de potencial aplicada nos seus extremos é diretamente proporcional à intensidade da corrente elétrica, ou seja,U1/i1=U2/i2= . . . =U/i=constante. Nesse caso eles são chamados de resistores (ou condutores) ôhmicos e, como a relação R=U/i é uma função do primeiro grau o gráfico U x i tem o aspecto do gráfico da esquerda da figura abaixo:

Qualquer gráfico U x i diferente do gráfico da esquerda da figura acima não representa um resistor ôhmico, como por exemplo, o gráfico da direita.

Potência elétrica de um condutor resistivo (resistor)

- Das relações R=U/i (I) e Po=i.U (II) --- isolando U em (I) e substituindo em (II) --- Po=i.(R.i) --- Po=R.i2 --- isolando i em (I) e substituindo em II --- Po=i.U=(U/R).U --- Po=U2/R

Potência elétrica - Energia elétrica

Todos os aparelhos elétricos necessitam de energia elétrica para funcionar. Quando recebem essa energia, eles a transformam em outra forma de energia. Assim, um ventilador transforma energia elétrica em energia mecânica e energia térmica; uma lâmpada de filamento transforma energia elétrica em luminosa e térmica; um chuveiro elétrico transforma energia elétrica em térmica, etc..

Quanto maior for a quantidade de energia transformada numa dada unidade de tempo, maior será a potência do aparelho. Portanto, potência elétrica é uma grandeza que mede a rapidez com que a energia elétrica é transformada em outra (ou outras) forma de energia, numa dada unidade de tempo.

Define-se potência elétrica (Po) como a razão entre a energia elétrica transformada ou transferida (W) e o intervalo de tempo (Δt) dessa transformação.

Observe na expressão acima que, quanto maior for a potência de um aparelho, maior será a quantidade de energia por ele dissipada.

Quando uma dada quantidade de carga elétrica Q é transportada pela força elétrica de um ponto a outro, cuja diferença de potencial é U, a energia transferida W (trabalho da força elétrica) é fornecido pela expressão --- W=Q.U --- Po=W/Δt --- i=Q/Δt --- Po=Q.U/Δt --- Po=i.U

Sendo o joule (J) uma unidade de energia elétrica muito pequena, para medir o consumo de energia elétrica de residências, prédios, fábricas, etc , essa medida, em joules (J) é expressa por um número muito grande e, assim, na prática usa-se o quilowatt-hora (kWh), cuja relação com o joule é a seguinte --- W=Po.Δt --- 1kWh=1.000W.1h=1.000W.3.600s --- 1kWh=3,6.106J --- 1 kW.h é a quantidade de energia dissipada por um

aparelho elétrico de potencia nominal 1.000 Watts, funcionando durante uma hora.

Os medidores de energia elétrica e o respectivo consumo são expressos em kWh.

O que você deve saber

Observe na expressão W=Po.Δt que, quanto maior for a potência de um aparelho, maior será a quantidade de

energia por ele dissipada no mesmo intervalo de tempo.

1kWh=3,6.106J --- 1 kW.h é a quantidade de energia dissipada por um aparelho elétrico de potencia nominal

1.000 Watts, funcionando durante uma hora (3.600s).

Uma lâmpada incandescente de Po=100W e U=127V tem a mesma luminosidadeque uma

lâmpada fluorescente de Po=25W e U=127V, mas a lâmpada de Po=25W dissipamenos potência e consequentemente consome menos energia elétrica.

Eficiência luminosa de uma lâmpada - relação entre o fluxo luminoso total emitido e a potência total

absorvida pela fonte --- e= (fluxo luminoso total emitido – medido em lúmens (lm))/ potência total absorvida pela lâmpada – medida em watts (W)). Assim, a eficiência de uma fonte se expressa em lúmens / Watts (lm/W) --- As lâmpadas fluorescentes iluminam muito mais do que as lâmpadas incandescentes de mesma potência, pois, nas lâmpadas fluorescentes a eficiência luminosa, medida em lumens por watt (lm/W), é da ordem de 60 lm/W e, nas lâmpadas incandescentes, da ordem de 15 lm/W.

Em toda embalagem deve vir - Marca do fabricante, potência (W), tensão (V), eficiência em lúmens por Watts (lm/W)

e corrente eficaz (A).

Segunda lei de Ohm (Resistividade)

Através de pesquisa, Ohm descobriu que a resistência elétrica de um condutor, mantida a temperatura constante, depende de três fatores:

A resistência elétrica R é diretamente proporcional ao comprimento l do fio

Considere um fio metálico condutor de mesmo material (cobre Cu) e mesma área de seção transversal S, submetido a uma diferença de potencial constante U.

Experimentalmente constata-se que R é diretamente proporcional a L, ou seja, a um comprimento duplo corresponde uma resistência dupla, a uma comprimento triplo, resistência tripla, etc.

A resistência elétrica R é inversamente proporcional à área se seção reta transversal (S).

No esquema abaixo, os fios são de mesmo material e mesmo comprimento l, mas com seções retas (espessuras) de áreas S diferentes.

Nesse caso, a resistência R é inversamente proporcional a S, ou seja, que, à área de seção transversal dupla, a resistência cai pela metade; à área tripla, resistência três vezes menor, etc..

A resistência elétrica R depende do material que constitui o corpo.

Fios de mesmo comprimento l e mesma área de seção transversa S, mas, de materiais diferentes, apresentam

diferentes resistências elétricas.

À essa dependência do valor da resistência em relação ao material que constitui o resistor, chama-se resistividade do material e representa-se pela letra grega ρ “rô”.

Pode-se representar matematicamente os três fatores acima pela equação:

Unidade da resistividade (ρ) n0 sistema internacional de unidades (SI) --- R=ρ.l/S --- ρ.l=S.R --- ρ=R.S/l --- unidade de (ρ)=Ω.m2/m --- u(ρ) no Si=Ωm

Sendo os fios que mais usamos de pequenos diâmetros, costumamos exprimir seu comprimento em metros (m) e a área de seção transversal S em milímetros quadrados (mm2).

O que você deve saber

Quando você afirma, que a resistividade do alumínio no SI é ρAl=2,8.108Ωm, você quer dizer que um condutor de

alumínio, com 1m de comprimento e 1m2 de área de seção reta transversal, tem uma resistência de R=2,8.108Ω, mantida a temperatura constante, no nosso exemplo a 20oC.

Reostatos – são resistores variáveis cuja finalidade é adaptar a intensidade da corrente elétrica a valores

desejados.

Condutor oco - A área da seção transversal da parte oca (S) é igual à área do círculo maior de raio ( R ) menos a

do

círculo menor de raio ( r ) --- Smaior=π(R)2 --- Smenor=π( r )2 --- S=π.R2 – π.r2 --- S=π( R2 – r2) --- a expressão da resistência fica --- R=ρ.L/π(R2 – r2)

Corrente elétrica (i)

Num fio metálico condutor, os elétrons livres não estão em repouso e seus movimentos são totalmente desordenados. Para orientá-los estabelece-se entre dois pontos desse condutor uma diferença de potencial (ddp), que

origina um campo elétrico ( ), responsável pela orientação do movimento desses elétrons livres. Sendo a carga de um elétron negativa, eles se movem em sentido contrário ao do campo elétrico. Observe na figura, que, devido à diferença de

potencial (VA – VB), os elétrons livres (portadores de carga) são repelidos pelo pólo negativo , de potencial VB da bateria (gerador) e atraídos pelo pólo positivo VA, deslocando-se no sentido anti-horário.

Sentido da corrente elétrica – por convenção, o sentido da corrente elétrica é contrário ao sentido do movimento dos portadores de carga negativa. Assim, num condutor sólido, o sentido da corrente elétrica é contrário

ao do movimento dos elétrons livres, nos líquidos, contrário ao movimento dos íons negativos e nos gases, contrário ao do movimento dos elétrons.

Intensidade da corrente elétrica (i) – Seja um condutor metálico de seção transversal S, sendo percorrido por

uma corrente elétrica. Se, por S, passam n elétrons (portadores de carga) num intervalo de tempo (Δt), o módulo da carga elétrica total (Q) que flui por S nesse intervalo de tempo será --- Q=n.e --- onde e é o módulo da carga elétrica elementar (de um elétron) e n é um número inteiro.

Define-se a intensidade de corrente elétrica como sendo a grandeza escalar --- i=Q/Δt. Esta expressão fornece a intensidade média de corrente elétrica mas também pode medir corrente elétrica constante.

A unidade de corrente elétrica no SI é o ampère ( em homenagem ao físico e matemático francês André Marie Ampère “1775-1836”), de símbolo A.

I=Q/Δt --- 1 ampère=1 coulomb/1 segundo --- 1A=1C/1s

Submúltiplos do ampère:

1 miliampère=1mA=10-3A

1 micro-ampère=1μA=10-6A

1 nanoampère=1nA=10-9 A

1 picoampère=1pA=10-12 A

Corrente alternada (CA) – o sentido e a intensidade desse tipo de corrente variam periodicamente com o tempo. A corrente elétrica alternada, no Brasil, inverte seu sentido e retorna ao sentido original, 60 vezes por segundo, ou seja, sua freqüência é de 60Hz. Esse tipo de corrente é gerada nas usinas hidrelétricas, termoelétricas, nucleares, etc.

Toda a rede de transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo é do tipo corrente alternada (CA).

Gráfico da intensidade de uma corrente contínua em função do tempo

Efeitos da corrente elétrica – A passagem da corrente elétrica através de diversos tipos de condutores provoca,

dependendo da natureza dos condutores, diferentes efeitos:

Efeito Joule (efeito térmico) – Quando os elétrons livres que se movem ordenadamente no interior do condutor se chocam contra os átomos desse material eles recebem energia e, ao receberem essa energia, vibram mais intensamente. Esse aumento vibratório dos átomos do condutor provoca um aumento de sua temperatura, liberando calor e aquecendo-o, provocando a transformação da energia elétrica em energia térmica (efeito Joule).

Esse efeito é a base do funcionamento dos aquecedores elétricos, chuveiros elétricos, secadores de cabelo, lâmpadas térmicas, ferro elétrico etc.