2 Subdomnio Energia e fenmenos eltricos 2 1

2 Subdomínio Energia e fenómenos elétricos

2. 1 Grandezas elétricas

Em 1897, Joseph Thomson identificou a primeira partícula elementar: o eletrão. Joseph Thomson (1856 -1940) Físico inglês laureado com o Prémio Nobel da Física pelo contributo das suas descobertas para a compreensão da matéria.

Além de esclarecer dúvidas acerca da constituição da matéria, a descoberta do eletrão trouxe a explicação para os fenómenos elétricos. Até à descoberta do eletrão, julgava-se que existia um «fluido elétrico» responsável pela eletrização dos corpos. Depois da descoberta do eletrão, os fenómenos elétricos passaram a ser interpretados com base na teoria atómica.

Carga elétrica

Esfregou-se um pedaço de vidro com um pano de seda vidro Tanto o vidro como a seda, inicialmente com carga elétrica nula, adquirem carga elétrica. As forças de atrito levam a um aquecimento das superfícies e ao consequente aumento da energia interna. O aumento de energia interna é suficiente para libertar eletrões do último nível no material cujos núcleos exercem menor atração. A seda fica com excesso de carga negativa (excesso de eletrões), enquanto o vidro fica com excesso de carga positiva (défice de eletrões).

Esfregou-se um pedaço de vidro com um pano de seda Ao dizer-se que um corpo adquire… … carga elétrica positiva, pretende dizer-se que passou a existir no corpo uma deficiência de eletrões em relação a protões. vidro … carga elétrica negativa, pretende dizer-se que passou a existir no corpo um excesso de eletrões em relação a protões. A unidade SI de carga elétrica é o coulomb (C). O valor total da carga (Q) de um corpo é dado por: Q=nxe n — número inteiro; e — unidade elementar de carga (1, 602 x 10 -19 C).

A unidade SI de carga elétrica é designada por coulomb em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736 -1806) Físico francês que, de uma forma engenhosa, conseguiu medir a força elétrica entre corpos carregados.

Condutores e isoladores elétricos

O cobre é um metal muito utilizado em instalações elétricas. No cobre, os eletrões não estão todos fortemente ligados aos núcleos atómicos. Alguns destes eletrões, denominados eletrões de condução, movimentam-se facilmente entre átomos vizinhos. Desta forma, a carga em excesso ao longo do corpo é facilmente transferida ao longo do material.

Quando o cobre é eletrizado, … … o excesso de carga é transferido a todas as partes do sistema pelos eletrões livres, com elevada mobilidade; … o sistema atinge o equilíbrio eletrostático quando o excesso de carga se distribuir por toda a superfície do condutor e o seu interior se mantiver neutro: Cobre em equilíbrio eletrostático com superfície carregada positivamente e interior neutro. Cobre em equilíbrio eletrostático com superfície carregada negativamente e interior neutro. O cobre é um bom condutor elétrico.

Os metais, … O corpo humano, … … o ar húmido, … … e o planeta Terra são bons condutores elétricos.

A borracha é utilizada no revestimento de luvas de eletricistas para impedir que o utilizador apanhe um «choque elétrico» . Na borracha, os eletrões estão fortemente ligados aos respetivos núcleos atómicos da ligação química. Os eletrões são, assim, impedidos de se movimentar entre núcleos vizinhos.

Quando a borracha é eletrizada, … … o excesso de carga não é transferido a outras regiões do corpo, afastadas da zona de eletrização, devido à reduzida mobilidade dos eletrões; … a carga fica em equilíbrio na região onde o corpo foi eletrizado, e todas as restantes regiões do corpo ficam eletricamente neutras: Borracha com zona carregada positivamente em equilíbrio eletrostático. Borracha com zona carregada negativamente em equilíbrio eletrostático. A borracha é um isolador elétrico.

A borracha, … … a madeira, … … a cortiça, … … o mármore, … … e o vidro são isoladores elétricos.

Diferença de potencial elétrico

Colocaram-se duas cargas positivas a uma distância d. + + d Como as cargas têm a mesma natureza, surgem forças elétricas repulsivas entre ambas, e estas têm tendência a afastar-se. Frepulsiva + + + d + Frepulsiva As cargas afastam-se Para que ambas as cargas sejam mantidas a uma distância d, é necessário que o sistema exterior realize trabalho contra a força elétrica de repulsão. Frepulsiva + + Fexterior d + Fexterior F+ repulsiva

Colocaram-se duas cargas positivas a uma distância d. + d + A energia potencial elétrica (Epe) do sistema constituído pelas duas cargas depende: do valor das cargas elétricas interatuantes; da distância relativa entre as cargas elétricas interatuantes.

Colocou-se uma carga positiva nas proximidades de outra carga, também positiva, mas de valor mais elevado: Q + + B A Epe(B) > Epe(A) Ambas as cargas são positivas, por isso têm tendência a afastar-se. Para deslocar a carga de A para B, é necessário que o sistema elétrico receba energia da vizinhança. A energia potencial elétrica em B é superior à energia potencial elétrica em A. A variação da energia potencial elétrica entre A e B não depende do percurso realizado para deslocar a carga entre esses dois pontos.

Colocou-se uma carga positiva nas proximidades de outra carga, também positiva, mas de valor mais elevado: Q + + B A Epe(B) > Epe(A) Se o valor da carga passar para o dobro, mantendo constantes as restantes condições, … 2 Q + + B’ A’ Epe(B’) = 2 x Epe(B) Epe(A’) = Epe(A) … a variação da energia potencial elétrica entre A e B aumenta também para o dobro.

A diferença de potencial elétrico (tensão) corresponde ao trabalho realizado (WFe) pela força elétrica para deslocar uma carga unitária positiva (carga de prova, q) de uma região (A) de potencial elétrico UA para outra região (B) onde o potencial elétrico é UB. UA – UB = Wq. Fe A unidade SI de diferença de potencial elétrico é o volt (V). O potencial elétrico numa região do espaço é de 1 volt quando o trabalho realizado pela força elétrica para transportar uma carga de 1 coulomb desde um ponto que esteja ao potencial zero (por exemplo, o solo) até essa região é de 1 joule. (UTerra = 0 V) A força elétrica, Fe , tal como a força gravítica, é uma força conservativa; por isso: WFe = – (ΔEpe)

Corrente elétrica

Em dias de tempestade, é frequente a ocorrência de relâmpagos. A faísca que se vê é uma manifestação da corrente elétrica. Há um movimento de eletrões entre dois pontos através de um meio condutor — o ar húmido. Esse movimento ocorre devido à diferença de potencial entre os pontos. Como este movimento é de curta duração, a corrente denomina-se transitória.

As baterias e as pilhas são frequentemente utilizadas para fornecer energia aos mais variados equipamentos. Com uma pilha é possível obter corrente elétrica num fio condutor sempre no mesmo sentido. O movimento de eletrões ocorre durante um intervalo de tempo suficientemente longo. Considera-se que a corrente elétrica obtida através de uma pilha é uma corrente permanente.

Numa pilha, distinguem-se dois terminais: Terminal positivo (+) Corresponde a um ponto de potencial elétrico elevado. Pode receber continuamente eletrões. Terminal negativo (–) Corresponde a um ponto de baixo potencial elétrico. Pode ceder continuamente eletrões. Ao conectar os dois terminais por diferentes condutores, forma-se um circuito elétrico. Num circuito elétrico como o da figura: o terminal positivo pode receber continuamente eletrões; o terminal negativo pode ceder continuamente eletrões.

Numa pilha, distinguem-se dois terminais: Terminal positivo (+) Corresponde a um ponto de potencial elétrico elevado. Pode receber continuamente eletrões. Movimento de eletrões Terminal negativo (–) Corresponde a um ponto de baixo potencial elétrico. Pode ceder continuamente eletrões. Entre os terminais da pilha, há uma diferença de potencial constante. Essa diferença de potencial é assegurada pela reação química de oxidação-redução que ocorre no interior da pilha. Gera-se um movimento de eletrões do terminal negativo para o terminal positivo.

Considere o seguinte circuito: A agulha magnética move-se A resistência aquece Ocorre uma reação química na solução aquosa condutora — eletrólise Cu. Cl 2 (aq) Cl 2(g) Cu(s) Ao fechar o interruptor, a corrente elétrica gera os seguintes efeitos: a resistência aquece — efeito térmico; a agulha magnética move-se — efeito magnético; formam-se novas substâncias junto aos elétrodos — efeito químico. Interruptor fechado

Considere o seguinte circuito: A agulha magnética move-se A resistência aquece Ocorre uma reação química na solução aquosa condutora — eletrólise Cu. Cl 2 (aq) Cl 2 (g) Interruptor fechado Cu(s) A indicação de que a corrente elétrica no circuito tem um sentido bem definido consoante as ligações feitas aos polos da pilha é evidente pelas seguintes observações: a orientação da agulha magnética muda quando se trocam as ligações à pilha; os produtos da reação química são diferentes, no voltâmetro, quando se trocam as ligações à pilha: os produtos de reação trocam de elétrodo onde se vão formar.

A corrente elétrica pode ser estabelecida por diferentes tipos de partículas, consoante o tipo de condutor: Condutor metálico sólido A corrente elétrica é assegurada pelos eletrões «livres» . Condutor eletrólito A corrente estabelece-se através de iões positivos e negativos que se deslocam em sentidos opostos. Condutor gasoso A corrente estabelece-se através dos iões e eletrões resultantes da ionização das moléculas ou átomos. Quando um condutor é ligado aos terminais de uma pilha, a atração e repulsão entre as partículas (eletrões ou iões) e os polos da pilha conduzem a um movimento orientado dessas partículas carregadas.

A corrente elétrica pode ser estabelecida por diferentes tipos de partículas, consoante o tipo de condutor: Condutor metálico sólido A corrente elétrica é assegurada pelos eletrões «livres» . Condutor eletrólito A corrente estabelece-se através de iões positivos e negativos que se deslocam em sentidos opostos. Condutor gasoso A corrente estabelece-se através dos Iões e eletrões resultantes da ionização das moléculas ou átomos. Numa secção de um fio condutor percorrido por corrente elétrica, verifica-se que os eletrões se deslocam maioritariamente em direção ao polo positivo da pilha.

Sentido real e convencional da corrente elétrica

Num condutor sólido metálico, as cargas negativas movimentam-se no sentido do polo positivo: sentido real sentido convencional O sentido real da corrente corresponde ao sentido real do deslocamento das cargas negativas. O sentido convencional (positivo) da corrente corresponde ao sentido do movimento das cargas positivas. A deslocação de uma carga negativa no espaço equivale à movimentação de uma carga de igual valor mas com sinal oposto no sentido contrário.

Num condutor sólido metálico, as cargas negativas movimentam-se no sentido do polo positivo: Sentido real Sentido convencional A corrente elétrica é um movimento ordenado de carga elétrica num condutor quando o mesmo está sujeito a uma diferença de potencial elétrico.

Intensidade da corrente elétrica

A intensidade de corrente é a quantidade de carga que atravessa uma secção transversal de um condutor, num dado intervalo de tempo. Quando a corrente elétrica é estacionária (não varia no tempo), a intensidade pode ser calculada pela expressão: I= Q Δt I — intensidade de corrente; Q — quantidade de carga; Δt — intervalo de tempo. A unidade SI para a intensidade de corrente elétrica é o ampere (A).

A unidade SI de intensidade de corrente é denominada ampere em homenagem a André-Marie Ampère (1775 -1836) Físico, matemático e filósofo francês que deu um importante contributo para o estudo do eletromagnetismo.

Resistência elétrica

cobre ferro O cobre e o ferro são ambos materiais condutores. Ao comparar dois fios semelhantes de cobre e ferro sujeitos à mesma tensão, verifica-se que a corrente elétrica atravessa com maior facilidade o cobre do que o ferro. O cobre é , por isso, melhor condutor elétrico do que o ferro.

cobre ferro Diz-se que os materiais têm diferentes resistências elétricas. A resistência elétrica (R) é a propriedade macroscópica característica de um condutor que traduz a oposição do material ao transporte da carga elétrica. A resistência elétrica (R) do material depende da intensidade de corrente (I), quando sujeito a uma tensão U: R = UI A unidade SI de resistência elétrica é o ohm (Ω).

cobre ferro O ferro resiste mais à passagem da corrente elétrica do que o cobre, logo a resistência elétrica do ferro é maior do que a do cobre. Isso significa que a intensidade de corrente no fio de ferro será inferior à intensidade de corrente no fio de cobre, quando sujeitos à mesma tensão, atendendo a que os fios têm características semelhantes.

Nos condutores metálicos, verifica-se uma proporcionalidade direta entre a tensão e a intensidade de corrente, a temperatura constante. I/A Quando se verifica esta proporcionalidade direta, dizse que o condutor é óhmico. U/V Lei de Ohm A resistência de um condutor metálico é constante, qualquer que seja a diferença de potencial elétrico (tensão) aplicado. R = U = constante I

Há materiais para os quais não se verifica uma proporcionalidade direta entre a tensão e a intensidade de corrente. I/A U/V Neste caso, diz-se que o condutor é não óhmico. R= U ≠ constante I

Conclusão Depois da descoberta do eletrão, os fenómenos elétricos passaram a ser interpretados com base na teoria atómica. A corrente elétrica é um movimento ordenado de carga elétrica num condutor quando o mesmo está sujeito a uma diferença de potencial elétrico. A Lei de Ohm diz que a resistência de um condutor metálico é constante, qualquer que seja a diferença de potencial elétrico (tensão) aplicado.