Corrente elétrica

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Na vida do ser humano, poucas são as descobertas que revolucionaram mais a vida cotidiana dos homens que a produção e a utilização de energia elétrica. É muito comum convivermos com os benefícios dos celulares e computadores ou até mesmo a iluminação de ruas e casas, e isso se dá graças a energia elétrica como fonte energética.

O funcionamento dos aparelhos eletroeletrônicos se dá pela movimentação dos elétrons de forma ordenada com direção e sentido preferencial. É importante frisarmos que o movimento dos elétrons possui o sentido inverso ao movimento das cargas elétricas, que chamamos de corrente elétrica. O segmento da física que estuda esse fenômeno elétrico é chamado de eletrodinâmica.

Antes de abordarmos a fundo os temas cruciais da eletrodinâmica, necessitamos rever e compreender alguns conceitos que irão garantir as condições para a movimentação dos elétrons. O primeiro ponto a ser abordado é a influência do potencial elétrico. As cargas elétricas se deslocam de regiões de maior potencial elétrico para regiões de menor potencial (diferença de potencial) e, assim, as cargas elétricas tendem seguir o fluxo para região de menor energia potencial.

Outro fator imprescindível é a utilização de materiais condutores para condução dos elétrons. Os materiais condutores minimizam as dificuldades para movimentação dos elétrons maximizando o rendimento do processo. Com isso, se carregarmos duas chapas metálicas com cargas opostas interligadas por um fio condutor teremos a movimentação dos elétrons partindo da chapa carregada negativamente para a carregada positivamente e, com o passar tempo, haverá o aumento do potencial da chapa “negativa” e o diminuição da chapa “positiva” até que cessará quando os valores de potencial se igualarem.

O movimento de elétrons da chapa carregada negativamente para a chapa carregada positivamente se dá pela força elétrica gerada num campo elétrico que aponta para a chapa negativa. Segue abaixo a representação da movimentação dos elétrons de acordo com as cargas carregadas positivamente e negativamente.

Movimentação de elétrons entre as chapas
Movimentação de elétrons entre as chapas

Como já abordado, com o passar do tempo teremos a cessão do transporte dos elétrons de uma chapa para outra quando a diferença de potencial elétrico for nula. Para evitar que isso ocorra, é necessário a utilização de um gerador elétrico com objetivo de manter a diferença de potencial e consequentemente não cessar a corrente elétrica. Os geradores para manterem essa diferença de potencial transforma algum tipo de energia em energia elétrica, e os exemplos mais conhecidos de geradores são as pilhas e as baterias. Abaixo estão representadas as figuras que representam a diferença de potencial garantida pelo gerador e a representação do mesmo em circuitos elétricos.

Movimentação de elétrons e corrente elétrica entre as chapas interligadas ao gerador
Movimentação de elétrons e corrente elétrica entre as chapas interligadas ao gerador
Representação do gerador em circuito elétrico
Representação do gerador em circuito elétrico

Circuitos elétricos e suas particularidades

O circuito elétrico pode ser definido como a trajetória fechada em que a corrente elétrica e os elétrons fluem, neste caso o fio condutor é o meio precursor. Devemos pontuar que os elétrons se movimentam do polo negativo para o polo positivo do gerador, sendo um processo espontâneo, e esse trecho chamado de circuito externo (veja figura). Já para manter a diferença de potencial elétrico, os elétrons se movimentam do polo positivo para o polo negativo num processo não espontâneo no interior do gerador, também chamado de circuito interno. A seguir é demonstrado um circuito elétrico com seus respectivos fluxos de elétrons e da corrente elétrica.

Representação dos circuitos interno e externo e sentido dos elétrons e da corrente elétrica
Representação dos circuitos interno e externo e sentido dos elétrons e da corrente elétrica

Mais precisamente sobre a corrente elétrica, podemos notar na figura acima que o sentido convencional é o oposto ao fluxo dos elétrons. Sua representação é pela letra i e é medido em amperes. A representação matemática da corrente elétrica é a razão entre o módulo da carga elétrica e o intervalo de tempo, conforme representado abaixo.

i=\frac{\left | Q \right |}{\Delta T}

– i: corrente elétrica (A);

– Q: carga elétrica (C);

– ΔT: intervalo de tempo (s).

As correntes elétricas podem ser classificadas por espécies. Na corrente elétrica de 1ª espécie, os portadores de cargas livres são os elétrons. Já na corrente de 2ª espécie, os íons são os portadores das cargas livres. Em ambos os casos são aplicados a razão da matemática para o cálculo da corrente elétrica.

A corrente elétrica possui uma particularidade importante que é a forma de onda que basicamente consiste na representação algébrica dos valores de corrente em função do tempo. Numa representação gráfica, podemos notar, conforme abaixo, o aspecto ondulatório e, a área compreendida por essas grandezas, equivale a carga elétrica na seção transversal do corpo condutor.

Gráfico da corrente elétrica x tempo
Gráfico da corrente elétrica x tempo

Corrente contínua e corrente alternada

Outra classificação amplamente utilizada para as correntes elétricas é de acordo com o sentido que as correntes se propagam. Caso a corrente elétrica se propague em um único sentido é chamada de corrente contínua, por outro lado se o sentido variar de acordo com o tempo é denominada de corrente alternada. As correntes contínuas são aplicadas, principalmente, em pilhas recarregáveis e as correntes alternadas são utilizadas na distribuição de energia elétrica nas residências brasileiras. A figura abaixo representam os modelos de correntes contínua e alternada.

Representação das correntes contínua e alternada
Representação das correntes contínua e alternada

Princípio da continuidade da corrente elétrica

O princípio da continuidade da corrente elétrica diz que, independentemente do diâmetro da seção transversal do condutor, a corrente elétrica terá o mesmo valor. Assim, se diminuirmos ou aumentarmos a área transversal de um fio condutor a corrente elétrica será a mesma. Através dessa propriedade, podemos deduzir que se o fio condutor se dividir em dois ou mais fios, a soma das correntes elétricas dos fios gerados será a corrente elétrica antes da subdivisão. As figuras abaixo representam as propriedades do princípio da continuidade da corrente elétrica.

Continuidade da corrente elétrica para diferentes seções transversais
Continuidade da corrente elétrica para diferentes seções transversais
A soma das correntes elétricas dos fios gerados é igual a corrente elétrica antes da divisão
A soma das correntes elétricas dos fios gerados é igual a corrente elétrica antes da divisão

Bipolo elétrico

Os dispositivos eletroeletrônicos que possuem terminais de sinais opostos são chamados de bipolo elétrico. Os bipolos elétricos amplamente utilizados no nosso cotidiano são os resistores, os geradores ou até mesmo as lâmpadas. O bipolo elétrico, de diferença de potencial não nulo, é capaz de realizar trabalho em uma carga elétrica de um terminal A para o outro B conforme equação abaixo.

\tau =q.U_{AB}

– τ: trabalho realizado pela carga elétrica (J);

– q: carga elétrica de prova (C);

– UAB: diferença de potencial elétrico entre os pontos A e B (V).

Relacionando a razão do trabalho pela variação do tempo conseguimos definir o potência elétrica de um bipolo elétrico conforme as equações abaixo.

P=\frac{\tau }{\Delta t}=\frac{q.U_{AB}}{\Delta t}=i.U_{AB}

– P: potência elétrica (W);

– τ: trabalho realizado por uma carga elétrica (J);

– q: carga elétrica de prova (C);

– UAB: diferença de potencial elétrico entre os pontos A e B (V);

– Δt: intervalo de tempo (s);

– i: corrente elétrica (A).

Resistência elétrica

A resistência elétrica é uma propriedade amplamente utilizada na eletrodinâmica e consiste basicamente na capacidade de um corpo dificultar a passagem de uma corrente elétrica. Essa propriedade relaciona a tensão (U) em função da corrente elétrica (i). A unidade utilizada para representar a resistência elétrica é ohm (), homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm, um dos precursores no estudo da eletrodinâmica. Abaixo é demonstrado a relação matemática para o cálculo da resistência elétrica.

R=\frac{U}{i}

– R: resistência elétrica (Ω);

– U: diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica (V);

– i: corrente elétrica (A).

Como citado anteriormente, Georg Simon Ohm foi um importante pesquisador na área da eletrodinâmica e em um dos seus trabalhos foi convencionado que a tensão elétrica é diretamente proporcional à corrente elétrica nos casos em que a temperatura é constante. Esse trabalho ficou conhecido como a primeira lei de Ohm, na qual a resistência elétrica é constante de acordo as equações abaixo.

R=\frac{U_1}{i_1}=\frac{U_2}{i_2}=\frac{U_3}{i_3}=...=constante

– R: resistência elétrica (Ω);

– U: diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica (V);

– i: corrente elétrica (A).

Efeito Joule

O Efeito Joule consiste na transformação de energia elétrica em energia térmica. Esse efeito acontece nos casos em que a corrente elétrica se locomove num condutor de resistência elétrica diferente de zero, e a energia cinética proveniente do movimento dos elétrons resulta no aumento da temperatura do fio condutor (energia térmica). Esse efeito é aplicado em diversos casos como em lâmpadas incandescentes, soldadores elétricos e chuveiros elétricos.

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