ELETRICIDADE BÁSICA EM REGIME DE CORRENTE CONTÍNUA

REVISIONAL (27-7-2020)

GAIOLA DE FARADAY

Gaiola de Faraday foi um experimento de Michael Faraday. Feito em 1836, através dele o químico Faraday provou o efeito da blindagem eletrostática, ou seja, mostrou que há “espaço neutro” num campo elétrico.

LEI DE FARADAY

A Lei de Faraday ou Lei de Indução Eletromagnética, enuncia que quando houver variação do fluxo magnético através de um circuito, surgirá nele uma força eletromotriz induzida.

CONSTANTE DE FARADAY

A Constante de Faraday é o resultado da multiplicação do Número de Avogadro (NA) pela carga elétrica do elétron (e) e o seu valor em unidades.

F = 96485,33289(59) C mol^-1

O Número de Avogadro é o 6,022 x 10 ²³ mol^-1 e a indicação matemática da Lei de Avogadro é a seguinte: V é o volume do gás; n é a quantidade de substâncias do gás; k é uma constante de proporcionalidade. O Número de Avogadro é um número padrão para representar um mol de quaisquer entidades elementares de átomos, moléculas, íons e elétrons.

Mol é uma unidade de medida utilizada para expressar a quantidade de matéria microscópica, como átomos e moléculas. É um termo que provém do latim mole, que significa quantidade, e foi proposto pela primeira vez em 1896 pelo químico Wilhem Ostwald. Porém, foi Amedeo Avogadro que sugeriu, em 1811, que a mesma quantidade de matérias diferentes apresentaria a mesma quantidade de moléculas, o que foi chamado de Constante de Avogadro.

Cálculo de Cargas Elétricas

Para calcular a quantidade de cargas elétricas, utiliza-se a seguinte expressão:

Q = n.e

Onde,

Q: carga elétrica
n: quantidade de elétrons
e: 1,6 . 10^-19C, chamada de carga elétrica elementar.

Tipos de Eletrização

Existem três tipos de eletrização: por atrito, por contato e por indução.

Eletrização por Atrito

Os elétrons estão localizados na eletrosfera, que é a parte externa do núcleo e são mantidos girando ao seu redor por forças eletrostáticas. Contudo, esta força vai diminuindo com a distância.

Desta forma, os elétrons mais exteriores da eletrosfera são mais facilmente retirados de sua órbita. Quando esfregamos dois corpos, alguns desses elétrons migram de um corpo para o outro.

Eletrização por Contato

Este tipo de eletrização ocorre quando um corpo condutor está carregado e entra em contato com um outro corpo. Parte da carga irá ser transferida para o outro corpo.

Neste processo, os corpos envolvidos ficam carregados com cargas de mesmo sinal e a carga do corpo que estava inicialmente eletrizado diminui.

ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO

A eletrização por indução pode ocorrer sem contato entre os corpos. Quando um corpo eletrizado (indutor) é aproximado de um condutor (induzido), inicialmente neutro, induz neste uma distribuição de cargas.

A Lei de Coulomb, formulada pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) no final do século XVIII, abrange os estudos sobre a força elétrica entre partículas eletricamente carregadas.

Ao observar a força eletrostática de atração entre as cargas de sinais opostos e de repulsão entre cargas que apresentam o mesmo sinal, Coulomb propôs a seguinte teoria:

“A força elétrica de ação mútua entre duas cargas elétricas puntiformes tem intensidade diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa”.

Fórmula da Lei de Coulomb

A partir da Lei de Coulomb, para calcular a força elétrica entre duas cargas utiliza-se a seguinte expressão:

Onde:

· F: força, em newton (N)

· q₁ e q₂: cargas elétricas, em coulomb (C)

· r: distância entre as cargas, em metros (m)

· K: constante eletrostática. No vácuo seu valor é 9.10⁹ N.m²/C²

Energia eletrostática ou energia potencial elétrica é a energia produzida pelo excesso de cargas elétricas em atrito. Ela é medida pela seguinte fórmula:

Energia Potencial.

A energia presente nos corpos dando a eles a capacidade de realizar trabalho é chamada de Energia Potencial.

Quando está relacionada aos trabalhos da força peso, a energia armazenada nos corpos é chamada Energia Potencial Gravitacional e quando está associada a uma força elástica é Energia Potencial Elástica.

A unidade de medida da Energia Potencial é Joule.

Onde,

k = constante eletrostática
Q = carga fonte
q = carga de prova ou teste
d = distância entre cargas

CAMPO ELÉTRICO

Quando uma carga puntiforme eletrizada está fixa em um ponto, ao seu redor irá surgir um campo elétrico.

A intensidade deste campo depende do meio em que a carga está inserida e poderá ser encontrada através da seguinte fórmula:

Sendo:

E: intensidade do campo elétrico (N/C)
k₀: constante eletrostática no vácuo (9.10⁹ N.m²/C²)
|Q|: módulo da carga (C)
d: distância entre a carga e um ponto do campo

Vetor Campo Elétrico

Ao campo elétrico associamos uma grandeza vetorial chamada vetor campo elétrico. Como o próprio nome indica, trata-se de uma grandeza vetorial que possui módulo, direção e sentido.

Intensidade do Campo Elétrico

O valor da intensidade do campo elétrico pode ser encontrado através da seguinte fórmula:

Onde:

E: campo elétrico
F: força elétrica
q: carga elétrica

No Sistema Internacional de Unidade, a intensidade do campo elétrico é medido em Newton por Coulomb (N/C), a força em Newton (N) e a carga elétrica em Coulomb (C)

Sentido do Vetor Campo Elétrico

A força elétrica e o vetor campo elétrico possuem mesma direção. Entretanto, convencionamos que terão mesmo sentido quando a carga de prova for positiva, e sentido contrário quando a carga de prova for negativa.

Na ilustração abaixo, vemos o que acontece com o sentido do vetor do campo elétrico provocado por uma carga Q fixa e positiva quando colocamos uma carga de provas positiva e uma negativa:

Vemos na animação que o sentido do campo elétrico não depende do sinal da carga de prova, apenas do sinal da carga fixa. Assim, o campo gerado por uma carga positiva é de afastamento.

Por sua vez, quando o campo elétrico é gerado por uma carga negativa, temos as seguintes situações indicadas na imagem abaixo:

Observamos que quando a carga fixa que gera o campo é negativa, o sentido do vetor campo elétrico também não depende do sinal da carga de prova.

Sendo assim, uma carga fixa negativa gera um campo, ao seu redor, de aproximação.

POTENCIAL ELÉTRICO

Onde:

V = Potencial elétrico
Ep = energia potencial
Q = Carga elétrica

DIFERENÇA DE POTENCIAL

U = v_b - v_a

Onde,

U = diferença de potencial
v_a = potencial elétrico em a
v_b = potencial elétrico em 

CORRENTE ELÉTRICA

A corrente elétrica designa o movimento ordenado de cargas elétricas (partículas eletrizadas chamadas de íons ou elétrons) dentro de um sistema condutor.

Esse sistema apresenta uma diferença de potencial elétrico (ddp) ou tensão elétrica.

A corrente elétrica que transita nos resistores pode transformar energia elétrica em energia térmica (calor), num fenômeno conhecido como Efeito Joule.

A resistência de um fio condutor facilita ou dificulta a passagem da corrente elétrica, sendo calculada através da fórmula da Primeira Lei de Ohm (R=U/I).

TENSÃO ELÉTRICA

A tensão elétrica, também chamada de diferença de potencial (ddp), caracteriza a diferencial do potencial elétrico de dois pontos num condutor. É, portanto, a força decorrente da movimentação dos elétrons em determinado circuito.

No sistema Internacional (SI), a tensão elétrica é medida em Volts (V). Para calcular a tensão elétrica de um circuito elétrico, utiliza-se a expressão:

Os aparelhos eletrônicos, pilhas e baterias, apresentam o polo negativo e o polo positivo. Isso explica a diferença de potencial (ddp) presente no circuito de cada um deles.

Observe que o sentido da corrente elétrica é caracterizado de duas maneiras. Uma delas é a “corrente elétrica real”, ou seja, aquela que possui o sentido do movimento dos elétrons.

A outra maneira é a “corrente elétrica convencional”, cujo sentido é contrário ao movimento dos elétrons e é marcada pelo movimento das cargas elétricas positivas.

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a intensidade da corrente elétrica é medida em Ampère (A), a resistência em Ohm (Ω) e a tensão elétrica (ddp) é medida em Volts (V).

Potência elétrica é definida como a rapidez com que um trabalho é realizado. Ou seja, é a medida do trabalho realizado por uma unidade de tempo.

A unidade de potência no sistema internacional de medidas é o watt (W), em homenagem ao matemático e engenheiro James Watts que aprimorou a máquina à vapor.

P = U . i

Sendo,

P: potência (W)
i: corrente elétrica (A)
U: diferença de potencial (V)

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES

Associação de Resistores é um circuito que apresenta dois ou mais resistores. Há três tipos de associação: em paralelo, em série e mista.

Ao analisar um circuito, podemos encontrar o valor do resistor equivalente, ou seja, o valor da resistência que sozinha poderia substituir todas as outras sem alterar os valores das demais grandezas associadas ao circuito.

Para calcular a tensão que os terminais de cada resistor estão submetidos aplicamos a Primeira Lei de Ohm:

U = R . i

Onde,

U: diferença de potencial elétrico (ddp), medida em Volts (V)
R: resistência, medida em Ohm (Ω)
i: intensidade da corrente elétrica, medida em Ampére (A).

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM SÉRIE

Na associação de resistores em série, os resistores são ligados em sequência. Isso faz com que a corrente elétrica seja mantida ao longo do circuito, enquanto a tensão elétrica varia.

Assim, a resistência equivalente (R_eq) de um circuito corresponde à soma das resistências de cada resistor presente no circuito:

R_eq = R₁ + R₂ + R₃ +...+ R_n

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM PARALELO

Na associação de resistores em paralelo, todos os resistores estão submetidos a uma mesma diferença de potencial. Sendo a corrente elétrica dividida pelos ramos do circuito.

Assim, o inverso da resistência equivalente de um circuito é igual a soma dos inversos das resistências de cada resistor presente no circuito:

Quando, em um circuito em paralelo, o valor das resistências for iguais, podemos encontrar o valor da resistência equivalente dividindo o valor de uma resistência pelo número de resistências do circuito, ou seja: