Vamos treinar cálculos que envolvam corrente elétrica, tensão elétrica e resistência? A seguir estão disponibilizados alguns exercícios sobre a Lei de Ohm – que você pode revisar clicando aqui – para que você possa estudar e treinar a resolução de problemas simples de eletricidade e eletrônica.

A Primeira Lei de Ohm define que a resistência de um material é uma razão entre a tensão aplicada sobre ele e a corrente elétrica resultante, originando a fórmula:

Onde R é a resistência, em ohms, U é a tensão elétrica, em volts, e I é a corrente elétrica, em ampères.

As respostas de cada exercício estão no final do artigo, juntamente com uma resolução passo-a-passo e comentada.

Bons estudos!

Exercício 01

Um resistor de 120 Ω é percorrido por uma corrente elétrica de 40 mA. Qual será o valor da tensão elétrica (ddp) entre os terminais desse componente?

1. 16 V
2. 1,2 V
3. 40 x 10-3 V
4. 0,333 V
5. 4,8 V

Exercício 02

Um resistor em um circuito, quando submetido a uma tensão elétrica de 110 V, é atravessado por uma corrente de intensidade igual a 16 A. Quando a corrente que o atravessa for igual a 10 A, a tensão, em volts, nos terminais do componente, será de:

1. 80 V
2. 68,75 V
3. 16,10 V
4. 14,54 V
5. 94,00 V

Exercício 03

Um resistor de resistência R, ao ser submetido a uma tensão elétrica U, passa a ser percorrido por uma corrente I. O valor da corrente elétrica neste circuito, se a tensão elétrica for o triplo do valor inicial e o resistor for trocado por um outro componente cuja resistência seja cinco vezes maior que a do componente original, será de:

1. 3I/2
2. 3I
3. I/6
4. 3I/5
5. 5I

Exercício 04

Considere o circuito a seguir:Qual será a corrente elétrica que atravessa a lâmpada LMP1, de acordo com os valores de tensão e resistência indicados no diagrama esquemático indicados?

Exercício 05

Determine a corrente elétrica que flui por um resistor de 100 kΩ quando ele é submetido a uma tensão elétrica de 220 V.

1. 0,2202 A
2. 100 A
3. 22000 nA
4. 0,0022 A
5. 22 mA

Exercício 06

Um fio de cobre, de 1,50 m de comprimento, é atravessado por uma corrente de 3A ao ser ligado a uma fonte de 18V.
Calcule a corrente que atravessa esse fio se ele tiver seu tamanho reduzido a 30 cm de comprimento.

Dica: lembre-se das regras que relacionam o diâmetro e o comprimento de um fio metálico com sua resistência elétrica (ôhmica).

Para revisar

Ficou confuso? Assista ao vídeo a seguir para rever o conceito da Lei de Ohm e ver exemplos resolvidos passo-a-passo:

Respostas

Exercício 01

Como U = R x I, temos que:

U = 120 Ω x 40 mA
U = 120 Ω x 0,040 A
 U= 4,8 V

Resposta: Alternativa ‘e’, 4,8 V

Exercício 02

Neste caso, U = 110 V e I = 16 A. Assim, a resistência do componente será de:

R = U / I =
R = 110 V / 16 A =
R = 6,875 Ω

Para este valor de resistência, quando a corrente que atravessa o componente for de 10 A, teremos:

U = R x I =
U = 6,875 Ω x 10 A =
U = 68,75 V

Resposta: Alternativa ‘b’, 68,75 V

Exercício 03

Temos que I = U / R. Assim, se triplicarmos a tensão elétrica e quintuplicarmos a resistência, teremos:

I_final = 3I_inicial / 5

Resposta: Alternativa ‘d’, 3I/5

Exercício 04

Aqui temos uma ddp de 24 V e uma resistência de 32 ohms. Para calcular a corrente elétrica que atravessa a lâmpada fazemos:

I = U / R
I = 24 V / 32 Ω
I = 0,75 A

Resposta: 0,75 A (ou 750 mA)

Exercício 05

Um resistor de 100 kΩ tem 100.000 Ω de resistência elétrica (o prefixo kilo- significa “vezes mil”). Com uma força eletromotriz de 220 V sendo aplicada sobre ele, a corrente que o atravessará será de:

I = U / R
I = 220 V / 100.000 Ω
I = 0,0022 A

O que equivale a 2,2 mA (basta multiplicar por mil para converter de A para mA).

Resposta: Alternativa ‘d’, 0,0022 A

Exercício 06

Aqui não precisamos aplicar a lei de Ohm para calcular a corrente. Basta lembrarmos que, se duplicamos o comprimento de um fio, sua resistência também duplica, e consequentemente, a corrente que o atravessa cai pela metade, visto que são grandezas inversamente proporcionais (quando a resistência aumenta, a corrente diminui, e vice-versa).

Neste exemplo o comprimento do fio cai de 1,5 m (150 cm) para 30 cm, que equivale a 0,3 m. Assim, o fio foi encurtado em:

1,5 m / 0,3 m = 5 vezes

Portanto, se o fio ficou 5 vezes mais curto, a corrente que o atravessa se tornará 5 vezes maior. Como a corrente inicial era de 3 A, teremos:

I_final = I_inicial x 5
I_final = 3 A x 5
I_final = 15 A

Resposta: 15A 

E aí, conseguiu acertar todos os exercícios sobre Lei de Ohm? Parabéns!

Caso ainda esteja em dúvidas, assista ao vídeo acima para revisar o conteúdo sobre Lei de Ohm em Eletrônica.

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Neste post listaremos alguns dos fatos mais importantes e curiosos da história da eletricidade e do magnetismo, desde a Antiguidade Clássica até os dias de hoje. Os fatos estão listados em ordem cronológica, a maioria com o ano em que ocorreram indicado precisamente, e alguns com uma data aproximada, devido à incertezas cronológicas.

Cronologia

600 a.C – O filósofo grego Thales de Miletus (Tales de Mileto) descobriu que, ao esfregar um pedaço de âmbar em um pano de seda, esse âmbar se tornava carregado com uma energia invisível, e era capaz de atrair outros objetos. Essa energia é o que chamamos de Eletricidade Estática.

Tales de Mileto

1175 – O monge inglês Alexander Necken descreveu o funcionamento de uma bússola

1269 – O estudioso francês Peter Peregrinus escreveu ou primeiro tratado europeu contendo a descrição das propriedades dos ímãs, denominado Epistola de Magnete.

1600 – O médico e cientista inglês William Gilbert citou pela primeira vez a ideia de eletricidade e foi a primeira pessoa a pesquisar as propriedades da pedra-ímã (magnetita), de forma sistemática. Ele escreveu sobre a eletrificação de diversas substâncias e foi a primeira pessoa a empregar os termos “força elétrica”, “pólo magnético” e “atração elétrica”. Ele também repudiava a ideia corrente na época de que a Terra era o centro do Universo e sugeriu que o magnetismo era uma espécie de “alma” do planeta. Suas descobertas foram publicadas no livro De Magnete.

1660 – O físico, químico e filósofo irlandês Robert Boyle descobriu que a força elétrica podia ser transmitida através do vácuo, e estudou a atração e repulsão.

1675 – O químico inglês Stephen Gray fez a distinção entre materiais condutores e materiais não-condutores de cargas elétricas.

1742 – Uma edição da obra Principia, de Isaac Newton, foi publicada, incluindo uma nota no texto que demonstrava a lei do inverso do cubo, relacionada à força entre dois ímãs.

Isaac Newton

1750 – O geólogo inglês John Michell publicou a obra A Treatise on Artificial Magnets (Um Tratado sobre Ímãs Artificiais), na qual é descrito o processo de fabricação de ímãs de aço fortes, além de dissertar sobre as forças de atração e de repulsão dos ímãs.

1800 – O físico italiano Alessandro Volta inventou a primeira bateria química.

1809 – O inventor e químico inglês Sir Humphry Davy criou a primeira lâmpada elétrica, que consistia em um pedaço de carbono que emitia luz ao ser conectado por fios a uma bateria.

1820 – Hans Christian Oersted, na Dinamarca, André-Marie Ampère e François Arago, na França, de forma separada, confirmaram a relação existente entre a eletricidade e o magnetismo.
Oersted descobriu, acidentalmente, que uma corrente elétrica percorrendo um fio fazia com que a agulha de uma bússola colocada nas proximidades se movesse.

André Marie Ampère

1821 – O cientista inglês Michael Faraday publicou um importante trabalho sobre o princípio da rotação eletromagnética, o qual posteriormente seria importante para o desenvolvimento dos motores elétricos.

1826 – O físico e matemático alemão Georg Ohm definiu a relação entre potência, corrente, tensão e resistência elétricas nas Leis de Ohm.

Georg Ohm

1831 – Faraday provou que a eletricidade pode ser induzida por alterações em um campo eletromagnético. Também descreveu um motor elétrico, e realizou uma série de experimentos tentando provar que a eletricidade podia ser gerada a partir do magnetismo.

1832 – O fabricante de instrumentos francês Hippolyte Pixii construiu o primeiro magneto, um gerador elétrico manual que usava ímãs permanentes para produzir pulsos periódicos de corrente alternada. Este é considerado o primeiro gerador de corrente elétrica de uso prático.

1834 – O inventor americano Thomas Davenport inventa o motor elétrico, uma das mais importantes invenções na era da eletricidade.

1840 – O físico inglês James Prescott Joule pubica um estudo, On the Production of Heat by Voltaic Electricity, no qual ele descreve a quantidade de calor gerada por uma corrente elétrica que atravessa um condutor – a famosa Lei de Joule.

1844 – A primeira linha telegráfica oficial é completada nos Estados Unidos, e a primeira mensagem é enviada por Samuel Morse, seu inventor.

1845 – O físico alemão Gustav Kirchhoff apresenta suas leis de circuitos elétricos, a Primeira e a Segunda Leis de Kirchhoff.
Michael Faraday descobre uma forma de magnetismo diferente no bismuto, no vidro e outros elementos, que ele batiza de Diamagnetismo.

1486 – Em um ensaio curto, Michael Faraday sugere que a luz poderia ser um fenômeno eletromagnético.

Michael Faraday

1850 – O cientista Irlandês-Escocês William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin, apresenta os conceitos de suscetibilidade e permeabilidade magnéticas.

1851 – Lord Kelvin publica sua teoria geral da termoeletricidade.

1853 – Lord Kelvin deriva a fórmula para a energia magnética e desenvolve uma teoria do circuito RLC (Resistor-Indutor-Capacitor)

1858 – O físico e matemático alemão Julius Plücker descobre que forças magnéticas podem curvar os raios catódicos.
Um cabo elétrico telegráfico transatlântico é instalado com sucesso no leito do oceano. Funcionou durante seis meses.

1864 – O conjunto completo das equações do eletromagnetismo de Maxwell aparece em sua publicação On a Dynamical Theory of the Electromagnetic Field

1866 – O engenheiro francês Georges Leclanché inventa a bateria de célula seca, que ainda é empregada atualmente (de forma modificada).

1860 – 1870 – A teoria matemática dos campos eletromagnéticos foi publicada pelo físico teórico escocês James Clerk Maxwell, inaugurando uma nova era na física ao unificar o magnetismo, eletricidade e a luz. As quatro equações de Maxwell (quatro leis da eletrodinâmica) levaram à invenção posterior de tecnologias como a transmissão de energia elétrica, o rádio e a televisão, entre inúmeras outras.

1873 – O engenheiro inglês Willoughby Smith descobre a fotocondutividade ao observar que o elemento químico Selênio conduz a eletricidade melhor quando exposto à luz.
Neste mesmo ano, o físico escocês James Clerk Maxwell publica uma discussão detalhada de sua teoria do eletromagnetismo em sua obra Tratado sobre a Eletricidade e o Magnetismo.

1876 – O inventor americano Charles Brush inventou o dínamo de bobina aberta, um gerador capaz de produzir uma corrente elétrica constante.
Neste mesmo ano, o inventor Alexander Graham Bell recebe uma patente nos Estados Unidos por sua versão do telefone.

1878 – O físico e químico inglês Joseph Swan inventou a primeira lâmpada incandescente de bulbo (lâmpada elétrica). Porém, esse bulbo queimava rapidamente.

Joseph Swan

1879 – Thomas Edison, nos Estados Unidos, inventou uma lâmpada incandescente de bulbo, após realizar inúmeros experimentos. Sua lâmpada podia ser usada por cerca de 40 horas sem se queimar. Esta lâmpada foi sendo aperfeiçoada, e em 1880 já era capaz de durar mais de 1200 horas.

1880 – O físico alemão Emil Warburg descobre o efeito da Histerese, no qual materiais ferromagnéticos exibem um atraso na indução magnética logo após ocorrer uma mudança no campo magnetizante.
Neste ano também os físicos franceses Pierre e Paul-Jacques Curie demonstram experimentalmente a geração de eletricidade em determinados cristais, sujeitos à deformação mecânica. Esse efeito é chamado de Piezoeletricidade.

1881 – O físico alemão Hermann von Helmholtz ministra uma palestra em Londres, na qual argumenta que a eletricidade é dividida em partículas elementares, de forma similar ao átomo.
Neste mesmo ano a primeira estrada de ferro pública, construída por Siemens Halske, é aberta próximo a Berlim, na Alemanha.

1882 – A estação de energia Pearl Street é aberta em Nova Iorque por Thomas Edison. Foi uma das primeiras usinas de energia elétrica do mundo e tinha capacidade para alimentar até 5000 lâmpadas. Porém, a estação empregava corrente contínua, ao contrário da corrente alternada que usamos hoje em dia – e isso acarretava diversos tipos de problemas.

1883 – Nikola Tesla inventa a Bobina de Tesla, uma espécie de transformador que permitia aumentar uma tensão elétrica baixa, transformando-a em alta tensão, de modo a ser possível transportar energia por longa distâncias.
Neste mesmo ano, o engenheiro francês Léon Charles Thévenin publica um estudo que inclui o famoso teorema que leva seu nome – o Teorema de Thévenin; na prática, esse teorema havia sido desenvolvido muitos anos antes por Hermann von Helmholtz.

Nikola Tesla

1884 – Nikola Tesla inventa o alternador elétrico, que permite produzir corrente alternada. Até então, a energia elétrica era gerada exclusivamente a partir de baterias, na forma de corrente contínua.
Neste mesmo ano, o engenheiro inglês Sir Charles Algernon Parsons inventou um gerador de turbina a vapor, que era capaz de gerar grande quantidade de energia elétrica.

1886 – O eletricista americano William Stanley desenvolve o primeiro sistema elétrico de corrente alternada e apresenta o dispositivo Transformador.

1887 – O físico alemão Heinrich Hertz constrói um equipamento para gerar e detectar as ondas eletromagnéticas previstas por James Clerk Maxwell. Desta forma, ele se tornou a primeira pessoa a transmitir e receber ondas de rádio. Além disso, ele também descobriu o efeito fotoelétrico com esse mesmo experimento.

1888 – Novamente Nikola Tesla. Desta vez ele demonstrou o primeiro sistema de corrente alternada, o qual incluía unidades necessárias para produzir a eletricidade e seu uso, incluindo gerador, transformadores, sistema de transmissão, motor e lâmpadas. Os direitos de patente sobre esse sistema foram comprados por George Westinghouse.
Ainda nesse ano, Charles Brush foi o primeiro a empregar um grande moinho de vento para gerar eletricidade. Ele usava o moinho para carregar baterias no sótão de sua casa na cidade de Cleveland (estado de Ohio, EUA).

1890 – O primeiro trem subterrâneo (metrô) inicia sua operação em Londres (London Underground).

1895 – Inauguração da usina hidrelétrica das Cataratas do Niagara. No ano seguinte, ela já enviava energia elétrica para clientes na cidade de Buffalo, em Nova Iorque, a 32 km de distância.
Também neste ano, o físico alemão Wilhelm Roentgen descobre os Raios-X, ao realizar experimentos com tubos de raios catódicos.

1896 – A radioatividade natural é observada pela primeira vez pelo físco francês Antoine-Henri Becquerel.
O inventor italiano Guglielmo Marconi recebe a patente pela invenção do Rádio, equipamento que permitia a transmissão de sinais por meio de ondas eletromagnéticas.

1897 – O físico inglês Joseph John Thomson descobre o elétron.
O físico alemão Karl Braun inventa o Osciloscópio com Tubo de Raios Catódicos (CRT).

Joseph John Thomson

1898 – O engenheiro dinamarquês Valdemar Poulsen inventa o Telegraphone, um dispositivo magnético rudimentar projetado para gravar conversas telefônicas.
Ainda neste ano, o físico neo-zelandês Ernest Rutherford determina que os raios descobertos por Becquerel eram compostos por duas formas distintas de radiação, que ele batiza de raios Alfa e Beta.

1899 – A primeira bateria recarregável de níquel-cádmio é desenvolvida por Waldmar Jungner na Suécia.

1901 – O inventor americano Thomas Edison desenvolve a primeira bateria Níquel-Alcalina.

1905 – O físico alemão Albert Einstein formula a Teoria da Relatividade Especial, indicando que a eletricidade e o magnetismo são dois aspectos de um mesmo fenômeno.

1906 – O engenheiro americano Lee de Forest inventa o Audion, uma válvula termoiônica de três eletrodos, que viria a ser muito importante nos dispositivos eletrônicos do início do século.

1907 – O pesquisador de rádio britânico Henry Joseph Round, assistente de Marconi, descobre a emissão infravermelha chamada eletroluminescência do arseneto de gálio ao realizar experimentos com o material e um detetor a cristal.

Estrutura Molecular do Arseneto de Gálio

1908 – O físico alemão Hans Geiger desenvolve o primeiro Contador Geiger, dispositivo empregado para detectar e contar partículas de radiação.

1909 – Os exploradores australianos Douglas Mawson e Edgeworth David completam a primeira expedição bem-sucedida ao pólo magnético sul da Terra.

1912 – O físico alemão Max von Laue prova que os Raios-X possuem natureza eletromagnética.

1919 – O inventor americano Edwin Armstrong desenvolve o Circuito Superheteródino, que viria a ser largamente empregado na recepção, conversão e amplificação de ondas eletromagnéticas para transmissão de rádio e TV futuramente.

1929 – O Cabo Coaxial tem um pedido de patente requisitado pelos engenheiros americanos Herman Affel e Lloyd Espenschied.

1930 – São produzidos os primeiros ímãs de AlNiCo. O cientista alemão Hermann Kemper estuda o emprego de campos magnéticos em conjunção com trens e aviões.

1931 – É construído o primeiro Cyclotron, um tipo de acelerador de partículas circular, no qual as partículas subatômicas são aceleradas usando um campo elétrico alternado de alta frequência.

Cyclotron de 60 polegadas em Berkeley

1932 – O físico inglês James Chadwick descobre o Nêutron.
Ainda nesse ano, o físico americano Carl Anderson descobre o Pósitron, partícula com massa similar à do elétron, porém com carga positiva.

1934 – O inventor alemão Semi Joseph Begun constrói o primeiro gravador de fita magnética, usado para gravação de áudio.

1943 – É construído o primeiro computador eletrônico programável, pelo matemático inglês Professor Maxwell H. A. Newman, juntamente com o engenheiro, também inglês, Thomas H. Flowers.

1945 – O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), primeiro computador totalmente eletrônico, é completado após três anos de desenvolvimento e construção nos EUA.

1947 – O Transistor semicondutor é inventado nos Laboratórios Bell pelos pesquisadores John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley.

1952 – Os primeiros ímãs de ferrite cerâmica são produzidos comercialmente.

1953 – O Circuito Integrado é inventado por Jack Kilby (Texas Instruments) e Robert Noyce (Fairchild Semiconductor), de forma independente.

1966 – Ímãs de terras raras começam a ser desenvolvidos no Laboratório de Materiais da Força Aérea dos EUA, por K. J. Stmat e G. Hoffer.

1968 – O primeiro computador pessoal começa a ser comercializado pela empresa HP. Na verdade, o computador, que era o HP9100A, foi comercializado como sendo uma calculadora, pois os consumidores acreditavam que para ser considerado um computador o equipamento deveria ter grandes dimensões!

Computador HP900A

1969 – Os cientistas americanos James R. Powell e Gordan T. Danby patenteiam o primeiro projeto de trens de levitação magnética (Maglev).

1970 – São desenvolvidas as primeiras células solares de arseneto de gálio pela equipe liderada por Zhores Alferov, na antiga União Soviética.

1972 – A segunda geração de ímãs de terras raras é desenvolvida pelos americanos Karl Strnat e Alden Ray.

1973 – Primeira demonstração da tecnologia de Imagem por Ressonância Magnética (MRI) nos Estados Unidos, por Paul Lauterbar.

1982 – A General Motors e a japonesa Sumitomo Special Metals desenvolvem os ímãs de Neodímio.

1988 – Físicos alemães e franceses descobrem o efeito da Magnetoresistência Gigante, resultante de efeitos do spin de elétrons em camadas artificiais de materiais magnéticos. Este efeito é crucial para o desenvolvimento de discos rígidos de computadores.

1991 – O governo da Alemanha certifica a operação do primeiro trem Maglev para uso público.

2000 – A primeira estação geradora de eletricidade a partir de ondas do mar, batizada de LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer), começa a gerar eletricidade na ilha de Islay, na Escócia.

Referências

https://www.first4magnets.com/tech-centre-i61/information-and-articles-i70/history-of-electricity-magnetism-infographic-i148
https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/timeline/1940-1959

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No artigo anterior apresentamos o magnetismo, explicando suas origens e principais aplicações tecnológicas. Agora vamos explicar diversos conceitos básicos de magnetismo que serão muito importantes para o entendimento posterior de suas aplicações, incluindo a construção de dispositivos e circuitos eletro-eletrônicos.

O que será abordado neste artigo:

• O que é Campo Magnético
• O que são Pólos Magnéticos
• O que são as Linhas de Campo Magnéticas
• Definição de Fluxo Magnético
• O que é a Densidade de Fluxo Magnético
• O que é Permeabilidade Magnética
• Conceito de Relutância Magnética
• Ponto de Saturação Magnética
• O que é Coercividade
• A Temperatura ou Ponto Curie
• O que são Domínios Magnéticos
• Definindo a Retentividade Magnética
• O que é Susceptibilidade Magnética

Campo Magnético

Em física, damos o nome de Campo a um espaço no qual é possível perceber-se um determinado fenômeno, como o magnetismo ou a gravidade.

As forças de atração (forças magnéticas) de um ímã atuam ao redor deles, e o espaço de atuação dessas forças é denominado Campo Magnético. Assim, damos o nome de campo magnético ao valor físico usado para representar a força magnética. Uma substância magnética cria um campo magnético no espaço ao seu redor e esse campo exerce força em um material magnético que esteja posicionado dentro desse campo.

Tecnicamente, podemos definir o campo magnético como uma força magnética em um fio condutor atravessado por uma corrente elétrica por unidade de corrente e por unidade de comprimento, quando a corrente é perpendicular ao campo magnético. Simbolizamos o campo magnético pela letra H, e sua unidade de medida é o Tesla (T), que equivale a um N/A.m (Newton por Ampère-Metro).

Representamos o campo magnético por meio de linhas de força, ou linhas de campo magnético.

Portanto, o Campo Magnético é, em poucas palavras, a região ao redor de um ímã onde uma carga em movimento sofre uma força. É criado a partir das linhas de força magnéticas que se formam ao redor do ímã.

As linhas de força magnéticas nunca se cruzam, sendo sempre paralelas entre si. Além disso, elas se repelem mutuamente quando paralelas e na mesma direção.

O campo magnético também é conhecido como:

• Intensidade do Campo Magnético
• Força do Campo Magnético
• Campo Magnetizante.

Pólos Magnéticos

Em um ímã há dois pontos onde a força do campo magnético é maior. Esses locais são chamados de pólos magnéticos, e são identificados como Pólo Norte e Pólo Sul. Se um ímã for deixado livre para girar sobre seu eixo, um de seus pólos irá apontar para o Pólo Norte terrestre (mais precisamente, Pólo Norte Magnético). Isso ocorre porque a Terra se comporta como um ímã gigante, possuindo seu próprio magnetismo, alinhado ao longo do eixo dos pólos norte e sul.

Em um ímã, Pólos diferentes se atraem. Ilustração: Sandra Tamashiro

Pólos similares se repelem, ao passo que pólos diferentes se atraem. Se um ímã for cortado ao meio, cada metade terá seus próprios pólos norte e sul, pois é impossível separar os pólos magnéticos; assim todo ímã é um dipolo, e não existem monopolos magnéticos (mas monopolos elétricos existem – as cargas elétricas em si).

Em um ímã, Pólos iguais se repelem. Ilustração: Sandra Tamashiro

Linhas de Campo Magnético

Em 1840 o físico inglês Michael Faraday visualizou o campo magnético como sendo uma zona ocupada por uma infinidade de linhas de força. Cada linha de força representa um laço de energia magnética, que possui um sentido definido: parte do pólo norte do ímã, atravessa o espaço de influência do campo magnético e chega ao pólo sul do ímã, atravessando o interior do ímã e voltando ao pólo norte.

Linhas de Força no Campo Magnético de um ímã. Ilustração por Sandra Tamashiro.

As linhas magnéticas não se cruzam entre si, sendo sempre paralelas. O conjunto de linhas de força recebe o nome de Fluxo Magnético. Quanto mais linhas de força um campo magnético tiver, mais forte será.

Resumindo, as linhas de campo magnéticas formam sempre um loop completo.

Experimentos com ímãs. Museu Catavento – São Paulo

As linhas de campo magnético sempre seguem de N para S.

Fluxo Magnético

O Fluxo Magnético indica a quantidade (número) das linhas magnéticas produzidas por um ímã. A direção das linhas magnéticas segue de norte para sul (fora do ímã) e de sul para norte (dentro do ímã), formando, assim, um loop fechado.

O fluxo magnético Φ é medido em Weber (Wb), e pode ser calculado com a seguinte fórmula:

Φ = B.A

Onde B é a Densidade do Fluxo Magnético e A é a área do campo magnético

Um Weber equivale a 10⁸ linhas de força, o que equivale a 1 Maxwell. O Maxwell é a unidade de fluxo magnético no sistema CGS.

Densidade de Fluxo Magnético

A Densidade de Fluxo Magnético, simbolizada por B, se refere ao número de linhas de fluxo magnéticas que atravessam um determinado ponto em uma superfície.

Quanto maior a densidade de fluxo, mais forte será o ímã, pois haverá mais linhas de força magnéticas em uma determinada área..

Medida em Tesla (T) no SI, que equivale a um Weber por metro quadrado (Wb/m²). No sistema CGS sua unidade é o Gauss (G), que equivale a 1/10000 T (1 T = 10000 G)

Permeabilidade magnética

A permeabilidade magnética é a facilidade com a qual as linhas de força magnética atravessam um material. O ar é o material-base que usamos para medir a permeabilidade, em comparação com outros materiais. Assim, materiais ferromagnéticos possuem alta permeabilidade magnética.

A permeabilidade μ é a razão entre a densidade de fluxo B e a intensidade do campo magnético H, ou seja:

μ = B/H

A permeabilidade do ar, tomada como padrão para comparações, é igual a 1,26 x 10^-6.

Relutância Magnética

A relutância é o efeito oposto da permeabilidade magnética, ou seja, a resistência ou oposição de um material à passagem das linhas de força magnéticas, quando inserido em um campo. Materiais que deixam as linhas de força passar com facilidade possuem baixa relutância (como o ferro).
Já o ar possui uma relutância magnética maior que a do ferro, e portanto uma permeabilidade menor.

Ponto de Saturação

Estado de magnetismo além do qual um eletroímã é incapaz de ter mais força magnética. Os ímãs atômicos nos domínios não podem ser mais magnetizados, pois já se encontram totalmente alinhados e não é possível obter mais densidade de fluxo.

O ponto de saturação pode ser indicado em uma Curva de Magnetização BH, como segue:

Curva de Magnetização BH e Ponto de Saturação

Coercividade

Também conhecida como Coercividade Magnética ou Força Coerciva, trata-se da medida da habilidade que um material ferromagnético possui de suportar um campo magnético externo sem se desmagnetizar. É a intensidade requerida de um campo magnético aplicado que consegue reduzir a magnetização de um material ferromagnético a zero. Portanto, a coercividade mede a resistência de um material ferromagnético à desmagnetização.

Símbolo da coercividade magnética: H_c
Unidade de medida: A/m (ampère por metro) ou ainda Oersted (sistema CGS)

Materiais com alta coercividade são chamados de materiais magneticamente duros (hard), e são amplamente empregados na fabricação de ímãs permanentes. Já os materiais com baixa coercividade são chamados de “soft”, sendo comumente empregados em eletrônica, como os núcleos usados na fabricação de componentes como transformadores, bobinas, cabeças de gravação, etc.

Por exemplo, um ímã de neodímio possui coercividade que varia entre 800 e 950 kA/m, ao passo que o ferro puro possui coercividade de apenas 0,16 kA/m.

Temperatura Curie

A temperatura Curie, ou ponto Curie, é uma temperatura de transição a partir da qual um material perde suas propriedades magnéticas. No geral, um ímã deve ser empregado apenas em temperaturas significantemente mais baixas do que seu ponto Curie, que varia de material para material.

Por exemplo, a temperatura Curie de uma ferrite comum é de cerca de 450°C, ao passo que o ponto Curie do elemento Gadolínio (Gd) é de apenas 20°C.

Domínios

Domínios são áreas dentro de um material que possuem a mesma orientação magnética. Nestas regiões, os momentos atômicos dos átomos estão alinhados, porém um material pode possuir inúmeros domínios desalinhados entre si, cancelando-se uns aos outros, o que resulta em um material sem propriedades magnéticas aparentes.

Domínios Magnéticos desalinhados em um material ferromagnético

Alguns materiais permitem que seus domínios magnéticos se alinhem entre si, podendo ser rotacionados e manipulados por um campo magnético externo, criando assim um objeto com seu próprio campo magnético – um ímã.

Domínios magnéticos alinhados. O material está magnetizado.

Retentividade

Um material submetido a um campo magnético pode manter o magnetismo após a retirada do campo. Chamamos a essa característica de Retentividade, a qual depende do material em si, e que pode se apresentar em graus variados.

Materiais com alto grau de retentividade são empregados na fabricação de ímãs permanentes. Já materiais de baixa retentividade, que perdem o magnetismo rapidamente, podem ser usados na fabricação de elementos como núcleos de relés, solenoides e transformadores, entre outros componentes.

Susceptibilidade Magnética

Capacidade de um material em se magnetizar quando submetido à ação de um campo magnético.

Os diversos materiais respondem de formas diferentes ao serem inseridos em um campo magnético. Alguns se opõem à presença do campo, como os materiais diamagnéticos, e outros respondem a favor do campo, de forma fraca, como os materiais paramagnéticos. Há também alguns materiais que respondem de forma intensa à força do campo magnético, como os materiais ferromagnéticos.

A susceptibilidade magnética de um material é denotada por χ_m, sem unidade de medida (adimensional). Quando seu valor é positivo, o material é paramagnético; quando é negativo, o material é diamagnético.

Como exemplo, temos a seguir os valores de susceptibilidade magnética de alguns materiais:

• Bismuto: -1,6 × 10^-4
• Oxigênio: +1,9 × 10^-6
• Gadolínio: +4,8 × 10^-1

Referências

Gebreselasie, D. Electricity, Magnetism, Optics and Modern Physics 1ª Edição 2015 Ed. Bookboon

Crowell, B. Electricity and Magnetism 2ª Edição 2002 Ed. Light and Matter

Buschow, K.H.J.; De Boer, F.R. Physics of Magnetism and Magnetic Materials 1ª Edição 2004 Ed. Kluwer Academic Publishers

No próximo artigo vamos conhecer os tipos de magnetismo e suas aplicações.

Próximo: Tipos de Magnetismo

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Olá pessoal!

Este artigo  é um pouco diferente dos demais, por não se tratar de um tutorial técnico ou notícia de tecnologia. Vou responder a uma questão que há anos desperta a curiosidade do pessoal que me acompanha por aqui e no YouTube. Com frequência as pessoas me fazem essa pergunta:

“Porque você resolveu escolher o nome ‘Bóson‘ para batizar seu projeto de treinamentos em tecnologia gratuitos?” 

Bem, o motivo não é complicado. Sempre fui um grande fã de matérias como química e física, e queria tomar emprestado um termo proveniente de uma dessas disciplinas para nomear o canal do YouTube e o blog associado. Por exemplo, no passado trabalhei durante alguns anos como PJ (Pessoa Jurídica), e tive uma empresa que se chamava Pulsar Consultoria. Em Astronomia,  um Pulsar é um tipo especial de estrela, uma estrela de nêutrons (ou anã branca) que gira em torno do próprio eixo em alta velocidade, emitindo um feixe de radiação eletromagnética.

Quando eu estava criando a Bóson, pensei em usar outro termo astronômico como nome. A primeira ideia que me veio à mente foi a palavra Quasar, que é um tipo de objeto celeste (núcleo galáctico ativo de extrema luminosidade). Mas uma rápida busca no Google revelou que esse nome era amplamente usado, por empresas, projetos, produtos e outros websites. Resolvi, então, pensar em outros nomes.

Concepção artística de um Quasar – By ESO/M. Kornmesser – http://www.eso.org/public/images/eso1122a/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15700804

Não foi fácil. Toda palavra que eu pensava em usar, já estava em uso em muitos lugares. Fiz lista de nomes e passei dias procurando. Pensei em inventar palavras, mas nada aceitável me veio à mente. Usar, como nome de seu site, um termo que já é amplamente utilizado por outros não é uma boa ideia, principalmente do ponto de vista de SEO (Search Engine Optimization), além é claro da possibilidade de alguém não gostar muito e me acionar legalmente por conta do nome.

O Bóson de Higgs

Isso foi em meados de 2013. Um pouco antes, em 04 de julho de 2012, uma nova partícula elementar da matéria fora descoberta no acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider / Grande Colisor de Hádrons), e em  14 de março de 2013 o CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear) confirmou que se tratava, com alta probabilidade, do Bóson de Higgs, uma partícula elementar prevista em 1964 mas até então nunca encontrada experimentalmente. Desta forma, o Modelo Padrão de Partículas (Standard Model) se completou.

Esse fato foi amplamente noticiado pela imprensa especializada, e também pela imprensa comum, e me chamou a atenção. Pensei: “Tá aí – um nome ainda relativamente desconhecido das pessoas. Vamos ver o que aparece nas buscas do Google“.

Modelo Padrão de Partículas Elementares. Qualquer dia vou escrever sobre esse assunto, que é fascinante! By MissMJ – Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964

A busca não retornava praticamente nada a não ser alguns papers científicos mais antigos, as notícias do momento e mais alguns poucos sites com referências a respeito. Havia (ainda há) uma empresa americana que usava a palavra Boson (em inglês, portanto sem acento) em seu nome. E mais nada. Então, resolvi que era um ótimo termo a usar para batizar meu projeto de vídeos e tutoriais gratuitos, pois ainda era um termo desconhecido – mas não por muito tempo.

Desta forma, dei nome à Bóson Treinamentos em Tecnologia. Pergunta respondida e curiosidade saciada!

Mas ainda há uma outra pergunta que me fazem com frequência: “O que levou você a criar a Bóson Treinamentos?”

Essa pergunta é mais difícil de responder, pois envolve muito mais do que um simples nome. Vou respondê-la no próximo artigo.

Até!

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Uma rede wireless (“sem fio”, em inglês) é uma rede de dispositivos interconectados sem o uso de cabos metálicos ou ópticos, na qual a transmissão de sinais se dá por meio de ondas eletromagnéticas transmitidas e recebidas pelos equipamentos envolvidos.

O princípio de transmissão de sinais em uma rede sem fio é similar ao da transmissão de voz e música por uma rádio FM: os dados são modulados em uma onda portadora, que é transmitida por uma antena transmissora e captada por uma antena receptora conectada ao equipamento remoto, o qual processará a informação recebida e a disponibilizará para o usuário.

O que são Ondas Eletromagnéticas

Uma definição livre de ondas eletromagnéticas é descrita a seguir (retirada de fontes na Internet):

“A radiação eletromagnética é uma oscilação, em fase, dos campos elétricos e magnéticos, que, autossustentando-se, encontram-se desacoplados das cargas elétricas que lhe deram origem.

As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são perpendiculares entre si e podem ser entendidos como a propagação de uma onda transversal, onde as oscilações são perpendiculares à direção do movimento da onda (como as ondas da superfície de uma lâmina de água), que pode se deslocar através do vácuo, ou entendidos como o deslocamento de pequenas partículas, dentro do ponto de vista quântico, chamadas fótons.

A radiação eletromagnética são ondas que se auto-propagam pelo espaço. Parte de todo o espectro consegue ser interpretada através do olho dos diversos animais e, para cada espécie, denomina-se essa fatia de luz de luz visível. A radiação eletromagnética compõe-se de um campo elétrico e um magnético, que oscilam perpendicularmente um ao outro e à direção da propagação de energia.

A radiação eletromagnética é classificada de acordo com a frequência da onda, que em ordem decrescente da duração (período T) da onda são: ondas de rádios, micro-ondas, radiação terahertz (Raios T), radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, Raios-X e Radiação Gama.”

Propriedades das ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas possuem três propriedades principais:

• Amplitude
• Frequência
• Fase

Amplitude

A amplitude é a “altura” da onda, ou seja, a medida do valor de pico da energia transmitida. Quanto maior a amplitude de uma onda, maior será sua energia intrínseca.

Amplitude de uma Onda Eletromagnética

Frequência

A frequência de uma onda se refere ao número de ciclos completos que ocorrem a cada segundo. Por exemplo, se uma onda oscila uma vez por segundo, sua frequência é de um ciclo por segundo; se ela oscila mil vezes por segundo, sua frequência é de mil ciclos por segundo.

Na prática, usamos a unidade de medida denominada Hertz (abreviado por Hz) para representar a frequência de uma onda, sendo que 1 Hz = 1 ciclo por segundo. Então:

Onda com mil oscilações por segundo = Frequência de 1000 Hz.

Podemos (e devemos!) usar prefixos multiplicadores para representar os valores de frequências, pois na maioria das vezes são valores muito altos, o que dificulta a leitura sem a abreviação correta. Os prefixos mais utilizados são os seguintes:

• Kilo (k)  = multiplicado por mil (1000)
• Mega (M) = multiplicado por um milhão (1000 000)
• Giga (G) = multiplicado por um bilhão (1000 000 000)
• Tera (T) = multiplicado por um trilhão (1000 000 000 000)
• Peta (P) = multiplicado por um quatrilhão (1000 000 000 000 000).

Como exemplo, podemos citar um sinal de um telefone sem fio que opere na frequência de 900 MHz, o que equivale a 900 milhões de ciclos por segundo.

As Frequências de duas ondas distintas podem ser vistas na figura a seguir. Note a diferença de frequência entre as duas ondas representadas, sendo a primeira de frequência mais alta do que a segunda e, portanto, de comprimento de onda (tamanho da onda) menor:

Frequências de Ondas Eletromagnéticas

Fase

A fase de uma onda pode ser entendida como a posição relativa da onda em relação a um ponto específico de outra onda; assim, uma onda pode estar em fase com outra (ondas idênticas), ou defasada de x graus, como por exemplo ondas defasadas em 180º (ondas totalmente inversas entre si).

A fase é uma característica muito importante em diversas áreas de pesquisa e tecnologia de ondas eletromagnéticas.

Na figura a seguir vemos o deslocamento de fase que ocorre entre duas ondas eletromagnéticas de igual amplitude e frequência, chamado em inglês de “Phase Shift”. Note que a segunda onda inicia em posição diferente da primeira, 90º defasada:

Deslocamento de Fase em Ondas Eletromagnéticas

Na próxima lição vamos falar sobre o Espectro Eletromagnético.

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Traduzido e adaptado com permissão de Sparkfun.

Início

Átomos

Blocos de construção dos Átomos

Um modelo de átomo muito simplificado. Não está em escala, mas é útil para entender como um átomo é constituído. Um núcleo central de prótons e nêutrons é rodeado por elétrons em órbita (a exceção é o átomo de hidrogênio, que não possui nêutrons).

O modelo atômico de Bohr é um modelo muito útil para nossos estudos sobre eletricidade.

Um átomo de lítio.

Força Eletrostática

Diagrama de um átomo de cobre: 29 prótons no núcleo, rodeados por camadas de elétrons em circulação. Os elétrons mais próximos do núcleo são muito difíceis de remover enquanto os elétrons de valência, na camada externa precisam de pouca energia para serem ejetados do átomo.

Um modelo muito simplificado de cargas fluindo através de átomos e constituindo uma corrente elétrica.

Condutividade

Eletricidade Estática e Dinâmica

Eletricidade Estática

Quando as cargas encontram um meio de se igualarem, uma descarga eletrostática ocorre. A atração das cargas se torna tão grande que elas podem fluir através até mesmo dos melhores isolantes. Descargas eletrostáticas podem ser perigosas dependendo de qual meio as cargas atravessam e para quais superfícies elas são transferidas. Cargas que se equalizam por meio do ar podem resultar em uma descarga visível, pois os elétrons transferidos colidem com outros elétrons no ar,o qual se torna excitado e libera energia na forma de luz.

Uma descarga controlada. Cargas opostas são criadas em cada um dos condutores até que sua atração seja tão grande que elas acabem fluindo através do ar.

Pente atraindo papel picado por meio de eletricidade estática. Foto: Fábio dos Reis.

Eletricidade Dinâmica

Circuitos

Após essas reflexões, conseguimos entender como os elétrons podem fluir (se movimentar num condutor), mas como fazemos para que eles entrem em movimento a princípio? Então, uma vez que os elétrons estejam fluindo, como eles produzem a energia necessária para acender lâmpadas ou girar motores, por exemplo? Para entendermos como isso ocorre, vamos estudar os Campos Elétricos.

Campos Elétricos

O que é um campo?

Campos Elétricos

Campos elétricos de cargas únicas. Uma carga negativa tem um campo elétrico em direção interna porque ela atrai cargas positivas. A carga positiva, por sua vez, possui um campo elétrico em sentido externo, pois repele cargas de mesmo tipo.

Grupos de cargas elétrica podem ser combinados para formarem campos elétricos mais completos:

Potencial Elétrico (Energia)

Energia Potencial

Energia Potencial Elétrica

Potencial Elétrico

Se nós conectarmos nosso fio “recheado” de átomos condutores de cobre à bateria, o campos elétrico irá influenciar os elétrons livres (de carga negativa) nos átomos do cobre. Empurrados a partir do terminal negativo e atraídos pelo terminal positivo de forma simultânea, os elétrons no cobre se moverão de átomo em átomo criando o fluxo de cargas que nós conhecemos como eletricidade – Corrente Elétrica.

Acendendo uma Lâmpada

Esquema: Uma bateria (à esquerda) conectada a uma lâmpada (à direita). O circuito é completado quando a chave (no topo) é fechada. Com o circuito fechado, os elétrons podem fluir, empurrados a partir do terminal negativo da bateria através da lâmpada, em direção ao terminal positivo da bateria.

Avançando

Este tutorial foi traduzido e adaptado de Sparkfun, e o original pode ser acessado a partir do endereço https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-electricity. Sua licença é a CC BY-NC-SA 3.0.

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A carga elétrica é uma propriedade básica da matéria portada por algumas partículas elementares, que faz com que a matéria experimente uma força quando posicionada em um campo eletromagnético.

As cargas elétricas são de dois tipos gerais: positivas e negativas. Cargas elétricas de mesmo tipo exercem uma força de repulsão entre si, enquanto cargas de sinais opostos atraem-se mutuamente, quando próximas.

Um objeto possui carga elétrica negativa se possuir um excesso de elétrons, e carga elétrica positiva se tiver falta de elétrons (portanto, mais prótons do que elétrons em seus átomos). A matéria carregada eletricamente sofre influência de, e produz um campo eletromagnético. Desse modo, podemos dizer que a quantidade de carga elétrica que um corpo possui é determinada pela diferença entre q quantidade de prótons e a quantidade de elétrons que o corpo possui. Se o corpo tiver mais prótons que elétrons, está carregado com carga positiva; se tiver mais elétrons do que prótons, sua carga é negativa. Observe que apenas os elétrons podem variar, pois somente essas partículas podem se desligar de um átomo – os prótons estão sempre fixos no núcleo atômico, salvo em condições muito especiais, como uma explosão nuclear.

Atração e Repulsão de Cargas Elétricas

A unidade de medida de carga elétrica é o Coulomb, representado pela letra C, e o símbolo da carga elétrica é a letra Q.

A carga elétrica é quantizada, medida em múltiplos inteiros de uma unidade individual chamada de carga elementar e, que equivale a aproximadamente 1,602 x 10^-19 C (tanto para prótons quanto para elétrons); quarks (partículas constituintes dos prótons e dos nêutrons) possuem valores de carga que são múltiplos inteiros de e/3. A carga do próton é +e e a do elétron, -e (negativa), por convenção.

Um coulomb equivale, portanto, a 6,242 x 10¹⁸ e, e é definido como a quantidade de cargas que atravessa a secção transversal de um condutor carregando um ampère em um segundo. Portanto:

Uma das características mais importantes das cargas elétricas é de que elas são capazes de exercer uma força. Essa força está presente em um Campo Eletrostático, que envolve os corpos carregados. Se dois corpos de cargas de sinais diferentes forem colocados próximos um ao outro, o campo eletrostático irá se concentrar na região entre os corpos, e podemos representar o campo elétrico por meio de linhas de força entre os dois corpos. Quaisquer elétrons que adentrem esse campo serão atraídos pelo corpo com carga positiva, e repelidos pelo corpo com carga negativa. A figura a seguir ilustra esse fenômeno:

Campo Eletrostático – Cargas Opostas

Já quando duas cargas de mesma polaridade são posicionadas próximas entre si. as linhas de força irão se repelir mutuamente. A figura abaixo ilustra esse fenômeno:

Campo Eletrostático – Cargas Iguais

Lei de Coulomb

É uma lei da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas. Essa lei foi descoberta / publicada em 1785 pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb. A lei de Coulomb diz o seguinte:

A magnitude da força eletrostática de interação entre duas cargas pontuais é diretamente proporcional ao produto das magnitudes das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.

Podemos expressar a lei de coulomb com a fórmula a seguir:

Onde:

• F é a força de interação entre as cargas, em Newtons
• K é a constante de coulomb, que vale 8,9875517873861764 x 10⁹N.m²/c²
• q1 e q2 são as cargas, em módulo (sem sinal)
• d é a distância entre as cargas, em metros.

Podemos arredondar a constante k para o valor 9,0 x 10⁹ N.m²/c²

Como o coulomb é uma unidade de valor bem específico, é comum utilizarmos múltiplos ou submúltiplos em cálculos que envolvam carga elétrica. A tabela a seguir mostra alguns múltiplos e submúltiplos do coulomb, com seus respectivos valores:

Vejamos agora alguns exemplos de cálculos envolvendo cargas elétricas.

Exemplo 01: Um material possui uma carga em excesso de 12,48 x 10¹⁸ elétrons. Qual sua carga em coulombs?

Resolução:

Temos que a carga Q = Número total de elétrons / Carga de um coulomb. Então:

A carga elétrica do material é de 2 coulombs.

Exemplo 02: Uma carga de 3,5C atravessa a seção transversal de um condutor metálico. Calcule quantos elétrons passam por esse condutor por segundo.

Resolução:

Sabemos que 1C de carga equivale a 6,24 x 10¹⁸e (número de cargas elementares = número de elétrons). Então, se temos 3,5C de carga, basta multiplicarmos os valores para determinar o número total N de elétrons que atravessam esse condutor:

Portanto, pelo condutor passam 2,184 x 10¹⁹ elétrons por segundo.

Exemplo 03: Duas cargas pontuais, cada uma com uma carga de +1,0 C, estão separadas por uma distância de 1,0 m. Determinar a magnitude da força de repulsão elétrica entre elas.

Resolução:

Sabemos que a força é de repulsão pois ambas as cargas possuem o mesmo sinal (+). Vamos extrair os dados do enunciado do problema:

• q1 = 1,0 C
• q2 = 1,0 C
• d = 1,0 m
• F = ?

Vamos usar a constante de coulomb arredondada para 9,0 x 10⁹N.m²/c². Aplicando a fórmula da Lei de Coulomb temos:

Portanto, a força de repulsão entre as duas cargas é de 9,0 x 10⁹ Newtons.

Exemplo 04: Duas esferas estão carregadas com uma carga idêntica de -6,25 nC (nanocoulombs). A distância que as separa é de 61,7 cm. Determine a magnitude da força de repulsão elétrica entre elas.

Resolução:

Novamente, sabemos que a força é de repulsão porque ambas as esferas possuem carga de mesmo sinal, neste caso, negativa. Extraindo os dados do enunciado temos as seguintes informações:

• q1 = -6,25 nC = -6,25 x 10^-9 C
• q2 = -6,25 nC = -6,25 x 10^-9 C
• d = 61,7 cm = 0,617 m
• F = ?

Lembrando que 1 nC (nanocoulomb) equivale a 1 x 10^-9 C. Os valores das cargas elétricas de cada esfera serão utilizados sem o sinal (em módulo). Vamos aplicar a fórmula da Lei de Coulomb para calcular a força de repulsão:

Portanto, a força de repulsão entre as esferas é de 9,23 x 10^-7 Newtons.

Exemplo 05: Duas esferas com cargas de +3,37 μC (microcoulombs) e -8,21 μC atraem-se com uma força de -0,0626 N. Determine a distância que separa essas duas esferas.

Resolução:

Desta vez a força de interação entre as esferas é de atração, pois seus sinais são opostos. Isso significa que uma das esferas possui excesso de elétrons enquanto a outra esfera possui falta de elétrons. Vamos aos dados que usaremos no cálculo:

• q1 = +3,37 μC = +3,37 x 10^-6 C
• q2 = -8,21 μC = -8,21 x 10^-6 C
• F = -0,0626 N (a força é negativa pois é de atração).
• d = ?

Vamos aplicar os valores obtidos do enunciado do exercício na fórmula da Lei de Coulomb. Mas antes, vamos transformar a fórmula para que possamos calcular a distância de acordo com os outros parâmetros da fórmula:

E então, calculando:

Portanto, a distância entre as esferas é de 1,99 m.

Quer aprender mais sobre Carga Elétrica? Assista a um vídeo do canal Bóson Ciências e Cultura sobre o assunto:

Eletricidade Estática

Quando um corpo possui cargas elétricas, ele se mantém carregado por um período de tempo variável, se essas cargas não forem descarregadas de alguma forma, sendo transferidas de ou para outro corpo. Quando isso ocorre, temos cargas em repouso no corpo em questão, às quais damos o nome de Eletricidade Estática. Vamos estudar a Eletricidade Estática em nosso próximo artigo, pois ela tem uma grande importância para nosso estudo de Eletricidade e Eletrônica.

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Definimos como Corrente Elétrica o fluxo de cargas elétricas que passam por uma seção de um condutor por unidade de tempo. Simbolizamos a corrente elétrica com a letra I maiúscula, e não com a letra C, que corresponde à unidade de carga elétrica Coulomb.

Em todo material condutor elétrico existem elétrons livres, distribuídos ao longo do material. Esses elétrons podem, em algumas circunstâncias, se deslocar ao longo do condutor, produzindo assim o fluxo de elétrons que chamamos de Corrente Elétrica.

Energia, de várias formas (calor, luz, magnetismo) pode fazer com que um elétron seja liberado da camada de valência de um átomo. Quando o átomo perde um elétron dessa forma, ele deixa de ser eletricamente neutro e passa a ser conhecido como um íon positivo, pois agora possui uma carga elétrica total positiva – possui mais prótons do que elétrons. Já os elétrons liberados tendem a se deslocar a átomos próximos, os quais acabam com mais elétrons do que prótons, transformando esses átomos em íons negativos.

Vamos entender melhor como esse fenômeno ocorre. Suponha dois corpos carregados eletricamente, um com excesso de cargas negativas (excesso de elétrons) e o outro com excesso de cargas positivas (falta de elétrons), como mostrado na figura a seguir:

Vamos conectar esses dois corpos usando um fio ou uma barra de um material condutor, como cobre, prata ou alumínio, conforme segue:

Ao conectarmos os dois corpos por meio de um condutor, criamos um caminho para que as cargas elétricas possam fluir. O corpo da esquerda possui mais elétrons que o corpo da direita – mais cargas elétricas negativas, ou íons negativos (com excesso de elétrons). O condutor em si é neutro, pois seus átomos possuem a mesma quantidade de elétrons e prótons.

Os elétrons extras na camada mais externa dos íons negativos (corpo da esquerda) são atraídos pelos íons positivos do corpo da direita, além de sofrerem repulsão dos elétrons em excesso dos próprios íons negativos. Isso faz com que um elétron em um dos íons negativos “salte” da órbita do átomo onde se encontra e acabe em um átomo adjacente mais à direita, no metal do condutor, conforme vemos na figura a seguir:

Agora o átomo do fio condutor possui um elétron extra, o que o transforma também em um íon negativo, e o átomo que cedeu esse elétron a ele se tornou neutro, recebendo um novo elétron proveniente de outro íon negativo próximo a ele no corpo carregado.

Os elétrons no fio condutor sentem a atração dos íons positivos no corpo da direita, além da repulsão dos elétrons em excesso no corpo da esquerda, e eventualmente o elétron extra adquirido pelo condutor salta para outro átomo adjacente, e então mais outro, e outro, provocando um movimento contínuo de elétrons fluindo da esquerda para a direita. Isso não ocorre com apenas um elétron por vez na realidade, mas sim com bilhões e bilhões deles em um movimento contínuo, como mostra a figura a seguir:

Este fluxo de elétrons é o que denominamos como Corrente Elétrica. Podemos resumir esse fenômeno dizendo que a partir do momento em que existe uma força ou “pressão” produzida pelas cargas positivas e negativas, ela fará com que os elétrons fluam do ponto mais negativo para o mais positivo. O corpo positivo possui uma deficiência de elétrons, e o lado negativo possui um excesso de elétrons, e um fluxo contínuo se dará entre esses pontos (desde que haja contato entre eles, por meio de um condutor). A quantidade de corrente elétrica que flui entre esses pontos é mensurável e calculável, como veremos a seguir.

Unidade de medida: Ampère

Para explorarmos mais a fundo esse conceito, definimos ΔQ como a quantidade de cargas que atravessam uma área S de um condutor em um intervalo de tempo Δt, de modo que a corrente média Imed é definida como:

Imed = ΔQ / Δt

Como a quantidade de carga elétrica é medida em Coulombs e a unidade de tempo adotada é o segundo, medimos a corrente elétrica em Coulombs por Segundo; porém, a unidade de medida de corrente elétrica padrão que usamos no dia a dia é chamada de Ampère, representado pela letra A. Desta forma,

O Ampère é uma unidade relativamente grande de corrente, por isso em eletrônica comumente usamos seus submúltiplos, como mostra a tabela a seguir:

Se uma corrente de 1A atravessa um condutor de cobre, o número de elétrons que passa por uma seção transversal do fio em um segundo é igual a  um Coulomb por segundo. Sabendo que um elétron possui uma carga de –1,602×10^-19C, e calculando o número de cargas elétricas (elétrons) em um Coulomb temos que:

Portanto, 1 Ampère equivale ao fluxo de 6,242 x 10¹⁸ elétrons em um segundo passando por uma seção de um condutor.

No cálculo o número resultante é negativo porque os elétrons, na verdade, fluem na direção oposta da corrente definida convencionalmente, e lhes é atribuída carga negativa. Porém, todas as fórmulas usadas em eletrônica consideram que a corrente I é composta de cargas positivas. Seguiremos essa convenção normal – não fará diferença alguma nos resultados finais de nossos cálculos.

Vamos agora a um exemplo de cálculo:

Exemplo 01: Quantos elétrons passam por uma seção de um condutor em 3 segundos se uma corrente de 2A o atravessa?

R.: A carga que atravessa esse condutor é de:

ΔQ = I x Δt = 2A x 3s = 6C (6 Coulombs).

Um elétron possui uma carga em módulo (sem o sinal) de 1,602 x 10^-19C, portanto:

número de elétrons = carga elétrica / carga de um elétron = 6 / 1,602 x 10^-19C = 3,745 x 10¹⁹ elétrons.

Abaixo temos uma tabela que mostra, de forma aproximada, os valores de corrente elétrica que são consumidos por diversos dispositivos eletro-eletrônicos comuns:

Ao manipularmos circuitos eletrônicos onde haja fluxo de corrente elétrica (equipamentos ligados, portanto), devemos tomar muito cuidado pois uma corrente elétrica entre 100 mA e 1 A, dependendo da constituição física da pessoa, pode ser suficiente para causar uma parada cárdiorrespiratória em caso de choque elétrico, podendo levar à morte. Todo cuidado é pouco!

Na próxima lição vamos explorar outra grandeza elétrica fundamental: a Tensão Elétrica. Enquanto isso, assista a um vídeo da Bóson Treinamentos sobre o assunto:

Quer aprender tudo sobre Eletrônica? Minha dica é o livro Eletrônica – Para Autodidatas, Estudantes e Técnicos – 2ª Edição, de Gabriel Torres, que você pode adquirir em formato digital com preço promocional clicando na imagem a seguir:

O post Curso de Eletrônica – O que é Corrente Elétrica apareceu primeiro em Bóson Treinamentos em Ciência e Tecnologia.

Início

A eletricidade nos rodeia – tecnologias como telefones celulares, computadores, lâmpadas, aparelhos de ar-condicionado e vídeo-games funcionam à base de energia elétrica. É quase impossível não depender da eletricidade em nosso mundo moderno. E, mesmo que você consiga se “desplugar”, a eletricidade ainda é encontrada na natureza, desde os raios em uma tempestade até os sinais elétricos nas sinapses em nossos neurônios.

Mas, o que exatamente é a eletricidade? Bem, está é uma questão um tanto quanto complicada, e quanto mais nos aprofundamos no assunto, mais questões vão surgindo – e na verdade, não há uma resposta definitiva, apenas representações abstratas de como a eletricidade interage com o meio ao nosso redor.

A Eletricidade é um fenômeno natural que ocorre na natureza e se apresenta de muitas formas diferentes. Vamos nos focar neste tutorial na noção de Corrente Elétrica, o fenômeno que alimenta nossos equipamentos eletro-eletrônicos. Vamos tentar entender como a eletricidade flui de uma fonte de energia através de fios, acendendo LEDs, acionando motores e alimentando nossos dispositivos de comunicação.

A Eletricidade é definida sucintamente como o fluxo de cargas elétricas, mas há muito mais por trás dessa simples declaração. De onde as cargas vem? Como elas se movem? Para onde vão? Como uma carga elétrica provoca movimento mecânico, ou produz luz? São muitas as questões a serem respondidas, e para começar vamos precisar analisar o que ocorre em nível atômico na matéria, estudando um pouco sobre os átomos que constituem basicamente tudo com o que nós interagimos na vida.

Portanto, vamos falar um pouco sobre física básica, abordando conceitos como força, energia, átomos, partículas atômicas e campos. Não nos aprofundaremos em demasia nesses assuntos, e caso você queira conhecer mais a respeito deverá consultar outras fontes – como as que citaremos no final do artigo.

Átomos

Para entender os fundamentos da eletricidade, precisamos primeiramente entender os átomos, que são blocos fundamentais de construção da matéria. Os átomos se apresentam em diferentes formas nos elementos químicos, como hidrogênio, oxigênio, ferro e cobre. Os átomos de muitos tipos podem se combinar para formar moléculas, as quais constituem a matéria que nós podemos ver e tocar fisicamente.

Os átomos são muito, mas muito pequenos, com no máximo cerca de 300 picômetros de tamanho ( 3×10-10 ou 0.0000000003 metros!). Uma moedinha de cinco centavos pode ter cerca de 3.2×1022 átomos (32.000.000.000.000.000.000.000 de átomos) de metal em sua constituição.

Porém, mesmo o átomo não é pequeno o suficiente para explicar como funciona a eletricidade. Precisamos mergulhar mais a fundo e observar os blocos de construção dos próprios átomos, que são as partículas subatômicas – em nosso caso, prótons, elétrons e nêutrons.

Blocos de construção dos Átomos

Um átomo é “construído” com uma combinação de três partículas distintas: prótons, elétrons e nêutrons. Cada átomo possui um núcleo central, onde os prótons e os nêutrons se localiza, densamente unidos. Rodeando o núcleo encontramos grupos de elétrons em órbita, uma região chamada de “eletrosfera”. Veja um modelo conceitual simples de átomo na figura a seguir:

Um modelo de átomo muito simplificado. Não está em escala, mas é útil para entender como um átomo é constituído. Um núcleo central de prótons e nêutrons é rodeado por elétrons em órbita (a exceção é o átomo de hidrogênio, que não possui nêutrons).

Todo átomo tem ao menos um próton em seu núcleo. O número de prótons no átomo é importante, porque ele define que elemento químico o átomo representa. Por exemplo, um átomo com apenas um próton é o hidrogênio, um átomo com 29 prótons é o cobre, e um átomo com 79 prótons é o ouro. Esta contagem do número de prótons é conhecida como o Número Atômico do átomo.

Os nêutrons no núcleo servem a um propósito muito importante: eles mantém os prótons unidos no núcleo e deterinam o isótopo do átomo. Mas os nêutrons não são importantes em nosso estudo sobre eletricidade, de modo que não falaremos sobre eles neste tutorial.

Já os elétrons são críticos para o funcionamento da eletricidade – aliás, a própria palavra eletricidade é derivada de elétron. Em sua forma mais estável, um átomo terá o mesmo número de elétrons e de prótons, sendo então um átomo neutro. De acordo com o modelo atômico de Bohr mostrado abaixo, um núcleo com 29 prótons é rodeado por exatos 29 elétrons:

O modelo atômico de Bohr é um modelo muito útil para nossos estudos sobre eletricidade.

Os elétrons não ficam presos eternamente aos átomos. Os elétrons na órbita (“camada”) mais externa do átomo são chamados de elétrons de valência. Se houver força externa suficiente, um elétron da camada de valência pode escapar da órbita do átomo e se tornar livre. Elétrons livres nos permitem movimentar cargas, o que é o preceito fundamental da eletricidade. Vamos falar então sobre as Cargas Elétricas

Cargas Circulantes

Como mencionamos anteriormente, a eletricidade é definida como o fluxo de cargas elétricas. Carga é uma propriedade da matéria, assim como massa, volume ou densidade. Podemos medir as cargas elétricas, determinando a quantidade de cargas que um corpo possui. E um outro conceito chave no entendimento das cargas elétricas é que elas existem em dois tipos: positivas (+) ou negativas (-).

Para que possamos mover as cargas necessitamos de portadores de carga, e eles são os elétrons. Os elétrons carregam uma carga negativa (por convenção), enquanto os prótons possuem carga positiva. Já o nêutrons não possuem carga – são “neutros”. Os elétrons e os prótons carregam a mesma quantidade de carga – apenas o tipo é diferente.

Um átomo de lítio.

As cargas dos elétrons e dos prótons são importantes, pois elas nos fornecem meios de exercer força sobre elas: a Força Eletrostática.

Força Eletrostática

A Força Eletrostática, também conhecida como Lei de Coulomb, é uma força que opera entre cargas. Cargas do mesmo tipo se repelem mutuamente, enquanto cargas de tipos opostos se atraem.

A quantidade de força que age sobre duas cargas depende da distância entre elas. Quanto mais próximas duas cargas estiverem entre si, maior a força, tanto de atração, quanto de repulsão.

Graças à força eletrostática, os elétrons “empurrarão” outros elétrons e serão atraídos por prótons. Esta força é parte da “cola” que mantém os átomos unidos, e é também a força que precisamos para fazer como que os elétrons e, consequentemente, as cargas possam fluir.

Fazendo com que as cargas circulem

Os elétrons nos átomos podem agir como portadores de carga, porque cada elétron carrega uma carga negativa. Se pudermos libertar um elétron de um átomo e forçá-lo a se mover, poderemos criar eletricidade.

Considere o modelo atômico de um átomo de cobre, m dos melhores materiais para carregar cargas elétricas. Em seu estado estável, o cobre possui 29 prótons em seu núcleo e um número igual de elétrons orbitando ao redor desse núcleo. Os elétrons orbitam em distâncias variáveis do núcleo do átomo, e elétrons mais próximos ao núcleo sofrem uuma força de atração muito maior do que os elétrons posicionados em órbitas mais distantes. Os elétrons mais externos de um átomo são chamados de elétrons de valência, e requerem pouca força para se libertarem do átomo em questão.

Diagrama de um átomo de cobre: 29 prótons no núcleo, rodeados por camadas de elétrons em circulação. Os elétrons mais próximos do núcleo são muito difíceis de remover enquanto os elétrons de valência, na camada externa precisam de pouca energia para serem ejetados do átomo.

Usando força eletrostática suficiente nos elétrons de valência – tanto “empurrando” com uma outra carga negativa quanto “puxando” com uma carga posistiva – podemos ejetar o elétron da órbita ao redor do átomo, criando assim um elétron livre.

Consideremos agora um fio de cobre: matéria preenchida com incontáveis átomos de cobre (na verdade, podemos contá-los!). Enquanto nosso elétron livre flutua no espaço entre os átomos, ele é empurrado e puxado pelas cargas ao redor daquele espaço. Neste caos o elétron livre irá eventualmente encontrar um outro átomo para se acomodar; desta forma, a carga negativa deste elétron irá ejetar outro elétron da camada de valência do átomo. Agora temos um novo elétron vagando pelo espaço livre, eventualmente agindo como o anterior. Este efeito em cadeia pode continuar indefinidamente e criar um fluxo de elétrons denominado Corrente Elétrica.

Um modelo muito simplificado de cargas fluindo através de átomos e constituindo uma corrente elétrica.

Condutividade

Alguns tipos de átomos elementares são mais eficientes do que outros na tarefa de libertar seus elétrons. Para obter o melhor fluxo possível de elétrons nós precisamos usar átomos que não “prendam” os elétrons da camada de valência com muita força. A condutividade de um elemento mede o quão fortemente unido um elétron está a um átomo.

Elementos que possuem alta condutividade, com elétrons de alta mobilidade, são chamados de Condutores. Estes são os tipos de materiais que usamos para fazer fios e outros componentes que auxiliam no fluxo de elétrons. Metais como cobre, prata e ouro são geralmente as melhores escolhas para bons condutores.

Já elementos com baixa condutividade são chamados de Isolantes. Os isolantes servem a um propósito muito importante: impedir o fluxo de elétrons. Isolantes comuns são o vidro, borracha, plástico e o ar.

Eletricidade Estática e Dinâmica

Há duas formas que a eletricidade pode assumir: estática ou dinâmica. Quando trabalhamos com eletrônica, é muito mais comuns lidarmos com eletricidade dinâmica, mas é importante que tenhamos uma boa compreensão sobre eletricidade estática também.

Eletricidade Estática

A eletricidade estática existe quando há um acúmulo de cargas opostas em objetos separados por um isolante. Ela existe até que os grupos de cargas opostas possam encontrar um caminho entre si para balancear o sistema.

Quando as cargas encontram um meio de se igualarem, uma descarga eletrostática ocorre. A atração das cargas se torna tão grande que elas podem fluir através até mesmo dos melhores isolantes. Descargas eletrostáticas podem ser perigosas dependendo de qual meio as cargas atravessam e para quais superfícies elas são transferidas. Cargas que se equalizam por meio do ar podem resultar em uma descarga visível, pois os elétrons transferidos colidem com outros elétrons no ar,o qual se torna excitado e libera energia na forma de luz.

Uma descarga controlada. Cargas opostas são criadas em cada um dos condutores até que sua atração seja tão grande que elas acabem fluindo através do ar.

Um dos exemplos mais dramáticos de descarga eletrostática é o raio. Quando um sistema de nuvens coleta carga suficiente em relação a outro grupo de nuvens ou ao solo, as cargas tentarão se equalizar. Quando a nuvem é descarregada, quantidades massivas de cargas positivas (às vezes negativas) percorrem através do ar a partir do solo até a nuvem, causando o efeito visível do relâmpago.

Também podemos ver o efeito da eletricidade estática quando nos penteamos com um pente plástico e depois o aproximamos de papel picado sobre a mesa. O papel é atraído para o pente devido à eletricidade estática acumulada. A fricção do pente com o cabelo provoca a transferência de elétrins de um material para o outro, de modo que o objeto que ganha elétrons se torna negativamente carregado, e o que perde elétrons, se torna positivamente carregado.

[AQUI VAI UMA FOTO DO PENTE COM O PAPEL PICADO]

Ao trabalharmos com eletrônica, geralmente não teremos de lidar com eletricidade estática. Quando o fizermos, será geralmente para tentar proteger componentes eletrônicos sensíveis contra descargas eletrostáticas, que podem danificá-los facilmente. Medidas preventivas contra eletricidade estática incluem o uso de pulseiras anti-estáticas, mantas de borracha e outros tipos de equipamento de segurança.

Alguns equipamentos fazem uso do fenômeno da eletricidade estática, como por exemplo as impressoras a Laser, que utilizam cargas estáticas para formarem as imagens a serem impressas no papel.

Eletricidade Dinâmica

Eletricidade dinâmica é a forma de eletricidade que permite a existência de todos os nossos equipamentos eletrônicos. Esta forma de eletricidade existe quando as cargas são capazes de fluir em movimento constante. De forma oposta à eletricidade estática onde as cargas se acumulam e permanecem em descanso, na eletricidade dinâmica  as cargas estão sempre se movimentando. Este é o tipo de eletricidade com a qual nos ocuparemos no resto do tutorial.

Circuitos

Para que possa fluir, a corrente elétrica necessita de um circuito, que pode ser descrito como um loop fechado de materiais condutores. Um circuito pode ser tão simples quanto um fio conectado ponta com ponta, porém circuitos realmente úteis normalmente  contém uma combinação de fios e outros componentes que controlam o fluxo de eletricidade. Um circuito, porém, não pode ter partes isolantes internamente que o dividam em seções separadas.

Se você tiver um fio de cobre e quiser induzir um fluxo de elétrons através dele, todos os elétrons livres precisam fluir na mesma direção. O cobre é um excelente condutor, perfeito para fazer cargas fluírem. Se um circuito feito com fios de cobre é quebrado, as cargas não fluirão através do ar, o que as impedirá também de prosseguir a partir do ponto onde o fio se partiu.

Por outro lado, se o fio for conectado nas duas pontas, todos os elétrons possuirão um átomo vizinho e poderão fluir na mesma direção geral.

Após essas reflexões, conseguimos entender como os elétrons podem fluir (se movimentar num condutor), mas como fazemos para que eles entrem em movimento a princípio? Então, uma vez que os elétrons estejam fluindo, como eles produzem a energia necessária para acender lâmpadas ou girar motores, por exemplo? Para entendermos como isso ocorre, vamos estudar os Campos Elétricos.

Campos Elétricos

Vimos anteriormente, de forma sucinta, como os elétrons fluem através da matéria para criar eletricidade. Agora, precisamos de uma fonte para induzir esse fluxo de elétrons. Geralmente, essa fonte de fluxo de elétrons virá na forma de um campo elétrico.

O que é um campo?

Um campo é uma ferramenta que usamos para modelar interações físicas que não envolvem nenhum tipo de contato observável. Os campos não podem ser vistos, pois eles não possuem aparência física, porém o efeito que eles exercem é bem real.

Todos nós estamos familiarizados com um campo em particular: o Campo Gravitacional Terrestre, que é o efeito de um corpo massivo atraindo outros corpos. O campo gravitacional da Terra pode ser modelado com um conjunto de vetores que apontam todos para o centro do planeta; independente de onde você estiver na superfície do planeta, você sentirá a firça te puxando em direção ao centro:

A força ou intensidade dos campos não é unforme em todos os pontos do campos. Quanto mais longe estivermos da origem do campo, menor será o efeito do campo sentido. A magnitude do campo gravitacional terrestre diminui a medida em que nos afastamos do centro do planeta.

Ao continuar nossa exploração sobre campos elétricos lembre-se de como o campo gravitacional da Terra funciona, pois ele possui muita similaridade com os campos elétricos. Campos gravitacionais exercem uma força nos objetos que possuem massa, e os campos elétricos exercem uma força em objetos que possuam cargas.

Campos Elétricos

Campos elétricos são uma ferramenta importante para compreendermos como a eletricidade surge e continua a fluir. Os campos elétricos descrevem as forças que atraem ou repelem cargas no espaço entre elas. Comparados ao campo gravitacional da Terra, os campos elétricos possuem uma diferença muito importante: enquanto o campo gravitacional geralmente atrai apenas outros objetos que possuam massa, os campos elétricos repelem cargas com a mesma frequência com que as atraem.

A direção dos campos elétricos é sempre definida como a direção para a qual uma carga de teste positiva se moveria se fosse lançada dentro do campo. A carga de teste tem de ser infinitamente pequena, para evitar que sua própria carga influencie o campo elétrico em si.

Podemos então começar a construir campos elétricos para cargas solitárias, positivas e negativas. Se você soltar uma carga de teste positiva próxima a uma carga negativa, a carga de teste será atraída em direção da carga negativa. Então, para uma carga negativa única nós podemos desenhar as setas de nosso campo elétrico apontando para dentro em todas as direções. A mesma carga de teste despejada próxima a outra carga positiva resultaria em repulsão entre ambas, o que significa que nós desenharíamos setas “saindo” da carga positiva:

Campos elétricos de cargas únicas. Uma carga negativa tem um campo elétrico em direção interna porque ela atrai cargas positivas. A carga positiva, por sua vez, possui um campo elétrico em sentido externo, pois repele cargas de mesmo tipo.

Grupos de cargas elétrica podem ser combinados para formarem campos elétricos mais completos:

O campo elétrico uniforme visto acima “aponta” para longe das cargas positivas, em direção Às negativas. imagine uma carga de teste minúscula inserida no campo elétrico formado; ela seguiria a direção das setas. Como vimos, a eletricidade geralmente envolve o fluxo dos elétrons – cargas negativas – que fluem contra campos elétricos.

Os campos elétricos nos fornecem a força necessária para induzir um fluxo de corrente. Um campo elétrico em um circuito é como uma “bomba de elétrons”: uma grande fonte de cargas negativas que podem impulsionar os elétrons, os quais fluirão através do circuito em direção à massa de cargas positivas.

Potencial Elétrico (Energia)

Quando nos aproveitamos a energia elétrica para acionar nossos circuitos, equipamentos e gadgets, estamos realmente transformando energia. Circuitos eletrônicos devem ser capazes de armazenar energia e transformá-la em outras formas, como calor, luz ou movimento. A energia armazenada de um circuito é chamada de energia potencial elétrica.

Energia Potencial

Para entendermos a energia potencial precisaremos entender a energia de um modo geral. Energia é definida como a habilidade de um objeto de realizar trabalho sobre outro objeto, o que significa mover esse objeto por uma certa distância. A energia existe  em muitas formas, algumas das quais podemos ver (como a energia mecânica) e outras que não podemos ver (como energia química ou elétrica) Independente de qual forma seja considerada, a energia existe em um de dois estados: Cinética e Potencial.

Um objeto possui energia cinética quando está em movimento. A quantidade de energia cinética que um objeto possui depende de sua massa e velocidade. Já a energia potencial é uma forma de energia armazenada quando um objeto está em repouso. Ela descreve quanto trabalho o objeto pode realizar se colocado em movimento. É um tipo de energia que nós podemos, geralmente, controlar. Quando um objeto é colocado em movimento, sua energia potencial se transforma em energia cinética.

Voltemos à gravidade como exemplo. Uma bola de boliche que esteja em repouso (parada) no topo de um edifício possui uma grande quantidade de energia potencial (armazenada). Uma vez que seja arremessada lá de cima, a bola – atraída pelo campo gravitacional – acelera em direção ao chão. Conforme a bola acelera, energia potencial é convertida em energia cinética (energia do movimento). Eventualmente toda a energia da bola será convertida de potencial para cinética, e então transferida para o chão (ou para o objeto como qual a bola se chocar). Quando a bola está no chão, possui muito pouca energia potencial.

Energia Potencial Elétrica

Da mesma forma que a massa em um campo gravitacional possui energia potencial gravitacional, cargas em um campo elétrico possuem energia potencial elétrica. A energia potencial elétrica de uma carga descreve quanta energia armazenada ela possui, e quando colocada em movimento por uma força eletrostática, essa energia se torna cinética, e então a carga pode realizar trabalho.

Como a bola de boliche no alto do edifício, uma carga positiva nas proximidades de outra carga positiva possui energia potencial elevada; se deixada livre para se mover, a carga seria repelida pela outra carga igual. Já uma carga de teste positiva colocada próxima a uma carga negativa teria pouca energia potencial, de forma análoga à bola de boliche no chão.

Para incutir algo com energia potencial, temos de realizar trabalho movendo o objeto por uma certa distância. No caso da bola de boliche, o trabalho vem de carregarmos a bola por dezenas de andares, subindo, no sentido contrário ao do campo gravitacional.  De forma similar, trabalho deve ser realizado para empurrar uma carga positiva contra a direção de um campo elétrico (tanto em direção a outra carga positiva, quanto para longe de uma carga negativa). Quanto mais longe a carga for deslocada no campo, mais trabalho teremos de realizar. Igualmente, se você tentar empurrar uma carga negativa para longe de uma carga positiva – contra o campo elétrico – terá de realizar trabalho.

Para uma carga localizada em um campo elétrico sua energia potencial elétrica dependerá do tipo (positiva ou negativa), quantidade de carga, e sua posição no campo. A energia potencial elétrica é medida na unidade joule (J).

Potencial Elétrico

O potencial elétrico é criado a partir de energia potencial elétrica para ajudar a definir quanta energia é armazenada em um campo elétrico. É um outro conceito que nos auxilia a modelar o comportamento de campos elétricos. Potencial Elétrico não é a mesma coisa que energia potencial elétrica!

Em qualquer ponto de um campo elétrico o potencial elétrico é a quantidade de energia potencial elétrica dividida pela total de carga naquele ponto. Tiramos a quantidade de cargas da equação e ficamos com uma idéia de quanta energia potencial áreas específicas do campo elétrico podem fornecer. O potencial elétrico é medido em unidades de joules por coulomb (J/C), os quais nós definimos como sendo um Volt (V).

Em qualquer campo elétrico há dois pontos de potencial elétrico que são de interesse significativo para nós. Há o ponto de alto potencial, onde uma carga positiva teria a energia potencial mais alta possível, e há o ponto de baixo potencial, onde uma carga teria a energia potencial mais baixa possível.

Um dos termos mais comuns que discutimos quando falamos de eltricidade é a voltagem (tensão). Uma tensão é a diferença de potencial entre dois pontos em um campo elétrico. A tensão elétrica nos dá uma idéia de quanta força (“pressão”) um campo elétrico possui.

Agora que entendemos os conceitos de potencial e energia potencial, vamos discutir outro ponto extremamente importante: A corrente elétrica.

Eletricidade em Ação!

Após estudar um pouco de física de partígulas, teoria de campos e energia potencial, sabemos o suficiente para fazer com que a eletricidade flua. Vamos criar um circuito!

Primeiro, revisemos os ingredientes de que precisamos para “fazer” eletricidade:

• A definição de eletricidade é o Fluxo de Cargas. Geralmente nossas cargas serão carregadas por elétrons livres.
• Elétrons (carga negativa) são retidos fracamente em átomos de materiais condutores. Com um pequeno empurrãozinho podemos libertar elétrons de átomos e fazê-los se movimentarem em uma direção geral uniforme.
• Um circuito fechado  de material condutor fornece um caminho para que os elétrons fluam continuamente.
• As cargas são impelidas por um campo elétrico. Precisamos de uma fonte de potencial elétrico (tensão / voltagem), a qual empurrará os elétrons de um ponto de baixa energia potencial para um ponto de energia potencial mais elevada.

Um Curto-circuito

Baterias são fontes de energia comuns, as quais convertem energia química em energia elétrica. Elas possuem dois terminais, os quais se conectam ao resto do circuito. Em um terminal há um excesso de cargas negativas, enquanto no outro terminal se acumulam as cargas positivas. Temos aqui então uma diferença de potencial pronta para entrar em ação.

Se nós conectarmos nosso fio “recheado” de átomos condutores de cobre à bateria, o campos elétrico irá influenciar os elétrons livres (de carga negativa) nos átomos do cobre. Empurrados a partir do terminal negativo e atraídos pelo terminal positivo de forma simultânea, os elétrons no cobre se moverão de átomo em átomo criando o fluxo de cargas que nós conhecemos como eletricidade – Corrente Elétrica.

Após um segundo do fluxo da corrente, os elétrons terão se movido na verdade muito pouco – frações de centímetro. Contudo, a energia produzida pelo fluxo de corrente é enorme, especialmente por não haver nada no circuito para diminuir o fluxo ou consumir a energia. Conectar um condutor puro diretamente aos terminais de uma fonte de energia não é uma boa idéia. A energia se move de forma muito rápida através do sistema (quase à velocidade da luz!) e é transformada em calor no fio, o qual pode rapidamente se fundir (derreter) ou entrar em combustão.

Acendendo uma Lâmpada

Em vez de desperdiçar essa energia toda, sem mencionar que a bateria pode ser danificada e o fio pegar fogo, vamos construir um circuito que faz algo realmente útil. Geralmente um circuito elétrico irá transformar energia elétrica em energia de outra forma – luz, calor, movimento, etc. Se nós conectarmos uma pequena lâmpada à bateria com os fios conectados entre ambos, teremos um circuito simples, porém funcional:

Esquema: Uma bateria (à esquerda) conectada a uma lâmpada (à direita). O circuito é completado quando a chave (no topo) é fechada. Com o circuito fechado, os elétrons podem fluir, empurrados a partir do terminal negativo da bateria através da lâmpada, em direção ao terminal positivo da bateria.

Enquanto os elétrons se movem a passo de tartaruga, o campo elétrico afeta o circuito inteiro quase instantaneamente (praticamente velocidade da luz!) Os elétrons ao longo do circuito, quer esteja no potencial mais baixo, mais alto, ou próximos à lâmpada, são influenciados pelo campo elétrico. Quando a chave é fechada e os elétrons são submetidos ao campo elétrico, todos os elétrons no circuito (na camada de valência!) começam a fluir praticamente ao mesmo tempo. As cargas mais próximas à lâmpada a atravessarão e começarão a transformar a energia, de elétrica em luminosa (e térmica também).

Avançando

Neste tutorial nós mostramos apenas uma minúscula parte do assunto. Ainda há muitos conceitos a serem explorados, e o faremos em nossos próximos tutoriais sobre Eletricidade e Eletrônica. A partir daqui, os próximos passos serão entender a Lei de Coulomb (um pouquinho de matemática…), trabalhar as grandezas elétricas (Tensão, Resistência, Corrente, Potência) e a Lei de Ohm.

É isso aí, nos vemos no próximo tutorial. Enquanto isso, aproveite e adquira um livro excelente sobre o assunto:

Licença de Uso

Este tutorial foi traduzido e adaptado de Sparkfun, e o original pode ser acessado a partir do endereço https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-electricity. Sua licença é a CC BY-NC-SA 3.0.

O post O que é Eletricidade? apareceu primeiro em Bóson Treinamentos em Ciência e Tecnologia.