Noções básicas de eletricidade
Até agora conhecemos os diversos tipos de energia bem como o processo de produção e distribuição da energia elétrica. No entanto, até agora nada foi dito quanto à essência desse tipo de energia, ou seja, quais as partículas que de fato determinam seu comportamento.
Veremos a seguir, então, a estrutura da matéria e qual a partícula fundamental para que exista eletricidade.
A estrutura da matéria
Tudo que existe no universo, desde estrelas e planetas e a poeira de nossas casas, é constituído de matéria, que pode se apresentar das mais variadas formas.
Por outro lado, a menor partícula de matéria, sem que a mesma perca suas características originais, é denominada molécula.
Se dividirmos a molécula, elas perderão suas características, obtendo-se, nessa divisão, partículas denominadas átomos.
Os átomos, por sua vez são compostos por partículas muito pequenas denominadas prótons, nêutrons e elétrons.
Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo. Enquanto prótons têm carga elétrica positiva, os nêutrons não têm carga e os elétrons, localizados na eletrosfera, tem carga elétrica negativa.
Através de várias experiências verificou-se que os prótons e os elétrons se atraem, porém os prótons repelem outros prótons, bem como elétrons repelem outros elétrons. A esse fenômeno damos o nome de polaridade. Para diferenciar essas duas polaridades de atração e repulsão, foram adotados os nomes de carga positiva, para os prótons e, carga negativa, para os elétrons.
Átomo, uma palavra grega, significa indivisível. Sua “descoberta” deve-se a Demócrito (460 -370 a.C.), filósofo grego. Até pouco tempo atrás se julgava como correto esse significado. Porém com o aprofundamento dos estudos e pesquisas da física nuclear, verificou-se que era possível dividir o átomo nas partículas acima citadas.
A disposição das partículas do átomo (prótons, elétrons e nêutrons) foi proposta pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) mantendo uma semelhança muito grande com nosso sistema solar:
• O núcleo representa o Sol e é constituído por prótons e nêutrons e;
• Os elétrons giram em volta do núcleo, como se fossem os planetas.
Os elétrons que giram em órbitas mais externas do átomo são atraídos pelo núcleo com menos força do que os elétrons de órbitas mais próximas. Estes elétrons, mais afastados, são denominados de elétrons livres e podem, com muita facilidade, desprender-se de suas órbitas.
Na natureza, os elementos buscam o equilíbrio. A maioria dos elementos não está em equilíbrio: ou estão com falta de elétrons ou estão com excesso de elétrons. Os átomos se aproximam para formar moléculas por causa da falta ou do excesso de elétrons que possuem.
Nosso planeta Terra é um enorme depósito de elétrons livres, soltos de átomos, à procura de outros que precisem de elétrons para que possam se equilibrar
Devido a essa característica podemos dizer que…
…os elétrons livres sob uma tensão elétrica darão origem à corrente elétrica.
A facilidade ou dificuldade de os elétrons se libertarem e deslocarem de suas órbitas determina….
…a condutibilidade elétrica da matéria ou substância.
Ou seja:
• Se os elétrons se libertarem com facilidade de suas órbitas, como é o caso dos metais como o ouro, a prata, o cobre, o alumínio, a platina, etc., denominaremos esses materiais de…
…condutores elétricos.
• Entretanto, se os elétrons têm dificuldade de se libertarem de suas órbitas, isto é, estão presos ao núcleo, como é o caso do vidro, cerâmica, plástico, etc., esses materiais serão denominados de…
…isolantes elétricos.
Não podemos “ver” a eletricidade, mas através de nossa percepção e de seus efeitos podemos observá-la:
- Num dia de tempestade, quando ocorrem raios e relâmpagos, presenciamos a formação de raios;
- Ao ligar um interruptor verificamos que a lâmpada ascende.
Senti-la: todos nós já tivemos a desagradável sensação do choque elétrico ao tocarmos em partes energizadas de uma instalação elétrica
Medi-la: utilizando instrumentos adequados, como voltímetros, amperímetros, etc., podemos medir a energia elétrica.
Os efeitos da eletricidade são possíveis devido aos seguintes fatores:
- Corrente elétrica;
- Tensão elétrica;
- Potência elétrica e;
- Resistência elétrica.
Corrente elétrica
Vimos que os átomos são formados por minúsculas partículas e que na eletrosfera existem elétrons girando em torno do núcleo. Vimos também que existem elétrons que estão bem afastados do núcleo e que podem se desprender com facilidade. Num condutor, esses elétrons a princípio, movimentam-se de forma aleatória, ou seja, de forma desordenada, estimulados por pequenas quantidades de energia, mesmo pela temperatura ambiente.
No entanto, a partir do momento que esses elétrons se movem ordenadamente temos aí a corrente elétrica. Esse “ordenamento” da movimentação dos elétrons ocorre somente quando existe diferença de potencial entre dois pontos, isto é, quando um ponto está com excesso de elétrons e outro está com a falta deles.
…Corrente elétrica é o movimento ordenado de elétrons livres no interior de um condutor elétrico, sob a influência de uma fonte de tensão elétrica
O instrumento usado para medir a corrente elétrica é o Amperímetro.
A corrente elétrica em esquemas é representada pela letra “I”.
A unidade de medida da corrente elétrica é o ampere (A).
A título de curiosidade podemos dizer que a corrente de 1 A significa que em um ponto qualquer do condutor elétrico passam, aproximadamente, 625.000.000.000.000.000 de elétrons por segundo (seiscentos e vinte cinco pentilhões de elétrons).
Tensão elétrica
Tensão elétrica é a força exercida nos extremos de um circuito, para movimentar de forma ordenada os elétrons livres. Essa “força” ocorre quando um dos extremos do circuito tem um excesso de elétrons e ou outro, uma falta, tal como visto no tópico acima, corrente elétrica.
A unidade de medida da tensão elétrica é o volt (V).
O conceito de tensão elétrica fica mais claro se entendermos o funcionamento de uma pilha (ou bateria). Ela funciona justamente fazendo com que em um de seus polos, o negativo, possua um excesso de elétrons e o outro, o positivo, possua falta de elétrons.
A “força” de deslocamento dos elétrons de uma pilha é medida através de sua tensão elétrica, dada em volts. Por exemplo, as pilhas comuns usadas em radinhos são todas de 1,5 V, independentemente do seu tamanho (o tamanho da pilha diz o quanto de corrente elétrica a pilha pode fornecer, o tempo que ela dura). Existem pilhas com outras tensões.
Dessa forma, em um circuito a pilha funciona como uma “bomba”, empurrando elétrons de um lado (seu polo negativo) e puxando para outro lado (seu polo positivo), passando antes pelo circuito que se deseja alimentar.
A figura abaixo ilustra uma Lâmpada ligada a uma pilha: ela acende a partir do momento em que há um caminho entre o polo negativo e o positivo da pilha, criando um fluxo de elétrons (a corrente elétrica). Se o caminho for interrompido (removendo-se um dos fios da pilha, por exemplo) deixa de haver ligação entre o polo negativo e o positivo, não há corrente elétrica e a lâmpada não se acenderá.
As pilhas são feitas de um material químico. Isso significa que a quantidade de elétrons disponíveis nela é finita. Por isso é que as pilhas acabam: todos os seus elétrons já passaram para o polo positivo dela e completaram a falta de elétrons lá existente. A tensão elétrica estampada na pilha é quando ela está nova. À medida que ela vai senso usada, seus elétrons vão sendo consumidos e sua tensão vai abaixando chegar a zero.
Um fator importante para definir a duração de uma pilha é o material químico usado. É por esse motivo que as pilhas alcalinas duram mais que as comuns (ácidas), mesmo tendo o mesmo tamanho físico. O outro fator, o tamanho da pilha, significa que mais material químico cabe dentro dela, com a mesma tensão, fazendo com que a duração da mesma seja bem maior.
O instrumento usado para medir a tensão elétrica é o Voltímetro.
O símbolo que representa a tensão elétrica é a letra “V”.
A tensão elétrica pode ser contínua ou alternada. No caso da pilha, é contínua enquanto a disponibilizada em nossas casas é alternada.
Tensão contínua
´Q quando a tensão tem sempre o mesmo valor, de maneira fixa. Praticamente todos os equipamentos eletrônicos são alimentados com tensão contínua. Rádios, aparelhos de CD, DVD, computadores, videocassetes, televisões, etc., são apenas alguns exemplos.
Quando esses aparelhos são ligados à tomada elétrica, a tensão alternada é primeiramente convertida em tensão contínua por um circuito chamado fonte de alimentação.
Tensão alternada
Quando a tensão elétrica varia, ao longo do tempo. O melhor exemplo de tensão alternada é a tomada encontrada em nossas casas: a tensão da tomada é uma forma de onda (no caso, “senoidal”) que muda suavemente de polaridade várias vezes por segundo.
Fontes de tensão alternada – como a tomada elétrica de nossas casas – possuem dois polos: fase e neutro. O neutro é o “zero volt”, o polo usado como referencial. Já a fase é por onde vem a tensão elétrica. Ao contrário do que ocorre em uma pilha, não existem polos positivos ou negativos: a fase é, ao mesmo tempo, o polo negativo e positivo, dependendo do momento.
Porque a tensão alternada existe
Há vários motivos para a tensão elétrica de nossas casas ser alternada e não contínua. O primeiro motivo é a origem da própria tensão alternada. A eletricidade é gerada em usinas. Girando-se a turbina cria-se eletricidade e na saída dela, a tensão elétrica obtida é alternada! Ou seja, para transmitir-se eletricidade em forma de tensão contínua da usina até o local consumidor, primeiro ela precisaria ser transformada em contínua.
Isso não teria nenhum problema se não fosse um detalhe: a tensão contínua precisa de dois polos, um positivo e outro negativo, enquanto a tensão alternada possui apenas um polo, a fase. Com isso para transmitir da usina à uma cidade a tensão alternada é necessário apenas um fio, enquanto que a tensão contínua necessita de 2 fios. Logo, o custo de transmitir a tensão contínua é maior.
Outro motivo muito importante é que transformadores só funcionam em tensão alternada. Transformadores são componentes capazes de aumentar ou diminuir uma tensão elétrica. Equipamentos eletrônicos em geral não usam exatamente a mesma tensão fornecida pela rede elétrica. Um aparelho que funcione com 12 V, tensão contínua, para ser alimentado com a tensão da tomada (127 ou 220 V) precisará, primeiro, abaixar a tensão da rede elétrica para 12 V para depois transformar essa tensão alternada em corrente contínua. Outros aparelhos, e o caso mais conhecido é a televisão, necessitam de tensões elétricas muito maiores para operarem (o tubo de imagem de um televisor é alimentado com 30.000 V).
Potência elétrica
A potência elétrica é uma grandeza utilizada com frequência na especificação de equipamentos elétricos e determina, basicamente, o quanto uma lâmpada é capaz de emitir luz, o quanto o motor elétrico é capaz de produzir trabalho, o quanto um chuveiro é capaz de aquecer a água, etc.
A potência normalmente é responsável pelas dimensões dos equipamentos ou máquinas.
…Quanto maior a potência, maior será o trabalho realizado em um determinado tempo.
Todo os aparelhos são projetados para desenvolver ou dissipar certa potência. Não podemos exigir que um pequeno rádio de pilha seja capaz de fornecer 300 W de potência. Isso representaria para ele o mesmo que tentar transportar um caminhão no bagageiro de um fusquinha.
Para haver potência elétrica é necessário existir tensão elétrica (V) e corrente elétrica (I)
Assim
Potência (W) = tensão elétrica (V) x corrente elétrica (I)
A expressão acima damos o nome de potência aparente. Ela é formada por duas outras potências: a potência ativa e a potência reativa.
A potência ativa é aquela que realmente se transforma em potência luminosa (lâmpadas), térmica (chuveiro elétrico), mecânica (motores).
A potência reativa é aquela consumida para manter os efeitos do campo magnético (indução) necessário ao funcionamento de reatores, motores, transformadores, etc..
A unidade de medida de potência é o watt (W).
Resistência elétrica
Nos corpos condutores os elétrons livres se movimentam com facilidade enquanto nos corpos isolantes eles se movem com extrema dificuldade ou, simplesmente, não se movimentam.
Os primeiros estudos sobre a resistência dos materiais para a movimentação de elétrons livres foram feitos em 1826, pelo físico alemão Georg Simon Ohm.
Ele observou que variando a tensão elétrica (“voltagem”) de um circuito a corrente também variava. E que dividindo a tensão pela corrente obtinha sempre os mesmos valores.
Ohm relacionou os valores dessas duas grandezas e conclui que elas são diretamente proporcionais. Essa proporção é o que representa a resistência elétrica, ou seja…
…a oposição oferecida por todos os elementos de um circuito à passagem da corrente elétrica.
A resistência elétrica é representada pela letra “R”.
A expressão matemática da lei de Ohm é:
E = R x I ou “popularmente” V = R x A
Onde:
• R – resistência elétrica, em Ohm;
• E – tensão elétrica, em volt;
• I – intensidade de corrente elétrica, em ampere
Todos os materiais apresentam resistência à passagem da corrente elétrica, mesmo os bons condutores; no entanto neles a resistência tem baixíssimo valor.
Existem elementos que são colocados propositadamente nos circuitos cuja finalidade é limitar ou controlar a corrente de funcionamento deles. Esses elementos denominam-se resistores, potenciômetros e reostatos.
Os resistores possuem valor fixo e podem ser de carbono ou de fio.
Os potenciômetros e reostatos possuem valores ajustáveis.
Ao ser atravessado pela corrente elétrica, o resistor acarreta ao circuito uma queda de tensão que é medida em volt (v).