A natureza da eletricidade

1 - A ESTRUTURA DA ELETRICIDADE

A matéria é algo que possui massa e ocupa lugar no espaço. A matéria é constituída por partículas muito pequenas chamadas de átomos. Toda a matéria pode ser classificada em qualquer um desses dois grupos: elementos ou compostos. Num elemento, todos os átomos são iguais. São exemplos de elementos o alumínio, o cobre, o carbono, o germânio e o silício. Um composto é formado por uma combinação de elementos. A água, por exemplo, é um composto constituído pelos elementos hidrogênio e oxigênio. A menor partícula de qualquer composto que ainda contenha as características originais daquele composto é chamado molécula.

Os átomos são constituídos por partículas subatômicas: elétrons, prótons e nêutrons, combinados de várias formas. O elétron é a carga negativa (-) fundamental da eletricidade. Os elétrons giram em torno do núcleo, ou centro do átomo, em trajetórias de “camadas” concêntricas, ou órbitas. O próton é a carga positiva (+) fundamental da eletricidade. Os prótons são encontrados no núcleo. O nêutron, que é a carga neutra fundamental da eletricidade, também é encontrado no núcleo. Sabe-se atualmente que existem dezenas de outras partículas diferentes no átomo, tais como: mésons, neutrinos, quaks, léptons, bósons, etc. Os átomos de elementos diferentes diferem entre si pelo número de elétrons e de prótons que contém. No seu estado natural, um átomo de qualquer elemento contém um número igual de elétrons e de prótons. Como a carga negativa (-) de cada elétron tem o mesmo valor absoluto que a carga positiva (+) de cada próton, as duas cargas opostas se cancelam. Um átomo nestas condições é eletricamente neutro, ou está em equilíbrio. Os elétrons situados na camada mais externa são chamados de elétrons de valência. Quando se aplica a certos materiais, energia externa como calor, luz ou energia elétrica, os elétrons adquirem energia. Isto pode fazer com que os elétrons se desloquem para uma camada mais externa. Diz-se que um átomo em que isto aconteceu está num estado excitado. Um átomo num estado excitado é instável. Ao ser deslocado para a camada mais externa do átomo, o elétron sofre a mínima atração possível pelas cargas positivas dos prótons dentro do núcleo do átomo. Se for aplicada ao átomo uma energia suficiente, alguns dos elétrons de valência ou da camada mais externa abandonarão o átomo. Estes elétrons são chamados de elétrons livres. É o movimento dos elétrons livres que produz a corrente elétrica num condutor metálico. Cada camada de um átomo pode conter somente um certo número de elétrons. Este número é chamado de cota da camada. Os elétrons em órbita encontram-se em camadas sucessivas denominadas pelas letras K, L, M, N, O, P, Q, cada uma delas mais afastada do núcleo. Cada camada contém um número máximo de elétrons para a condição de estabilidade.

Quando a camada mais externa de um átomo tem um déficit na sua cota de elétrons, ela pode ganhar ou ceder elétrons, se um átomo perder um ou mais elétrons da sua camada mais externa, o número de prótons supera o número de elétrons e o átomo passa a conter uma carga elétrica efetiva positiva. Nestas condições, o átomo é chamado de íon positivo. Se um átomo ganhar elétrons, a sua carga elétrica efetiva torna-se negativa. O átomo é então chamado de íon negativo. O processo através do qual os átomos ou recebem ou cedem elétrons é chamado de ionização.

2 - A CARGA ELÉTRICA

Como certos átomos são capazes de ceder elétrons e outros de receber elétrons, é possível produzir uma transferência de elétrons de um corpo para outro. Quando isto ocorre, a distribuição igual das cargas positivas e negativas em cada corpo deixa de existir. Portanto, um corpo conterá um excesso de elétrons e a sua carga terá uma polaridade elétrica negativa, ou menos (-). O outro corpo conterá um excesso de prótons e a sua carga terá uma polaridade positiva, ou mais (+). Quando um par de corpos contém a mesma carga, isto é, ambas positivas (+) ou ambas negativas (-), diz-se que os corpos têm cargas iguais. Quando um par de corpos contém cargas diferentes, isto é, um corpo é positivo (+) enquanto o outro é negativo (-), diz-se que eles apresentam cargas desiguais ou opostas. A lei das cargas elétricas pode ser enunciada da seguinte forma: Cargas iguais se repelem, cargas opostas se atraem.

A carga elétrica fundamental foi medida pela primeira vez em 1909 pelo físico norte americano R. A. Milikan. Expressa no SI (Sistema Internacional), o valor numérico da carga elétrica fundamental de um elétron, sendo a do próton igual em módulo, mudando apenas o sinal que é positivo:

e = 1,6 x10-19 C

Como a quantidade de elétrons envolvida é muito grande, foi criada uma grandeza chamada unidade de carga (Q), o Coulomb.

3. O COULOMB

A quantidade de carga elétrica que um corpo possui é determinada pela diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que o corpo contém. O símbolo que representa a quantidade de carga elétrica de um corpo é Q, que é expresso numa unidade chamada de Coulomb (C). A carga de um Coulomb negativo, -Q, significa que o corpo contém uma carga de 6,25X1018 mais elétrons do que prótons.

4. O CAMPO ELETROSTÁTICO

A característica fundamental de uma carga elétrica é a sua capacidade de exercer uma força. Esta força está presente no campo eletrostático que envolve cada corpo carregado. Quando dois corpos de polaridade oposta são colocados próximos um do outro, o campo eletrostático se concentra na região compreendida entre eles. O campo eletrostático é representado por linhas de força desenhadas entre os dois corpos. Se um elétron for abandonado no ponto A nesse campo, ele será repelido pela carga negativa e será atraído pela positiva. Assim, as duas cargas tenderão a deslocar o elétron na direção das linhas de força entre os dois corpos.

5. DIFERENÇA DE POTENCIAL

Em virtude da força em seu campo eletrostático, uma carga elétrica é capaz de realizar trabalho ao deslocar uma outra carga por atração ou repulsão. A capacidade de uma carga realizar trabalho é chamada de potencial. Quando uma carga for diferente da outra, haverá uma diferença de potencial entre elas. A unidade fundamental da diferença de potencial é o Volt. O símbolo usado para a diferença de potencial é V, que indica a capacidade de realizar trabalho ao se forçar os elétrons a se deslocarem. A diferença de potencial é chamada de tensão.

6. A CORRENTE

O movimento ou o fluxo de elétrons é chamado de corrente. Para se produzir a corrente, os elétrons devem se deslocar pelo efeito de uma diferença de potencial. A corrente é representada pela letra I. A unidade fundamental com que se mede a corrente elétrica é o ampère (A). Um ampère de corrente é definido como o deslocamento de um Coulomb através de um ponto qualquer de um condutor durante um intervalo de tempo de um segundo. A definição da corrente pode ser expressa por meio de uma equação:

I = Q / T

Onde: I = Corrente, A ; Q = Carga, C ; T = Tempo, s

Q = I x T

Ex: Quantos elétrons passaram pela resistência de um ferro elétrico que ficou ligado durante 15 minutos, sendo percorrido por uma corrente de 20 A.

15 min = 15 x 60seg = 900seg

Q = 900 x 20 = 18000C

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X = 18000 x 6,25 x 10^18 ele

X = 11,25 x 10 ^22 ele

7 - FLUXO DE CORRENTE

Num condutor como, por exemplo, num fio de cobre, os elétrons livres são cargas que podem ser deslocadas com relativa facilidade ao ser aplicada uma diferença de potencial. Se ligarmos as duas extremidades de um fio de cobre uma diferença de potencial, a tensão aplicada (1,5V) faz com que os elétrons livres se desloquem. Essa corrente consiste num movimento dos elétrons a partir do ponto de carga negativa, -Q, numa das extremidades do fio, seguindo através do fio, e voltando para a carga positiva, +Q, na outra extremidade. O sentido do movimento dos elétrons é do lado negativo da bateria, passando através do fio, e de volta ao lado positivo da bateria. O sentido do fluxo de elétrons é de um ponto potencial negativo para um ponto de potencial positivo.

8. FONTES DE ELETRICIDADE

8.1- Bateria Química

Uma pilha química voltaica consiste numa combinação de materiais que são utilizados para converter energia química em energia elétrica. Uma bateria é constituída pela ligação de duas ou mais pilhas. Uma reação química produz cargas opostas em dois metais diferentes, que servem como terminais negativo e positivo. Os metais estão em contato com um eletrólito.

8.2 - Gerador

O gerador é uma máquina na qual se usa a indutância eletromagnética para produzir uma tensão por meio da rotação de bobinas de fio através de um campo magnético estacionário ou pela rotação de um campo magnético através de bobinas de fio estacionárias. Atualmente, mais de 95 por cento da energia consumida no mundo é produzida por geradores.

8.3 - Energia térmica

A produção da maior parte da energia elétrica origina-se pela formação de energia térmica. O carvão, o óleo ou o gás natural pode ser queimado para ser liberado grandes quantidades de calor. Uma vez estando disponível a energia térmica, o próximo passo é convertê-la em energia mecânica. A água é aquecida para produzir vapor que, por sua vez, é utilizado para girar as turbinas que impelem os geradores elétricos. Uma conversão direta da energia térmica em energia elétrica aumentaria a eficiência e reduziria a poluição térmica dos mananciais de água e da atmosfera.

8.4- Emissão termoiônica

O conversor de energia termoiônica é um dispositivo constituído por dois eletrodos num vácuo. O eletrodo emissor é aquecido e produz elétrons livres. O eletrodo coletor é mantido a uma temperatura muito mais baixa e recebe os elétrons emitidos pelo emissor.

8.5 - Pilhas solares

As pilhas ou células solares convertem energia luminosa diretamente em energia elétrica. São constituídas de material semicondutor como o silício e são utilizadas em grandes arranjos em naves espaciais para carregar as baterias. As pilhas solares são utilizadas também no aquecimento doméstico.

8.6- Efeito piezoelétrico

Certos cristais, como o quartzo e os sais de Rochelle, geram uma tensão quando vibram ou sofrem uma pressão mecânica. Este fenômeno é conhecido como efeito piezoelétrico. Um exemplo é a cápsula de cristal dos toca-discos, que contém um cristal de sal de Rochelle ao qual é fixada a agulha. À medida que a agulha passa pelos sulcos do disco, ela balança de um lado para o outro. Este movimento mecânico é aplicado ao cristal e assim gera uma tensão.

8.7 - Termopares

Se dois fios de materiais diferentes como o ferro e o cobre forem soldados um ao outro, e se a junção for aquecida, a diferença na atividade eletrônica nos dois metais produz uma diferença de potencial (ddp) através da junção. As junções de termopares podem ser usadas para medir a quantidade de corrente, pois a corrente serve para aquecer a junção.

9. CORRENTES E TENSÕES CONTÍNUA E ALTERNADA

A corrente contínua (dc ou cc) é a corrente que passa através de um condutor ou de um circuito somente num sentido. A razão dessa corrente unidirecional se deve ao fato das fontes de tensão, como pilhas e as baterias, manterem a mesma polaridade da tensão de saída. A tensão fornecida por essas fontes é chamada de tensão de corrente contínua ou simplesmente de tensão dc ou tensão cc. Uma fonte de tensão contínua pode variar o valor da sua tensão, mas se a polaridade for mantida, a corrente fluirá somente num sentido.

Uma fonte de tensão alternada (tensão ca) inverte ou alterna periodicamente a sua polaridade. Conseqüentemente, o sentido da corrente alternada resultante também é invertido periodicamente. Em termos de fluxo convencional, a corrente flui do terminal positivo da fonte de tensão, percorre o circuito e volta para o terminal negativo, mas quando o gerador alterna a sua polaridade, a corrente tem que inverter o seu sentido. Um exemplo comum é a linha de tensão usada na maioria das residências. Nesses sistemas, os sentidos da tensão e da corrente sofrem muitas inversões por segundo.

Eletrização ou Ionização

É o ato de fazer com que os átomos de um corpo ganhem ou percam elétrons. Vários são os processos de eletrização. Assim, a eletrização pode ocorrer das seguintes maneiras:

 Fricção - É o mais antigo processo de eletrização. Quando friccionamos dois corpos, ambos adquirem carga elétrica, um por perder e outro por receber elétrons;

Fotoeletricidade - Determinados materiais, quando são postos em contato com a luz emitem elétrons, adquirindo carga elétrica. Algumas calculadoras portáteis utilizam baterias solares, cujo funcionamento inclui princípios de fotoeletricidade;

Termoeletricidade - O calor também provoca emissão de elétrons por parte de certos materiais, resultando da mesma forma em carga elétrica. A imagem que vemos na tela da televisão, é obtida através de um feixe de elétrons que emitido contra a tela, por uma peça chamada canhão de raios catódicos. O canhão só começa a emitir elétrons após estar aquecido. É por isso que quando ligamos a TV, a imagem leva alguns segundos para aparecer;

Piezoeletricidade - Certos cristais como o quartzo, sais de Rochelle e a Turmalina adquirem cargas elétricas quando sofrem pressões mecânicas. Tal fenômeno é conhecido como piezoeletricidade e é amplamente utilizado na confecção de microfones;

Reações químicas - Podemos produzir cargas elétricas através de reações químicas entre diferentes substâncias. São o caso de pilhas e baterias, amplamente utilizadas em controle remoto de eletrodomésticos, telefones celulares, automóveis, etc;

Magnetismo - Podemos obter cargas elétricas movimentando um condutor dentro de um campo magnético. Atualmente mais de 95% da energia consumida no mundo é produzida deste modo. As usinas hidroelétricas utilizam o magnetismo para a produção de eletricidade.