Aula nº1 – Corrente elétrica e diferença de potencial
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Corrente elétrica e diferença de potencial
A corrente elétrica consiste no movimento orientado de partículas com carga elétrica.
Essas partículas podem ser :
- eletrões nos metais
- iões em soluções condutoras (eletrolíticas)
- eletrões e iões em gases ionizados
Circuito elétrico
Um circuito elétrico é um conjunto de elementos elétricos ligados entre si.
Para facilitar a representação dos circuitos e tornar os esquemas mais universais, usam-se símbolos elétricos para representar cada um dos diferentes elementos.
TABELA I – Alguns símbolos utilizados na representação de circuitos elétricos
CARGA
A carga (Q) é uma propriedade elétrica das partículas atómicas que compõem a matéria. O valor da carga elétrica é medido no SI em coulomb (C).
Um eletrão apresenta uma carga elétrica de -1,602 × 10-19 C, o valor mais pequeno de carga elétrica medido, e o seu módulo corresponde à carga elementar.
Os portadores de carga elétrica podem ser eletrões, iões positivos ou iões negativos.
Para que haja uma corrente elétrica, é necessário um circuito fechado com um gerador. Este fornece energia de modo a produzir o deslocamento orientado das cargas elétricas.
São considerados condutores elétricos os corpos que possuem quantidades consideráveis de partículas livres eletrizadas, eletrões ou iões. Nestes corpos é possível estabelecer com facilidade um movimento de cargas.
Os metais são exemplos de bons condutores elétricos.
Representação de eletrões livres em movimento num fio metálico.
O movimento de cargas elétricas também se pode efetuarem soluções líquidas e gasosas.
A existência de duas partículas com carga elétrica conduz à existência de uma força elétrica entre elas.
Ao ligar os dois recipientes por um tubo, verifica-se que surge uma corrente de água ao longo do tubo, com sentido do recipiente com maior nível de água para o que tem o nível mais baixo.
Esta corrente mantém-se enquanto houver desnível (U).
Embora envolva forças de natureza distintas, um processo análogo tenderá a ocorrer se um fio de um condutor metálico for ligado às extremidades de uma pilha.
Representação do fluxo de cargas num condutor metálico:
- movimento ordenado de eletrões livres
- fluxo de cargas elétricas que atravessa a secção transversal
Corrente elétrica
Movimento ordenado de cargas correspondendo à quantidade de carga que atravessa a secção transversal de um condutor por unidade de tempo.
Um ampere corresponde ao movimento de uma carga de um coulomb que atravessa uma secção transversal de um condutor durante um segundo.
Representação do sentido convencional para a corrente elétrica.
Quantos mais eletrões atravessarem uma secção reta de um condutor, por unidade de tempo, mais intensa será a corrente elétrica.
A corrente elétrica (símbolo I) é uma grandeza escalar que se define como a carga que atravessa uma secção reta de um condutor por unidade de tempo.
Designa-se por corrente elétrica o movimento orientado de portadores de carga elétrica, através de um circuito fechado.
Para que haja uma corrente elétrica, é necessário um circuito condutor fechado.
Diferença de potencial elétrico
Corresponde ao trabalho realizado para deslocar uma carga unitária entre dois pontos, ou seja, a energia transferida no deslocamento de carga.
Um volt corresponde à diferença de potencial entre dois pontos quando é utilizado um joule de energia para mover uma carga de um coulomb de um ponto para o outro.
Durante o movimento ao longo do circuito, a energia elétrica que o carrinho carrega é transferida (a maior parte para a lâmpada) e transformada noutras formas de energia.
Note-se que é apenas a energia elétrica que é cedida ao circuito, não é a carga nem a corrente elétrica.
Representação da analogia da corrente elétrica com transportadores de eletricidade.
A diferença de potencial da pilha pode ser entendida como a energia, por unidade de carga, que é fornecida ao circuito e a diferença de potencial da lâmpada como aquela que é utilizada pela lâmpada.
Corrente contínua e corrente alternada
- Corrente contínua
Os geradores que fornecem uma diferença de potencial praticamente constante são chamados geradores de tensão contínua.
⇒ Originam correntes contínuas.
⇒ Eletrões movem-se no mesmo sentido.
⇒ É simbolizado pela sigla CCou DC.
As pilhas e baterias são exemplos de geradores de tensão contínua
Corrente elétrica que se efetua, ao longo do tempo, sempre no mesmo sentido.
Gráficos da diferença de potencial elétrico e da corrente elétrica em função do tempo:
Esboço do gráfico de I = f(t) para uma corrente contínua (CC ou DC) produzida por uma pilha.
Sentido da corrente elétrica
- Sentido real da corrente elétrica
Os eletrões movem-se do polo negativo para o polo positivo.
O sentido em que se movem os eletrões no seu movimento orientado chama-se sentido real da corrente
- Sentido convencional da corrente elétrica
As cargas (positivas) movem-se do polo positivo para o polo negativo.
Por convenção ainda se utiliza o sentido convencional da corrente elétrica.
- Corrente alternada
Corrente elétrica em que existe inversão do sentido ao longo do tempo.
Gráficos da diferença de potencial elétrico e da corrente elétrica em função do tempo:
Esboço do gráfico de I = f(t) para uma corrente alternada (AC) como a que se utiliza nas habitações.
⇒ O valor da corrente elétrica varia periodicamente ao longo do tempo.
⇒ O movimento dos eletrões dá-se ora num sentido, ora em sentido oposto.
⇒ É simbolizado pela sigla CAou AC.
Conversão da corrente alternada em contínua
Há aparelhos que transformam a corrente alternada em contínua e vice-versa, que são designados transformadores.
O carregador do telemóvel e o carregador do computador portátil convertem corrente alternada em corrente contínua e reduzem a diferença de potencial (U).
Resistência de condutores filiformes e resistividade
As colisões entre os eletrões de condução e os iões oferecem resistência ao movimento orientado de eletrões.
Materiais onde é possível estabelecer uma corrente de eletrões com facilidade são considerados condutores elétricos, designando-se semicondutores quando a sua condutividade não é tão elevada.
São considerados maus condutores elétricos os materiais que apresentam reduzida condutividade elétrica.
A maior ou menor dificuldade que os eletrões encontram durante o seu movimento, é medida por uma grandeza física chamada resistência elétrica.
Resistência elétrica
Corresponde à oposição que um material oferece à passagem de corrente elétrica.
A resistência elétricatem como unidade no SI o ohm (Ω).
As principais aplicações das resistências são limitar a corrente elétrica, a tensão elétrica e, em certos casos, transferir energia sob a forma de calor.
LEI DE OHM
Estabelece que, para uma dada temperatura, a tensão elétrica entre os terminais de uma resistência é diretamente proporcional à corrente elétrica que o atravessa.
Um ohm de resistência elétrica quando uma corrente elétrica de um ampere percorre um material em cujos terminais existe uma diferença de potencial elétrico de um volt.
Curvas características da tensão elétrica em função da corrente elétrica para uma:
- resistência linear
- resistência não linear
A resistência elétrica depende, entre vários fatores, do material do condutor. Essa dependência caracteriza-se pela grandeza resistividade.
Resistividade
Depende da natureza e da temperatura do material e traduz a dificuldade com que os eletrões se deslocam através desse material.
Parâmetros usados na determinação da resistência elétrica de um material.
- medida da oposição de um material ao fluxo da corrente elétrica.
- o seu símbolo é o ρ.
- a unidade SI é o ohm metro (Ωm).
Além da resistividade, a resistência elétrica depende da área da secção transversal e do comprimento do condutor filiforme.
A resistência elétrica de um material é diretamente proporcional à sua resistividade e ao seu comprimento mas inversamente proporcional à área da sua secção transversal.
Consoante o valor da sua resistividade, um material condutor pode ser classificado em mau condutor, semicondutor ou bom condutor.
Metais – A resistividade aumenta com o aumento da temperatura.
exemplos: Ferro, prata e cobre
Aplicações elétricas – Fabrico de fios elétricos.
Ligas metalicas – A resistividade varia muito pouco com a temperatura.
exemplos: Manganina e Constantan
Aplicações elétricas – Fabrico de resistências padrão.
Semimetais – A resistividade varia, mesmo quando há pequenas variações da temperatura; diminui com o aumento da temperatura.
exemplos: Germânio e Silício
Aplicações elétricas – Fabrico de termístores, que são sensores de temperatura .
A resistividade de condutores é inferior à apresentada pelos semicondutores que, por sua vez, é inferior à dos maus condutores e isoladores.
TABELA II – RESISTIVIDADE DE ALGUNS MATERIAIS COMUNS, A 20 °C
A resistividade varia com a temperatura, no entanto, essa variação depende da estrutura química do material condutor.
A temperatura a que se encontra um condutor tem implicação no valor da resistividade que este apresenta.
De um modo geral, a resistividade e, portanto, a resistência elétrica dos metais aumentam com o aumento da temperatura.
Gráfico da resistividade de vários metais em função da temperatura.
