Bipolos Elétricos

Chamamos de bipolo elétrico a todo dispositivo elétrico com dois terminais acessíveis. Os bipolos podem ser geradores e receptores.

Um bipolo gerado é um dispositivo elétrico que transforma algum tipo de energia em energia elétrica. Ex: pilha, bateria, dínamo, etc. Os bipolos receptores transformam energia elétrica em outro tipo de energia. Por exemplo: lâmpada (energia luminosa), motor elétrico (energia mecânica), chuveiro (energia térmica), etc.

Em um bipolo, tensão e corrente são representadas por setas convenientemente orientadas. Nas figuras abaixo estão indicadas as convenções de polaridade para bipolo gerador e bipolo receptor:

Observe que, fixada a orientação da tensão e da corrente em um bipolo, se invertermos o sentido da tensão ou da corrente, em relação àquela orientação, a tensão ou a corrente passa a ser negativa.

Grandezas Elétricas

Tensão Elétrica

Chamada também de d.d.p.( diferença de potencial ) ou força eletromotriz é respnsável por gerar a corrente elétrica( fluxo ordenado de elétrons ) em um gerador, onde um dos pólos tem excesso de elétrons (pólo negativo) e o outro tem falta de elétrons (polo positivo), o que origina a d.d.p (desnível elétrico). Portanto, o polo positivo atrae as cargas negativas do polo oposto gerando a corrente. Um aparelho elétrico só funciona quando se cria uma diferença de potencial entre os pontos em que estiver ligado para que as cargas possam se deslocar.

Sua unidade de medida é o volt, o nome é homenagem ao físico italiano Alessandro Volta. É dado pela expressão:

no qual:

R = Resistência (ohms)

I = Intensidade da corrente (amperes)

V = Diferença de potencial ou tensão (volts)

Corrente Elétrica

A corrente elétrica é um fluxo de elétrons que circula por um condutor quando entre suas extremidades houver uma diferença de potencial. A corrente elétrica é definida como corrente elétrica real (sentido do movimento dos elétrons) e corrente elétrica convencional (consiste no movimento de cargas positiva. 

     

Vamos explicar a corrente elétrica a partir de um condutor metálico (um fio elétrico por exemplo). Dentro desses condutores há muitos elétrons livres descrevendo um movimento caótico, sem direção determinada. Ao aplicar-se uma diferença de potencial entre dois pontos do metal (ligando as pontas do fio a uma bateria, por exemplo), estabelece-se um campo elétrico interno e os elétrons passam a se movimentar numa certa ordem, constituindo assim a corrente elétrica.

A corrente elétrica é definida como a razão entre a quantidade de carga que atravessa certa secção transversal (corte feito ao longo da menor dimensão de um corpo) do condutor num intervalo de tempo. A unidade de medida é o Coulomb por segundo (C/s), chamado de Ampère (A) no SI em homenagem ao físico e matemático francês André-Marie Ampère (1775-1836). É dado pela razão da tensão com a resistência.

Resistência Elétrica

É a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica pelo mesmo, quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Lei de Ohm e é medida em ohms. Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas definiram uma grandeza que denominaram resistividade elétrica e é dado por: 

Fatores que influenciam na resistividade de um material:

• A resistividade de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento.
• A resistividade de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção transversal, isto é, quanto mais fino for o condutor.
• A resistividade de um condutor depende do material de que ele é feito.
• 
  
  
  A resistividade de um condutor depende da temperatura na qual ele se encontra.
  
  

  Potência Elétrica

  É uma grandeza elétrica que mede a rapidez com que a energia elétrica é transformada em outro tipo de energia. Define-se potência como a razão da energia elétrica transformada com o intervalo de tempo.
  

  

  Considere então um dispositivo que esteja participando de um circuito elétrico. Esse dispositivo é chamado de bipolo e possui dois terminais, um por onde a corrente entra e outro por onde a corrente sai. Pilhas e lâmpadas são exemplos de bipolos.

  Para a corrente passar por esse bipolo, é necessário que seja estabelecida uma diferença de potencial (U) nos seus terminais, ou seja, uma tensão. Sabendo-se o valor dessa tensão e o valor da corrente que flui pelo bipolo, podemos calcular o valor da potência elétrica através da formula mostrada no quadro abaixo:

  
  

  

  
  

  EXEMPLOS PRÁTICOS: 

  
  
  

  Que corrente será produzida com uma tensão de 12 volts aplicada a uma resistência de 3Ω?

  Resolução: 

  
  
  

  Aplicando a fórmula da corrente elétrica, descobrimos o seu valor.

  I = V/R ; I = 12/3 =4 ampéres

  
  

  Qual a potência aplicada em uma resistência de 4Ω a uma tensão de 16 volts?

  Resolução:

  
  
  

  Como P = V.I  e não se sabe o valor da corrente, faz-se:

  P = V.(V/R);   P = V²/R;   P = 16²/4;   P = 256/4;   P = 64 watts
  

Tipos de eletrização

Eletrização

Eletrizar um corpo significa colocar ou retirar elétrons dele. As principais maneiras de se eletrizar um corpo são: por atrito, por contato e por indução.

Eletrização por atrito

O atrito entre dois corpos de materiais diferentes e isolantes, inicialmente neutros, é a maneira de fazer com que eles se aproximem bastante para que os átomos de um possam interagir com os átomos do outro. Perderá elétrons o átomo que exercer menor força sobre eles. Assim os dois corpos ficam eletrizados com carga de mesmo valor absoluto e sinais opostos (um com carga negativa e outro com carga positiva): diferentes materiais possuem diferentes afinidades por elétrons.

A eletrização por atrito é local, isto é, os corpos ficam eletrizados só por pontos de contato. Observa-se que a quantidade de carga adquirida pelos corpos é igual em módulo, e mais ainda, neste tipo de eletrização, é necessário que os corpos sejam de materiais diferentes e isolantes.

Eletrização por contato

Considere duas esferas condutoras A e B, uma eletrizada (A) e outra neutra (B).
Ao colocarmos a esfera A, positivamente carregada, em contato com a esfera B, aquela atrai parte dos elétrons de B, por causa da diferença de potencial. Assim, A continua eletrizada positivamente( com falta de elétrons), mas com uma carga menor, e B, que estava neutra, fica eletrizada com carga positiva.
E se um corpo eletrizado negativamente (com excesso de elétrons) é encostado em outro, neutro, parte de seus elétrons passará para este, que também ficará eletrizado negativamente, isso é explicado também por causa da diferença de potencial.
Essa é a maneira mais simples de se eletrizar um corpo. Quando dois corpos são encostados ou ligados por fios, pode haver a passagem de elétrons de um para o outro. Para que se realize esse tipo de eletrização, os corpos e os fios devem ser condutores, e nunca isolantes.
Neste tipo de eletrização, vale a lei da conservação das cargas e os corpos ficam com cargas elétricas de mesmo sinal. E se os corpos forem condutores idênticos, as cargas distribuirão igualmente entre eles.

Eletrização por indução

Na eletrização por contato e por atrito, deve existir o contato físico entre corpos, havendo a transferência de cargas de um corpo para o outro. Na eletrização por indução, não haverá contato físico entre os corpos, mas os corpos devem ser condutores, como na eletrização por contato. Consideremos a sequência de eventos:

a) Ao aproximarmos os dois corpos, a influência das cargas negativas do corpo A nos elétrons livres do corpo B.

b) Sem afastar os corpos, vamos ligar a extremidade negativa de B à terra. A terra pode ser considerada uma esfera condutora de raio infinitivamente grande, em relação aos objetos que estão na sua superfície, como o potencial de uma esfera é dado por V=K.Q/R, o potencial da terra é sempre constante e igual a zero.

Como passa a existe uma d.d.p entre o corpo B e a terra, haverá um deslocamento de elétrons do corpo A para a terra. Esse cessa quando o potencial da extremidade ligada à terra igualar ao dela. Observe que não descem todos os elétrons livres do corpo B, pois as cargas positivas na extremidade mais próxima de A também exercem influência nos elétrons livres de B. O que importa é que elétrons livres descem para a terra, deixando o corpo B com falta de elétrons.

c) Sem afastar os corpos, cortemos a ligação à terra. O condutor B estará com falta de elétrons, portanto eletrizado positivamente.

E no final desta eletrização, o corpo A continuará com a mesma carga inicial e a carga obtida por B foi fornecida pela terra.

Como um condutor se torna isolante e vice-versa

Um condutor se torna isolante com o aumento da temperatura, que aumenta a vibração dos átomos, dificultando a passagem dos elétrons livres entre os átomos, diminuindo a sua mobilidade. Nestas condições, a resistividade do metal é incrementada.
Um isolante se torna condutor com a elevação da temperatura, que enfraquece a ligação do núcleo com os elétrons fazendo com que eles se desprendam se tornando elétrons livres e também quando a tensão elétrica ultrapasse certo valor, conhecido como rigidez elétrica. A rigidez elétrica de um material isolante corresponde ao valor máximo de carga elétrica que ele pode suportar sem como isso tornar-se um material condutor, ou seja, todo isolante é isolante até certo ponto. É como se eles tivesse um limite de carga a suportar, se passar desse limite ele não consegue mais isolar, permitindo que os elétrons da última camada se desprendam do átomo, se transformando em elétrons de condução.

OBS: A umidade facilita a condução elétrica tanto nos condutores como nos isolantes, por causa da quantidade de sais que a solução líquida possue.

Condutores e Isolantes

Condutores elétricos são materiais caracterizados por possuírem no seu interior, portadores de cargas livres, desta forma, permitindo a passagem de uma corrente elétrica (movimentação ordenada de cargas elétricas) pelo seu interior. Os condutores podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. A diferença básica entre ele está no tipo de portador de carga que possuem.

Por exemplo, em uma solução de água com sal (NaCl), haverá uma dissociação da molécula de cloreto de sódio (NaCl) em íons Na+ e Cl-, que ficam livres para se movimentar pelo interior da solução, onde os íons positivo (Na+) se dirige ao pólo negativo, que posteriormente fica positivo devido ao acúmulo desses íons. E os íons negativos (Cl-) se dirigem ao pólo positivo, que posteriormente fica negativo devido ao acúmulo de eletrons excedentes desses íons, que têm seus elétrons arrancados ficando neutros. Assim, o pólo positivo, que é "recheado" de íons Na+, atrai os eletrons excedentes fazendo com que seus íons fiquem neutros.

Nos condutores metálicos, os portadores de carga são os elétrons livres. Em um metal, os elétrons que giram na última órbita estão tão fracamente presos ao átomo, que ao passarem nas proximidades de outro átomo podem sair da órbita.

Estes elétrons pelo fato de não estarem presos a nenhum átomo, são chamados de elétrons livres. Se um determinado instante, pudéssemos tirar um fotografia do interior do material, veríamos uma nuvem de elétrons envolvendo cada átomo. São esses elétrons livres, os responsáveis pela condução da corrente elétrica em um metal.

Isolantes são substâncias que não permitem a passagem de uma corrente elétrica, por não terem portadores de cargas livres, os átomos da última camada estão fortemente presos ao átomo. Exemplos de isolantes: vidro, mica, fenolite, baquelite, borracha, porcelana, água pura, etc.

Os termos isolante e condutor na realidade são relativos pois, sob certas circunstâncias um isolante pode se comportar como um condutor e vice-versa, além disso existe uma outra classe de substância chamada de semicondutores, os quais têm características intermediárias entre os condutores e os isolantes. Exemplo disso é o diodo, que é utilizado largamente em eletrônica.

Matéria e Eletricidade

A eletricidade está presente nas nossas vidas, em nosso cotidiano, em praticamente tudo o que fazemos como, por exemplo, quando tomamos banho, ao acendermos uma lâmpada, quando utilizamos a televisão, etc.. O estudo dessa parte da física se faz necessário, pois ajuda a compreender os inúmeros fenômenos que estão ligados ao nosso dia-a-dia. A todo o momento o ser humano se relaciona com fatos da natureza e o seu modo de viver depende da eletricidade e dos aparelhos elétricos modernos.
Thales de Mileto, filósofo e matemático grego, ficou conhecido por suas teorias na área da cosmologia, além de ser, de acordo com a história, o homem que fez as primeiras descobertas relacionadas aos fenômenos elétricos. Tales observou que após atritar pele de animal com o âmbar, uma resina vegetal, ela adquiria propriedades de atrair corpos pequenos e leves como, por exemplo, sementes de grama e pedaços de palha. Muitos anos mais tarde, cerca de 2000 anos, começaram a ser feitas observações mais cuidadosas a respeito dos fenômenos elétricos, dentre todas se destacam as que o médico inglês W. Gilbert fez. Gilbert observou o comportamento de vários corpos quando atritados e concluiu que eles se comportavam como o âmbar, ou seja, tinham a capacidade de atrair outros corpos.
A eletricidade é o resultado da existência de carga elétrica nos átomos que constituem a matéria. Como se sabe, um átomo é composto por prótons (cargas positivas), elétrons (cargas negativas) e nêutrons, que não possuem carga. Os prótons e os nêutrons ficam no interior do núcleo do átomo, os elétrons ficam na eletrosfera - ao redor do núcleo.
O estudo da eletricidade é dividido em três partes:

• Eletrostática – estuda as cargas elétricas em repouso;
• Eletrodinâmica – é o estudo das cargas elétricas em movimentação, ou seja, o estudo de corrente elétrica e das propriedades dos circuitos que são percorridos por ela.
• Eletromagnetismo – nessa parte são estudadas as relações entre a eletricidade e o magnetismo, bem como a ligação entre os fenômenos magnéticos e elétricos.