ELETRODINÂMICA


7 – Corrente Elétrica

7.1 – Introdução
A partir de agora passaremos a estudar o movimento da carga elétrica. Veremos desde os Princípios Básicos até como todo processo de produção de energia elétrica é realizado.
7.2 – Condutores e Isolantes
Condutor elétrico é todo corpo que permite a movimentação de carga no seu interior. Caso não seja possível essa movimentação, então o corpo é chamado de isolante elétrico.

A seguir mostramos numa tabela alguns condutores e alguns isolantes:


Bons Condutores Bons Isolantes
F metais em geral
F grafite
F cerâmica
F água F vidro
F cera
F borracha
F seda


Os condutores elétricos mais comuns são os metais, que caracterizam-se por possuírem grande quantidade de elétrons-livres, por exemplo: o alumínio possui 2 elétrons na última camada, já o ferro possui 2 e o cobre possui 1. Esses elétrons possuem uma ligação fraca com o núcleo, tendo certa liberdade de movimentação, o que confere condutibilidade aos metais.

Normalmente, o movimento o movimento dos elétrons livres no metal é caótico e imprevisível. No entanto, em certas condições, esse movimento torna-se ordenado, constituindo o que chamamos de corrente elétrica.



Importante:

Corrente Elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas.



Embora a corrente elétrica nos metais seja constituída de elétrons em movimento ordenado, por convenção, tradicionalmente aceita, admite-se que o sentido da corrente elétrica é oposto ao movimento dos elétrons.







Figura 26

Portanto de agora em diante iremos utilizar o sentido convencional, para indicar o sentido da corrente elétrica.


7.3 – Intensidade de Corrente Elétrica
Definimos intensidade de corrente elétrica como sendo a quantidade de carga que passa numa seção transversal de um condutor durante um certo intervalo de tempo.





Figura 27

É importante dizer que seção transversal é um corte feito no fio para medir, como num pedágio, quantos elétrons passa por ali num intervalo de tempo.
Portanto, podemos escrever que:



Unidades no SI:

Q ® carga elétrica Þ Coulomb (C)
Dt ® intervalo de tempo Þ segundo (s)
i ® intensidade de corrente elétrica Þ Coulomb por segundo (C/s) = Ampere (A)


Importante:

F Freqüentemente utilizamos submúltiplos do Ampere.
1 mA = 10-3 A (miliampere)
1 mA = 10-6 A (microampere)

F Quando a corrente elétrica mantém sentido invariável ela é denominada corrente contínua (C.C.). Caso o sentido da corrente elétrica se modifique no decorrer do tempo, ela é denominada corrente alternada (C.A.)



Exercícios

Através de uma seção transversal de um fio condutor passaram 2,5 x 1021 elétrons num intervalo de tempo de 200 s. Qual o valor da intensidade de corrente elétrica através desse condutor?

Determine o número de elétrons recebidos por um corpo carregado com a carga – 64 mC.


18>
O gráfico anexo representa a intensidade da corrente que percorre um condutor em função do tempo. Sendo a carga elementar e = 1,6 x 10-19 C, determine:
(a) a carga elétrica que atravessa a seção transversal do condutor em 6 s;
(b) o número de elétrons que nesse intervalo de tempo atravessou a seção;
(c) a intensidade média de corrente elétrica entre 0 e 6 s.


7.4 – Tensão Elétrica ou Diferença de Potencial (d.d.p)
Normalmente as cargas elétricas livres de um condutor metálico isolado estão em movimento desordenado, caótico. Falamos anteriormente que em certas condições podemos transformar este movimento desordenado em movimento ordenado, basta ligarmos as extremidades do condutor aos terminais de um dispositivo chamado gerador. A função do gerador é fornecer às cargas elétricas energia elétrica, evidentemente à custa de outra forma de energia. Resumindo, um gerador é o dispositivo elétrico que transforma um tipo qualquer de energia em energia elétrica.
São exemplos de geradores as pilhas, as baterias de relógio e as baterias de automóvel.

A medida que as cargas se movimentam elas se chocam com os átomos que constituem a rede cristalina do condutor, havendo uma conversão de energia elétrica em energia térmica. Assim, as cargas elétricas irão “perdendo” a energia elétrica que receberam do gerador. Portanto, considerando o condutor representado na figura 5 na extremidade B cada carga elementar possui uma energia elétrica EB menor que a energia elétrica na extremidade A EA (EB < EA).









Figura 28

A relação entre energia elétrica que a partícula possui num determinado ponto do condutor e a sua carga elétrica (carga elementar) define uma grandeza física chamada de potencial elétrico (V).

e

Entre esses pontos haverá uma diferença de potencial elétrico (d.d.p.) ou tensão elétrica (U), dada por:
onde VA > VB



Unidades no SI:

E ® energia Þ Joule (J)
e ® carga elementar Þ Coulomb (C)
V ® potencial elétrico Þ Joule por Coulomb = Volt (V)
U ® d.d.p. Þ Joule por Coulomb = Volt (V)


ENTENDA MELHOR O QUE É d.d.p
Para uma melhor compreensão da importância da d.d.p. dentro da eletricidade iremos fazer uma analogia com a hidrostática.

Observe a figura 29a abaixo e note que o nível do líquido é o mesmo dos dois lados do tubo (vaso comunicante). Neste caso não existe movimento do líquido para nenhum dos dois lados. Para que ocorra movimento é necessário um desnivelamento entre os dois lados do tubo (observe a figura 29b).










Figura 29a FIGURA 29b

Neste caso o líquido tenderá a se mover até que os dois lados do tubo se nivelem novamente (figura 29c). Podemos concluir que para existir movimento é necessário que exista uma diferença de nível entre os dois lados do tubo (d.d.n.).












Figura 29c FIGURA 29b

Para que o líquido fique sempre em movimento, podemos colocar uma bomba para retirar a água de um lado para o outro, fazendo com que sempre haja uma d.d.n. entre os dois tubos (figura 29d).

Podemos fazer uma analogia da situação descrita anteriormente com o movimento das cargas elétricas. Para isso vamos trocar os tubos por condutores elétricos (fios), a bomba por um gerador (pilha) e passaremos a ter a seguinte situação:






Figura 30


Da mesma forma que a bomba mantém uma diferença de nível para manter o movimento do líquido, o gerador mantém a diferença de potencial elétrico (d.d.p.) para manter o movimento ordenado de elétrons. Esquematicamente temos:











Figura 31


Pode-se verificar que no condutor, o sentido da corrente elétrica é da extremidade de maior potencial (pólo positivo) para a extremidade de menor potencial (pólo negativo).



Exercícios

Ao se deslocar entre dois pontos de um condutor, uma carga elementar perde 3,2 x 10-16 Joules de energia elétrica. Determine a d.d.p. entre os dois pontos considerados. A carga elementar é igual a 1,6 x 10-19 C.



A corrente elétrica por um fio de cobre é constituída pelo deslocamento de:
(a) Elétrons;
Prótons;
Íons negativos de cobre;
Íons positivos de cobre;
Átomos de cobre.



Desafio:
1> Uma carga +q move-se numa superfície de raio R com uma velocidade escalar v. A intensidade de corrente média em um ponto da circunferência é:
(a) ; (b) ; (c) ; (d) ; (e) .



MODELOS ATOMICOS


Modelos Atômicos:

Dalton: partícula maciça, indivisível, sem carga elétrica (bola de bilhar).

Thomson: partícula maciça, divisível, era uma pasta positiva recheada por cargas negativas (pudim de passas)

Rutheford: não é maciço, núcleo muito pequeno com carga positiva, ao redor desse, localizam-se elétrons que neutralizam a carga do núcleo. (foi comparado ao Sistema Solar)

Rutheford-Bohr: - o elétron gira em uma órbita com quantidade de energia bem definida.
- o elétron ao saltar de uma órbita mais interna para outra mais externa, absorve energia na forma de Quantum.
- o elétron ao retornar a sua órbita de origem, libera a mesma energia que foi absorvida, porém, na forma de onda eletromagnética (fóton).
- Se o elétron ficar girando apenas em sua órbita estacionária, não ganha nem perde energia.
- 1 fóton = 1 Quantum ; plural de Quantum é Quanta.

Sommerfeld: algumas órbitas, camadas ou níveis, seriam formados por subcamadas ou subníveis, onde, uma é circular e as demais elípticas mais ou menos alongadas.


Estudo do átomo:

Carga Massa relativa Localização
Próton + 1 Núcleo
Neutron Nula 1 ou 1 + 1/1840 Núcleo
Elétron - 1/1840 Eletrosfera

- Cátion à No de prótons > No de elétrons

- Ânion à No de elétrons > No de prótons

- Número atômico (Z) à No de prótons de um átomo.

- Número de massa (A) à é a soma de prótons e neutrons. – A = Z + N

- Isótopos à diferentes Nos de massa e neutrons, iguais Nos de prótons. Apresentam propriedades químicas iguais e propriedades físicas diferentes.
Ex.: H à Hidrogênio Leve ou Prótio à mais abundante, forma água comum.
H à Hidrogênio Pesado ou Deutério à forma D O, água pesada, que é usada em reatores nucleares.
H à Trítio ou tritério à forma água superpesada, é radioativo (o menos estável)

- Isóbaros à diferentes Nos atômicos e iguais Nos de massa (não pertencem ao mesmo elemento).

- Isótonos à diferentes Nos atômicos e de massa e iguais Nos de neutrons.

- Isoeletrônicos à partículas com o mesmo No de elétrons.

- Alotropia à alguns elementos possuem a característica de formar mais de uma substância simples diferentes. Os alótropos possuem propriedades físicas diferentes e propriedades químicas semelhantes.
Ex.: O (oxigênio) Alótropos do elemento oxigênio que se
O (Ozônio) diferem na atomicidade.


Temperaturas

Temperatura Medida do nível de agitação térmica das partículas ou medida do nível da energia térmica por partícula de um corpo ou sistema físico.
Equilíbrio Térmico Temperaturas iguais, isto é, mesmo nível de agitação térmica; não significa mesma energia térmica.

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

ESCALA CELSIUS Ponto de gelo: 0
Ponto de vapor: 100
ESCALA FAHRENHEIT Ponto de gelo: 32
Ponto de vapor: 212
ESCALA KELVIN Ponto de gelo: 273
Ponto de vapor: 373

CONVERSÕES ENTRE ESCALAS

CELSIUS - FAHRENHEIT Tc = 5 / 9(Tf - 32) ou Tf = (9 / 5).Tc + 32
CELSIUS - KELVIN Tc = Tk - 273 ou Tk = Tc + 273
VARIAÇÕES DE TEMPERATURA
CELSIUS - FAHRENHEIT (Variação)Tc = 5 / 9(Variação)Tf ou (Variação)Tf = 9 / 5(Variação)Tc
CELSIUS - KELVIN (Variação)Tc = (Variação)Tk


Dilatação Térmica

Um dos efeitos da temperatura , é provocar a variação das dimensões de um corpo .
Pois se aumentarmos a temperatura de um corpo , aumenta a agitação das partículas de seu corpo e consequentemente , as partículas se afastam uma das outras , provocando um aumento das dimensões ( comprimento , área e volume ) do corpo.
A esse aumento das dimensões do corpo dá-se o nome de dilatação térmica.



Dilatação Linear

Dilatação linear é aquela em que predomina a variação em uma única dimensão , ou seja , o comprimento. ( Ex: dilatação em cabos , barras , etc.... )

Dilatação Superficial e Volumétrica

Verifica-se experimentalmente que a dilatação superficial e a dilatação volumétrica dos sólidos são inteiramente semelhante à dilatação linear.

CALORIMETRIA
E comum, em doçarias, colocar-se gelo - seco(gás carbônico solidificado) em volta de bolos de sorvete ou outros doces para mantê-los em baixa temperatura e evitar que se estraguem. Após algum tempo, percebe-se que o gelo-seco desaparece, mas os doces continuam frescos.

Esse e outros fenômenos interessantes poderão ser entendidos após o estudo deste capitulo.

CALOR
Quando dois corpos com temperatura são colocados em contato térmico, nota-se que a temperatura do corpo ‘mais quente’ começa a diminuir, enquanto a do corpo "mais frio’’ começa a aumentar. Portanto, o corpo "mais quente’’ perde energia térmica e o outro ganha. Isso ocorre através da passagem de energia térmica do corpo ‘mais quente’ para o "mais frio".

Tal energia térmica que flui no sentido indicado é denominada "calor".

CALOR:
Energia térmica em trânsito devido á diferença de temperatura ; flui espontaneamente do sistema de temperatura mais baixa.

ATENÇÃO:
Enquanto a temperatura de dada substância estiver variando, não ocorre mudança de fase e, se a substância estiver mudando de fase , não ocorre variação na sua temperatura (temperatura de mudança de fase é constante) .

UNIDADES DE QUANTIDADE DE CALOR:

Sendo calor uma forma de energia , sua unidade, no SI , é o joule (J).
Existe uma unidade consagrada pelo uso público chamada de calorimetria (cal).
1cal = 4,18J
A calorimetria admite um múltiplo , a quilocaloria (Kcal).
1Kcal = 103 cal

Resumo de Física III

Força elétrica

Eletricidade è Eletrostática

à Estrutura da Matéria

Átomo p à próton
n à neutron
é à elétron
mp»1840mé

à Quantidade de Carga elétrica (Q)

Q = n é
n = número de elétrons
é = Carga elétrica (carga elementar) à 1,6 x 10-19 C

Unidade no SI
[Q] = Coulomb (C)


à Lei de Du Fay

Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem

à Conservação de quantidade de carga elétrica

Num sistema eletricamente isolado a quantidade de carga se conserva

à Condutores e isolantes
Condutores de mesma dimensão e material

Contato

q1 q2 q1 + q2 q1 + q2
2 2
Lei de Coulomb

A força de interação entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto entre as cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa

F = k . q1 . q2 k = constante eletrostática no vácuo
d² ko = 9 x 109
mC = mini coulomb = 10-3 C
mC = micro coulomb = 10-6 C
nC = nani coulomb = 10-9 C

Obs.: segundo a Lei de Coulomb, a intensidade da orça de interação elétrica entre duas cargas puntiformes é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.

Lembre-seà Situação de equilíbrio é a igualdade das forças atuantes nos corpos.


Campo elétrico

O campo elétrico é uma perturbação gerada por uma carga elétrica no espaço.


Carga de teste
Campo elétrico





à Vetor Campo elétrico (E)

E = F .
q F E E
q (+) F q(-)

Q (+) Q (+)

Pela Lei de Coulomb

F = k Q . q . (: q )
d²

F . = k . Q . q / d² è E = k . Q .
q q d²

Q à carga geradora do campo

à Gráfico

E E


o d o q

Unidade no SI

[E] = N .= V .
C m

à Linhas de campo










Afastamento Aproximação



DICA DE FÍSICA

A Física e a Matemática caminham juntas, portanto, é importante que você desenvolva sua habilidade na interpretação e construção de gráficos, na resolução de equações de 1º e 2º grau e no cálculo de área das figuras mais conhecidas. Muitas questões de Física, nos vestibulares, serão resolvidas com esses recursos.
Como exemplo, aplicamos todos estes recursos no estudo dos movimentos.
O movimento uniforme é descrito por uma função de 1º grau (S=S0+V.t) e para este movimento é necessário que você saiba, a partir da função, representá-lo graficamente e ainda extrair destes gráficos propriedades importantes.
Como exemplo, veja a representação do movimento uniforme e progressivo:












Do primeiro gráfico S=f(t), temos:
A velocidade escalar (V) é numericamente igual à tangente do ângulo (q) de inclinação da reta da função.

Do segundo gráfico V=f(t), temos:
O deslocamento escalar (DS) é numericamente igual à área sob o gráfico V=f(t).


O mesmo ocorre com o movimento uniformemente variado, que é descrito por uma função de 2º grau ( para o espaço e uma função de 1º grau (V=V0+a.t) para a velocidade.

Como exemplo, veja a representação do movimento uniformemente variado, com aceleração positiva.
Do gráfico S=f(t), temos:
A velocidade escalar (V) é numericamente igual à tangente do ângulo (q) de inclinação da reta que tangencia a curva da função S=f(t).


Do gráfico V=f(t), temos:
1- A aceleração escalar (a) é numericamente igual à tangente do ângulo (q) de inclinação da reta da função.


2- Deslocamento escalar (DS) é numericamente igual à área sob o gráfico V=f(t).

Do gráfico a=f(t), temos:
A variação da velocidade escalar (DV) é numericamente igual à área sob o gráfico a=f(t).

Vimos algumas propriedades usando os cálculos da tangente e da área.
Espero que esta dica seja importante (não seria melhor “útil”?) para você.