Professor angelo antonio leithold py5aal ensino médio

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - PREPARATÓRIO FÍSICA

EMBAIXO, PÁGINA ANTIGA

Corrente Elétrica

1) Serão utilizados recursos experimentais para elucidar as dúvidas e inicitar a curiosidade dos jovens aprendizes.

2) Serão sugeridos experimentos aos estudantes para depois discutirmos em sala de aulas.

3) A partir das discussões serão desenvolvidos os trabalhos teóricos e a conceituação.

4) Os exercícios teóricos se desenvolverão naturalmente, e a elaboração de novos exercícios será executada a partir de sugestões do grupo.

          O ampère é a unidade básica de medida do Sistema Internacional de Unidades (SI), usada para medir a intensidade de uma corrente elétrica, seu símbolo é o A. Se define como um quilogramo de massa de partículas elementares (Elétrons) que deveria ser acelerada a, precisamente, 2×10-7 m/s2 entre dois condutores paralelos de comprimento infinito e circulares e colocados a 1 metro de distância no vácuo,  através  dos  quais  flui  uma corrente constante de exatamente:

* 6 241 509 479 607 717 888 elétrons

ou cargas elementares por segundo, também é definido como a corrente constante entre dois fios condutores retos e infinitos ou com seção transversal desprezível, afastados por uma distância de um metro no vácuo, e que produz uma força  por metro de fio equivalente    a 2.10-7 N.

A fórmula:  I = Q/t ,  onde "Q" é a carga que passa pelo fio e "t" é o tempo em que ela passa, mostra a "quantidade" em Coulombs por segundo de cargas,  "C/s", e que segundo a primeira lei de Ohm, é a intensidade de corrente calculada pela equação U = R . I , sendo "U" a tensão (volt), R a resistência (Ohm) e I a intensidade (Ampère).

          Também se pode afirmar que a corrente elétrica é o fluxo ordenado de partículas portadoras de carga elétrica negativa, que, microscopicamente livres, estão em movimento aleatório devido a agitação térmica, e, apesar desse movimento desordenado, quando estabelecemos um campo elétrico na região das cargas, verifica-se um movimento ordenado que se apresenta superposto ao primeiro, que recebe o nome de movimento de deriva das cargas livres. Os raios são exemplos de corrente elétrica, também o vento solar, mas, o fluxo de elétrons através de um condutor elétrico, geralmente metálico é um exemplo mais elucidativo. Conforme visto acima, o símbolo convencional para representar a intensidade de corrente elétrica (ou seja, a quantidade de carga Q que flui por unidade de tempo t) é o I, original do alemão "Intensität", que significa intensidade. Quando se descobriu a eletricidade, não se sabia em que direção avançavam as cargas eletrônicas, assim, se definiu o sentido da corrente elétrica como sendo o sentido do fluxo de cargas positivas, ou seja, as cargas que se movimentam do pólo positivo para o pólo negativo. Naquele tempo nada se conhecia sobre a estrutura dos átomos, os cientistas não sabiam que em condutores sólidos as cargas positivas estão fortemente ligadas aos núcleos dos átomos. Com o advento da física subatômica, foi descoberto que não eram as cargas positivas, mas as negativas que se locomoviam, uma vez que o conceito anterior já estava arraigado e amplamente utilizado em cálculos e representações para análise de circuitos, o sentido da corrente continua a ser utilizado até os dias de hoje e é chamado sentido convencional da corrente. Em qualquer tipo de condutor, este é o sentido contrário ao fluxo líquido das cargas negativas ou o sentido do campo elétrico estabelecido no condutor. Na prática qualquer corrente elétrica pode ser representada por um fluxo de portadores positivos sem que disso decorram erros de cálculo ou quaisquer problemas práticos. Assim, o sentido real da corrente elétrica depende da natureza do condutor, nos sólidos, por exemplo, as cargas de fluxo que constituem a corrente real são os elétrons livres, nos líquidos os portadores de corrente são íons positivos e íons negativos, enquanto que nos gases são íons positivos, íons negativos e elétrons livres. O sentido real é o sentido do movimento de deriva das cargas elétricas livres (portadores). Esse movimento se dá no sentido contrário ao campo elétrico se os portadores forem negativos, caso dos condutores metálicos e no mesmo sentido do campo se os portadores forem positivos. Mas existem casos onde verificamos cargas se movimentando nos dois sentidos. Isso acontece quando o condutor apresenta os dois tipos de cargas livres, os condutores iônicos, nessses, os portadores de carga dos dois tipos estão presentes, ambos contribuem para variações de carga com mesmo sinal em qualquer volume limitado do condutor, porque cargas positivas entrando no volume escolhido, ou cargas negativas saindo do volume escolhido, significam um aumento da quantidade de cargas positivas. Essa é a razão para ser necessário introduzir uma convenção de sentido para a corrente, conforme explicado em aula. Ao estabelecermos um campo elétrico num condutor, verificamos, conforme já afirmado anteriormente, que superposto ao movimento aleatório das cargas livres, ocorre um movimento de deriva dessas cargas. Em metais, os elétrons  portadores de carga livres oscilam aleatoriamente a velocidades médias da ordem de 105 a 106 m/s. No entanto o movimento de deriva se dá a uma taxa da ordem de 10-3m/s (na situação de máxima densidade de corrente). Ou seja, quando temos a máxima densidade de corrente permitida pelas normas técnicas a velocidade de deriva dos elétrons livres é cerca de 1 mm/s.

          A Resistência Elétrica

     A resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica quando existe uma diferença de potencial (d.d.p) aplicada. Seu cálculo é dado pela Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms, cujo símbolo é a letra grega ômega (Ω) . Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor, os elétrons colidem entre si, e também contra os átomos que constituem o metal. Desta forma, os elétrons encontram uma certa dificuldade (Resistência à sua passagem) para se deslocar, e tanto maior a resistência quanto maior for comprimento do metal atravessado e, ou, menor for a área de sua seção reta, isto é, quanto mais fino for o condutor,maior a resistência à passagem dos elétrons em si.  Sempre a resistência depende do material através do qual os elétrons circulam, um condutor metálico, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se aquece, por isso, um ferro de passar roupas, num secador de cabelos ou numa estufa elétrica, o calor é produzido pela corrente que atravessa fio metálico que serve como elemento resistivo. Ao fenômeno do aquecimento que ocorre desta forma, dá-se o nome de efeito Joule. É devido àqueles choques descritos anteriormente, dos elétrons contra os átomos que a energia cinética média de oscilação de todos os átomos aumenta. Isso se manifesta como um aumento da temperatura do condutor.  

          Diferença de potencial

     A tensão ou diferença de potencial (também chamada "voltajem", embora não aceita tecnicamente por muitos) é uma magnitude física que impulsiona aos elétrons ao longo de um condutor nun circuito fechado. A diferença de potencial também se define como o trabalho por unidade de carga exercido pelo campo elétrico, sobre uma partícula carregada, para movê-la de um lugar a outro. 

A tensão entre dois pontos de um campo elétrico é igual ao trabalho que realiza a unidade de carga positiva para se transportar desde um ponto A até um ponto B. No Sistema Internacional de Unidades,  se mede em volts (V). Quando por dois pontos de um circuito pode circular uma corrente elétrica, a polaridade da queda de tensão é determinada pela direção convencional da misma; ou, do ponto de maior potencial ao de menor. Portanto, se pela resistência R circula uma corrente de intensidade " I ", desde o ponto A até o B, se produzirá uma queda de tensão na mesma com a polaridade maior em A em relação à B, assim, diz-se que o ponto A mais positivo que o B. Outra forma de expressar a queda de tensão entre dois pontos, é em função da intensidade de corrente e da resistência existentes entre eles; assim se obtém umo dos enunciados da lei de Ohm, que diz que a tensão é independente do caminho percorrido pela carga, e depende exclusivamente do potencial elétrico dos pontos A e B num campo. Se dois pontos que têm uma diferença de potencial se unem mediante um conductor, se produzirá um fluxo de corrente elétrica. Parte da carga do  ponto de maior potencial se trasladará através do condutor ao ponto de menor potencial e, em ausência de una fonte externa (gerador), esta corrente cessará quando ambos pontos igualem seu potencial elétrico. Este translado de cargas é o que se conhece como corrente elétrica, conforme já explicado anteriormente mais acima. Assim, quando se fala sobre uma diferença de potencial num só ponto, o potencial, se refere à diferencia de potencial entre este punto e algúm outro em que o potencial seja zero em relação ao primeiro.

Lei de ohm

          A Primeira Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador Georg Simon Ohm, indica que a diferença de potencial (U) entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente elétrica (I) que o percorre:

U = R . I     => onde:  => "U" é a diferença de potencial elétrico (ou tensão, ou ddp) dado em Volts  => "R" é a resistência elétrica do circuito dada em Ohms

=> "I" é a intensidade da corrente elétrica medida em Ampères.

Conforme foi explicado em aula, pode-se definir energia como a capacidade de produzir trabalho. A Potência foi definida como a energia fornecida, recebida ou gasta por unidade de tempo.

Corrente contínua

Em corrente contínua representa-se a potência por P e determina-se pela expressão: => P = U I   => U é a tensão elétrica => I a intensidade de corrente elétrica.

No caso de um gerador, esta potência representa a potência que ele fornece. No caso de um receptor, um resistor, por exemplo, representa a potência por ele dissipada. Assim, aplicando a lei de Ohm, segundo a qual U = R I, obtém-se uma nova expressão para a potência : => P = U I = R I2 .  Assim => P = R I2   . => A potência P exprime-se na unidade Watt (W).

Corrente alternada

Em corrente alternada podemos definir a potência instantânea "p" a fornecida ou recebida em cada unidade de tempo ou segundo. Determina-se através da expressão: => p = u i,  (Note que em C.A. , as letras indicativas são, por convenção minúsculas). Neste caso: => u é a tensão elétrica instantânea,  => i é a corrente elétrica instantânea. O instante (Tempo) considerado é o mesmo (Segundo) para as três grandezas, e a unidade de potência é o Watt (W), pode ser fornecida pelos transmissores (Geradores), ou receptores, (Cargas). Os receptores resistivos puros são chamados de resistores têm a capacidade de dissipar energia, não podendo armazená-la. A potência que dissipam chama-se potência ativa, é determinada pela expressão: => P = U I  => U representa o valor eficaz da tensão elétrica aplicada ao resistor; = > I representa o valor eficaz da intensidade de corrente que percorre o resistor; => P representa a potência ativa dissipada, expressa em Watt (W). Existem os receptores indutivos puros e receptores capacitivos. Os receptores indutivos e os capacitivos têm a capacidade de armazenar energia. Essa energia armazenada chama-se energia reativa, a que corresponde a potência reativa.  Representa-se por Q. Determina-se a partir da expressão  => Q = U I sen φ  => U representa o valor eficaz da tensão elétrica aplicada  => I representa o valor eficaz da intensidade de corrente => φ é o ângulo de desfasamento entre a tensão e a corrente                     => Q representa a potência reativa, expressa em Volt-Ampère reativo (VAr). Esta potência também se pode determinar a partir da expressão: => Q = U I sen φ , ou      => Q= X I2sen φ => X representa a reatância (indutiva XL ou capacitiva XC) do receptor. Nos receptores reativos a potência ativa tem o valor zero, nos receptores resistivos puros a potência reativa tem o valor zero. Os receptores indutivos reais e os capacitivos reais têm a capacidade de armazenar energia e além disso têm perdas. Nestes casos existem as potências ativa e reativa.  A potência ativa determina-se por: => P = U I cos φ  => cos φ é chamado fator de potência. A potência reativa determina-se por: => Q = U I sen φ.  O conjunto das potências ativa e reativa fornecidas (ou recebidas) nestes receptores é designada por potência aparente, representada por S, determina-se a partir de: => S = U I => A sua unidade é Volt Ampère (VA).  É possível determinar S através da expressão: => S = U I = Z I2                 Z=> Z é a impedância do receptor ou receptores. Assim: => S = Z I2

         A associação de resistores em série

          Um circuito em série, ou conexão série é uma das formas básicas de se conectarem componentes elétricos ou eletrônicos.  Como demonstração, seja lembrado o procedimento em laboratório, foi utilizado um circuito simples consistindo de três lâmpadas, uma chave e para o gerador a tensão da rede elétrica. Na ligação série, um fio liga um terminal da rede a um terminal da chave liga-desliga, em seguida liga-se a um terminal de uma lâmpada, depois o outro terminal desta mesma lâmpada se liga a um terminal da outra lâmpada, cujo outro terminal se liga num dos terminais da terceira lâmpada, cujo outro terminal se liga no outro terminal da rede elétrica conforme o desenho abaixo.

As grandezas que podem ser medidas neste circuito são R, a resistência elétrica (medida em ohms (O)); I, a corrente elétrica (medida em ampéres (A), ou coulombs por segundo); e V, a tensão elétrica, medida (medida em volts (V), ou joules por coulomb).

No circuito série, a mesma corrente tem que passar através de todos os componentes em série. Um amperímetro colocado entre quaisquer componentes deste circuito iria indicar a mesma corrente. As características seguintes definem uma associação em série para resistores:

* As resistências são associados uma em seguida da outra e são percorridos pela mesma corrente.

* A corrente que circula na associação em série é constante para todas as resistências.

* A queda de tensão obtida na associação em série é a soma total de cada resistência.

* A resistência total obtida pela associação em série das lâmpadas é igual à soma das resistências envolvidas.

* A potência total dissipada é igual à soma da potência dissipada em cada lâmpada.

* O resistor (Lâmpada) de maior resistência será aquele que dissipa maior potência.

* O resistor equivalente é calculado pela fórmula Rt= R1 + R2 + ... Rn

Num circuito onde tenhamos dois resistores, por exemplo, sendo R1 com valor de 100 Ohms e R2 com valor de 20 Ohms, o valor da resistência total é 120 Ohms, ou seja,  Rt= 100 + 20.

Assim:

Quando dois ou mais resistores são conectados em seqüência estão em série, a corrente i é a mesma em cada um das cargas resistivas. De acordo com a lei de Ohm, a diferença de potencial entre os terminais de cada resistor é:

 V1=iR1,

V2 =iR2 e

V3 =iR3.

Quando conectamos vários resistores em série, a resistência equivalente é igual a soma direta dos resistores em separado, ou Req = R1 + R2 + R3. Ou, quanto mais  mais resistência é introduzida num circuito, menor será a corrente que circula no circuito, supondo que a ddp (V) aplicada, se mantenha constante, isto é uma conseqüência da lei de Ohm.

Resistores em Paralelo

        Os resistores em paralelo,  têm uma conformação diderente dos em série, a corrente i produzida pela fonte é dividida em diferentes correntes ik. Lembrando que a corrente elétrica é uma conseqüência do fluxo de carga e que a carga total do circuito se conserva, temos que a corrente i do circuito deve separar-se em diferentes correntes ik , menores, de forma que a soma linear de todas ik é igual a i.

Veja embaixo a representação esquemática:

Quando os resistores estão em paralelo, cada um experimenta ou estão sob a mesma tensão elétrica V.

Um circuito misto é composto por um conjunto de resistores em série e outros em paralelo.

Neste caso se torna claro que as tensões do circuito paralelo e série se somam, e que as correntes se dividem no paralelo, mas no nó antes do resistor em série elas se somam.

A conclusão que se tira é que "a corrente que entra no sistema é a mesma que sai, ou seja, i é igual a i3". 

Lista de exercícios