Para quem começa a interessar-se em conhecer os fenómenos eléctricos
Para quem começa a interessar-se em conhecer os fenómenos eléctricos e a forma de lidar com eles iremos começar a abordar as seguintes temáticas:
- Electrostática
- Corrente contínua
- Magnetismo e electromagnetismo
- Corrente alternada
Introdução
Iniciaremos a nossa conversa com uma ligeira abordagem da Electricidade Estática ou Electrostática seguida dum estudo mais alargado da Electricidade Dinâmica, Electrocinética ou Electrodinâmica. Na Electrostática serão introduzidos conceitos básicos como o de carga eléctrica e outros. Esta área da Electricidade estuda os fenómenos eléctricos relativos às cargas eléctricas em repouso (a nível macroscópico), enquanto a Electrodinâmica considera o caso das cargas em movimento, que iniciaremos com o estudo da corrente contínua.
1. O que é a electricidade?
Muitos jovens com curiosidade me têm perguntado o que é a electricidade e também quem inventou a electricidade. A resposta, naturalmente, só pode ser que a electricidade não foi inventada pelo Homem e que a sua origem reside na constituição da matéria. Como hoje é conhecido, a matéria é constituída por moléculas e estas por átomos. Inicialmente pensou-se que os átomos eram partículas indivisíveis, mas hoje sabe-se que não é assim, sendo antes formados por partículas (figura 1).
Figura 1. ÁtomoNo centro do átomo (figura 2) existe o núcleo que é um aglomerado de partículas, umas chamadas protões e, outras neutrões. Em volta do núcleo giram outras partículas chamadas electrões.
Figura 2. Partículas atómicas1.1 Carga eléctrica. Electrização. Coulomb
De todas estas partículas, apenas os electrões e os protões manifestam propriedades eléctricas. Isto significa que duas partículas do mesmo nome, ambas electrões ou ambas protões, se repelem e que duas partículas de nomes diferentes, um electrão e um protão, se atraem. Diz-se que estas partículas são cargas eléctricas. A electricidade manifesta-se, portanto, pelo aparecimento de forças que actuam sobre as cargas eléctricas. Para simplificar o estudo destes fenómenos deram-se nomes às cargas, chamando-se positiva a carga eléctrica do protão e negativa a carga eléctrica do electrão. Como o nome sugere, o neutrão é electricamente neutro, ou seja, não tem carga eléctrica. As cargas eléctricas do protão e do electrão têm valores absolutos iguais. Por isto e porque num átomo há tantos electrões como protões, as cargas positivas e negativas equilibram-se, pelo que a carga eléctrica total do átomo é zero. O átomo é electricamente neutro. Como é então possível ter corpos electrizados, ou seja, corpos com carga eléctrica global não nula? Se retirarmos um ou mais electrões a um átomo, desfaz-se o equilíbrio eléctrico existente e o átomo fica com maior número de cargas positivas que negativas. Diz-se que o átomo fica ionizado (deixa de ser um átomo neutro e torna-se um ião positivo). Analogamente, se adicionarmos um ou mais electrões a um átomo ele torna-se um ião negativo. É a estas entidades que se devem as correntes eléctricas. Nos fios de cobre a corrente eléctrica é assegurada por electrões libertados dos átomos (electrões livres), no líquido das baterias são os iões que transportam a carga eléctrica, enquanto nos tubos das lâmpadas fluorescentes existe a acção de iões e electrões. Podemos concluir dizendo que um corpo está electrizado positivamente quando existe nele um excesso de cargas eléctricas positivas em relação ao número de cargas eléctricas negativas. Inversamente, um corpo está electrizado negativamente quando possui mais cargas negativas que positivas (figura 3).
A forma mais antiga de electrizar artificialmente um corpo é friccioná-lo com outro.
O vidro friccionado com lã fica electrizado positivamente e com flanela, negativamente. A resina friccionada com lã fica negativa e com uma folha de metal fica positiva.
À carga eléctrica também se chama quantidade de electricidade.
Costuma representar-se a carga eléctrica pelo símbolo Q e para quantificar o seu valor a unidade do Sistema Internacional de Unidades (representado abreviadamente por SI) é o Coulomb (símbolo C).
Um Coulomb equivale à carga de 6,25 x 1018 electrões (1018 = 1 000 000 000 000 000 000).
1 C = 6,25 x 1018 x q
em que q é a carga eléctrica de um electrão.
Por exemplo, pode dizer-se que a carga dum corpo é Q1 = 2 C e a doutro é Q2 = - 4 C.
2. Força eléctrica. Lei de Coulomb
Na figura 4 visualiza-se a existência de forças entre as cargas eléctricas em 3 situações diferentes. As setas chamam-se vectores e mostram o sentido da acção das forças, além de indicarem também a sua intensidade (através do comprimento do vector). É usual representar uma grandeza vectorial (grandeza que se exprime pelo seu valor e pelo seu sentido) por uma letra encimada por uma seta. No caso duma força será . Na primeira linha, a carga negativa atrai a positiva com a força e a positiva atrai a negativa com a força . Na segunda e terceira linhas as cargas repelem-se, como já se tinha dito.
Segundo a lei, considerando duas cargas eléctricas Q1 e Q2 no ar ou no vazio, a força F (de atracção ou repulsão) que se exerce entre elas é directamente proporcional aos valores das cargas e inversamente proporcional à distância d entre elas. Dizendo de outra forma, a força é tanto maior quanto maiores forem as cargas e menor a distância entre elas. A primeira fracção da fórmula é constante, dependendo apenas do meio onde se encontram as cargas. A grandeza ε chama-se constante dieléctrica e o índice 0 significa que o seu valor é, neste caso, referente ao vazio ou ao ar.
No SI a unidade de força é o Newton (abreviado pelo símbolo N) e a unidade de comprimento é o metro (m).
3. Campo eléctrico
Diz-se que numa região do espaço existe um campo eléctrico quando nessa região se manifesta a acção das cargas eléctricas. Esta acção verifica-se à distância, sem contacto entre as cargas.
O campo eléctrico é originado em cargas positivas e termina em cargas negativas (figura 5). Trata-se de uma grandeza vectorial, pois em cada ponto exprime-se por uma intensidade e por um sentido. O vector campo eléctrico em cada ponto é tangente a uma linha imaginária chamada linha de força. Existem infinitas linhas de força. Na figura representam-se três delas e em cada uma delas cada vector representado indica o campo eléctrico num ponto dessa linha.
Uma carga eléctrica que se encontre num campo eléctrico fica sujeita a uma força eléctrica F.
Matematicamente exprime-se a relação entre estas grandezas por. As unidades destas grandezas no SI são o Newton para a força, o Coulomb para a carga e o Newton por Coulomb (com o símbolo N / C) para o campo eléctrico.
Repare-se que as grandezas e são vectoriais, enquanto Q é escalar (uma carga eléctrica não tem um sentido, sendo expressa apenas pela sua intensidade). Significa esta expressão que a força que actua sobre uma carga eléctrica Q posicionada num campo eléctrico é tanto maior quanto maior for o valor da carga Q e o valor do campo E. Além disso também concluimos que, se Q for positivo, e têm o mesmo sentido e se Q for negativo, e têm sentidos opostos, o que se evidencia nos seguintes exemplos:
Um campo eléctrico num ponto vale 12·103 N/C. Uma carga eléctrica Q = 20 nC (1 nC = 1 nano Coulomb = 10-9 Coulomb) colocada nesse ponto fica sujeita à força
F=20·10-9·12·103 N = 240·10-6 N = 240 uN
(1 uN = 10-6 N). Tratando-se de uma carga negativa Q = - 20 nC, seria
F=-20·10-9·12·103 N = -240·10-6 N = -240 uN
significando o sinal – que e têm sentidos opostos. Na tabela 1, no final deste texto, pode consultar os prefixos de múltiplos e sub-múltiplos das unidades, alguns deles usados profusamente em electricidade.
4. Potencial eléctrico
É usual fazer analogias entre os fenómenos eléctricos e outros com que estamos habituados do dia a dia para mais facilmente os compreender.
Consideremos então um vaso com água (figura 6). No chão a sua energia potencial é zero. Se o formos elevando a sua energia potencial vai aumentando. Analogamente, um corpo neutro tem um potencial eléctrico igual a zero. Se o electrizarmos com carga positiva o seu potencial eléctrico, representado pela letra V ou U, aumenta e será tanto maior quanto maior for a quantidade de carga comunicada ao corpo.
O que se disse para cargas positivas é válido para cargas negativas.
Vejamos agora como comparar os potenciais de corpos com cargas de tipos diferentes. Para facilitar, façamos uma analogia com uma escala de temperaturas positivas e negativas (figura 7).
Na figura os corpos têm as mesmas dimensões. Pode concluir-se que |Vb|=|Vd| , o que significa que o potencial absoluto do corpo B é igual ao do corpo D porque o número de cargas é o mesmo. No entanto, Vd > Vb , o que significa que o potencial relativo do corpo D é maior que o de B, devido a D estar carregado positivamente e B negativamente. Note-se também que |Va| > |Vb| devido a A estar mais carregado que B. Por outro lado, Vb > Va pois, apesar de A ter mais carga que B, a carga é negativa.
Para terminar, comparemos os potenciais de dois corpos de diferentes dimensões carregados com a mesma carga Q (figura 8).
Devido aos corpos terem diferentes dimensões, a densidade de distribuição da mesma carga Q em cada um deles é diferente, ficando as cargas mais próximas entre si no corpo B de menor dimensão, aumentando as forças de repulsão entre cargas, o que corresponde a um maior potencial do corpo B em comparação com o corpo A, ou seja, Vb > Va.
A unidade SI de medida do potencial eléctrico é o Volt (símbolo V).
5. Tensão eléctrica
Temos vindo a comparar os potenciais eléctricos de vários corpos. Vimos no último exemplo que VB > VA. Esta desigualdade existe porque há uma diferença de potencial entre os dois corpos. É este o nome desta grandeza eléctrica, que se pode representar pelas mesmas letras V ou U do potencial. Também a unidade SI é a mesma, ou seja o Volt. A diferença de potencial também se designa por d.d.p., assim como por tensão eléctrica. Pode então dizer-se que a diferença de potencial entre os corpos A e B é UBA e que o seu valor é dado por UBA = VB – VA. Se VA = 100 V e VB = 150 V, será UBA = 150 – 100 = 50 V.
Alguns exemplos de valores de tensões:
Pilha vulgar: 1,5 V;
Bateria de acumuladores: 12 V;
Rede de distribuição pública: 220 / 380 V;
Rede de transporte de energia: 400 kV; 700 kV.
Exercícios propostos (Solução no próximo número):
Exercício proposto 1
Qual o valor da carga de um electrão, em Coulomb?
Exercício proposto 2
Converter 23 μC em C.
Exercício proposto 3
Calcular o valor da diferença de potencial entre dois corpos electrizados A e B nos seguintes casos:
a) Va = 250 V; Vb = 50 V
b) Va = 250 V; Vb = - 50 V
c) Va = -250 V; Vb = -50 V
Exercício proposto 4
Quantos electrões são transportados por uma corrente de 1 mA durante 1 s?
AUTOR: Jorge Castilho Cabrita, Engº Electrotécnico.