Voltemos à analogia hidráulica para estabelecer o conceito de corrente eléctrica.
6. Corrente eléctrica. Ampère
Comecemos pela figura 9. Esta figura representa dois vasos com água ligados por um tubo com uma válvula fechada. Ao abrir a válvula não circulará água de um vaso para outro, devido ao nível de água ser o mesmo nos dois vasos.
Na figura 10 existe diferença de níveis entre os dois vasos e, por isso, ao abrir a válvula haverá corrente de água do vaso em que o nível é maior para o vaso em que o nível é menor. Esta corrente anular-se-á quando os níveis forem iguais.
Na figura 11 mostram-se duas esferas metálicas iguais carregadas com a mesma carga eléctrica Q e interligadas, através dum interruptor aberto, por fios metálicos. Ao fechar o interruptor as esferas ficam ligadas, mas nada acontece pois os potenciais eléctricos das duas esferas são iguais.
Na figura 12 é VA > VB. Ao ligar as duas esferas, através do fecho do interruptor, haverá um movimento de electrões de A para B, devido a ser maior o potencial em A. Esta corrente cessará quando os potenciais das duas esferas forem iguais.
Uma corrente eléctrica é um movimento ordenado de cargas eléctricas num determinado sentido. No exemplo anterior a corrente é devida ao movimento de electrões por se tratar de metais, mas noutros casos a corrente eléctrica é devida ao movimento de iões, como acontece no líquido duma bateria, por exemplo. Quanto maior for o número de cargas que atravessa o condutor por unidade de tempo, maior é o valor da corrente.
A intensidade de corrente é a grandeza que indica o valor da corrente eléctrica e representa-se pelo símbolo I. Sendo Q a carga transportada durante o tempo t, o valor de I é dado por
A unidade SI para a intensidade de corrente é o Ampère (lê-se “ampére”) (símbolo A) em homenagem ao físico francês André-Marie Ampère (1775-1836). Uma corrente de 1 A corresponde ao transporte da carga de 1 C durante 1s.
Uma corrente contínua é uma corrente eléctrica cujo valor se mantém constante e em que o sentido é invariável.
A figura 13 mostra um gráfico temporal em que em abcissas se representa o tempo, cuja unidade SI é o segundo (símbolo s), e em ordenadas se representa a intensidade de corrente I. Neste exemplo é I = 5 A.
Valores de algumas intensidades de corrente:
Lâmpada de incandescência de 60 W / 220V: 273 mA
Lâmpada de incandescência de 100 W / 220 V: 455 mA
Ferro eléctrico de 1000 W / 220 V: 4,6 A
Descargas atmosféricas: dezenas ou centenas de milhar de A
6.1. Sentidos real e convencional da corrente
Os protões existentes nos núcleos dos átomos são cargas eléctricas positivas imóveis. Apenas os electrões se podem deslocar e, por isso, o sentido real duma corrente eléctrica é o sentido do deslocamento dos electrões.
No exemplo da figura 12 o sentido real da corrente é o do movimento do electrões que se deslocam da esfera onde se encontram em maior número (potencial relativo mais baixo , figura 7) para a outra esfera (potencial relativo mais alto).
Vejamos agora o caso de dois corpos carregados positivamente (figura 14).
Como os protões não se deslocam, a corrente eléctrica consiste no movimento dos electrões. Aqui eles deslocam-se do corpo B, onde se encontram em maior número (potencial relativo mais baixo, figura 7), para o corpo A, onde o número é menor (potencial relativo mais alto). Por cada electrão que sai de B para A, a carga positiva de B aumenta uma unidade e a carga positiva de A diminui uma unidade. O movimento aparente de cargas positivas de A para B é inverso do movimento real das cargas negativas de B para A. Como antigamente se considerava que o sentido da corrente era do potencial mais positivo para o negativo, esse sentido continua a ser usado como sentido convencional, sendo o contrário do sentido real.
7. Força electromotriz. Circuito eléctrico
À semelhança do que fizemos anteriormente vamos socorrer-nos de novo de uma analogia hidráulica para introduzir o conceito de força electromotriz.
Na figura 15 a água é despejada do tanque superior, onde a energia potencial é maior para o tanque inferior onde a energia potencial é menor. Para que o fluxo de água se mantenha, é necessário elevar a energia potencial da água que chega ao tanque inferior. Isso é feito pela bomba de água.
Comparemos esta situação com o que se passa em electricidade. Vimos que, ligando dois pontos com diferentes potenciais através dum condutor de electricidade, circula por este uma corrente eléctrica (figura 16). Para que esta corrente se mantenha é preciso que aquela tensão eléctrica também se mantenha, ou seja, é preciso que se mantenha o excesso de electrões no corpo mais negativo em relação ao corpo mais positivo. Consegue-se isto transferindo os electrões que chegam ao corpo mais positivo de volta ao corpo mais negativo. Chama-se força electromotriz (ou f.e.m.) à grandeza responsável por este trabalho e a sua unidade SI é o Volt (V).
Existem várias maneiras de manter a d.d.p. A forma há mais tempo conhecida para o conseguir é friccionar os corpos, mas as mais usuais utilizam princípios diferentes, como se verá, nomeadamente processos químicos e electromagnéticos. Uma coisa, porém, é comum a todos os métodos: a "produção" de electricidade consiste sempre na transformação de uma forma de energia (mecânica, química ou outra) na forma de energia que se chama eléctrica e cujas propriedades estamos a estudar.
Continuando a nossa explicação, para que o conjunto da figura 16 tenha utilidade, a corrente deve atravessar um receptor, também designado por carga.
Na figura 17 apresenta-se uma analogia hidráulica que é uma evolução do circuito da figura 15 e em que a água produz um trabalho que é fazer girar as pás duma turbina, que representa a carga do circuito hidráulico.
No circuito eléctrico a corrente também produz no receptor um trabalho como, por exemplo, acender uma lâmpada de uma lanterna de bolso ou aquecer um ferro de passar a roupa.
Um circuito eléctrico simples é constituído por uma fonte de alimentação, por um receptor e pelos fios condutores eléctricos de ligação (figura 18).
Uma fonte de alimentação de corrente contínua tem dois terminais, chamados pólos, correspondentes aos corpos electrizados da figura 16. O pólo com maior potencial (+) chama-se positivo e o pólo com menor potencial (─) chama-se negativo. É aos pólos que se ligam os fios condutores que estabelecem a ligação ao receptor. A fonte garante a permanência da tensão entre os dois pólos, assim como o fornecimento de corrente ao receptor. Nestas condições, os electrões saem do pólo negativo para uma extremidade do receptor e da outra extremidade deste regressam ao pólo positivo.No interior da fonte passam do pólo positivo ao negativo percorrendo, desta forma, um circuito fechado.
A figura 19 mostra uma fonte de alimentação capaz de fornecer corrente alternada (pelos dois alvéolos do lado esquerdo) ou corrente contínua (pelos dois alvéolos do lado direito). O alvéolo preto é o pólo negativo e o vermelho o pólo positivo. Um comutador permite escolher a tensão de saída desejada.
O estudo dos circuitos eléctricos é feito normalmente usando o sentido convencional da corrente já antes referido. Será este o sentido que passaremos a referir desde agora, salvo indicação em contrário (figura 18).
A representação dos vários elementos do circuito é feita de forma simbólica. Vemos na figura 20 o símbolo de uma fonte de alimentação elementar de corrente contínua (à esquerda) e à direita o símbolo de uma resistência. Este nome refere-se a um tipo de receptor muito simples e comum. Pode ser, por exemplo, um fio de um material apropriado, como acontece com o filamento de uma lâmpada ou com a resistência de um irradiador para aquecimento.
O sentido da corrente I é o indicado na figura pela seta. O sentido positivo da tensão eléctrica U da fonte é do pólo positivo para o negativo e, por isso, a seta correspondente aponta do + para o -. A escolha deste sentido é uma convenção, tendo sido arbitrado. Na verdade, há autores que utilizam o sentido oposto. É óbvio que não é possível usar os dois. Neste texto escolhemos o indicado na figura.
Quanto ao sentido positivo da f.e.m., representada pela letra E, dirige-se do pólo negativo para o positivo, contrário, portanto, ao sentido do movimento dos electrões dentro da fonte. Isto deve-se à convenção usada para o sentido da corrente, como se esta fosse constituída por cargas positivas que saem do pólo positivo da fonte para o receptor, regressando ao pólo negativo da fonte e sendo transportadas, dentro desta, para o pólo positivo, devido à existência da f.e.m.
Soluções:
Exercício 1
Seja q a carga de um electrão. Sabendo que a carga de 1 C vale:
1 C = (nº de electrões) x (carga de um electrão)
1 C = (6,25 x 1018) x (q)
Exercício 2
23 μC = 23 x 10-6 C = 0,000023 C
Exercício 3
a) VA - VB = 250 - 50 = 200 V b) VA - VB = 250 – (-50) = 250 + 50 = 300 V c) VA - VB = -250 – (-50) = -250 + 50 = - 200 V/
Exercícios propostos (Soluções no próximo número):
Exercício 4
Quantos electrões são transportados por uma corrente de 1 mA durante 1 s?
AUTOR: Jorge Castilho Cabrita - Engenheiro Electrotécnico (IST).