Primeiro bimestre de 2016.

Aula 03 - A corrente elétrica.

Repare no raio sobre a cidade de Campinas, em São Paulo, mostrado na fotografia ao lado. O acúmulo de carga elétrica nas nuvens provoca o aparecimento de uma intensa força elétrica agindo entre a nuvem e a superfície ou entre partes diferentes das nuvens.

A partir de um certo nível de intensidade dessa força a resistência do ar é superada e, em consequência, aparece um movimento de cargas entre a nuvem e o solo. Esse fluxo de elétrons interage com o ar e emite luz. Temos então aquilo que chamamos de "raio". Essas cargas transportam energia que, infelizmente, não pode ser aproveitada por nós.

A esse fluxo de carga elétrica chamamos de "corrente elétrica". Essas partículas carregadas eletricamente podem ser de vários tipos, tais como íons, prótons e elétrons. Vamos trabalhar apenas com correntes elétricas nas quais a energia é transportada pelos elétrons, pois este é o tipo de corrente adotado na grande maioria de nossas aplicações tecnológicas.

Esse fluxo, ou corrente de elétrons pode se dar dentro de vários tipos de materiais ou mesmo no vácuo. Como sempre, no nosso curso vamos trabalhar com as aplicações mais comuns, ou seja, com corrente elétrica em metais, que são, por issso mesmo chamados de "condutores elétricos". Por outro lado, os materiais que não permitem a passagem de corrente elétrica, são chamados de materiais "isolantes". Esses materiais são também muito usados. Eles têm a função de isolar a corrente dentro dos condutores do circuito.

Os condutores têm uma distribuição eletrônica nos seus átomos que permite a existência de elétrons livres, isto é, elétrons que estão fracamente ligados aos núcleos atômicos. Esta característica dá a eles a possibilidade de se movimentar aleatoriamente dentro do material. São esses elétrons que irão formar a corrente elétrica.

As correntes elétricas transportam energia de um ponto ao outro do circuito. Portanto, é útil ter uma grandeza física que forneça uma medida de sua intensidade. Essa grandeza é chamada "Intensidade de corrente elétrica" (I). Veja a imagem acima.

A intensidade da corrente é calculada quando medimos a quantidade de carga elétrica que atravessa uma secção reta do condutor a cada segundo.

Quando a carga de 1,0 C atravessa a seção reta do condutor a cada segundo é dito que a intensidade dessa corrente elétrica mede 1,0 A (Um ampere). O nome foi escolhido como homenagem ao físico francês André-Marie Ampère.

Na imagem ao lado escrevemos a definição de intensidade de corrente elétrica em termos matemáticos.

Por definição a intensidade da corrente ("I") é dada medindo-se a quantidade de carga ("delta q") que atravessa uma secção do condutor e dividindo o resultado pelo intervalo de tempo em que se realizou a medida ("delta t").

O termo "intensidade" significa que não estamos interessados na corrente em si, mas na energia que ela transporta.

Por outro lado, se já sabemos de onde vêm os elétrons que formarão a corrente elétrica, temos ainda que tratar dos meios utilizados para cria-la.



Usando o campo elétrico para acelerar os elétrons e formar uma corrente.

Na aula anterior estudamos o conceito de campo elétrico e vimos que existe uma relação entre ele e a força elétrostática. O conceito de campo elétrico oferece uma maneira mais simples de calcular essa força. Para isto basta multiplicar o valor do campo elétrico (E) no ponto em que está localizada a carga pelo valor da carga (q).

Em termos matemáticos.

Nota-se, pela relação acima, que a força elétrica tem a mesma direção do campo elétrico e que o sentido dessa força dependerá do sinal da carga.

Logo, se a carga elétrica q for positiva então o sentido da força será o mesmo do campo elétrico. Se, no entanto, a carga q for negativa, o sentido da força será oposto ao sentido do campo elétrico no ponto onde a carga está situada.

Historicamente, primeiro se considerou que as cargas que compunham a corrente elétrica fossem "positivas", daí se pensar que a corrente elétrica dos nossos circuitos se movimentassem no mesmo sentido do campo (do polo positivo para o negativo). Este é o que chamamos hoje de sentido convensional da corrente. Hoje, sabemos que essas cargas (os elétrons) têm carga negativa e, conseguentemente, se movimentam no sentido oposto (do polo negativo para o positivo). Este é o sentido real da corrente elétrica.

Devemos então seguir a seguinte linha de raciocínio para entender como podemos criar a corrente elétrica: Criamos um campo elétrico dentro do condutor. Esse campo, por sua vez, acelera os elétrons livres, que estavam se movimentando aleatoriamente em todas as direções, numa só direção, formando com isto uma corrente de elétrons.

Quando o campo elétrico é mantido num único sentido, a corrente elétrica é chamada de corrente contínua (CC). Por uma série de razões é vantajoso alternar o sentido do campo elétrico. No Brasil, o campo é alternado numa frequência de 60 Hz. A corrente assim produzida é chamada de corrente alternada (CA).



Exercício 01.

Pela secção reta de de um fio condutor passa uma carga elétrica de 30 C a cada 10 segundos. Calcule a intensidade média da corrente elétrica nesse fio.


Pela definição de intensidade de corrente elétrica sabemos que ela é a razão entre a quantidade de carga elétrica que atravessa uma secção do condutor pelo tempo que levamos para medir essa quantidade.


Assim, em termos matemáticos temos:

i = 30 / 10 --> i = 3,0 A

Logo, a intensidade da correte elétrica que passa pelo condutor é de 3,0 A.



Exercício 02.

Numa lâmpada incandescente a correte elétrica nominal é de 2,0 A. Determine a quantidade de carga eletrica que atravessa seu filamento em 2,0 minutos.


Pela definição de intensidade de corrente elétrica sabemos que ela é a razão entre a quantidade de carga elétrica que atravessa uma seção do condutor pelo tempo que levamos para medir essa quantidade.


Antes de aplicar a fórmula é necessário lembrar que a definição de "Ampere" é "Coulomb por segundo". Então, se uso uma medida em Ampere no lado esquerdo da equação tenho que usar a medida do intervalo de tempo em segundos do lado direito.

Assim, substituindo os valores das medidas.
2,0 = delta Q / 120 --> 2,0 . 120 = delta Q --> delta Q = 240 C.

Assim, a carga que travessa a secção reta do condutor é de 240 C.



Exercício 03.

Pela secção transversal de um condutor passaram 2,0.1020 elétrons, durante um intervalo de tempo de 16 segundos. Sendo a carga elétrica de um elétron 1,6.10-19 C determine

a) a carga elétrica que atravessa o condutor;

b) a intensidade média da corrente elétrica.


Nos circuitos elétricos que usamos nos nossos equipamentos são os elétrons as partículas que transportam a energia e, assim fazendo, formam a corrente elétrica.


a ) - Portanto, a carga é sempre multipla da carga dos elétrons ou, em termos matemáticos:

Q = n . e

Nesta igualdade a letra "n" representa o número de elétrons, a letra e a carga de um elétron e Q a carga total. Substituindo os valores temos a carga elétrica:

Q = 2,0.1020 . 1,6.10-19 --> Q = 2,0 . 1,6 . 1020 . 1,6.10-19--> Q = 3,6 . 101 --> Q = 36 C.

A carga elétrica que atravessa o condutor nesse intervalo de tempo é de 36 C.

b ) - Usando a definição de corrente elétrica e substituindo os valores das medidas.

i = 36 / 16 --> i = 2,25 A

Logo, a intensidade da correte elétrica que passa pelo condutor é de 2,25 A.



Até este ponto já tomamos conhecimento da força elétrica, uma das quatro forças fundamentais da natureza, da eletricidade (ou carga elétrica) e do campo elétrico gerado por uma carga elétrica. Nesta aula tomamos conhecimento da corrente elétrica e do conceito de intensidade de corrente elétrica.

Nas próximas aulas vamos trabalhar o conceito de potencial elétrico.



   
   
  
   
   
   
   
   
   

Material complementar ao assunto tratado nesta aula.