Eletricidade: eletrodinâmica

Até agora estudamos sobre cargas elétricas em repouso, mas o movimento ordenado de cargas elétricas na forma de corrente elétrica é muito útil ao ser humano e você pode conferir suas aplicações rotineiramente. Neste post sobre eletrodinâmica, entenderemos conceitos como resistência, choque elétrico, curto-circuito, potencial elétrico, entre outros.

Por achar que merece um tópico à parte, darei mais detalhes à respeito de circuitos elétricos, incluindo dispositivos como capacitores e resistores, em um outro post. Ao final desta leitura, entretanto, você será capaz de ao menos discutir com eletricistas meia-boca e evitar projetos elaborados na base do improviso e gambiarras, como infelizmente não é raro observar.

Índice de eletricidade:

Eletricidade: eletrostática
Eletricidade: eletrodinâmica
Eletricidade: circuitos elétricos 1
Eletricidade: circuitos elétricos 2
Eletricidade: eletromagnetismo

Índice de eletrodinâmica:

Eletricidade: eletrodinâmica
Eletrodinâmica: fórmulas
Eletrodinâmica: exercícios

Corrente elétrica

Definimos corrente elétrica como um fluxo ordenado de cargas elétricas, gerado por uma diferença de potencial elétrico (ddp) entre dois pontos nas extremidades de um material condutor. Por exemplo, sabemos que uma pilha tem dois pólos — positivo e negativo —, cada qual tendo um potencial elétrico diferente. Essa diferença de potencial provoca uma corrente elétrica, responsável pelo funcionamento do dispositivo/equipamento em questão.

O sentido real da corrente elétrica é oposto ao sentido do vetor campo elétrico (recordando: as linhas do campo partem de uma carga positiva e chegam a uma negativa), mas foi convencionado que seja o mesmo sentido do campo elétrico. Na maior parte dos casos isso não faz diferença, então não há problemas em considerar que o sentido da corrente elétrica é o mesmo da do campo elétrico.

By http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Chanchocan (Own work) [CC-BY-SA-3.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons

Além disso, definimos a intensidade da corrente elétrica como o valor da carga elétrica que passa pela seção transversal do condutor em um dado intervalo de tempo:

i: intensidade da corrente elétrica (A, ampère)
|Q|: carga elétrica, em módulo (C, coulomb)
Δt: intervalo de tempo (s, segundo)

Resistência elétrica e primeira Lei de Ohm

Como já vimos, os bons condutores permitem com mais facilidade a passagem de corrente elétrica e os bons isolantes a bloqueiam. O fator que influencia nessa facilidade ou não de passagem é a resistência elétrica, para a qual vale a primeira lei de Ohm:

R = U/i

R: resistência elétrica (Ω, ohm)
U: tensão elétrica/ddp (V, volt)
i: intensidade da corrente elétrica (A, ampère)

O que nos leva a i = U/R. À primeira vista pode parecer que o mais vantajoso é diminuir a resistência o máximo possível para aproveitar completamente a corrente elétrica, certo? Entretanto, veremos a seguir como a resistência elétrica pode ser usada a nosso favor nas seções "Choque elétrico", "Geradores, receptores e resistores" e "Efeito Joule".

Antes disso, veremos outra forma de calcular a resistência elétrica.

Segunda lei de Ohm

R: resistência elétrica (Ω, ohm)
rô: resistividade do material (Ωm, ohm-metro)
l: comprimento do condutor (m, metro)
A: área da seção transversal (m², metro quadrado)

... Não há muito o que dizer aqui, apenas que a resistência também pode ser calculada em função das dimensões do condutor.

Choque elétrico

Quando uma pessoa toma um choque elétrico, é devido a uma diferença de potencial entre ela e algum ponto eletrizado em seu contato. Quando isso acontece, como já sabemos, é gerada uma corrente elétrica que atravessa o corpo. De que modo?

• Corrente entra pela mão e sai pelo pé: Considerado que seu pé está ligado à terra, seu potencial é 0. Isso aumenta a ddp entre o ponto e o pé, implicando em uma maior corrente elétrica. Note que a intensidade da corrente diminui se a pessoa estiver calçando, por exemplo, uma bota feita de borracha, com grande resistência elétrica. Similarmente, a intensidade aumenta se o pé estiver molhado (a água é boa condutora).

• Corrente entra pela mão e sai pela outra: É o pior choque pois, embora o potencial da outra mão possa ser diferente de zero, a corrente passa pela caixa torácica e portanto há grande probabilidade de afetar o coração e/ou pulmão.

• Corrente entra por um dedo e sai pelo outro, da mesma mão: Teoricamente o "mais seguro", pois a maior parte da corrente fica nos dedos. Note o maior parte, pois alguma corrente inevitavelmente passa pelo corpo.

Circuitos

Tudo bem, falamos sobre corrente elétrica e resistência, mas como podemos usar esses conceitos naquilo que mais nos interessa: geração de energia? Para isso usamos os chamados circuitos elétricos, os quais designam uma ligação entre diversos dispositivos em um caminho fechado para que através dele passe uma corrente elétrica.

Geralmente estudam-se 4 desses dispositivos na física do ensino médio:

- Geradores: Fornecem energia elétrica a partir de alguma fonte energética (mecânica, térmica...);
- Receptores: Recebem energia elétrica e a transformam em outro tipo;
- Resistores: Convertem energia elétrica em energia térmica;
- Capacitores: Armazenam energia potencial elétrica.

Estudaremos mais sobre eles no futuro, mas aqui aprenderemos mais alguns princípios que serão úteis. E apenas para esclarecer: os capacitores são estudo da eletrostática, e não da eletrodinâmica, mas decidi juntá-los em um post só por questões de conveniência.

Efeito Joule

Sabemos que se uma corrente elétrica passa por um condutor, isso significa que há um fluxo de cargas elétricas neste mesmo condutor. Mas a carga elétrica é definida como sendo uma característica das partículas elementares, certo? Consequentemente, um movimento de cargas elétricas equivale a um movimento de partículas, então inevitavelmente haverá diversas colisões.

Essas colisões alteram a energia cinética das partículas, provocando excitação. O que isso significa mesmo? Exato, aquecimento. O fato de uma corrente elétrica gerar um aquecimento no condutor é chamado efeito Joule, e tal aquecimento pode ser quantificado pela lei de Joule:

Q = R * i² * Δt

Q: quantidade de calor (J, joule)
i: intensidade da corrente elétrica (A, ampère)
R: resistência elétrica (Ω, ohm)
Δt: intervalo de tempo (s, segundo)

Uma das utilizações mais evidentes do efeito Joule são os chuveiros, que tornam (ou deveriam tornar) a água quentinha por meio de resistores, utilizando a corrente elétrica para gerar energia térmica. Quanto mais resistência, maior o calor. Então basta comprar resistores com alta resistência? Não necessariamente, pois podemos fazer uso das associações de resistores para aumentar a resistência total.

Curto-circuito, disjuntores e fusíveis

O curto-circuito ocorre quando há uma passagem de corrente elétrica acima do normal, devido a esta percorrer um caminho onde há baixa resistência elétrica. Pelo efeito Joule, não é incomum o curto-circuito causar incêndios em instalações elétricas, portanto algumas providências precisam ser tomadas para evitá-lo. Como? Temos 2 dispositivos principais:

- Fusíveis: São constituídos por um material metálico que, devido ao efeito Joule, derretem-se quando há uma corrente acima de um limite estabelecido e consequentemente interrompem o circuito. Uma vez usados, precisam ser trocados imediatamente.

- Disjuntores: Similarmente aos fusíveis, os disjuntores detectam uma alta corrente e interrompem o circuito. Entretanto, funcionam como interruptores, que podem ser simplesmente religados de forma manual, impedindo assim trocas constantes.

Potência elétrica

Nosso último assunto é a potência elétrica (não confundir com potencial). A potência elétrica dissipada por um condutor é a quantidade de energia térmica que passa por ele durante um intervalo de tempo:

P = E/Δt

Mas vejamos... assumindo que a energia térmica é o único fator responsável pela dissipação da energia elétrica, então

E = Epi - Epf

Ou seja, a energia térmica é equivalente à diferença entre a energia potencial inicial e a energia potencial final. Lembremo-nos da fórmula do potencial elétrico:

v = Ep/q

De onde vem

Ep = v * q

A partir disso:

P = (Epi - Epf)/Δt
P = (v1 * q - v2 * q)/Δt
P = q(v1 - v2)/Δt
P = U * q/Δt

Mas i = q/Δt, então concluímos que

P = U * i

P: potência elétrica (W, watt)
U: tensão elétrica/ddp (V, volt)
i: intensidade da corrente elétrica (A, ampère)

Ufa, aí está! A potência elétrica é útil para calcular o consumo energético de aparelhos elétricos, normalmente dado em kWh (quilowatt-hora). Por exemplo, se uma televisão de 6000 W fica ligada por 2 horas, seu consumo de energia será 12 kWh.

Fontes

Só Física
e-física: Eletricidade e Magnetismo
Introdução à Eletrodinâmica
Choque Elétrico, Acidentes, Providências, Primeiros Socorros