CORRENTE ELÉTRICA

Prévia do material em texto

CORRENTE ELÉTRICA
FÍSICA 3
Vamos discutir a física das correntes elétricas, isto é, o movimento das cargas. 
Exemplos = meteorologistas estudam os relâmpagos, biólogos que trabalham na área de bioengenharia se interessam pelas correntes nervosas que controlam os músculos. 
Nesse resumo, vamos discutir a física básica das correntes elétricas e a razão pelo qual alguns materiais conduzem corrente elétrica melhor que outros. 
CORRENTE ELÉTRICA = Embora uma corrente elétrica seja um movimento de partícula carregadas, nem todas as partículas carregadas que se movem produzem uma corrente elétrica. 
Para que exista uma corrente elétrica através de uma dada superfície, é preciso que haja um fluxo líquido de cargas através da superfície. 
1 = Os elétrons livres que existem no interior de um fio de cobre se movem em direções aleatórias com uma velocidade média da ordem de m/s. Se fizermos passar um plano imaginário perpendicularmente a um fio de cobre, elétrons de condução passarão pelo
Plano nos dois sentidos bilhões de vezes por segundo, mas não haverá um fluxo líquido de cargas e, portanto, não haverá uma corrente elétrica no fio. 
Se ligarmos as extremidades do fio a uma bateria, o número de elétrons que atravessam o plano em um sentido se tornará ligeiramente maior que o número de elétrons que atravessam o plano no sentido oposto; em consequência, haverá um fluxo líquido de cargas e, portanto, uma corrente elétrica no fio. 
2 = O fluxo de água em uma mangueira representa um movimento de cargas positivas (os prótons das moléculas de água) da ordem de milhões de coulombs por segundo. Entretanto, não existe um fluxo líquido de cargas, já que existe também um movimento de cargas negativas (os elétrons das moléculas de água) que compensa exatamente o movimento de cargas positivas. Em consequência, a corrente elétrica associada ao movimento da água no interior da mangueira é zero. 
Em um circuito fechado feito de material condutor, mesmo que exista um excesso de cargas, todos os pontos possuem o mesmo potencial. Não pode existir um campo elétrico no interior do material ou paralelo à superfície. Embora existam elétrons de condução disponíveis, não estão sujeitos a uma força elétrica e, portanto, não existe corrente. EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO = Um fio de cobre inteiro possui o mesmo potencial e o campo elétrico é zero em todos os pontos do fio. 
Se uma carga dq passa por um plano em um intervalo de tempo dt, a corrente i nesse plano é definida como:
A equação é uma grandeza escalar, já que a carga e o tempo que aparecem na equação são grandezas escalares. 
INTRODUZIR UMA BATERIA NO CIRCUITO 
POTENCIAL NÃO É O MESMO EM TODO O CIRCUITO (ROMPE O EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO) 
CAMPOS ELÉTRICOS SÃO CRIADOS NO INTERIOR DO MATERIAL
O CAMPO EXERCE FORÇAS ELÉTRICAS SOBRE OS ELÉTRONS 
A FORÇA FAZ O ELÉTRON SE MOVER EM UMA CERTA DIREÇÃO 
PRODUZ UMA CORRENTE I 
b) Se introduzimos uma bateria no circuito, o potencial não é mais o mesmo em todo o circuito. Campos elétricos são criados no interior do material, exercendo uma força sobre os elétrons de condução que os faz se mover preferencialmente em uma certa direção e, portanto, produzir uma corrente. 
A bateria produz um campo elétrico no interior do fio, que faz com que cargas elétricas se mova no circuito. Esse movimento de cargas constitui uma corrente i. Depois de um pequeno intervalo de tempo, o movimento dos elétrons atinge um valor constante e a corrente entra no REGIME ESTACIONÁRIO (deixa de variar com o tempo). 
Desenhamos as setas que indicam a corrente no sentido em que partículas positivamente carregadas seriam forçadas pelo campo elétrico a se mover no circuito. 
Se fossem positivos, esses portadores de carga, como são chamados, sairiam do terminal positivo da bateria e entrariam no terminal negativo. 
Na verdade, no caso do fio de cobre, os portadores de carga de elétrons, partículas negativamente carregadas. O campo elétrico faz essas partículas se moverem no sentido oposto ao indicado pelas setas, do terminal negativo para o terminal positivo. 
A seta da corrente (i) é desenhada no sentido em que portadores de carga positivos se moveriam, mesmo que os portadores sejam negativos e se movam no sentido oposto.
No regime estacionário, a corrente é a mesma nos planos aa’, bb’ e cc’ e em qualquer outro plano que intercepte totalmente o condutor, seja qual for a localização ou orientação desse plano. Isso é uma consequência do fato de que a carga é conservada. 
Neste regime, para cada elétron que passa pelo plano cc’, um elétron deve passar pelo plano aa’. 
DENSIDADE DE CORRENTE = é o estudo do fluxo de cargas através da seção reta de um condutor em um ponto qualquer de um circuito. 
A densidade de corrente J, que tem a mesma direção e o mesmo sentido que a velocidade de cargas que constituem a corrente se as cargas forem positivas, e a mesma direção e o sentido oposto se as cargas forem negativas.
Para cada elemento da seção reta, o módulo J da densidade de corrente é igual à corrente divida pela área do elemento. Se a corrente é uniforme em toda a superfície = 
Onde A é a área total da superfície. A unidade do SI é o ampère por metro quadrado (A/m2).
Os campos elétricos podem ser representados por linhas de campo. A densidade de corrente também pode ser representada por um conjunto de linhas, conhecidas como linhas de corrente.
A corrente que é da esquerda para a direita, faz uma transição de um condutor mais largo, à esquerda, para um condutor mais estreito, à direita. 
Como a carga é conservada na transição, a quantidade de carga e a quantidade de corrente não podem mudar; o que muda é a densidade de corrente, que é MAIOR no condutor mais estreito. 
O espaçamento das linhas de corrente é inversamente proporcional à densidade de corrente; quando mais próximas as linhas de corrente, maior a densidade de corrente.
↑ Área ↓ Densidade de corrente
↓ Área ↑ Densidade de corrente
RESISTÊNCIA E RESISTIVIDADE =
Quando aplicamos a mesma diferença de potencial às extremidades de barras de mesmas dimensões feitas de cobre e de vidro, os resultados são muito diferentes. É definida pela capacidade de estabelecer uma corrente elétrica.
A característica do material que determina a diferença é a resistência elétrica. Medimos a resistência entre dois pontos de um condutor aplicando uma diferença de potencial V entre esses pontos e medindo a corrente i resultante. A resistência R é dada por:
Quanto MAIOR a resistência, menor será a corrente. 
Quanto MENOR a resistência, maior será a corrente. 
A resistência de um condutor depende do modo como a diferença de potencial é aplicada.
A figura acima mostra a diferença de potencial aplicada de duas formas diferentes ao mesmo condutor. As correntes nos dois casos são diferentes e, portanto, as resistências também são diferentes. 
Como já fizemos em outras ocasiões, estamos interessados em adotar um ponto de vista que enfatize mais o material que o dispositivo. 
Concentramos a atenção não na diferença de potencial V entre as extremidades de um dado resistor, mas no campo elétrico E que existe em um ponto de um material resistivo. 
Em vez de lidar com a corrente i no resistor, lidamos com a densidade de corrente J no ponto em questão. 
Em vez de falar em resistência R de um dispositivo, falamos da resistividade ρ de um material:
Também podemos falar de condutividade de um material, que seria sinônimo de resistividade:
VARIAÇÃO DE RESISTIVIDADE COM A TEMPERATURA =
Os valores da maioria das grandezas físicas variam com a temperatura; a resistividade não é exceção. 
A relação de temperatura e resistividade para os metais em geral é quase linear em uma larga faixa de temperaturas. 
RELAÇÃO DA RESISTÊNCIA COM A RESISTIVIDADE =
A resistência é uma propriedade de um dispositivo; a resistividade é uma propriedade de um material. 
Quando conhecemos a resistividade de um material, como o cobre, por exemplo, não é difícilcalcular a resistência de um fio desse material. 
Se as linhas de corrente que representam a densidade de corrente são uniformes ao longo de todo a seção reta, o campo elétrico e a densidade de corrente são iguais em todos os pontos do fio = 
As grandezas macroscópicas V, i e R são de grande interesse quando estamos realizando medidas elétricas em condutores específicos. São essas grandezas que podem ser lidas diretamente nos instrumentos de medida.
Quando estamos interessados nas propriedades elétricas dos materiais, usamos as grandezas microscópicas E, J e ρ. 
FORÇA ELETROMOTRIZ
FÍSICA 3
Em todo o circuito deve existir uma fonte fem (força eletro-motriz). Devido a que em geral a carga que percorre o circuito vai de um ponto de maior potencial a um ponto de menor potencial. 
Porém, paraum circuito fechado isso deve inverter-se em algum ponto, devendo existir uma zona onde a carga vá do ponto de menor potencial para o de maior potencial, SUBINDO, ao invés de baixar a energia potencial. 
Isso é o que faz uma força eletromotriz (força de origem química), que tem a unidade de VOLT que representa Joule/Coulomb. 
Se uma bateria tem uma fem de 12V, isso significa que a bateria faz um trabalho de 12 J por cada coulomb de carga que passa através dela. 
As pilhas, baterias CONVERTEM energia de alguma forma (mecânica, solar, química, térmica) em ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA e a transferem ao circuito que está conectado ao dispositivo. 
1) O circuito seria o de forma CONVENCIONAL.
2) Em um circuito elétrico convencional as cargas se movem sempre seguindo a direção do campo, ou seja, se afastam da placa positiva e vão até a placa negativa da pilha. Há um lugar onde as coisas tem que ir ao contrário. Porque? A carga se CONSERVA, em um circuito elétrico a mesma carga que sai do polo positivo sai no polo negativo, logo tudo tem que se manter circulando. E em algum lugar a carga tem que ir ao contrário.
BATERIA E PILHA NÃO SÃO SINÔNIMOS = 
Bateria = arranjo de células eletroquímicas.
Pilha = somente uma célula eletroquímica. 
Uma carga positiva ao chegar ao interior de uma pilha tem que ir do borde negativo B ao borde positivo A.
Porque a carga positiva vai no sentido contrário do campo elétrico se o normal seria que seguisse o sentido de E? 
Esse é o trabalho que faz a pilha, a fonte de energia elétrica. Há uma força de natureza não eletrostática, que tende a transladar a carga ao potencial maior, o sentido contrário ao campo. Essa força se mede em unidades de VOLTS e se chama FORÇA ELETROMOTRIZ. 
Em uma pilha, célula, bateria, essa força é de origem QUÍMICA. Sempre há algo externo que faz esse trabalho que suplementa o que acontece por natureza eletrostática. 
Quando a força eletromotriz está presente, podemos falar de circuitos. 
O potencial através dos terminais cria um campo elétrico no circuito, o que faz com que as cargas se desloquem. 
É um circuito que vai do polo positivo ao polo negativo. A carga SEMPRE vai no mesmo sentido do campo elétrico, em exceção dentro da pilha que vai no sentido contrário.
RESISTÊNCIA INTERNA =
Todas as pilhas tem uma resistência interna, não são simplesmente uma fonte de energia. São também uma fonte de dissipação, um lugar do circuito onde se libera energia. 
A consequência da presença da resistência interna, a pilha gera uma voltagem MENOR do que existiria se não tivesse a resistência interna. 
A voltagem neta que há é E, e como a resistência está ao contrário, dá a caída de tensão calculada pela Lei de Ohm se resta o valor da resistência o que DIMINUI a voltagem total. 
Se a pilha está desenhada para sem carga (i= 0) entregar 1,5V, quando começo a tomar corrente dessa pilha, a voltagem diminui pela presença da resistência interna.
Enquanto mais corrente eu tomo, mais diminui a voltagem de saída da pilha. 
Enquanto menos resistência tenha a pilha, mais horizontal é a curva.
Enquanto mais resistência tenha a pilha, mais inclinação terá a curva.
QUANDO APRESENTO MAIOR CORRENTE DENTRO DE UMA PILHA A VOLTAGEM DIMINUI. 
QUANDO DEIXO DE TOMAR ESSA CORRENTE, A VOLTAGEM VOLTA A SUBIR.
O voltímetro tem a característica de que para fazer sua medição não consome nenhuma corrente. 
O amperímetro tem a característica de quando a corrente circula por ele, a caída de tensão é nula. 
 *Para voltímetros e amperímetros ideais.
MUDANÇAS DE POTENCIAL AO LARGO DE UM CIRCUITO
Se subo ou baixo de altura em um circuito fechado, o ponto inicial e o ponto final tem que ter a mesma altura.
Se saio de um ponto que tem o determinado potencial e faço um circuito fechado o ponto final tem que ter o mesmo potencial do ponto que eu sai. Do mesmo modo que seja um circuito de subidas e descidas, ao chegar o ponto inicial a altura de partida tem que ser a mesma, uma vez que o mesmo ponto de saída e chegada não podem ter alturas diferentes.
O mesmo ponto do espaço, não pode ter potenciais distintos. Por isso a soma de alturas que sobem e que abaixam tem que ser igual a zero.
Se eu saio de um ponto do circuito, e passo por coisas que fazem subir o potencial como a fem, e outras coisas que me fazem baixar o potencial como um resistor, ao chegar ao ponto inicial a soma das subidas e descidas de potencial tem que ser igual a zero. 
A corrente que estou tomando, depende da carga que eu tenha conectada. 
Colocar mais carga no circuito não significa colocar mais resistência. É o contrário, significa MENOS RESISTÊNCIA.
Uma vez que tenho mais cargas, circula mais corrente
A bateria é de 12V, mas a carga não chega 12V chegam 8V. Os 4V que faltam estão dentro da bateria e foram perdidos pela resistência interna que tem a bateria.
Se a resistência interna que tem a pilha não estivesse, a voltagem AUMENTA, ou seja, todos os 12V que tem a pilha iriam diretamente a carga. Além da voltagem aumentar, também circularia mais corrente pelo circuito. 
O interruptor deve estar fechado, se não não circula corrente.
POTÊNCIA ELÉTRICA =
A energia potencial é igual ao trabalho que tenho que fazer. 
Em um circuito, além de ter uma pilha ou bateria também tenho resistência. A resistência R na qual circula uma certa corrente, I, apresenta uma certa caída de tensão V. V e R estão relacionados entre si através da Lei de Ohm. 
Para uma resistência R, a potencia que dissipa é em forma de calor. 
A potência que dissipa uma resistência depende do quadrado da corrente pela resistência. 
É valido em todos os circuitos, a conservação da energia. A energia por unidade de tempo é a potência.
Logo, a potência deve ser conservada. Uma pilha gera uma certa potência, essa potência tem que ser igual a soma de todas as outras potências dissipadas.
P é a taxa com a qual a energia é transferia da bateria para o componente. Se o componente for um resistor, a energia se transforma em energia térmica e tende a provocar um aumento da temperatura do resistor. 
Quando um elétron atravessa um resistor com velocidade constante, sua energia cinética média permanece constante e a energia potencial elétrica perdida é convertida em energia térmica do resistor. 
Em escala microscópica, essa conversão de energia ocorre através de colisões entre os elétrons e as moléculas do resistor, o que levam a um aumento de temperatura do resistor. 
A energia mecânica assim convertida em energia térmica é dissipada (perdida), já que o processo não pode ser revertido. 
Essa capacidade de uma resistência de lidar com a potência está relacionada com sua construção e com seu tamanho. 
De onde vem o calor que gera a resistência?
Ao circular mais corrente por um elemento resistivos, parte da energia de interação dos portadores de carga contra a rede cristalina do material que a conforma geram uma dissipação de energia. 
QUANTO MAIOR SEJA A RESISTÊNCIA, MAIOR É A CAPACIDADE DE LIDAR ESSA POTÊNCIA. 
A potência dissipada não pode ser maior do que a quantidade que ela aguenta, se não a vida útil vai ser diminuída severamente. 
AMPÈRE-HORA=
Um Ampére-hora é uma unidade de carga elétrica e se abrevia como Ah. Indica a quantidade de carga elétrica que passa pelos terminais de um dispositivo de armazenamento de energia elétrica, como um condensador, uma bateria quando este proporciona uma corrente elétrica de 1 Ampére durante uma hora. 
Exemplo =
Se uma bateria tem, uma capacidade de 100Ah, significa que pode dar uma corrente de 10 A durante 10h, ou de 1 A durante 100h. 
LEI DE OHM = 
A lei de Ohm é a afirmação de que a corrente que atravessa um dispositivo é diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada ao dispositivo. 
Versa sobre a resistência elétrica dos condutores, determinando a relação de proporcionalidade entre a corrente elétrica que passa por um dispositivo e a diferença de potência a qual está submetido. 
Essa expressão não depende da natureza do condutor: ela é válida para todos os condutores. Para um dispositivo condutor que obedeça à lei de Ohm, a diferença de potencial aplicada é proporcional à corrente elétrica, isto é, a resistência é independente da diferença de potencial e da corrente. Um exemplo de dispositivo que obedece à essa lei — muito utilizado em aparelhos eletrônicos como rádios, televisores e amplificadores — é o resistor. Sua função é controlar a intensidade de corrente elétrica que passa pelo aparelho. 
Entretanto, para alguns materiais como os semicondutores, a resistência elétrica não é constante. Mesmo que a temperatura seja, ela depende da diferença de potencial V. Estes materiais são denominados condutores não ôhmicos. Um exemplo de componente eletrônico que não obedece à lei de Ohm (desvios) é o diodo. 
↑ DIFERENÇA DE POTENCIAL ↑ CORRENTE
↓ DIFERENÇA DE POTENCIAL ↓ CORRENTE