Eletricidade e Magnetismo

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FENÔMENOS ELÉTRICOS
A enguia elétrica (Electrophorus) que se move furtivamente nos rios da América do Sul, mata o peixe sobre o qual se lança como ave de rapina com pulsos de corrente de aproximadamente 1A. Ela reproduz uma diferença de potencial de várias centenas de volts ao longo de seu comprimento; por conseguinte, uma corrente flui, através da água circundante, a partir das proximidades de sua cabeça em direção ao rabo.
A Eletricidade é a parte da Física que estuda os fenômenos de natureza elétrica.
Nesta Unidade, vamos estudar as cargas elétricas em repouso (Eletrostática) e em movimento (correntes e circuitos elétricos).
As primeiras descobertas, das quais se tem notícia, relacionadas com os fenômenos elétricos, foram feitas pelos gregos. Thales de Mileto, filósofo e matemático grego, observou que um pedaço de âmbar (pedra amarelada de origem fóssil)  após ser atritado com uma pele de animal, adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pedaços de palha e sementes de grama.
Modernamente sabemos que todas as substâncias podem apresentar comportamento semelhante ao do âmbar, isto é, podem ser eletrizadas ao serem atritadas com outra substância; uma régua de plástico eletriza-se ao ser atritada com a seda; um pente eletriza-se ao ser atritado com os cabelos, atraindo, inclusive, pequenos pedaços de papel; um automóvel eletriza-se pelo atrito com o ar, etc. No entanto, somente a partir do século XV é que começaram a ser feitas observações sistemáticas e cuidadosas a respeito dos fenômenos elétricos.
Como a palavra grega que significa âmbar é eléctron, os termos eletrizado, eletrização, eletricidade etc. foram surgindo para fazerem referência aos comportamentos semelhantes ao do âmbar.
 
CARGA ELÉTRICA POSITIVA E NEGATIVA
Realizando-se experiências com vários corpos eletrizados, verificou-se que eles podem ser separados em dois grandes grupos: um, constituído pelos corpos que têm comportamento igual ao de uma barra de vidro atritada com seda e que chamamos de corpos eletrizados positivamente (adquiriram carga elétrica positiva) e outro, constituído pelos corpos que se comportam como uma barra de borracha atritada com um pedaço de lã e que dizemos que estão eletrizados negativamente ou que possuem carga negativa.
Observa-se que os corpos pertencentes a cada um dos grupos repelem-se uns aos outros, mas atraem os corpos do outro grupo, o que nos faz concluir que:
Existem dois tipos de cargas elétricas: cargas positivas (%2b) e cargas negativas (–); as cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e as de sinal contrário se atraem.
 
ELETRIZAÇÃO
Processos de eletrização: eletrizar um corpo consiste em transferir elétrons de um corpo para o outro.
Eletrização por atrito: o atrito entre dois corpos é uma forma de fornecer energia para que haja a transferência de elétrons de um corpo para outro. Ao final do processo de eletrização por atrito têm-se dois corpos eletrizados com cargas de sinais contrários. Só podemos eletrizar por atrito corpos de materiais diferentes.
Série tribo elétrica- plástico- seda- veludo- acrílico- pelo- vidro.
Eletrização por contato: quando um condutor eletrizado A é colocado em contato com um condutor B, inicialmente neutro, ocorre uma transferência de portadores móveis de carga de um para o outro. Assim, o condutor neutro se eletriza. Ao final do processo de eletrização por contato temos dois corpos eletrizados com cargas de mesmo sinal.
 
Eletrização por indução: no processo de indução, não há contato direto entre os corpos. Basta aproximar um corpo carregado, o indutor, de um corpo neutro a ser carregado, o induzido. O induzido deve estar ligado temporariamente a Terra ou a um corpo maior que lhe forneça elétrons ou que dele os receba num fluxo provocado pelo indutor. Caso contrário o induzido apenas se mantém eletricamente polarizado enquanto o indutor estiver presente.
Ligação Terra - Ao se ligar um condutor eletrizado a Terra, ele se descarrega.
 
ISOLANTES E CONDUTORES
As pessoas que trabalham com eletricidade usam, normalmente, luvas de borracha ou plástico, ferramentas com proteção de borracha e, até mesmo, sapatos com sola de borracha. Com essas precauções, evita-se a possibilidade de um choque, porque certos materiais têm a capacidade de bloquear os efeitos elétricos.
Assim:
Isolantes ou dielétricos são materiais que dificultam a transmissão de eletricidade.
São exemplos de isolantes a porcelana, a borracha, o vidro, a madeira, o plástico, o papel etc.
Ao contrário dos isolantes, os condutores são materiais que, por terem elétrons livres, possibilitam o movimento de cargas no seu interior, ou seja:
Condutores são materiais que permitem a transmissão de eletricidade.
Os metais são o melhor exemplo de condutores.
CIRCUITOS ELÉTRICOS
Existem peças especialmente construídas para oferecer resistência à passagem de corrente. Essas peças, nas quais encontramos resistências concentradas, são chamadas de resistores e têm a finalidade de reduzir a passagem de corrente elétrica em determinados caminhos de um circuito elétrico.
Já aprendemos que é necessária uma diferença de potencial entre dois pontos para que entre eles circule uma corrente elétrica. Essa diferença de potencial pode ser conseguida utilizando-se de um elemento chamado gerador elétrico, composto de dois pólos que se encontram a uma determinada diferença de potencial.
Ao conectarmos um gerador a condutores, de forma a possibilitar circulação de corrente, temos o que se chama de circuito elétrico.
Veja, agora, algumas representações que serão muito usadas neste texto:
	Resistores:
	Geradores ou fontes:
Veja, por exemplo, a representação de um circuito elétrico no qual temos um resistor R ligado aos terminais de um gerador V, onde assinalamos os pontos 
 
Observando esse circuito, notamos que entre os pontos há uma diferença de potencial V, entre  uma resistência R e entre  temos trechos de linha reta que representam condutores de resistência desprezível. As setas indicam que a corrente circulará percorrendo os pontos 
Estudemos, agora, o circuito, no qual temos: Resistência  diferença de potencial 
 
Circuito elétrico
O valor da intensidade de corrente será dado pela lei de Ohm:
(a unidade de intensidade é o ampere, lembra-se?)
A diferença de potencial entre os pontos  será: mas entre a resistência é desprezível, então 
A diferença de potencial entre os pontos  será:
 
ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES
A grande maioria dos circuitos utilizados na prática é constituída por um gerador e um grande número de resistores ligados uns aos outros.
Vejamos os tipos de associação que podemos fazer com os resistores.
Resistores em série:
Resistores estão associados em série quando estão interligados de modo a estabelecer um único caminho para corrente elétrica. Assim, a corrente elétrica que passa por um deles é a mesma que passa pelos demais.
Na associação em série (veja figura abaixo), todos os resistores são percorridos pela mesma corrente elétrica.
 
Vamos supor que numa associação existam n resistores, percorridos pela mesma corrente i. Pela lei de Ohm, cada resistor vai ser submetido a uma diferença de potencial  Assim, o resistor R1 será submetido a uma diferença de potencial R2 será submetido a uma diferença de potencial R3 será submetido a uma diferença de ponteciale assim por diante, até Rn, submetido a uma diferença de potencial  i.  A diferença de potencial VT de toda a associação será:
Como VT é a diferença de potencial em toda a associação, pode-se afirmar, pela lei de Ohm, que onde n é a resistência equivalente a toda a associação. A diferença de potencial em toda associação pode, portanto, ser escrita na forma:
Dividindo toda a equação por i, obtemos:
Portanto, o resistor equivalente a uma associação de resistores em série tem uma resistência elétrica igual à soma das resistências elétricas de todos os resistores da associação.
 
Resistência em paralelo:
Resistores estão associados em paralelo quando estão interligados de moda a se submeterem a uma mesma diferença de potencial V,estabelecendo mais de um caminho para corrente elétrica.
Consideremos n resistores de resistências  associados em paralelo.
Estabelecendo uma diferença de potencial V entre os terminais A e B da associação, a ddp será igual a V em todos os resistores. Nesse caso, a corrente elétrica total da associação é igual à soma das correntes que passam pelos resistores, veja a figura abaixo.
 
Se a corrente total da associação é são as correntes que percorrem cada resistor, pode-se escrever:
Mas, da lei de Ohm, pode-se escrever, também, que onde Req é a resistência equivalente à associação.
Como a diferença de potencial V é a mesma para todos os resistores, portanto, a expressão da corrente total pode ser escrita na forma:
Dividindo toda a equação por V, obtemos:
 
 
Observação:
- Se houver apenas dois resistores em paralelo a associação pode ser determinada pela expressão:
- Se houver n resistores de resistências iguais a R, em paralelo, a associação pode ser determinada pela expressão:
 
Exemplo 1
Três resistores estão associados em série. Aplica-se uma diferença de potencial de 120V nos extremos A e B dessa associação, conforme mostra a figura.
Determine:
a) a resistência equivalente da associação
b) a corrente que passa em cada resistor.
Resolução
a)
b) Como a intensidade da corrente é a mesma em todos os resistores, temos:
 
 
Exemplo 2
Algumas pilhas são vendidas com um testador de carga. O testador é formado por dois resistores em paralelo como mostrado esquematicamente na figura.
Com a passagem de corrente, os resistores dissipam potência e se aquecem. Sobre cada resistor é aplicado um material que muda de cor ("acende") sempre que a potência nele dissipada passa de certo valor, que é o mesmo para os dois indicadores. Uma pilha nova é capaz de fornecer uma diferença de potencial (ddp) de 12V o que faz os dois indicadores "acederem". A ddp da pilha vai diminuindo à medida que a pilha vai sendo usada. Determine qual a resistência equivalente e a corrente que percorre o circuito com a pilha nova.
 
 
Exemplo 3
Dado dois resistores em paralelo  dispostos como na figura, determine a resistência equivalente do circuito.
 
Exemplo 4
Os perigos do choque elétrico são por demais conhecidos. Entretanto, nem sempre é bem compreendido que o perigo real para o ser humano não está no valor da tensão, mas, sim, na intensidade e no percurso da corrente elétrica pelo corpo. Um valor elevado de corrente, mesmo que em curto intervalo de tempo, já é suficiente para causar danos ao coração. A figura ao lado apresenta um modelo simplificado da distribuição resistiva do corpo humano, quando submetido a uma tensão contínua V entre uma das mãos e um pé.
Considere que uma corrente acima de 5mA provoca um leve desconforto, que acma de 50mA pode provocar paralisia muscular, e que acima de 500mA pode ocasionar a parada cardíaca.
a) Qual a diferença de potencial no braço de uma pessoa que sofre um desconforto leve?
b) Qual a diferença de potencial no tronco de um indivíduo para ocasionar uma parada cardíaca?
c) Qual a diferença de potencial na perna de uma pessoa para provocar uma paralisia muscular?
 
 
Quando os elementos de um circuito elétrico estão todos ligados em série, a interrupção da corrente em qualquer ponto fará com que esta corrente seja interrompida em todos os elementos do circuito. As lâmpadas de uma árvore de Natal, por exemplo, são ligadas em série e quando qualquer uma delas se queima, todas as demais se apagam, pois a corrente deixará de circular em todas elas.
Entretanto, em nossas residências, sabemos que é possível apagar uma lâmpada qualquer, sem que os demais aparelhos elétricos sejam desligados. Isso acontece porque a instalação elétrica de uma residência é feita em paralelo. Entre os fios A e B é mantida uma diferença de potencial que, normalmente, é de 110V ou de 220V. Na figura, podemos observar que os aparelhos elétricos, ligados entre os dois fios, estão submetidos à mesma voltagem.
Notamos, também, que quanto maior for o número de aparelhos elétricos ligados, menor será a resistência equivalente do conjunto e, consequentemente, maior será a corrente total que passará pelo medidor de energia elétrica situado na entrada da residência.
Os aparelhos elétricos não consomem corrente elétrica. Ao passar por eles, a corrente perde energia (que aparecerá sob outras formas), acontecendo, então, uma variação na energia dessa corrente mas não na sua intensidade.
 
POTÊNCIA
A potência desenvolvida por um aparelho elétrico é igual ao produto da diferença de potencial a que é submetido pela intensidade de corrente que o percorre.
Muitas vezes temos necessidade de conhecer a potência desenvolvida por um aparelho elétrico. Isso é possível com o uso da equação:
onde:
P é a potência desenvolvida pelo aparelho
i é a corrente elétrica
V é a diferença de potencial a que esse aparelho é submetido
A unidade de potência do SI é o W Veja:
 
Exemplo
Algumas residências recebem três fios da rede de energia elétrica, sendo dois fios correspondentes às fases e o terceiro ao neutro. Os equipamentos existentes nas residências são projetados para serem ligados entre uma fase e o neutro (por exemplo, uma lâmpada).
Considere o circuito abaixo, que representa, de forma muito simplificada, uma instalação elétrica residencial. As fases são representadas por fontes de tensão em corrente contínua e os equipamentos, representados por resistências. Apesar de simplificado, o circuito pode dar uma ideia das conseqüências de uma eventual ruptura do fio neutro. Considere que todos os equipamentos estejam ligados ao mesmo tempo.
 
Qual a corrente que circula pelo chuveiro?
LEI DE OHM
Consideremos um fio condutor, percorrido por um corrente de intensidade i. Para que isso aconteça é necessário, já sabemos, que entre os pontos A e B haja uma diferença de potencial.
Um matemático e físico alemão chamado George Simon Ohm, tomando um condutor e submetendo-o a várias diferenças de potencial, verificou que a intensidade da corrente elétrica variava proporcionalmente com a diferença de potencial nos terminais do condutor. Assim enunciou a lei que leva o seu nome:
A intensidade de corrente que percorre um condutor é diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada às suas extremidades.
Representando por V a diferença de potencial aplicada às extremidades do condutor, podemos escrever:
Lê-se: a intensidade de corrente é proporcional à diferença de potencial. ou, ainda:
Ohm notou, também, que, para cada material, a constante tinha um valor distinto, sendo essa uma propriedade do material do qual é feito o condutor. A essa constante de cada material foi dado o nome de resistência elétrica, R.
Assim, podemos escrever a equação da lei de Ohm das seguintes formas:
Sendo R o quociente entre a diferença de potencial (V) e a intensidade da corrente (i) em um condutor, sua unidade de medida no SI será dada por:
que recebeu o nome de 1ohm e que é representada pela letra grega ômega:
 
Exemplo
 
As lâmpadas elétricas se dividem em dois tipos básicos: incandescentes e fluorescentes. As lâmpadas incandescentes produzem luz por meio do aquecimento de um filamento de tungstênio, enquanto que nas lâmpadas fluorescentes a luz é emitida graças à excitação de gases ou vapores metálicos dentro do tubo. O princípio de funcionamento da lâmpada incandescente baseia-se na corrente elétrica que aquece um filamento de tungstênio. As lâmpadas são fabricadas a vácuo para evitar a oxidação dos filamentos: o ar é retirado no processo de fabricação e injetado um gás inerte, em geral, o argônio.
Considerando que a lâmpada incandescente seja ligada numa diferença de potencial de 220V e que a corrente que passa pelo filamento de tungstênio seja de 0,8A. Qual a resistência que passa por esse filamento.