Barbara - elétricidade

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
CURSO DE LICENCIATURA NOTURNA
BARBARA HERCULANO DE SOUZA SILVA – 21600775
ELÉTRICIDADE
Trabalho solicitado pelo Docente: Prof. Jose Roberto Viana Azevedo, ministrante da Disciplina: Eletromagnetismo (IEF826) no Curso: Licenciatura Noturna no segundo semestre de 2021, equivalente ao segundo semestre de 2020.
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MANAUS – AM
	
2021
SÚMARIO 
1. ELÉTRICIDADE........................................................................................2
2. O FENÔMENO DA CORRENTE ELÉTRICA............................................2
2.1 FONTES DE CORRENTE ELÉTRICA.................................................3
2.2 COMO FUNIONA UMA CORRENTE ELÉTRICA................................3
2.3 CARGA ELÉTRICA..............................................................................4
2.4 LEI DE COULOMB...............................................................................5
2.5 CAMPO ELÉTRICO.............................................................................5
3. TRABALHO DEVIDO A FORÇA ELÉTRICA.............................................6
4. POTENCIAL ELÉTRICO...........................................................................6
5. INTENSIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA.............................................6
6. EQUIPAMENTOS QUE MEDEM CORRENTE E TENSÃO ELÉTRICA.................................................................................................7
7. TIPOS DE CORRENTE ELÉTRICA..........................................................8
7.1 EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA................................................9
8. RESISTÊNCIA ELÉTRICA E LEI DE OHMS.............................................9
8.1 PRIMEIRA LEI DE OHMS..................................................................10
8.2 EFEITO JOULE.................................................................................11
9. POTÊNCIA ELÉTRICA...........................................................................11 
9.1 POTÊNCIA ELÉTRICA DISSIPADA.................................................13
 10. VETOR DENSIDADE DE CORRENTE..................................................15
1. ELETRICIDADE 
Primeiro temos que perguntar o que é Eletricidade? Eletricidade é o conjunto de fenômenos causados ​​pela existência, interação e movimento de cargas elétricas. É a energia derivada da energia potencial elétrica ou energia cinética. 
Essa forma de energia se manifesta no movimento de partículas carregadas na superfície de um material condutor. As partículas carregadas podem ser elétrons, prótons ou íons.
Existem dois pontos de vista para analisá-lo, a primeira em uma escala macroscópica, o que uma pessoa pode observar e a segunda em escala microscópica para observar o que está acontecendo, é necessário o uso de dispositivos especiais. O conjunto de coisas que acontecem em uma escala minúscula corresponde ao que podemos ver em uma escala macroscópica.
Do ponto de vista macroscópico, por este termo, nos referimos à força eletromagnética. Ou seja, para todos os fenômenos físicos em grande escala envolvendo uma das interações fundamentais - especialmente a energia eletrostática. Os efeitos macroscópicos típicos são as correntes e a atração ou repulsão de cargas.
Do ponto de vista microscópico, esses fenômenos se devem à interação entre partículas carregadas em uma escala minúscula, uma escala molecular.
2. O FENOMENO DA CORRENTE ELÉTRICA
Corrente elétrica é o fenômeno físico em que os portadores de carga elétrica, como elétrons, são conduzidos pelo interior de algum material em razão da aplicação de uma diferença de potencial elétrico. A capacidade de condução elétrica dos materiais depende diretamente da intensidade do potencial elétrico que lhes é aplicado, bem como da sua natureza: enquanto os materiais condutores são facilmente percorridos por correntes elétricas, materiais isolantes oferecem grande resistência a elas.
A corrente elétrica é uma grandeza escalar. Sua unidade de medida, segundo o Sistema Internacional de Unidades, é o ampère (A). Essa unidade mede o módulo da carga elétrica que atravessa a secção transversal de um condutor a cada segundo e, por isso, também pode ser escrita como coulombs por segundo (C/s).
A corrente elétrica em condutores ocorre pela movimentação de elétrons. Estes, por sua vez, apresentam cargas de sinal negativo, por esse motivo, quando conduzidos, sempre caminham em direção ao potencial elétrico positivo (mais alto). Esse sentido de corrente elétrica é conhecido como sentido real.
Por questões de simplificação, adota-se o sentido convencional da corrente elétrica. De acordo com o sentido convencional, atribuímos à carga dos elétrons o sinal positivo, desse modo, os elétrons devem sempre se mover em direção ao polo negativo (mais baixo).
2.1 FONTES DE CORRENTE ELETRICA
Uma fonte de corrente é um dispositivo elétrico ou eletrônico que mantém uma corrente elétrica constante entre seus terminais independente da carga, ou seja, dos demais dispositivos a serem alimentados pela fonte.
Fontes de corrente constante são circuitos de grande utilidade. Alguns exemplos de sua utilização na indústria são os carregadores de baterias e controladores de carga, que podem ser usados para o abastecimento de eletrodomésticos de uma residência, por exemplo, os controles de motores, os controles de brilho de LEDs, as lâmpadas, entre outras aplicações semelhantes.
2.2 COMO FUNCIONA UM CIRCUITO ELÉTRICO 
Circuito elétrico é uma ligação de dispositivos, como geradores, resistores, receptores, capacitores, indutores, etc., feita por meio de um fio condutor, que permite a passagem de cargas elétricas pelos elementos do circuito. A corrente elétrica passa pelo circuito graças à aplicação de uma diferença de potencial elétrico, produzida por uma fonte de tensão.
2.3 CARGA ELÉTRICA
Carga elétrica é uma propriedade da matéria, assim como a massa. A carga elétrica macroscópica de um corpo surge em razão da diferença entre o número de prótons e elétrons, nesse caso dizemos que o corpo se encontra carregado ou eletrizado.
Por outro lado, quando a quantidade de elétrons e prótons for a mesma, dizemos que o corpo está neutro. Portanto, mesmo quando neutros, os corpos ainda apresentam cargas elétricas, entretanto, essas estão balanceadas.
A carga elétrica tem origem em partículas subatômicas: os prótons apresentam o menor valor de carga positiva, enquanto os elétrons apresentam o menor valor de carga negativa. Os nêutrons, por sua vez, são partículas eletricamente neutras.
Existem dois tipos de carga elétrica, as positivas e as negativas. Ambas são definidas exclusivamente por sinais algébricos, por convenção atribui-se à carga do elétron o sinal negativo e à carga do próton o sinal positivo.
2.4 LEI DE COLOMB
No final do século dezoito, as técnicas da ciência experimental alcançaram tal sofisticação que permitiram fossem realizadas observações rigorosas das forças entre cargas elétricas. Os resultados destas observações, que foram extremamente polêmicos na época, podem ser resumidos em três afirmativas: (a) Existem duas e somente duas espécies de carga elétrica, hoje conhecidas como positiva e negativa. (b) Duas cargas puntuais exercem, entre si, forças que atuam ao longo da linha que as une e que são inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre elas. (c) Estas forças são também proporcionais ao produto das cargas; são repulsivas para cargas de mesmo sinal e atrativas para cargas de sinais opostos. As duas últimas afirmativas, com a primeira como preâmbulo, são conhecidas como lei de Coulomb em homenagem a Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), que foi um dos principais estudantes de eletricidade do século dezoito. A lei de Coulomb para cargas puntuais pode ser concisamente formulada segundo a notação vetorial:
 
2.5 CAMPO ELÉTRICO
O campo elétrico num ponto é definido como o limite da seguinte razão: a força sobre uma carga teste, colocada no ponto, pela carga da cargateste; sendo que o limite tomado para o valor da carga teste tende a zero. O símbolo que se costuma empregar para o campo elétrico é E. 
3. TRABALHO DEVIDO A FORÇA ELÉTRICA 
Quando o sistema muda de uma configuração inicial para um estado final, a força eletrostática realiza um TRABALHO sobre as partículas. E este trabalho está associado a energia potencial elétrica.
4. POTENCIAL ELÉTRICO 
O potencial em qualquer ponto é a diferença de potencial entre esse ponto e um ponto escolhido no qual o potencial é arbitrado como zero 
5. A INTENCIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA
A intensidade da corrente elétrica, representada pela letra ‘i’, designa a quantidade de carga elétrica (Q) que atravessa um condutor em determinado intervalo de tempo (Δt). No sistema internacional sua unidade de medida é o Ampère (A), sendo calculada através da seguinte expressão:
I: intensidade da corrente (A)
Q: carga elétrica (C)
Δt: intervalo de tempo (s)
6. EQUIPAMENTOS QUE MEDEM CORRENTE ELÉTRICA E TENSÃO ELÉTRICA
Os instrumentos elétricos de medida são largamente utilizados em laboratórios de ensino. Esses equipamentos são utilizados para obtenção de valores de várias grandezas que estão envolvidas num circuito elétrico. Com os aparelhos apropriados podemos fazer medidas de corrente elétrica, voltagem e resistência elétrica.
 A medida de corrente elétrica
Um aparelho capaz de indicar a presença de corrente elétrica em um circuito elétrico é denominado de galvanômetro. Se for possível graduar a escala desse aparelho ele receberá o nome de amperímetro, o qual possibilita a medição da intensidade da corrente elétrica. Existem tanto amperímetros digitais quanto amperímetros analógicos, ambos são muito utilizados, no entanto o digital permite maior precisão nos resultados.
Para medir a corrente em um circuito elétrico deve-se ligar o amperímetro em série com o circuito. Contudo, esse aparelho possui em seu interior uma resistência elétrica, cujo valor deve ser acrescido à resistência do circuito ao realizar os cálculos. De forma a tornar desprezível a resistência do amperímetro, esse aparelho é construído com a menor resistência interna possível.
 A medida de voltagem
A medida de voltagem é mais conhecida como medida de diferença de potencial. Para realizar a medida de voltagem utilizamos aparelhos denominados de voltímetros. Assim como no caso do amperímetro, existem também voltímetros analógicos e digitais. Ambos são muito utilizados, porém o voltímetro digital possibilita a melhor leitura do valor da ddp como também a certeza do que está sendo medido.
Para medir a ddp entre as extremidades de um resistor, por exemplo, deve-se conectar o voltímetro em paralelo com a resistência. Esse aparelho, assim como o amperímetro, também possui uma resistência interna. Assim é desejável que a corrente que se desvia para o voltímetro seja a menor possível, de forma que ao introduzir o voltímetro a perturbação causada seja desprezível. Sendo assim, os voltímetros são construídos com uma resistência interna mais alta possível.
7. TIPOS DE CORRENTE ELÉTRICA
Dois tipos de corrente podem transmitir energia elétrica a corrente alternada (AC), na qual os elétrons vibram, mas não se movem e a corrente contínua (DC), na qual os elétrons se movem através do condutor.
A eletricidade flui em um círculo fechado, chamado de circuito.
Em um circuito de corrente contínua, os elétrons sempre se movem na mesma direção dentro dele. Qualquer circuito alimentado por bateria é um exemplo desse circuito (por exemplo, um flash de magnésio ou um sistema elétrico em automóveis). Às vezes, porém, a corrente não permanece constante.
Ocasionalmente, vários circuitos elétricos invertem regularmente a direção atual de seu fluxo. Neste caso, é um circuito de corrente alternada.
Os circuitos elétricos mais comuns e usados ​​são a corrente alternada. A frequência, intensidade da corrente e a voltagem do circuito devem ser especificadas em um circuito de corrente alternada. A frequência mede a metade do número de vezes que a corrente muda de direção em um segundo.
7.1 EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA           
A passagem da corrente elétrica pode causar diversos efeitos diferentes de acordo com o meio que a conduz. Confira alguns dos efeitos mais comuns:
1. Efeito térmico: Quando a corrente elétrica encontra alguma resistência a sua passagem, ocasiona aquecimento, em razão do efeito Joule.
2. Efeito magnético: Condutores atravessados por uma corrente elétrica produzem campos magnéticos, como no caso das bobinas usadas em ímãs artificiais.
3. Efeito luminoso: Quando algum condutor sofre grandes aquecimentos, é possível que passe a emitir luz visível, como no caso das lâmpadas incandescentes.   
8. RESISTÊNCIA ELÉTRICA E LEI DE OHMS
A resistência elétrica é definida como a capacidade que um corpo tem de opor-se à passagem da corrente elétrica. A unidade de medida da resistência no SI é o Ohm (Ω), em homenagem ao físico alemão George Simon Ohm, e representa a razão volt/Ampére.
Quando um condutor é submetido a uma diferença de potencial, ele passa a ser percorrido por uma corrente elétrica, que é constituída pelo movimento de elétrons livres no interior do condutor. Quando esses elétrons livres entram em movimento, começam a colidir entre si e com os átomos do condutor. Quanto maior o número de colisões, maior a dificuldade encontrada pela corrente elétrica em “atravessar” o condutor. Essa dificuldade de movimento das cargas é que caracteriza a resistência elétrica.
A resistência elétrica varia conforme o comprimento, a largura e a natureza do material do condutor, além da temperatura a que ele é submetido. Todos esses fatores são relacionados por uma equação conhecida como Segunda Lei de Ohm:
R: é a resistência elétrica do material;
ρ: é a resistividade e possui valores diferentes para cada tipo de material;
l: é o comprimento do condutor;
A: é área de seção transversal do condutor.
De acordo com a equação, vemos que a resistência é diretamente proporcional ao comprimento l do condutor, ou seja, quanto maior o comprimento, maior será a resistência. Ela também é inversamente proporcional à área do condutor, pois, quanto maior a área, mais fácil é a passagem dos elétrons e, consequentemente, menor a resistência do material.
8.1 PRIMEIRA LEI DE OHM
A resistência elétrica também pode sofrer variação conforme a variação da tensão e da corrente elétrica de um condutor. Isso ocorre porque, quanto maior a intensidade da corrente elétrica (i), menor a dificuldade que os portadores de carga enfrentam para movimentar-se, ou seja, menor a resistência. A diferença de potencial V entre as extremidades de um condutor é proporcional à corrente que o atravessa. A resistência é a constante de proporcionalidade entre eles e pode ser definida a partir da Primeira Lei de Ohm como:
Essa Lei só é válida para materiais que possuem resistência elétrica constante, conhecidos como resistores ôhmicos.
8.2 EFEITO JOULE
Vários aparelhos da nossa casa têm seu funcionamento baseado no uso de resistência elétrica por meio de pequenos dispositivos chamados resistores, que têm como função transformar energia elétrica em energia térmica. Alguns aparelhos domésticos que utilizam os resistores são o chuveiro, o ferro de passar, o secador de cabelo, forno elétrico, churrasqueira elétrica, entre outros.
Já vimos que a resistência elétrica está relacionada com o choque entre os átomos e elétrons em movimento no interior dos condutores. Esse choque provoca o aumento da temperatura no condutor, caracterizando um fenômeno chamado Efeito Joule, que serve como base para o funcionamento dos resistores.
9. POTÊNCIA ELETRICA 
Potência elétrica é a medida da quantidade de energia elétrica fornecida ou consumida por um circuito elétrico. Pode ser calculada por meio de grandezas como tensão, corrente e resistência elétrica, e sua unidade de medida é o watt.
O cálculo da potência elétrica é de grande importância, uma vez que, por meio dele, é possível determinar qual será a quantidade de energia elétrica consumidapor um dispositivo elétrico durante um determinado intervalo de tempo.
Potência elétrica é a quantidade de energia elétrica que é fornecida a um circuito elétrico a cada segundo ou, ainda, a quantidade de energia que esse circuito converte em outras formas de energia, também a cada segundo. A unidade de medida da potência elétrica, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), é o watt (W), que equivale a joules por segundo (J/s).
A potência elétrica geralmente é estudada em dispositivos como geradores, receptores e resistores, que são elementos dos circuitos elétricos que, respectivamente, geram energia elétrica, consomem energia elétrica e produzem calor, devido ao efeito Joule.
Como qualquer outro tipo de potência, a potência elétrica pode ser calculada dividindo-se a energia consumida, ou transformada, pelo intervalo de tempo. Entretanto, existem fórmulas de potência mais específicas que relacionam grandezas como tensão elétrica (U), corrente elétrica (i) e resistência elétrica. A potência elétrica pode variar em muitas ordens de grandeza de acordo com a aplicação estudada. Alguns exemplos:
· Um chuveiro elétrico dissipa, em média, 5 kW de energia elétrica na forma de calor a cada segundo.
· Usinas hidrelétricas geram eletricidade a uma taxa de 30 MW.
· Um chip de computador consome 1 mW de energia elétrica.
Por isso, é importante conhecer e saber utilizar corretamente os prefixos de unidades do SI.
As principais fórmulas utilizadas para o cálculo da potência elétrica:
P: potência elétrica (W)
U: tensão elétrica (V)
R: resistência elétrica (Ω)
i: corrente elétrica (A)
Com as fórmulas acima, é possível resolver a maior parte dos exercícios de eletrodinâmica que envolvem o cálculo da potência. Há também uma fórmula mais geral que pode ser utilizada para determinar o consumo de energia elétrica, por exemplo. Observe:
P: potência (W)
E: energia (J)
Δt: intervalo de tempo (s)
9.1 PONTENCIAL ELÉTRICO DISSIPADO 
Os resistores são dispositivos que podem transformar a energia elétrica em calor por meio do efeito Joule. Quando os elétrons passam através dos resistores, as colisões resultantes dessas partículas com a rede cristalina do material que compõe o resistor ocasionam um aumento da sua agitação térmica, resultando em transferências de calor para as vizinhanças do resistor.
Por essa razão, os resistores são largamente empregados em circuitos que têm como intuito a produção de calor, como em aquecedores elétricos, panelas elétricas, fritadeiras elétricas, ferros de passar roupa, chuveiros elétricos etc.
Essa capacidade dos resistores de produzir energia térmica está diretamente relacionada com a sua resistência elétrica. A resistência elétrica é a grandeza que mede a dificuldade de se estabelecer uma corrente elétrica através de diferentes corpos.
Essa propriedade depende do formato do corpo, da quantidade de elétrons livres presentes no material e do tempo e distância que esses elétrons são capazes de ser conduzidos sem que sofram colisões com os átomos que compõem o corpo, entre outros. Quanto maior for a resistência de um resistor, maior será a quantidade de energia que ele dissipa em forma de calor a cada segundo, em outras palavras, maior será a potência por ele dissipada.
As lâmpadas incandescentes têm um filamento de alta resistência elétrica que se aquecem e emitem luz com a passagem de corrente elétrica.
A grandeza física que mede a quantidade de calor que um resistor transfere para os seus arredores a cada segundo é chamada de potência dissipada. A potência dissipada é uma grandeza escalar medida em Watts (W).
Na Física, a grandeza potência tem um significado bastante amplo, mas sua definição é sempre relativa à razão entre uma quantidade de energia (E) e um determinado intervalo de tempo (Δt).
Portanto, a potência que é dissipada por um resistor é uma medida de quanta energia esse resistor é capaz de transformar em calor, a cada segundo.
A energia que cotidianamente é chamada de energia elétrica, por sua vez, recebe o nome de energia potencial elétrica. Seu módulo pode ser calculado pelo produto entre o potencial elétrico (U), dado em Volts (V), e o módulo de uma carga de prova (q), inserida nesse potencial elétrico:
EP: Energia potencial elétrica (J)
q: Carga de prova (C)
U: Potencial elétrico (V)
Se substituirmos a expressão acima na definição de potência, teremos a seguinte relação:
PD: Potência dissipada (W)
q: carga elétrica de prova (C)
i: corrente elétrica (A)
De acordo com a fórmula mostrada acima, a potência que é dissipada por um resistor pode ser facilmente calculada se soubermos qual é a diferença de potencial (d.d.p.) entre os terminais do resistor (U) bem como a corrente elétrica nele estabelecida (i).
Se nos lembrarmos de 1.ª lei de Ohm, que afirma que o potencial elétrico pode ser calculado pelo produto da resistência elétrica (R), medida em ohms (Ω), pela corrente elétrica (i), em Ampère (A), será possível escrevermos a equação da potência dissipada em três diferentes formas. Observe:
R: Resistência (Ω)
Caso desejemos saber qual foi a quantidade de energia que um resistor dissipou em um determinado intervalo de tempo, podemos usar a expressão representada abaixo, confira:
10. VETOR DENSIDADE DE CORRENTE
Diferentemente do campo elétrico, que é produzido por uma carga elétrica fonte, o campo magnético não tem uma carga magnética fonte. Até o momento ainda não conseguimos observar uma carga magnética, o que coloca uma grande dúvida sobre sua existência. Nossos campos magnéticos serão criados por cargas elétricas em movimento. Portanto precisamos definir uma densidade de cargas em movimento, como um vetor. Cargas em movimento é uma corrente elétrica. Para tal, considere a Figura 1 abaixo. 
Cada portador de cargas (pontos) tem uma carga Q é uma velocidade u⃗ (numa região muito pequena). Consideremos as cargas que atravessarão uma determinada área Δa num tempo Δt. Seja Δa⃗ o vetor elemento de área. O volume apoiado na área Δa e de altura uΔt é ΔV=Δtu⃗ ⋅Δa⃗. Seja n a densidade dos portadores de cargas nesta região (a densidade de cargas é ρ=nQ). Então o total de portadores de cargas é nΔV. Podemos definir (localmente) corrente elétrica como carga por unidade de tempo:
Podemos introduzir o campo vetorial densidade de corrente J⃗ de modo a obtermos a corrente total I passando por uma área A como o fluxo (da densidade de corrente):
A unidade de corrente elétrica no Sistema Internacional (SI) é o Ampere (A=C/s). Isto faz com que a unidade de densidade de corrente seja A/m^2 (corrente por área).
 	Lei de conservação. O campo vetorial densidade de corrente J⃗ é o campo escalar densidade de cargas estão intimamente relacionados. Para sabermos como, temos de introduzir um princípio (ou postulado): carga elétrica é conservada. Considere uma carga total Q saindo (ou entrando) de uma região de volume V, na forma de uma corrente I=dQ/dt. Considere uma superfície fechada, de área A, contendo o volume V. A carga dQ=ρdV que sai desse volume V precisa atravessar a superfície A que o contém. Assim, usando a definição de corrente elétrica e princípio da conservação da carga (ou da corrente) elétrica, temos:
O sinal negativa indica que a carga está saindo da região. Podemos usar o teorema de Gauss para passar a integral de superfície para a integral de volume:
Esta última equação é conhecida por equação da continuidade. Ela relaciona a variação temporal do campo escalar densidade de carga com a variação espacial (divergente) do campo vetorial densidade de corrente. Ela afirma (localmente) a conservação da carga: a carga que sai de uma região, sai na forma de uma corrente.
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