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Aula 09 – Corrente, Densidade de Corrente e Condutores Professor: Hugo Rodrigues Vieira Disciplina: Eletricidade e Magnetismo Curso: Engenharia Elétrica • Introdução Corrente elétrica: Fluxo ordenado de cargas elétricas em um determinado ponto ou superfície. I Corrente contínua; i(t) Corrente que varia no tempo; Medidas em amperes [A] = 1 [C/s]; Lei de ohm: Relaciona o comportamento da tensão com corrente e resistência. No eletromagnetismo a densidade de corrente J [A/m2] é de grande importância para conhecimento dos fenômenos físicos envolvidos. Até o presente momento estudou-se os fenômenos elétricos no espaço livre (Teoria de Campos no Vácuo). O objetivo agora é desenvolver estudos dos fenômenos elétricos em um meio material. Campos elétricos também existem em um meio material. A classificação dos materiais é feita de acordo com suas propriedades elétricas, de maneira ampla, em condutores e não condutores. (Não condutores são os isolantes ou dielétricos) Algumas propriedades dos materiais elétricos merecem destaque, são elas: Susceptibilidade, permissividade, linearidade, isotropia, homogeneidade e tempo de relaxação. Genericamente, os materiais são classificados de acordo com a sua condutividade (S/m). A condutividade de um material geralmente depende da temperatura e frequência. Um material com elevada condutividade é referido como um metal, enquanto um material com baixa condutividade é referido como isolante. A condutividade dos metais geralmente aumenta com a diminuição da temperatura. Em temperaturas próximas ao zero absoluto, chumpo e alumínio, por exemplo, apresentam condutividade da ordem de 1020 S/m. • Correntes de Convecção e de Condução Antes do estudo do campo elétrico em meios condutores ou dielétricos, e apropriado o estudo da corrente elétrica. Sabe-se que: A corrente (em ampéres) através de uma área é a quantidade de carga que passa através dessa área na unidade de tempo. Isto é I = dQ dt . Assim, para uma melhor compreensão, é necessário o conheicmento de densidade de corrente J. Tem-se entao: ou logo: Dependendo da forma de geração da corrente I, haverá diferentes tipos de densidades de corrente: densidade de corrente de convecção, densidade de corrente de condução e densidade de corrente de deslocamento. Independente do tipo de corrente, o cálculo de I através de S é simplesmente a determinação através do fluxo de J. (J sempre normal a superfície em análise). A corrente de convecção não será objeto de estudo visto que a mesma aplica-se somente a gases e líquidos, não satisfazendo a lei de Ohm. A corrente de deslocamento aplica-se a fenômenos variantes no tempo e em altas frequência, assim também não são objeto de estudo. Então, estuda-se a densidade de corrente de condução, a qual é aplicada a condutores. A densidade de corrente em um dado ponto é a corrente através de uma área unitária normal àquele ponto. A corrente de condução ocorre necessariamente em condutores. Um condutor é caracterizado por uma grande quantidade de elétrons livres que promovem a corrente de condução ao serem impulsionados por um campo elétrico. Quando um campo elétrico E é aplicado, a força sobre um elétron fica: F = - e.E O elétron não está no espaço livre, logo será acelerado pelo campo elétrico. Assim, um elétron com massa m, movendo-se em um campo elétrico E com velocidade média u (velocidade de deriva), pela 2 Lei de Newton, as forças se igualam, assim: Por definição e por análise dimensional, sabe-se que: E para uma quantidade n de elétrons por unidade de volume tem-se que: Dessa forma, a densidade de corrente de condução é: Onde é a condutividade do condutor. (Tabelas) • Corrente I A corrente I [A] que atravessa uma superfície S é definida por: I = 𝐉●d𝐒S [A] Pelo produto escalar, devemos associar um vetor unitário normal a superfície de maneira que ele siga a orientação dada por J. • Exemplo 9.1: Calcule a corrente no fio da figura abaixo (r = 2 [mm]), se a densidade de corrente de condução 𝐉 = ( 𝑒1000ƿ ƿ )az [A/m 2]. • Resistência R Considerando um condutor retilíneo de seção reta uniforme de área A e comprimento L, que apresenta uma diferença de potencial V entre seus terminais, logo: E = V L , se J = σ. E , E = J σ e J = σ.V L Considerando uma corrente uniforme pela área e sabendo que: I = 𝐉●d𝐒S [A] Faremos: I = J. A , então: I = σ.A.V L ; De acordo com a Lei de Ohm R = V I assim então definimos a resistência R = L σA [Ω], ou também R = ƿ𝑐L A [Ω], já que ƿc = 1 σ . A unidade de ƿc é o [Ω.m], podendo variar de acordo com a tabela utilizada. Essa expressão simples é utlizada em condutores que apresentam a mesma seção reta ao longo de seu comprimento. Em casos onde a densidade de corrente é maior na superfície essa expressão não é válida e devemos utilizar: R = V 𝐉●d𝐒 = V 𝛔E●d𝐒 Se na situação problema em questão conhecermos o valor do campo elétrico presente, também podemos calcular a resistência aplicando os conceitos ja vistos, sendo assim a resistência será: R = E●d𝐋 𝛔E●d𝐒 R = Integral do Campo Elétrico ao logo do caminho Integral da Corrente de Condução na superfície • Exemplo 9.2: Calcular a resistência entre as superfícies curvas, interna e externa do bloco da figura abaixo que é feito de prata.σ = 6,17x107[S/m]. A mesma corrente I atravessa ambas as superfícies. Considerar 𝐉 = K ƿ aƿ e 𝐄 = K σƿ aƿ . • Exemplo 9.3: Em um condutor cilíndrico de 2 [mm] de raio, a densidade de corrente varia com a distância ao eixo de acordo com: J = 1000. e−400ƿ ƿ A m2 . Determine a corrente I. Resposta: 8,63 [A] • Exemplo 9.4: Calcular a corrente que cruza a porção do plano y=0 defninida por 0 < x < 0,2 e 0 < z < 0,004, se J = 100.xay [A/m 2]. Resposta: 8 [mA] • Exemplo 9.5: Em coordenadas esféricas, dado o valor de J = 1000.Ф𝑎𝑟 A m2 . Determine a corrente I que atravessa a casca esférica r = 20 [mm]. Resposta: 15,79 [A] • Exemplo 9.6: Calcular a corrente que cruza a porção do plano x=0 na superfície –π/4 < y < π/4 e -0,01 < z < 0,01, se J = 100.cos(2y)ax [A/m 2]. Resposta: 2 [A] “ Faça todo o bem que puder, Com todos os meios que puder, De todas as formas que puder, Em todos os lugares que puder, Todas as vezes que puder, Para todas as pessoas que puder, Enquanto puder. ” John Wesley
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