Eletricidade

Eletricidade é o nome que se dá a fenômenos que ocorrem a cargas elétricas e a corpos eletricamente carregados. O termo eletricidade também é usado para referir-se a uma grande área de conhecimento da física, mas, além disso, aplica-se à energia elétrica — uma forma de energia que possibilita o funcionamento de inúmeros dispositivos elétricos.

Na natureza existe uma enorme quantidade de fenômenos físicos, químicos e biológicos que são explicados pela interação entre cargas, portanto, um bom entendimento sobre a eletricidade possibilita a compreensão de muitos processos fundamentais, frequentemente requisitados pelos moldes atuais de provas como o Exame Nacional do Ensino Médio (Enem).

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Origem da eletricidade

A eletricidade tem origem nas cargas elétricas, que são propriedades de partículas subatômicas, como os prótons e elétrons. Essas duas partículas apresentam a mesma quantidade de carga elétrica, cerca de 1,6.10^-19 C, entretanto, possuem sinais opostos.

Uma vez que não é possível que existam frações de prótons ou elétrons no interior dos átomos, dizemos que a carga elétrica é uma propriedade discreta ou quantizada, já que toda a carga elétrica presente em um corpo eletrizado é igual a um múltiplo inteiro da carga elétrica fundamental, assim como mostramos na expressão a seguir:

Q – carga elétrica

n – número de elétrons em falta ou excesso

e – carga fundamental

Eletricidade e lei de Coulomb

De acordo com a lei de Coulomb, as cargas elétricas de sinais opostos tendem a atrair-se, graças à ação da força elétrica. Essa força, por sua vez, depende de uma propriedade das cargas conhecida como campo elétrico.

Assim como a força elétrica, o campo elétrico é uma propriedade vetorial, ou seja, em cada ponto do espaço ao redor de uma carga elétrica existe um módulo, uma direção e um sentido de campo elétrico. Ademais, de acordo com o SI, a unidade de medida de campo elétrico é o newton por coulomb (N/C).

A lei de Coulomb está expressa na imagem seguinte. De acordo com essa lei, a força de atração ou repulsão entre cargas é igual ao produto dessas cargas multiplicado por uma constante eletrostática (k₀) e dividido pelo quadrado da distância que as separa:

k₀ – constante eletrostática do vácuo (9.10⁹ Nm²/C²)

Q₁ e Q₂ – cargas elétricas interagentes (C)

d – distância entre cargas elétricas (m)

Eletricidade e campo elétrico

Quando uma carga elétrica livre é abandonada em uma região em que há um campo elétrico, ela se move, dando origem à corrente elétrica, que pode ser entendida como a movimentação das cargas elétricas em virtude de uma diferença de potencial. Na figura a seguir, você pode conferir a fórmula usada para o cálculo da corrente elétrica.

i – corrente elétrica (A)

ΔQ – carga elétrica (C)

Δt – intervalo de tempo (s)

O campo elétrico é uma propriedade da carga que depende do módulo dessa carga e que é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre a carga e o ponto em que se deseja medir a intensidade do campo elétrico. A fórmula do campo elétrico é mostrada a seguir, observe:

E – campo elétrico (N/C)

Eletricidade e potencial elétrico

Chamamos de potencial elétrico a quantidade de energia, em joules, que cada carga obtém quando disposta em algum ponto de um campo elétrico. Essa propriedade não depende da carga em si, mas da intensidade do campo elétrico.

Comumente chamamos o potencial elétrico de tensão elétrica ou diferença de potencial, e há quem use o termo coloquial voltagem. O potencial elétrico é uma grandeza escalar, cuja unidade de medida, de acordo com o SI, é o volt (V), que equivale a joules por coulomb (J/C).

A fórmula do potencial elétrico é esta, confira:

U – potencial elétrico (V)

Geração de eletricidade

A geração da maior parte da eletricidade usada em todo o mundo dá-se por meio do fenômeno da indução eletromagnética, descrita matematicamente pela lei de Faraday-Lenz. De acordo com tal lei, quando o “número” de linhas de campo magnético que atravessa um condutor fechado varia com o tempo, uma corrente elétrica surge no condutor, de modo a compensar a variação do número de linhas de campo magnético.

ε – força eletromotriz induzida ou tensão induzida (V)

ΔΦ – variação do fluxo de campo magnético (Wb – weber)

B – intensidade do campo magnético (T – tesla)

A – área (m²)

A eletricidade gerada nas usinas hidrelétricas, termoelétricas, nucleares, eólicas e geotérmicas é produzida da mesma maneira: transforma-se energia mecânica (energia cinética e potencial), em energia elétrica, por meio da rotação de um grande dínamo.

A estrutura básica de um dínamo consiste em uma bobina de fios condutores capaz de girar, disposta no interior de um grande magneto. A variação do ângulo em que as linhas de campo magnético penetram a bobina faz com que surja uma corrente elétrica alternada nela.

Consumo de eletricidade

O consumo de eletricidade consiste na quantidade de energia consumida pelo uso dos dispositivos eletroeletrônicos. No Brasil, o consumo de eletricidade é medido na unidade de quilowatt-hora (1 kWh = 1000 Wh), que equivale a uma quantidade de energia igual a 3,6.10⁶ J.

Para calcularmos a energia elétrica consumida por algum dispositivo, precisamos saber duas coisas — sua potência, em kW (caso a potência esteja definida em watts, devemos dividi-la por 1000), e o tempo em que esse dispositivo opera, em horas, como mostramos na fórmula a seguir:

E – energia elétrica consumida (kWh)

P – potência elética (kW)

Δt – intervalo de tempo (h)

Finalmente, para calcular-se o consumo de energia elétrica, geralmente se leva em conta o período mensal. Por isso, é importante lembrar que o tempo de operação diária do dispositivo geralmente é multiplicado por 30, a fim de descobrir-se quanta energia foi consumida ao longo de um mês, para que, em seguida, multiplique-se a energia consumida, em kWh, pelo preço de cada kWh.

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Exercícios resolvidos sobre eletricidade

Questão 1) (Unicamp) (Adaptada) Um exemplo de desenvolvimento tecnológico, com vistas a recargas rápidas, é o protótipo de uma bateria de íon-lítio, com estrutura tridimensional. Considere que uma bateria, inicialmente descarregada, é carregada com uma corrente média de 3,2 A até atingir sua carga máxima de Q = 0,8 Ah. O tempo gasto para carregar a bateria é de:

a) 240 minutos

b) 90 minutos

c) 15 minutos

d) 4 minutos

e) 5 minutos

Gabarito:

Resolução: letra C

Vamos utilizar a fórmula da corrente elétrica para calcularmos o tempo em horas necessário para que a bateria fique completamente carregada, confira:

De acordo com o cálculo, o tempo necessário para a bateria ficar completamente carregada é de 0,25 horas ou 15 minutos, que correspondem a um quarto de hora. Dessa maneira, a alternativa correta é a letra C.

Questão 2) (Puccamp) Há alguns anos, a iluminação residencial era predominantemente feita por meio de lâmpadas incandescentes. Atualmente, dando-se atenção à política de preservação de bens naturais, essas lâmpadas estão sendo trocadas por outras muito mais econômicas, como as fluorescentes compactas e as de LED. Numa residência usava-se 10 lâmpadas incandescentes de 100 W que ficavam ligadas, em média, 5 horas por dia. Essas lâmpadas foram substituídas por 10 lâmpadas fluorescentes compactas que consomem 20 W cada uma e também ficam ligadas, em média, 5 horas por dia.

Adotando o valor R$ 0,40 para o preço do quilowatt-hora, a economia que essa troca proporciona, em um mês de 30 dias, é de:

a) R$ 18

b) R$ 48

c) R$ 60

d) R$ 120

e) R$ 248

Gabarito: Letra B

Resolução:

Vamos utilizar a fórmula do consumo de eletricidade para resolver a questão, para isso, faremos o cálculo para os dois casos, em que são utilizadas lâmpadas incandescentes e lâmpadas fluorescentes. Em seguida, para obtermos a economia energética, deveremos calcular a diferença no consumo da energia e, em seguida, multiplicá-la pelo valor do kWh, em reais, confira:

Com base no cálculo realizado, descobrimos que a economia de energia elétrica, ao final de 30 dias, foi de R$ 48, portanto, a alternativa correta é a letra B.