Eletricidade

 A eletricidade é um fenômeno natural que é relacionado a interações de cargas elétricas, sejam elas acumuladas de forma natural ou não. O movimento dos elétrons, e íons, se configura como uma corrente elétrica, ao passo que as cargas elétricas em repouso interagem com outras de acordo com seu campo elétrico. Essas duas maneiras de caracterizar as cargas elétricas são chamadas de eletricidade estática (em repouso, acumulando cargas) ou dinâmica, quando ocorre uma descarga elétrica.

Existem diversos temas estudados em ambos os tipos: potenciais elétricos, resistências, circuitos eletrônicos entre outros. A eletricidade é extremamente útil nos tempos atuais, pois grande parte dos motores e dispositivos necessitam da corrente elétrica para efetuar sua função. Apesar de ser um fenômeno estudado desde a Antiguidade, foi no século XIX que o motor elétrico foi construído, abrindo as portas da Segunda Revolução Industrial. Hoje a maior parte da tecnologia necessita de alimentação de energia elétrica.

Leia também: Condutores e isolantes — qual a relação com a eletricidade?

Resumo sobre eletricidade

• Eletricidade é um fenômeno natural decorrente da interação de cargas elétricas.
• Existem diversas fórmulas tanto para a eletrostática, como para a eletrodinâmica.
• Existem dois tipos distintos: a eletricidade estática e a eletricidade dinâmica.
• Dentro da eletricidade é possível estudar: circuitos elétricos, resistores, campo elétrico entre outros temas.
• A eletricidade é uma maneira de transportar energia por materiais condutores.
• A maior parte dos dispositivos elétricos realiza transformação da energia elétrica em trabalho.
• A eletricidade é um fenômeno estudado desde a Antiguidade.
• Nos tempos atuais, a maior parte da tecnologia necessita de alimentação de energia elétrica.

O que é eletricidade?

A eletricidade é um fenômeno físico natural relacionado ao movimento (e presença) de cargas elétricas ou íons. Os íons são elementos químicos que não se encontram em seu estado elétrico neutro, possuindo diferença entre seu número de elétrons e prótons. É um conceito fundamental da Física, compondo uma das áreas mais abrangentes da ciência devido ao grande número de aplicações no cotidiano.

De forma ampliada, a eletricidade é a composição das cargas elétricas presentes nas partículas nucleares, podendo ser manifestadas em duas naturezas distintas: cargas positivas e cargas negativas. A interação entre cargas de naturezas iguais fará com que surja entre elas uma força de repulsão, ao passo que, se a interação for entre cargas de naturezas diferentes, elas irão se atrair. Logo, a eletricidade também existe na escala microscópica na matéria e é responsável pela organização de prótons (cargas positivas) e elétrons (cargas negativas).

Se analisarmos os corpos macroscópicos, a carga elétrica dependerá da quantidade de elétrons livres excedentes que circulam pela estrutura do material. É importante perceber que o material que compõe cada corpo pode ajudar ou atrapalhar a transferência das cargas elétricas, devido à sua natureza condutora ou isolante.

Fórmulas da eletricidade

→ Carga elétrica de corpo

\(Q=n \cdot e\)

Sendo:

• Q – carga elétrica manifestada (Coulomb, C);
• n – número de partículas elétricas excedentes;
• e – carga elétrica elementar de um próton ou elétron, com módulo igual a 1,9 x 10^-16 C.

→ Força elétrica entre duas cargas (Lei de Coulomb)

\(F = k \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{d^2}\)

Sendo:

• F – força elétrica entre cargas elétricas (Newton, N);
• q₁ e q₂ – módulo das cargas elétricas;
• k – constante eletrostática no vácuo = 9 x 10⁹ Nm²/C²;
• d – distância entre as cargas elétricas (metros, m).

→ Campo elétrico de uma carga

\(E = k \cdot \frac{q}{d^2}\)

Sendo:

• E – campo elétrico de uma carga pontual (N/m);
• k – constante eletrostática no vácuo = 9 x 10⁹ Nm²/2²;
• d – distância entre a carga pontual e a carga de prova (metros, m);
• Q – carga elétrica pontual (Coulomb, C).

→ Energia potencial elétrica

\(E_p = k \cdot \frac{q}{d}\)

Sendo:

• E_p – energia potencial elétrica (Joule, J);
• k – constante eletrostática no vácuo = 9 x 10⁹ Nm²/C²;
• d – distância entre a carga pontual e a carga de prova (metros, m);
• Q – carga elétrica pontual (Coulomb, C).

→ Corrente elétrica

\(i = \frac{\Delta q}{\Delta t}\)

Sendo:

• i – corrente elétrica (Ampere, A);
• ∆q – variação da carga elétrica (Coulombs, C);
• ∆t – intervalo de tempo (segundos, s).

→ Primeira Lei de Ohm

\(U=R \cdot i\)

Sendo:

• U – diferença de potencial (Volts, V);
• R – resistência elétrica (Ohms, Ω);
• i – corrente elétrica (Ampere, A).

→ Segunda Lei de Ohm

\(R = \rho \cdot \frac{L}{A}\)

Sendo:

• R – resistência elétrica (Ohms, Ω);
• Ρ – resistividade do material (Ω.m);
• L – comprimento do resistor (metros, m);
• A – área transversal do resistor (m²).

Veja também: O que é a força de atrito?

Quais os tipos de eletricidade?

Existem dois tipos distintos de eletricidade:

• a eletricidade estática, quando ocorre o acúmulo de cargas elétricas em um material em repouso, e
• a eletricidade dinâmica, proveniente do fluxo de elétrons através de um condutor.

A eletricidade estática é caracterizada pela ausência de um fluxo de cargas elétricas, ou seja, as cargas elétricas são causadas pelo desequilíbrio do número de prótons e elétrons na superfície de um material. Por exemplo, ao atritar um balão de látex no cabelo, é possível que haja a remoção de cargas elétricas da superfície, deixando o balão em um estado eletrizado. O mesmo ocorre com frequência em carpetes, onde se atrita com frequência o pé, e nas nuvens pesadas no céu, com o atrito de partículas de gelo.

A eletricidade dinâmica, também conhecida como corrente elétrica, necessita do fluxo de cargas elétricas através de um condutor. Podendo assim, ter dois tipos distintos: a corrente elétrica contínua (CC), em que o fluxo de elétrons possui o mesmo sentido, e a corrente alternada (CA), em que há uma mudança periódica no sentido dos elétrons em movimento.

É o tipo mais comum de eletricidade para ser encontrada, pois, basicamente, todo instrumento ou dispositivo elétrico requer uma alimentação, seja em corrente contínua, no caso de pilhas e baterias, ou em corrente alternada, em saídas de alta tensão.

Temas estudados na eletricidade

A eletricidade, como uma grande área de estudo da Física, abrande uma grande gama de fenômenos e aplicações. É possível dividir os temas em duas grandes áreas: eletrostática e eletrodinâmica.

→ Temas da eletroestática

Fenômenos associados com cargas elétricas em repouso.

• Processos de eletrização: formas de alterar a carga elétrica da superfície de corpos, podendo ser por atrito, indução eletrostática e condução.
• Carga elétrica: uma das propriedades fundamentais da matéria, responsáveis pela atração e repulsão entre partículas.
• Campo elétrico: região do espaço onde cargas elétricas exercem força em outras cargas.
• Força elétrica: interação entre cargas elétricas, podendo ser atrativa ou repulsiva.

→ Temas da eletrodinâmica

Fenômenos e aplicações de cargas elétricas em movimento.

• Corrente elétrica: fluxo de carga elétrica em um condutor.
• Circuitos elétricos: caminhos formados por componentes elétricos que permitem o fluxo de corrente elétrica.
• Resistores: elementos que realizam oposição no caminho da corrente elétrica.

Para quer serve a eletricidade?

A eletricidade é fundamental para o funcionamento da sociedade moderna, sendo utilizada em diversas aplicações que vão desde a iluminação e o uso de eletrodomésticos até o funcionamento de grandes indústrias e sistemas de transporte. Basicamente, a eletricidade é uma forma de energia que pode ser transformada em diversas outras formas, como calor ou movimento, o que a torna extremamente versátil.

Como funciona a eletricidade?

A eletricidade funciona através do movimento de partículas carregadas, principalmente elétrons, em um circuito elétrico. Esse movimento é caracterizado pela corrente elétrica, passando por condutores. Para produzir a eletricidade, o método mais comum é a indução eletromagnética. Usando um fluxo magnético, que pode vir de um ímã, é possível criar força eletromotriz em uma bobina e, assim, produzir movimento em cargas elétricas.

História da eletricidade

Apesar das tecnologias modernas serem muito dependentes de eletricidade, seu estudo como um fenômeno natural começou na Antiguidade. Na Grécia Antiga, fontes históricas afirmam que Tales de Mileto realizou experimentos com o âmbar e seus processos de eletrização por atrito, criando atração e repulsão entre os objetos. Porém, apenas séculos mais tarde, construiu-se um estudo científico, de fato, sobre a eletricidade.

No século XVII, William Gilbert estudou sistematicamente o fenômeno e produziu os termos conhecidos como eletricidade e força elétrica. Ele desenvolveu processos experimentais de eletrização por atrito e por contato.

No século XVIII, Benjamin Franklin relacionou a eletricidade com as tempestades e raios. Mas foi no século XIX onde o maior número de contribuições se concentrou, são exemplos:

• a criação da pilha por Alessandro Volta,
• a relação entre magnetismo e eletricidade através do experimento da bússola de Oersted e o trabalho com o motor elétrico de Faraday,
• a construção teórica da eletrodinâmica por Georg Ohm,
• a invenção da lâmpada incandescente por Thomas Edison e
• a implementação da corrente alternada por Tesla.

Importância da eletricidade

A eletricidade é fundamental para a vida moderna, impulsionando diversos setores e melhorando a qualidade de vida quando seu uso é feito sem desigualdade. Sua importância se estende desde o uso doméstico, com a iluminação e todo tipo de aparelho elétrico, até a indústria, com a produção de bens de consumo.

Na medicina, o uso da eletricidade é imprescindível para garantir tratamentos otimizados e manutenção da vida em situações críticas. Além do mais, a eletricidade é um recurso estratégico para o desenvolvimento econômico e social.

Saiba mais: Como ocorre um choque elétrico?

Exercícios resolvidos sobre eletricidade

1. (Enem PPL 2022) Carregadores elétricos são projetados para fornecer energia a baterias recarregáveis, como as usadas em aparelhos celulares e máquinas fotográficas. As especificações típicas de um desses dispositivos são:

Carregador:

Entrada AC 100-240 V / 200 mA / 50-60 Hz

Saída DC 5,0 V / 1000 mA

Bateria recarregável:

1,5 V / 4000 mAh

Usando o carregador com corrente máxima, o tempo total de recarga dessa bateria totalmente descarregada, em hora, é:

a) \(\frac{1}{6}.\)

b) \(\frac{5}{6}.\)

c) 4.

d) 6.

e) 8.

Resposta: C

A bateria é ligada à saída do carregador cuja entrada está ligada à tomada. Portanto, a bateria é carregada pela corrente de saída, i = 1000 mA. Se a carga da bateria é 4000 mAh, tem-se:

\(Q = i \Delta t \ \Rightarrow \ \Delta t = \frac{Q}{i} = \frac{4000}{1000} \ \Rightarrow \ \Delta t = 4\,h\)

2. (Enem PPL 2017) Uma lâmpada é conectada a duas pilhas de tensão nominal 1,5V, ligadas em série. Um voltímetro, utilizado para medir a diferença de potencial na lâmpada, fornece uma leitura de 2,78V e um amperímetro indica que a corrente no circuito é de 94,2mA.

O valor da resistência interna das pilhas é mais próximo de:

a) 0,021 Ω.

b) 0,22 Ω.

c) 0,26 Ω.

d) 2,3 Ω.

e) 29 Ω.

Resposta: D

Tensão equivalente das pilhas em série:

\(1,5V+1,5V=3V.\)

Queda de tensão devido à resistência interna das pilhas:

\(3V-2,78V=0,22V.\)

Portanto, o valor da resistência interna das pilhas é de:

\(r = \frac{0{,}22\,V}{94{,}2\,mA} \ \therefore \ r \cong 2{,}3\,\Omega \)

Créditos da imagem

^[1] frantic00/ Shutterstock

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física. 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, c2009 vol 3.

HEWITT, P. G. Física conceitual. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.

NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de física básica. São Paulo: E. Blücher, vol 3.