Eletrodinâmica

Eletrodinâmica é o ramo da Física que estuda o movimento das cargas elétricas. A movimentação dessas cargas é obtida quando se aplica uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um meio condutor. A resistência do meio é a propriedade física que quantifica a facilidade em que uma corrente elétrica é conduzida em seu interior. Além disso, a corrente elétrica é uma das grandezas fundamentais da eletrodinâmica.

Veja também: Eletricidade – história, aplicações e conceitos fundamentais

Conceitos importantes da Eletrodinâmica

→ Condutores e isolantes

Existem materiais que são capazes de conduzir cargas elétricas com relativa facilidade. Esses materiais são chamados de condutores. Em contrapartida, existem materiais que se opõem à condução da corrente elétrica, são os chamados isolantes ou dielétricos. Para saber mais, leia: Condutores e isolantes.

→ Corrente elétrica

A corrente elétrica, que é a movimentação das cargas, é calculada pela quantidade de cargas que atravessam a secção reta de um condutor a cada segundo. A unidade de medida da corrente elétrica no Sistema Internacional (SI) é o ampére. Sua fórmula é a seguinte:

i – corrente elétrica (A)

ΔQ – carga elétrica (C)

Δt – intervalo de tempo (s)

Nos materiais condutores, a corrente elétrica é produzida pela movimentação de elétrons. Essas partículas são dotadas de carga elétrica negativa de módulo igual a 1,6.10^-19 C, conhecida como carga elétrica fundamental. Uma vez que a corrente elétrica é formada por elétrons, ela pode ser escrita da seguinte maneira:

n – número de elétrons

e – carga elétrica fundamental (1,6.10^-19 C)

→ Resistência elétrica

A intensidade da corrente elétrica formada depende de uma característica do corpo chamada resistência elétrica. Corpos cuja resistência elétrica é constante, independentemente de qual tensão venha a ser aplicada sobre ele, são chamados de ôhmicos. Esses corpos obedecem à 1ª lei de Ohm, descrita pela seguinte fórmula:

U – tensão elétrica (V)

R – resistência elétrica (Ω)

A resistência elétrica depende de fatores geométricos, como o comprimento e a área transversal do condutor. Isso é explicitado matematicamente por meio da 2ª lei de Ohm:

L – comprimento do corpo (m)

A – área transversal (m²)

ρ – resistividade ( Ω.m )

→ Resistividade

A resistividade, denotada pelo símbolo ρ, é uma propriedade microscópica própria do material. Quanto maior é a resistividade, maior é a resistência elétrica do corpo. Dessa maneira, materiais condutores apresentam baixa resistividade.

A fórmula utilizada para calcular a resitividade envolve grandezas microscópicas e conhecimentos avançados da teoria eletromagnética, por isso, no Ensino Médio, não costumamos calculá-la, mas apenas utilizar o seu módulo, quando informado pelos exercícios.

→ Efeito Joule

Quando a corrente elétrica percorre um material isolante, dizemos que ocorreu uma ruptura dielétrica. Quando um material isolante passa a conduzir eletricidade, uma grande quantidade de calor é produzida, devido à dificuldade que a corrente elétrica encontra ao passar entre os átomos do material. Esse fenômeno de produção de calor, conhecido como Efeito Joule, é largamente explorado em aquecedores, chuveiros, panelas elétricas etc. A fórmula do Efeito Joule permite que calculemos a quantidade de energia elétrica que é dissipada em energia térmica. Para tanto, relacionamos grandezas como resistência, corrente elétrica e intervalo de tempo. Observe:

Q – quantidade de energia transformada em calor (J)

R – resistência elétrica

→ Potência elétrica

Se desejarmos calcular qual foi a quantidade de energia convertida em calor em razão do efeito Joule, é preciso determinar qual é a potência elétrica dissipada. Potência é uma grandeza que mede a taxa de transferência de energia. Sua unidade de medida é o watt, que equivale a joule por segundo.

P – potência elétrica (W)

r – resistência elétrica ( Ω)

Veja também: Cinco coisas que você precisa saber sobre eletricidade

Eletrodinâmica no Enem

A eletrodinâmica é o segundo assunto mais popular entre as questões do Enem, por isso, quando for se preparar para o exame, dê uma atenção especial em tópicos como:

• leis de Ohm – 1ª lei de Ohm e 2ª lei de Ohm;

• associação de resistores;

• geradores elétricos;

• potência elétrica.

Além disso, procure entender bem a teoria por trás do conteúdo, pois ela é tão importante para a prova quanto a própria resolução de exercícios. Vamos conferir uma questão do Enem que envolveu esse conteúdo?

(Enem) Todo carro possui uma caixa de fusíveis, que são utilizados para proteção dos circuitos elétricos. Os fusíveis são constituídos de um material de baixo ponto de fusão, como o estanho, por exemplo, e se fundem quando percorridos por uma corrente elétrica igual ou maior do que aquela que são capazes de suportar. O quadro a seguir mostra uma série de fusíveis e os valores de corrente por eles suportados.

Um farol usa uma lâmpada de gás halogênio de 55 W de potência que opera com 36 V. Os dois faróis são ligados separadamente, com um fusível para cada um, mas, após um mau funcionamento, o motorista passou a conectá-los em paralelo, usando apenas um fusível. Dessa forma, admitindo-se que a fiação suporte a carga dos dois faróis, o menor valor de fusível adequado para proteção desse novo circuito é o:

a) azul.

b) preto.

c) laranja.

d) amarelo.

e) vermelho.

Resolução:

Primeiramente devemos calcular a intensidade da corrente elétrica que percorre cada farol. Para tanto, vamos fazer a razão entre a potência elétrica e a resistência, por meio da fórmula de potência elétrica:

Em seguida, como os faróis são ligados em série ao mesmo fusível, devemos considerar que o dobro da corrente passará por esse fusível, logo:

Com base no resultado e na tabela, o fusível indicado para a função é o laranja, logo a alternativa correta é a letra C.

Exercícios resolvidos sobre eletrodinâmica

Questão 1 — Determine a intensidade da corrente elétrica em um fio que tem sua secção reta atravessada por 5.10²⁰ elétrons a cada segundo. Dados: e = 1,6.10^-19 C.

a) 60 A

b) 80 A

c) 30 A

d) 50 A

Resolução:

Vamos utilizar a fórmula da corrente elétrica que leva em conta a quantização da carga elétrica.

Com base em nosso resultado, a alternativa correta é a letra B.

Questão 2 — Determine a intensidade da corrente elétrica que percorre um fio condutor cuja resistência elétrica é igual 0,005 Ω e que está sujeito a uma diferença de potencial de 10V.

a) 2 mA

b) 2 kA

c) 50 mA

d) 0,5 kA

Resolução:

Para resolver a questão, é necessário usar a 1ª lei de ohm.

Com base no cálculo, a resposta correta é a letra B.

Questão 3 — Determine qual é a potência elétrica dissipada em forma de calor em um fio de resistência elétrica igual a 0,025 Ω, percorrido por uma corrente elétrica de 20,0 A.

a) 10 W

b) 0,25 W

c) 0,5 W

d) 5,0 W

Resolução:

Para resolver o exercício, devemos fazer o cálculo da potência elétrica dissipada:

Com base no cálculo realizado, a alternativa correta é a letra A.