Física Aplicada II

2º Termo Técnico Açúcar e Álcool

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Prof.ª Rita de Cássia Valério

Presidente Prudente

Curiosidades sobre a dimensão do átomo

Se fosse possível enfileirar átomos ao longo de uma régua de 10 cm, conseguiríamos colocar ali l bilhão de átomos.

O núcleo do átomo pode ser de 10000 a 100000 vezes menor que o átomo. Nessa proporção, podemos imaginar: uma formiga representaria o centro do maior estádio de futebol do Brasil, o Maracanã.

Se todos os objetos familiares fossem aumentando de tamanho na mesma proporção, até que os átomos se tomassem visíveis, aconteceria o seguinte:

• aumento de 100 vezes — os homens seriam gigantes, com uma altura aproximada de 150 m, e as vespas seriam animais terríveis, grandes como touros; os átomos não seriam perceptíveis;

• aumento de mais 100 vezes — os homens agora seriam do tamanho de montanhas com 15 ou 20 km de altura, as vespas teriam várias centenas de metros, um fio de cabelo teria l m de espessura, os micróbios apresentariam no mínimo l cm de comprimento; ainda assim, os átomos seriam imperceptíveis;

• novo aumento de mais 100 vezes — a espessura do fio de cabelo seria de 100 m, os micróbios teriam no mínimo l m, mas os átomos não alcançariam um décimo de milímetro;

• aumento de mais 100 vezes — agora o átomo de hidrogênio seria facilmente perceptível, mas o diâmetro de um fio de cabelo atingiria 10 km, os micróbios seriam monstros com no mínimo 100 m de comprimento e uma bola de bilhar teria o diâmetro da Terra.

Algumas informações mais específicas sobre o Átomo 

A idéia de que se dividirmos uma porção qualquer de matéria até chegarmos ao seu termo, ou seja, até uma partícula que não possa ser mais dividida, é muito antiga. Esta idéia é a da matéria descontínua. Há também a idéia da matéria contínua, quer dizer, podemos dividir a matéria o quanto quisermos, e pudermos, que jamais iremos encontrar o seu termo final. Essas idéias foram especuladas há 2500 anos atrás, na Grécia antiga, gerando muita polêmica, como ainda hoje, com as novas teorias. Foram os gregos que nos deram o termo ÁTOMO (A = negação; TOMOS = partes, logo não há partes não-divisíveis). Como você já dever estar imaginando, as idéias destes filósofos não foram universalmente aceitas. Aliás, até mais ou menos 1600, as idéias sobre a continuidade da matéria eram as mais aceitas. Após essa data, com o advento do estudo dos gases e, principalmente, com as idéias do irlandês Robert Boyle, o estudo da natureza corpuscular da matéria evoluiu, sendo abandonadas as idéias de continuidade. A nova concepção estabeleceu-se definitivamente por volta de 1800, principalmente depois da divulgação da teoria atômica de Dalton. 

Agora nós vamos dividir as idéias modernas sobre o átomo de forma didática: 

O Átomo de Dalton (1803)

Com base em estudos de outros cientistas anteriores a ele, John Dalton propôs um modelo de átomo onde pregava as seguintes idéias:

1. toda matéria é composta por átomos; 2. os átomos são indivisíveis; 3. os átomos não se transformam uns nos outros; 4. os átomos não podem ser criados nem destruídos; 5. os elementos químicos são formados por átomos simples; 6. os átomos de determinado elemento são idênticos entre si em tamanho, forma, massa e

demais propriedades; 7. átomos de elementos diferentes são diferentes entre si; 8. toda reação química consiste na união ou separação de átomos;

9. átomos iguais entre si se repelem e átomos diferentes se atraem; 10. substâncias compostas são formadas por átomos compostos (as atuais moléculas);

À divulgação das idéias de Dalton seguiu-se em período de intensa aplicação e comprovação da sua teoria. Apesar de começarem a ser evidenciadas várias falhas, Dalton recusava sistematicamente tudo o que contrariasse suas afirmações. Graças ao seu prestígio, suas idéias mantiveram-se inalteradas por cerca de 50 anos.

Lembra que no parágrafo anterior nós falamos que no átomo de Dalton havia falhas? Pois é... o tempo passou, a ciência avançou, novos equipamentos, novas descobertas... e no campo do átomo não poderia ser diferente. Nomes como: Faraday (1830), Geissler (1855), Crookes (1875), foram importantes para a determinação de uma partícula com carga negativa, que fazia parte de toda e qualquer matéria. Mais tarde em 1874 Stoney chamou esta partícula de elétron. Mas os cientistas também começaram a pensar: se há uma partícula negativa, então existe uma partícula de carga positiva. Mas por enquanto, pura especulação. 

O Átomo de Joseph John Thomsom (1898)

Thomsom derrubou a idéia de que o átomo era indivisível. Com os dados disponíveis na época, propôs um modelo mais coerente do que o de Dalton. Para Thomsom a massa do átomo era a massa das partículas positivas e as partículas neutras. Os elétrons não seriam levados em conta por serem muito leves. Ainda mais, ele dividiu o átomo em duas partes distintas: uma delas ele chamou de núcleo e neste núcleo existiam cargas positivas. Este núcleo era praticamente todo o volume do átomo. Uma outra parte do átomo era composta de elétrons (cargas

negativas) que uniformemente distribuídos entre as positivas, garantiam o equilíbrio elétrico, evitando o colapso da estrutura. Atribui-se a Thomsom a descoberta dos elétrons. Ele utilizava a expressão “pudim de passas” para explicar seu modelo.  

O Átomo de Rutherford (1911)

Um novo modelo foi proposto por este cientista, em função de suas experiências com a colisão entre determinados raios e átomos de ouro. Ele queria verificar se os átomos eram realmente maciços. Para isso preparou o seguinte experimento: Um elemento radioativo, que emite uma radiação positiva (o polônio), é colocado dentro de um bloco de chumbo capaz de blindar a radiação. Um pequeno furo nesse bloco permite obter um feixe radioativo. O feixe radioativo é lançado sobre uma fina lâmina de ouro e, depois, é detectado ao colidir com uma chapa de sulfeto de zinco.

O que Rutherford esperava com isso? Se o átomo fosse maciço, como previa o modelo de Thomson, uma pequena parte da radiação deveria atravessar a lâmina de ouro, e a maior parte dela seria refletida.

Mas... o resultado da experiência foi surpreendente, a maior parte da radiação atravessava a lâmina de ouro sem sofrer desvio, concluindo que o átomo deveria ser mais vazio do que cheio. Percebeu ainda que uma pequena parcela da radiação era fortemente refletida, permitindo concluir que existe uma pequena região do átomo que concentra a maior parte da massa, e que essa parte deveria conter cargas positivas, pois verificou que uma pequena parcela da radiação (composta de cargas positivas) era desviada ao atravessar a lâmina de ouro.

Foi a partir desta experiência que Rutherford colocou para o meio científico as suas idéias. A idéia de Thomsom de que o átomo tem um núcleo com prótons foi mantida, mas com modificações estruturais importantes. Propôs que os átomos seriam constituídos por um núcleo muito denso, carregado positivamente, onde se concentraria praticamente toda a massa. Ao redor desse centro positivo, ficariam os elétrons, distribuídos espaçadamente. Comparou seu modelo ao sistema solar, onde o Sol seria o núcleo, e os planetas, os elétrons.

O modelo atômico de Rutherford foi aprimorado em 1932, quando Chadwick, ao estudar o núcleo do átomo, descobriu novas partículas que não tinham cargas positivas nem negativas. Essas partículas foram denominadas nêutrons. Os nêutrons são fundamentais para a estabilidade do núcleo atômico. Sobre eles, e entre eles e prótons, foi descoberta uma nova força, um novo tipo de interação entre partículas: a força nuclear. Ela é atrativa e permite equilibrar as forças de repulsão elétrica dos prótons (cargas positivas se repelem entre si).

O modelo de Rutherford, com o prótons no núcleo, é hoje o mais estudado nas aulas de ciência, e conhecido pela maioria das pessoas. Mas a investigação sobre a estrutura da matéria não acabou; novas descobertas foram feitas, e novos modelos foram propostos e explicados pelas novas leis da física quântica.

O Átomo de Niels Böhr (1913)

O modelo do átomo planetário, proposto por Rutherford, sofreu várias críticas na época em que foi elaborado. Isso porque criava alguns problemas que não podiam ser solucionados pelas leis conhecidas até então. O principal problema era conseqüência do fato de uma carga elétrica emitir energia na forma de radiação quando se movimenta: sempre que uma carga se move, ela produz uma radiação eletromagnética. A luz visível é um exemplo de radiação eletromagnética obtida a partir da oscilação de cargas elétricas contidas no interior dos átomos.

No modelo de Rutherford, os elétrons, ao girarem ao redor do núcleo, emitiam energia, na forma de radiação eletromagnética. Essa emissão afetaria seus movimentos, fazendo-os percorrer órbitas cada vez menores, até se chocarem com o núcleo do átomo.

Tal teoria previa a rápida destruição de todos os átomos. No entanto, em nossa vida diária, não vemos explosões nucleares espontâneas acontecendo à todo momento, o que mostra que o modelo de Rutherford é inadequado para representar a estrutura da matéria. A física clássica entrou em crise...

Essa contradição só foi resolvida em 1913, com a criação de um novo modelo atômico por Niels Bohr. Segundo ele, os elétrons orbitavam ao redor do núcleo, limitados a órbitas circulares constantes, sempre com o mesmo valor de energia. Para a física clássica, os elétrons poderiam estar em qualquer ponto do átomo. Bohr estava afirmando, com seu modelo, que os elétrons não podiam assumir qualquer valor de energia, mas somente alguns valores que dependiam da distância do núcleo. Essas regiões, nas quais os elétrons ficavam confinados, foram chamadas de camadas energéticas ou níveis de energia.

Quando um elétron está em uma dessas camadas ou níveis e não ganha e nem perde energia, dizemos que ele se encontra num estado estacionário.

O nível mais próximo do núcleo corresponde à menor energia. A energia aumentaria em valores múltiplos de um número inteiro, o quantum, na medida em que os elétrons vão ocupando níveis mais distantes do núcleo. Os elétrons poderiam saltar de um nível para outro, em duas situações:

a) Ao receberem energia: quando um elétron está num estado estacionário, ele pode receber um quantum de energia e, nesse caso, salta para um nível mais energético. A passagem de um elétron de um nível menos energético para outro mais energético corresponde ao que chamamos de salto quântico. O elétron passa a ter um estado excitado.

b) Ao emitirem radiação: quando o elétron retorna a um nível menos energético, no interior de um átomo, ele emite uma radiação eletromagnética. Essa radiação possui energia exatamente igual à diferença de energia entre os níveis pelos quais o elétron saltou.

O modelo quântico de Niels Bohr esclarecia em parte a perda de energia ao propor que, quando o elétron está em órbita permitida, ele não emite radiação. Apenas ao receber um quantum do meio exterior, poderá se afastar para uma órbita mais externa; depois ao retornar, ele devolve ao meio exterior o quantum que ele havia recebido na forma de luz visível e outros tipos de radiação eletromagnética como o microondas ou raios X. Assim iniciou-se a física atômica aceita na atualidade e o modelo de átomo que conhecemos.

Veja alguns exemplos de aplicações da descoberta de Bohr:

Eletricidade

A eletricidade não pode ser vista ou ouvida, não tem cheiro ou gosto. Para detectá-la é preciso usar instrumentos especiais. Por isso, tanto na antiguidade como na Idade Média pouca coisa se sabia dela. Fenômenos ligados à eletricidade geralmente causavam medo - como o relâmpago, considerado um deus para os povos primitivos - ou eram explicados como "magia" - como é o caso da eletrização do âmbar (resina fóssil). Depois de ser esfregado por um pedaço de lã, o âmbar fica eletrizado, isto é, passa a atrair corpos leves (como pedacinhos de papel) colocados próximos a ele. Assim, os "magos" usavam o âmbar eletrizado para "provar" certos poderes.

Vamos iniciar nosso estudo da eletricidade analisando alguns fenômenos do nosso dia-a-dia: Um pente ao ser atritado nos cabelos de uma pessoa atrai estes cabelos ou pequenos

pedaços de papel. E se você prestar atenção nos cabelos, verá que eles ficam todos arrepiados após um tempo.

No final de um longo dia de trabalho, principalmente nos dias secos de inverno, ficamos sujeitos o pequenos “choques” quando tocamos em outras pessoas ou na maçaneta de uma porta.

Será que você é capaz de explicar o que aconteceu???

Bom, os gregos, que foram os primeiros a notarem este fenômeno, criaram várias explicações para o fato.  Eles fizeram este experimento usando um pedaço de âmbar (resina fóssil de cor amarelada, que em grego era chamado de elektron) e penas, ou palha.  O âmbar quando atritado com outros materiais podia atrair pequenos pedaços de pena ou palha.

Hoje em dia sabemos que ocorre o seguinte:A matéria é constituída por átomos, e estes por sua vez são formados por elétrons, prótons e

nêutrons.  Descobriu-se que os elétrons e os prótons possuem carga elétrica, e que os nêutrons não.Carga elétrica nada mais é do que uma propriedade existente entre prótons e elétrons que

possibilita a ocorrência de interação entre eles.  Lembre-se que ocorre interação entre dois corpos quando eles trocam forças entre si, ou seja, quando um aplica força sobre o outro.

Descobriu-se também que existem dois tipos de cargas, e decidiram chamar uma de positiva (+) e outra de negativa (–), somente para diferenciá-las.  Adotaram a carga positiva para o tipo de carga do próton e negativa para o tipo de carga do elétron. Constatou-se também que a interação entre estas cargas acontece da seguinte maneira:  cargas de mesmo sinal se repelem enquanto cargas de sinais opostos se atraem (veja a figura ao lado).   Com isso podemos começar a entender porque o pente atrai os pedacinhos de papel.  Com certeza tem a ver com o sinal das cargas, ou melhor, com o tipo de carga  que cada um deles possui.  Fica claro que cabelos depois de penteados possuíam cargas de mesmo sinal, e por isso repeliam-se, enquanto o pente e os pedacinhos de papel possuíam cargas de sinais contrários.

Qual o valor de uma carga elétrica?

Já sabemos que o próton possui uma carga elétrica positiva  (+) e que o elétron possui uma carga elétrica negativa (-).  Mas qual será o valor da carga deste elétron e deste próton?

Descobriu-se mais tarde que a carga elétrica do elétron é igual a carga elétrica do próton , e vale 1,6 x 10-19 C, denominada carga elementar (e).  A única diferença está no sinal, já que uma é positiva e outra é negativa.  Veja como fica:

carga de um próton  =  + 1,6 x 10-19 Ccarga de um elétron  =  – 1,6 x 10-19 C

onde C (unidade de medida de carga elétrica) é Coulomb (em homenagem a Charles August Coulomb).

Como a menor carga possível é a do elétron, conclui-se que a carga (Q) de qualquer corpo eletrizado é um múltiplo inteiro de (n) da carga elementar (e):

Q = n . e

Onde Q = carga elétrica do corpo n = nº de elétrons em falta ou excesso no corpo e = carga elétrica elementar

Vamos imaginar então a seguinte situação, eu tenho um átomo que possui 2 prótons e 2 elétrons.  Qual seria a carga deste átomo?

(2 x 1,6 x 10 -19 - 2 x 1,6 x 10 -19) = 0

Isso mesmo, a carga deste átomo é nula.  O que não significa que não existam cargas no átomo. Simplesmente as cargas positivas existentes anulam as cargas negativas.  Mas se você tirar um

elétron deste átomo, e existem muitas maneiras de se fazer isso, ele ficará com uma carga positiva sobrando, e daí o átomo ficará carregado positivamente.

Então você pode estar pensando: " Se eu tirar um próton ele ficará carregado negativamente ".Correto, mas é muito difícil tirar ou colocar um próton no átomo, isso só é feito em reações

nucleares.  O mais fácil é tirar ou colocar elétrons.  Portanto o jeito mais fácil de deixar um corpo carregado negativamente é colocando elétron no mesmo.

"Tirando elétrons de um corpo neutro ele ficará carregado positivamente""Colocando elétrons em um corpo neutro ele ficará carregado negativamente"

 

Então, como tirar ou colocar elétrons em um corpo? 

1) Eletrização por atritoUma das maneiras é atritando certos materiais contra outros.  Por exemplo, quando esfregarmos

um pedaço de papel higiênico em um canudinho, o papel arranca elétrons do canudinho.  Vamos supor que 150 elétrons saíram do canudinho e foram para o papel.  Podemos dizer que a carga do canudinho, que antes era neutra, ficou sendo de 150 x 1,6 x 10-19C, que é igual a  Q = 240 x 10-19C.  Por outro lado, o papel ganhou os 150 elétrons, ficando então com 150 prótons a menos do que o seu número de elétrons.  Sua carga então passou a ser de Q = – 240 x 10-19C.  

Com isso podemos reparar que a carga ganha por um material na eletrização por atrito é sempre igual à carga perdida pelo outro corpo.

2) Eletrização por contatoImagine que você tenha agora dois corpos, um neutro e outro carregado positivamente. 

Acompanhe esta explicação na seqüência de figuras abaixo:

Encostamos o corpo B neutro no corpo A eletrizado positivamente.

Q = n . e

Alguns elétrons do corpo B migram para o corpo A na tentativa de equilibrá-lo. Ocorre a separação dos corpos. O corpo B perdeu elétrons para B, e por isso ficou com prótons a mais, ou seja, carregado

positivamente. O corpo A ganhou elétrons, mas estes não são suficientes para que o equilíbrio elétrico

ocorra.  Ele ainda fica carregado positivamente.

Veja agora o que acontece se um dos corpos for neutro e o outro carregado negativamente:

Encostamos o corpo B neutro no corpo A eletrizado negativamente. Os elétrons em excesso do corpo A tentam passa para o corpo B.  Alguns deles conseguem. Ocorre a separação dos corpos. O corpo A perdeu elétrons para B, mas estes não foram em quantidade suficiente para

equilibrá-lo.  O corpo A continua carregado negativamente.  Por outro lado, o corpo B recebeu um pouco de elétrons e agora está carregado negativamente também.

 De tudo isto que foi explicado até agora, tiramos conclusões importantes:

elétrons são partículas com carga negativa prótons são partículas com carga positiva um corpo neutro tem um número de prótons igual ao número de elétrons um corpo carregado com carga negativa tem um número de elétrons superior ao número de

prótons um corpo carregado com carga positiva tem um número maior de prótons do que de elétrons para um corpo se eletrizar positivamente, elétrons devem sair dele para um corpo se eletrizar negativamente, elétrons devem incorporar-se a ele

Condutores e isolantes

Como assim "bom condutor"?Na verdade a movimentação dos elétrons dentro dos corpos ocorre com maior ou menor

facilidade, dependendo do material.  Existem corpos que permitem o movimento dos elétrons enquanto outros não.  Isso ocorre em função do quanto estes elétrons estão ligados ao átomo.  

Átomos que apresentam os elétrons (inclusive os da última camada de valência) fortemente ligados não "deixam" que estes saiam com facilidade para "circular" pelo material.  Dizemos que o material não é um bom condutor elétrico, ou seja, é um isolante elétrico (também chamado de dielétrico).

Por outro lado existem átomos, como os dos metais, que apresentam os elétrons da última camada fracamente ligados.  Isso permite que eles possam "circular" pelo material com maior facilidade.  Dizemos que estes materiais são condutores elétricos.

A Terra é um grande doador e receptor de elétrons.  Se você encostar um corpo que tenha excesso de elétrons na terra, a terra receberá os elétrons excedentes, fazendo com que o corpo fique neutro.  Mas se você encostar um corpo que tenha falta de elétrons, a terra "dará" ao corpo os elétrons necessários para que o corpo fique neutro novamente.  (esta é a função do fio terra existente em muitos aparelhos eletrônicos)

Portanto a terra neutraliza os corpos carregados que entram em contato com ela.

Mas se colocarmos um fio condutor encostado no corpo neutro e encostarmos este fio na terra, os elétrons que estão sobrando de um lado do condutor irão descer para a terra, fazendo com que o corpo fique eletrizado positivamente.

Se tirarmos o fio é claro que o corpo que antes era neutro agora ficará carregado positivamente.  O que acabamos de fazer foi carregar um corpo.

  E para finalizar, observe no movimento dos elétrons descendo para a terra quando o corpo foi "aterrado".  O nome que damos quando os elétrons possuem um movimento ordenado dentro de um condutor é corrente elétrica (pois é, esta é a corrente elétrica que você está acostumado ouvir falar). 

Os elétrons ficam normalmente se movimentando de maneira desordenada dentro dos condutores, mas quando ligamos estes condutores da maneira como foi feito no exemplo acima estes, organizam seus movimentos, e geram uma corrente de elétrons denominada, como já vimos, de corrente elétrica. 

Eletrodinâmica 

O homem cada vez mais necessita de energia elétrica, onde a demanda aumenta no mundo inteiro. No Brasil o consumo deste tipo de energia tem aumentado muito com o crescimento populacional, o aumento da capacidade de bens de consumo elétricos, tudo isto, associado ao comportamento esbanjador, que é histórico na cultura brasileira. É incrível que ainda existem pessoas que ignoram completamente aos apelos sensatos dos técnicos no que tange a economizar energia elétrica, dizendo que são inúteis, que não dá certo, ninguém poupa mesmo, eu pago por isto vou gastar o quanto quiser, ... Esquecem que neste "jogo de empurra-empurra" todos acabam perdendo. Esquecem que agindo assim, acionam uma "reação em cadeia" na qual medidas extremas deverão ser tomadas de pronto, tais como racionamento de energia, aumento do valor em reais do kWh, para citar as primeiras à vista. Por isso começo este assunto dizendo: POUPE ENERGIA ELÉTRICA, para usá-la sempre que quiser.

Corrente Elétrica

Quando acendemos uma lâmpada, um fluxo de elétrons atravessa seu filamento. Dizemos que uma corrente elétrica passou por ali. Do mesmo modo, quando ligamos o chuveiro elétrico e temos água quente, um fluxo de elétrons passou por seu resistor, ou seja, passou uma corrente elétrica.

De um modo geral, a corrente elétrica se constitui num fluxo de partículas eletrizadas em movimento. Esse movimento é ordenado. A corrente elétrica é constituída por partículas eletrizados, cuja natureza depende do meio em que se dá sua passagem. Nos metais é constituída exclusivamente de elétrons. Nas soluções líquidas os elétrons não fazem parte da corrente elétrica, mas sim os cátions ( + ) e ânions ( – ).

Para ordenar o movimento dos elétrons no interior de um condutor metálico devemos ligá-lo entre os pólos positivo e negativo de um gerador elétrico (pilha, bateria, etc.). A pilha consegue “empurrar” esses elétrons, produzindo um movimento ordenado

Na figura abaixo temos um fio condutor metálico ligado aos pólos de um bateria elétrica. Os elétrons livres no fio estão em movimento no sentido do pólo negativo para o pólo positivo.

Esse movimento ordenado constitui a corrente elétrica. A explicação desse movimento pode ser feita de diversas maneiras. No entanto, o modo mais simples de entendê-lo é através da propriedade de atração que o pólo positivo exerce sobre a carga negativa do elétron. Tudo se passa como se a pilha empurrasse esses elétrons no interior do fio, forçando-os no sentido do pólo negativo para o positivo.

Por uma questão de convenção, a corrente elétrica é indicada em sentido oposto ao movimento real do elétrons. A explicação é a seguinte: o sentido convencional da corrente elétrica foi estabelecido como se as cargas em movimento fossem as positivas. Sob o ponto de vista do eletromagnetismo, um movimento de cargas negativas para esquerda é equivalente ao de cargas positivas para direita, pois a velocidade de uma carga positiva é a mesma da carga negativa, mesmo em sentido contrário. Isso dá sustentação à convenção. Ainda por convenção, o seu sentido será indicado por uma flecha com a letra i.

COMO MEDIR A

CORRENTE

ELÉTRICA ( i )

QUANTIDADE DE CARGA (Q) QUE PASSA PELO

CONDUTOR ("FIO"), POR SEGUNDO

Ao observamos uma área de um condutor durante um determinado intervalo de tempo t, vemos que passa uma carga Q, devido ao movimento das cargas, que produz a corrente. Logo, a intensidade da corrente elétrica é dada pela relação entre a variação de carga no intervalo de tempo.

Define-se como intensidade de corrente elétrica i a relação:

onde: Q quantidade de carga t variação do tempo

A unidade de medida na qual é representada o valor da corrente denomina-se Ampère (em homenagem ao físico francês André Marie Ampère) e representa-se por A.

1 A (ampère) = 1 C/s (Coulomb por segundo)

Efeitos da corrente elétrica

Na passagem de uma corrente por um condutor observam-se alguns efeitos, que veremos a seguir:a) Efeito Térmico ou efeito Joule – Qualquer condutor sofre um aquecimento ao ser atravessado por

uma corrente elétrica. Esse efeito é a base de funcionamento do aquecedores elétricos, chuveiros elétricos, secadores de cabelo, lâmpadas térmicas, etc.

b) Efeito Luminoso – Em determinadas condições, a passagem da corrente elétrica através de um gás rarefeito faz com que ele emita luz. As lâmpadas fluorescente e os anúncios luminosos, são explicações desse efeito. Neles há a transformação direta de energia elétrica em energia luminosa.

c) Efeito Magnético – Um condutor percorrido por uma corrente elétrica cria, na região próxima a ele, um campo magnético. Esse é um dos efeitos mais importantes, constituindo a base do funcionamento dos motores, transformadores, relés, etc.

d) Efeito Químico – Uma solução eletrolítica sofre decomposição, quando atravessada por uma corrente elétrica. É a eletrólise. Esse efeito é utilizado, por exemplo, no revestimento de metais: cromagem, niquelação, etc.

Tipos de Corrente

Corrente Contínua: É aquela que o sentido se mantém constante. Ex: Corrente de uma bateria de carro, pilha, etc.

Corrente Alternada: É aquela cujo sentido varia alternadamente. Ex: corrente usada nas residências.

Circuitos

Um circuito deve ter alguns componentes básicos que o caracterizam: Fiação - é por onde os elétrons irão passar. Gerador - é um dispositivo que faz com que os elétrons se movimentem; o gerador cria o que chamamos de ddp (diferença de potencial) esta, é que faz os elétrons se movimentarem ordenadamente pela fiação, gerando uma voltagem também chamada de tensão. Receptor - é um dispositivo que irá usar a energia elétrica para transformá-la em outra energia (menos energia térmica). Resistor - um dispositivo que transforma energia elétrica em energia térmica. Dispositivos de manobra – são elementos que servem para acionar ou desligar um circuito elétrico (chaves e interruptores). Dispositivos de segurança – são dispositivos que, ao serem atravessados por uma corrente elétrica de intensidade maior que a prevista, interrompem a passagem da corrente, preservando da destruição os demais elementos do circuito (fusíveis e disjuntores).

 

Fiação e Resistores

Nenhum fio é ideal, quer dizer, nenhum fio elétrico está livre de dificultar a passagem dos elétrons. Esta dificuldade é natural para qualquer condutor, pois sempre haverá falhas em seus cristais, fazendo o caminho do elétron mais dificultoso. O tamanho do átomo também influencia, se pensarmos que existem metais de eletrosfera reduzida, os elétrons serão mais fortemente atraídos pelo núcleo, dificultando o transporte deles. Uma outra coisa que aumenta a dificuldade no transporte de elétrons são as impurezas que estão presentes no fio condutor; os elétrons acabam colidindo com elas. Isto tudo também serve para os resistores, mas, para estes, temos mais algumas coisas a analisar. Eles são materiais que oferecem alta resistência à passagem de elétrons, causando um aquecimento chamado de Efeito Joule, usado em algumas coisas úteis como aquecedores elétricos, chuveiros elétricos, torradeiras, entre outros eletrodomésticos conhecidos.  

Geradores

Todo dispositivo que, como uma pilha, apresenta uma voltagem (ou tensão, ou diferença de potencial – ddp) entre seus pólos é capaz de estabelecer uma corrente em um condutor ligado a esses pólos. Por isso, esses dispositivos são denominados geradores ou fonte de corrente (fontes de tensão).

Uma bateria de automóvel, por exemplo, é uma fonte de tensão (ou fonte de corrente). A diferença de potencial entre os pólos de uma bateria é, geralmente, de 12 V (volts). Isso significa que cada 1 C (Coulomb) de carga que se desloca do pólo positivo para o negativo recebe 12 J (Joules) de energia.

Pilhas - funcionam enquanto houver reação química no seu interior. Transformam energia química em energia elétrica.

Baterias - necessitam de uma solução ácida e placas metálicas para o transporte iônico. Também convertem energia química em energia elétrica.

Hidroelétricas - É uma maneira limpa de produzir eletricidade. Apresenta alguns inconvenientes tais como ocupar uma grande área e custos de manutenção muito altos, que não chegam a denegrir o seu investimento, pois produz grande quantidade de energia elétrica. O segredo da alta capacidade está na represa que armazena uma imensa quantidade de água (muita energia potencial), que irá movimentar uma turbina (energia mecânica) transferindo movimento a um dínamo (gerador), gerando eletricidade (energia elétrica).

Termoelétricas - onde o calor obtido pela queima de carvão o óleo (energia química) aquece água, produzindo vapor; o vapor faz girar a turbina, que aciona um gerador de eletricidade.

Termonucleares - onde o calor da fissão do urânio ou plutônio (energia térmica) aquece a água produzindo vapor; este vapor gira uma turbina que aciona os geradores de eletricidade.

Receptores

São vários os modelos de receptores, indo desde uma simples batedeira, até o mais sofisticado computador que ainda surgirá. Independente dos modelos que conhecemos, todos eles fazem uma coisa apenas: transformam energia elétrica em novas formas de energia.

A televisão transforma energia elétrica em som e luz; a torradeira transforma energia elétrica em calor; o aparelho de som transforma a energia elétrica em som, e assim por diante. Eles podem fazer isto, por que possuem um motor elétrico, dispositivo que faz parte integrante dos receptores.

Dispositivos de controle

São utilizados nos circuitos elétricos para medir a intensidade da corrente elétrica e a ddp (tensão, voltagem) existentes entre dois pontos, ou, simplesmente, para detectá-las. Os mais comuns são o amperímetro e o voltímetro.

Amperímetro: aparelho que serve para medir a intensidade da corrente elétrica.Voltímetro: aparelho utilizado para medir a tensão entre dois pontos de um circuito elétrico.

Resistência Elétrica

O que é resistência elétrica?

Quando há uma corrente elétrica em um condutor metálico, os elétrons livres quando estão em movimento colidem entre si e também contra os átomos que formam a rede cristalina do metal. Essa dificuldade de se movimentar é chamada resistência à passagem de um condutor.

Para medir essa resistência, os cientistas definiram a grandeza resistência elétrica (devido ao que já foi mencionado) a partir desta fórmula:

ou

 Nesta fórmula, R quer dizer resistência, V é a voltagem ou tensão e i é a intensidade de corrente.A unidade de medida de resistência elétrica é V/A, ou melhor, Ohm (), em homenagem a George

Simon Ohm.Geralmente um condutor que possui resistência é representado assim:

Lei de Ohm

A lei de Ohm pode ser explicada com base nos resistores ôhmicos. Resistor ôhmico é aquele que tem a resistência constante. Assim...

A corrente estabelecida em um condutor metálico cresce de acordo com a voltagem (diretamente proporcional), de modo que sua resistência permaneça constante (não depende da aplicada).

Resistores ôhmicos obedecem essa lei, resistores não-ôhmicos não obedecem essa lei, variando sua resistência de acordo com alguns fatores.

O resistor abaixo respeita a lei de Ohm:

Fatores que influenciam no valor de uma resistência:

A V

Amperímetro Voltímetro

- A resistência de um condutor é diretamente proporcional ao seu comprimento. Quanto maior o comprimento, maior a resistência.

- A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua secção reta, ou seja, quanto mais fino o condutor, maior será sua resistência.

- A resistência de um condutor depende do material que ele é feito.

Potência e Energia Elétrica

A potência elétrica é uma grandeza física que nos permitirá antecipar o desempenho de aparelhos de mesma espécie. Assim, se comprarmos duas lâmpadas incandescentes diferentes, a de maior potência será aquela que vai brilhar mais, desde que ligada corretamente.

Comparando dois chuveiros elétricos diferentes, aquecerá melhor a água aquele que tiver a maior potência elétrica.

Por definição, chama-se potência elétrica de um aparelho a energia consumida por unidade de tempo:

A unidade de medida de potência é o Watt (W)Uma unidade de energia muito utilizada em eletricidade, principalmente na prática comercial, é o

quilowatt-hora, cujo símbolo é kWh. Medindo-se a potência em kW (1 kW = 1000 W) e o tempo em hora, resulta imediatamente na unidade kWh.

Da definição acima temos:

Podemos dizer também que, para qualquer aparelho elétrico, a potência elétrica posta em jogo é igual ao produto da tensão elétrica no aparelho pela intensidade de corrente elétrica que o percorre:

Exercícios

1. Na eletrosfera de um átomo de magnésio temos 12 elétrons. Qual a carga elétrica de sua eletrosfera?

2. Um corpo tem uma carga igual a -32.10-6 C. Quantos elétrons há em excesso nele?

3. É dado um corpo eletrizado com carga 6,4.10-6C. Determine o número de elétrons em falta no corpo.

4. Qual o erro na afirmação: "Uma caneta é considerada neutra eletricamente, pois não possui nem cargas positivas nem cargas negativas"?

5. Que tipo de carga elétrica se movimenta em um fio metálico?

6. Quantos tipos de carga elétrica existem na natureza? Como se denominam?

7. Em que condições temos atração entre duas cargas elétricas? E em que condições elas se repelem?

8. O que é ligação terra?

9. Para evitar a formação de centelhas elétricas, os caminhões transportadores de gasolina costumam andar com uma corrente metálica arrastando-se pelo chão. Explique.

10. Um pedaço de borracha é atritado em certa região de sua superfície, adquirindo uma carga negativa naquela região. Esta carga se distribuirá na superfície de borracha? Por que?

11. Que partícula é transferida de um corpo para o outro no processo de eletrização por atrito?

12. Por uma secção transversal de um fio de cobre passam 20C de carga em 2 segundos. Qual é a corrente elétrica?

13. Em cada minuto, a secção transversal de um condutor metálico é atravessada por uma quantidade de carga elétrica de 12C. Qual a corrente elétrica que percorre o condutor?

14. O filamento de uma lâmpada é percorrido por uma corrente de 2A. Calcule a carga elétrica que passa pelo filamento em 20 segundos.

15. Um condutor metálico é percorrido por uma corrente de 10.10-3A. Qual o intervalo de tempo necessário para que uma quantidade de carga elétrica igual a 3C atravesse uma secção transversal do condutor?

16. Pela secção transversal de um condutor metálico passam 6.1020 elétrons durante 2s. Qual a

corrente elétrica que atravessa o condutor? É dada a carga elétrica elementar: e = 1,6.10-19 C.

17. O que diferencia a corrente elétrica produzida por uma pilha da corrente elétrica produzida numa usina hidrelétrica?

18. Diga, com suas palavras, o que é uma corrente elétrica.

19. Cite um exemplo onde o aquecimento de um fio condutor é inconveniente. Cite um exemplo onde o aquecimento é desejável.

20. Compare as lâmpadas incandescentes e as lâmpadas fluorescentes e estabeleça as vantagens e desvantagens de cada um dos tipos.

21. Um chuveiro elétrico é submetido a uma ddp de 220V, sendo percorrido por uma corrente elétrica de 10A. Qual é a resistência elétrica do chuveiro?

22. Determine a ddp que deve ser aplicada a um resistor de resistência 6 para ser atravessado por uma corrente elétrica de 2A.

23. Uma lâmpada incandescente é submetida a uma ddp de 110V, sendo percorrida por uma corrente elétrica de 5,5A. Qual é, nessas condições, o valor da resistência elétrica do filamento da lâmpada.

24. Nos extremos de um resistor de 200 , aplica-se uma ddp de 100V. Qual a corrente elétrica que percorre o resistor?

25. Um resistor ôhmico, quando submetido a uma ddp de 20V, é percorrido por uma corrente elétrica de 4 A. Para que o resistor seja percorrido por uma corrente elétrica de 3A, que ddp deve ser aplicada a ele?

26. Quando uma lâmpada é ligada a uma tensão de 120V, a corrente que flui pelo filamento da lâmpada vale 1A. Qual a potência da lâmpada?

27. Calcule a corrente que percorre o filamento de uma lâmpada de 120V e 60W.

28. Em um resistor, de resistência igual a 10 , passa uma corrente com intensidade de 2A. Calcule a potência dissipada no resistor.

29. De acordo com o fabricante, um determinado resistor de 100 pode dissipar, no máximo, potência de 1 W. Qual é a corrente máxima que pode atravessar esse resistor?

30. Num certo carro, o acendedor de cigarros tem potência de 48W. A ddp no sistema elétrico desse carro é 12V. Qual é a resistência elétrica do acendedor de cigarros?

31. Sob tensão de 10V, um determinado resistor dissipa 5W de potência. Qual é a resistência desse resistor?

32. Uma lâmpada de filamento apresenta o valor escrito sobre o vidro (40W, 60W, 100W). Qual o significado desse valor?

33. O que acontecerá se ligarmos uma lâmpada com as inscrições (60W-110V) na tensão 220V. Por quê?

34. Como você explica o aquecimento de fios metálicos, quando uma corrente elétrica passa por eles?

35. Indique a principal transformação de energia que ocorre com o funcionamento de: um chuveiro; um liquidificador; uma lâmpada incandescente.

36. Qual é o consumo de energia, em kWh de uma lâmpada de 60W que fica acesa 5h por dia durante os 30 dias do mês?

37. Em um ferro elétrico, lê-se a inscrição 600W-120V. Isso significa que, quando o ferro elétrico estiver ligado a uma tensão de 120V, a potência desenvolvida será de 600W. Calcule a energia elétrica (em kWh) consumida em 2h.

38. Uma torradeira dissipa uma potência de 3000W. Ela é utilizada durante 0,5h. Pede-se: a) a energia elétrica consumida em kWh; b) o custo da operação, considerando o preço do kWh igual a R$ 0,12.

39. Um ferro elétrico consome uma potência de 1100W quando ligado a uma tensão de 110V. a) Qual a energia consumida (em kWh) em 2 horas; b) Qual é o custo mensal da operação para 2 horas diárias, sabendo que o preço do kWh é de R$ 0,12?

40. Um fio de resistência elétrica igual a 50 é submetido a uma ddp de 20V. Qual a energia dissipada no fio em 1 minuto?