eletricidade básica - ensino médio e fundamental

Ricardo M. Ianelli

Eletricidade

Modelo Atômico

Os átomos são formados por três partículas:

Prótons: Ficam no centro do átomo. Possuem carga elétrica positiva.

Nêutrons: Ficam no centro do átomo. Possuem carga elétrica neutra (zero).

Elétrons: Ficam na eletrosfera, orbitando ao redor do centro do átomo.

Diversos átomos diferentes podem ser formados dependendo do número de prótons. Existe uma tabela chamada “Tabela Periódica” onde são catalogados todos os átomos conhecidos.

Modelo Atômico

Tabela Periódica

Átomos possuem certas características que devem ser destacadas:

1º - Em um átomo neutro (normal), o número de prótons é igual ao número de elétrons.

2º - Cada átomo é definido pelo número de prótons. O Oxigênio tem 8 prótons, assim como o Hidrogênio tem apenas 1 próton. Se você retirar prótons dos átomos, eles se tornam outros átomos. No caso do Oxigênio, se você retirar um próton ele se torna um átomo de Nitrogênio. Portanto, nunca teremos movimento de prótons ou nêutrons, sempre de elétrons.

Sobre os átomos

No começo, falamos sobre cargas positivas e negativas, mas o que seriam estas cargas?Através de experimentos, descobriu-se que elétrons e prótons se atraíam, assim como partículas iguais (elétrons + elétrons ou prótons + prótons) se repeliam.Para estudar isto melhor, definiram um conceito de que cada partícula teria uma carga, no caso dos elétrons uma carga NEGATIVA, e no caso dos prótons uma carga POSITIVA. Os nêutrons não atraíam nem repeliam outras partículas, por isso, recebeu carga NEUTRA.

Carga Elétrica

Até hoje não se sabe exatamente o porquê dessa atração, quem sabe algum de vocês mesmo descubra no futuro, mas já conseguimos afirmar que a carga elétrica é uma propriedade dos elétrons e prótons, assim como a massa.

Todos os objetos possuem massa, assim como todos os objetos possuem cargas elétricas. Da mesma forma que a massa é medida, geralmente, em kg, a carga elétrica é medida em Coulomb, abreviado pela letra C.

Carga Elétrica

Carga ElétricaCharles Augustin Coulomb

foium importante Físico. Teve diversos trabalhos na área de eletricidade e magnetismo, atrito, torções, etc. Realizou experimentos para determinar a força de atração entre duas cargas elétricas, criando a lei que leva seu nome, a Lei de Coulomb.

Charles Augustin Coulomb vendo você dizendo que entendeu porque está com vergonha de perguntar.

A Lei de Coulomb diz, resumidamente, que a força entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto das duas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Parece confuso, mas fica mais ou menos assim:

Quanto mais carga possuem, maior a força de atração.Quanto mais longe estiverem, menor a força de atração.

Apenas a nível de curiosidade, a carga elétrica de um elétron é igual a 0,00000000000000000016 C.

Lei de Coulomb

Apenas para resumir, temos que:

Carga Elétrica

Vimos que os objetos no dia-a-dia estão neutros, ou seja, possuem a mesma quantidade de prótons e elétrons. Contudo, em alguns casos é possível adicionar ou remover elétrons de um objeto, e assim, desbalancear as cargas. Chamamos isso de eletrização. Exemplo:

Imagine que temos um corpo com 2 elétrons e 2 átomos.

Eletrização

Como o elétron representa uma carga negativa e o próton uma positiva, temos duas cargas “-” e duas cargas “+”. Os dois pares vão se anular e a carga “final” será neutra.

Eletrização

Contudo, e se retirarmos um elétron do objeto?Agora o primeiro par de cargas se anula, mas fica sobrando um próton, ou seja, uma carga positiva. Com isso, nosso objeto fica carregado POSITIVAMENTE.

Eletrização

Poderíamos fazer o contrário, e retirar um próton do objeto. Contudo, já vimos que o próton é a identidade do átomo, então isto nunca vai acontecer. Existem maneiras extremamente complicadas de retirar um próton, mas trabalharemos apenas com elétrons se movendo.

Eletrização

E se adicionarmos um elétron? Então, teremos uma carga negativa a mais, portanto, nosso objeto estará carregado NEGATIVAMENTE.

Eletrização

Agora, o que acontece se aproximarmos um objeto carregado POSITIVAMENTE de um objeto carregado NEGATIVAMENTE ? Acontece o mesmo que vimos um pouco mais atrás, cargas de mesmo sinal se afastam, enquanto cargas de sinais opostos se atraem.

Eletrização

Um conceito que vale lembrar é o de condutores e isolantes. Basicamente, condutores são materiais que possuem elétrons mais ‘soltos’, portanto, tem mais facilidade para transportar esses elétrons, fazendo que seja fácil mudar sua carga. Exemplo: Metal

Isolantes, por outro lado, são objetos bem ‘agarrados’ aos seus elétrons, fazendo com que seja difícil movimentar os elétrons.Exemplo: Borracha

Condutores e Isolantes

Ao atritar dois objetos diferentes, um deles vai ter uma tendência maior a receber elétrons, e com isso, vai ‘roubar’ os elétrons do outro material, ficando assim um deles positivo e outro negativo. Isto acontece pois, ao atritar, fornecemos energia suficiente pro elétron ir para mais longe do núcleo, sendo assim menos atraído pelo núcleo. Ao chegar perto do outro material com mais tendência para atrair os elétrons, estes elétrons são ‘puxados’ para a eletrosfera deles.

Eletrização por Atrito

Secar o cabelo com a toalha após o banho. A toalha fica carregada negativamente e os cabelos positivamente. Como os cabelos estão todos com cargas positivas, tendem a se afastar, ficando “arrepiados”. Por isso seu cabelo fica bagunçado. O mesmo acontece ao acordar com o cabelo em pé, devido ao atrito com a roupa de cama durante a noite.

Exemplo:

Albert Einstein seguindo todas as regras de etiqueta para fotos.

Imagine que uma esfera “A” esteja eletrizada, perdeu elétrons e ficou com carga negativa. Digamos que esta carga seja de +4C (o sinal de positivo é porque ele está com carga positiva). Agora, imagine pegar uma esfera “B” que esteja neutra. As esferas estariam mais ou menos assim (mostrando apenas cargas que não se anulam):

Eletrização por Contato

Como sabemos, as cargas de mesmo sinal tendem a se afastar, portanto, as duas cargas dentro de “A” estão querendo se manter longe, se afastar. Ao encostarmos “A” em “B”, o que acontece é que as cargas tendem a “se dividir” para encontrar equilíbrio. Tudo na natureza busca o equilíbrio. Se os objetos forem iguais, as cargas se dividem igualmente. A fórmula para calcular seria:


Caso os objetos tenham tamanhos diferentes, o objeto maior sempre tenderá a ficar com mais carga. Isso acontece porque, para objetos maiores, a carga não o afeta tanto. Imagine a energia de um raio sendo mantida numa bola de gude e no planeta terra, qual dos dois deverá ficar mais instável com esse tanto de carga? Por isso, sempre o maior vai ficar com mais carga.


É assim que funciona o fio-terra. Pegamos um objeto carregado e ligamos ele à terra através de um fio. Como a terra é extremamente grande, acaba retirando ou doando carga até estabilizar o outro objeto.


Apenas lembrando que carga positiva (prótons) NUNCA vão se movimentar! O que acontece é que, no corpo neutro, existe um par de cargas se neutralizando, e o elétron dessa passa para o outro objeto. Sempre são apenas os elétrons que se movimentam!


Exercício 1 – Duas esferas iguais, “A” e “B”, possuem cargas +3C e -2C respectivamente. Uma terceira esfera “C”, também igual, possui 1C de carga, mas não se sabe se é positiva ou negativa. Ao aproximar “C” de “A”, ambas se atraíram. Qual é a carga real de “C” e qual seriam as cargas de “B” e “C” caso ambas se encostassem?

O primeiro passo para este exercício é desenhar as esferas e suas cargas.


Feito isso, vamos ao que sabemos. Se “A” e “C” se atraíram, sabemos que suas cargas são opostas. Como a carga de “A” é positiva (+3C), então a carga de “C” deve ser negativa. Portanto, a carga de “C” é -1C.


Agora vamos encostar “B” e “C”. Sabemos que todas tem o mesmo tamanho, caso contrário não teríamos como calcular quanto seriam as cargas após o contato. Jogando na fórmula: Q = (QB + QC) / 2


Q = (-2C + (-1C)) / 2Q = (-2C – 1C) / 2Q = -3C / 2Q = -1,5C


Fica estranho ver uma carga de 1,5C, porém, é porque 1C não é exatamente igual a 1 elétron. 1C = 6,280,000,000,000,000,000 elétrons. É, é bastante elétron.

Na eletrização por indução, pega-se dois objetos, um neutro e um carregado, e faz com que o objeto neutro fique com carga oposta ao objeto carregado. Exemplo:

Uma esfera está neutra. Ao aproximar um bastão carregado positivamente, os elétrons da esfera ficam mais perto do bastão enquanto as cargas positivas vão para mais longe. Em seguida, liga-se um fio condutor da esfera até o chão, fazendo com que elétrons subam para a esfera para ficar mais perto do bastão. Após isso, corta-se o fio.

Eletrização por Indução

Corrente elétrica é o movimento de carga elétrica por um condutor. Toda vez que há carga se movendo de um ponto a outro, dizemos que existe uma corrente elétrica. Sabemos que carga elétrica é uma propriedade do elétron, assim como a massa, portanto, corrente elétrica é nada mais que o movimento de elétrons. A intensidade dessa corrente elétrica é medida em Ampéres e é utilizada a letra “i” para representá-la.Tal intensidade é calculada vendo quanto de

carga passa por um fio num determinado tempo. i = Q

t

Tensão e Corrente Elétrica

Para gerar uma corrente elétrica, ou seja, para movimentar os elétrons, é necessária que haja uma tensão elétrica. A tensão elétrica é o que “empurra” os elétrons para percorrerem um condutor. Existem dois pontos, um de maior potencial elétrico e outro de menor potencial elétrico, e os elétrons vão de um ponto a outro. Podemos simplificar este conceito pensando numa bateria. Imagine que ela tenha os pólos positivos e negativos. Os elétrons no pólo negativo vão querer ir para o pólo positivo (vão ser atraídos), e quanto mais carga positiva tiver do outro lado, maior será o potencial elétrico, ou seja, a tensão elétrica.


Quando os elétrons passam pelo fio condutor, o fio esquenta. Isso ocorre pois os elétrons colidem com os átomos presentes nos outros materiais, essa colisão que faz esquentar. Certos objetos esquentam mais pois há mais colisões. No caso da lâmpada, existe um pedaço especial de metal que esquenta facilmente, e quando atinge temperaturas altas, emite luz. Assim é feita a lâmpada incandescente.

Efeito Joule

Imagine a corrente elétrica como água. Você tem um cano (o condutor) e dois pontos com potenciais diferentes (alturas diferentes). Quanto maior for a diferença de altura, mais rápido a água correrá. Agora imagine colocar uma roda d’água no meio disso tudo. A roda irá girar com a força da água passando, ou seja, a força da água se movimentando pode ser utilizada para gerar energia e movimentar outras coisas, como um motor, ou acender uma lâmpada. Mas imagine se a corrente for forte demais e quebrar a roda de água. Para isso, precisamos ‘desacelerar’ a água. Assim, usamos resistores, que são como “canos mais finos ou largos” para controlar a saída de água.


Resistores, também chamados de resistências, são quaisquer elementos que dificultem a passagem da corrente elétrica. Eles costumam esquentar, por isso, são utilizados em diversos eletrodomésticos que requerem aquecimento elétrico, como ferro de passar roupa, chuveiro elétrico, torneira de água quente, secador de cabelos, lâmpadas, etc. Quando montamos um circuito, utilizamos fios que possuem resistências, mas as vezes são baixas demais, e por isso precisamos dar um jeito de “parar” a corrente. Para isso, usamos resistores especiais que servem exclusivamente para isto.

Resistores

Existe uma certa relação entre tensão, corrente e resistência em um circuito. Um físico alemão chamado “George Simon Ohm” demonstrou que:

R = U i

Sendo:U = Tensão em Volts (V)R = Resistência em Ohms (Ω)i = Corrente em Ampére (A)

Por isso a resistência é medida em Ohms, em sua homenagem.

Lei de Ohm

George Simon OhmUm homem irresistível.

Ao ligarmos um condutor a uma fonte de energia, no caso, um gerador de voltagem (pilhas, baterias, tomadas, etc) de forma que a corrente circule, criamos um circuito. É comum ver circuitos da seguinte forma:

Circuitos

Note que os elétrons estão circulando do positivo (sinal de +) até o negativo. Isso ocorre porque antigamente acreditavam que a corrente eram cargas positivas se movimentando, e por isso, até hoje utilizam esse sistema para circuitos. Chamamos ele de “Sentido convencional da corrente elétrica”.

Circuitos

Exercício 1 – Tendo o circuito a seguir, calcule a resistência elétrica R1.

Circuitos

Sabemos que:

R = U / i

Portanto...

U = R x i

Substituindo:

30V = R1 x 3AR1 = 30/3R1 = 10 Ω

Circuitos

Porém, o que acontece quando temos mais de um resistor no nosso circuito?

Nestes casos, existem duas formas possíveis dos resistores serem associados (organizados): em série e em paralelo.

Quando tivermos dois resistores em série, apenas somamos suas resistências para encontrar a resistência total, também chamada de resistência equivalente.

Resistores em Série

Quando encontramos a resistência equivalente de um circuito, podemos retirar todos os resistores e imaginar que existe apenas um resistor com a resistência equivalente. Neste caso, seria o mesmo que apenas um resistor de 10Ω.

Resistores em Série

Quando temos dois resistores ligados em paralelo, a corrente se divide entre eles. Para calcular sua resistência equivalente, não podemos simplesmente somar suas resistências. Usa-se a seguinte fórmula:

Resistores em Paralelo

Boa sorte nas provas!

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