// ELETRICIDADE

> A descobertA dA eletricidAdePor volta de 600 AC descobriu-se que esfregando um pedaço de âmbar criava-se um excesso de carga que atraía pequenos pedações de palha. Já nos anos 1600 DC, a palavra “elétrico” foi introduzida para descrever este efeito. Ela derivava da palavra grega para âmbar: elektron. Benjamin Franklin demonstrou a origem elétrica do raio em 1745 com seus experimentos com pipas durante tempestades. Ele propôs a existência de dois tipos diferentes de carga: positiva e negativa. Em 1800, Alessandro Volta produziu uma corrente elétrica constante colocando placas de cobre e zinco numa solução salina (com sal). Essa pilha voltaica foi a primeira bateria. A próxima descoberta foi feita em 1820, quando Andre-Marie Ampère estabeleceu a relação entre a corrente elétrica e o magnetismo. O passo final e crucial foi a descoberta da indução eletromagnética por Michael Faraday em 1831. Ele descobriu que magnetismo poderia criar eletricidade movendo-se um magneto através de uma bobina. Isso criou o caminho para o desenvolvimento dos geradores de eletricidade e, em 1881, o primeiro suprimento público de energia foi feito em Godalming (Reino Unido) para iluminação pública.

A eletricidAde é A formA de energiA mais comumente usada para diversas tarefas, indo do mais simples aquecimento e iluminação até a energização de computadores que realizam as mais complexas aplicações. no mundo moderno, a energia elétrica é tida como uma concessão. Sua produção, distribuição, uso e confiabilidade são tão comuns que só damos conta da sua importância quando a energia é cortada ou o disjuntor desarma.

> como A eletricidAde flui?Em metais e alguns outros materiais, partículas negativamente carregadas, chamadas elétrons, são livres para se mover dentro do material. Estes materiais são chamados de condutores. Quando uma bateria é conectada a um condutor, uma diferença de potencial é criada entre os pontos de contato e os elétrons “fluem” contra o “gradiente de potencial”. Como os elétrons são partículas com carga negativa, contra o gradiente de potencial significa que eles vão da ponta negativa para a ponta positiva do condutor. Esse fluxo é conhecimento como corrente elétrica. Ela pode ser corrente

contínua (CC ou DC, da sigla em inglês) se flui continuamente na mesma direção, ou corrente alternada (AC) se a direção de fluxo alterna-se para um lado e outro.

> A relAção entre corrente e diferençA de potenciAl elétrico

Georg Simon Ohm descobriu que a quantidade de corrente que flui através de um determinado material é proporcional à diferença de potencial aplicada a ele. Sua famosa lei estabelece que V = RI. Se uma certa diferença de potencial V é aplicada a um condutor, o valor da corrente que flui é inversamente proporcional à resistência R do condutor.

> o AmpèreA unidade de base SI para quantidades elétricas é o ampère. Sua definição, adotada em 1948 é: “O ampère é a intensidade de uma corrente elétrica constante que, mantida em

dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados à distância de 1 metro entre si, no vácuo, produz entre estes condutores uma força igual a 2 x 10-7 newton por metro de comprimento.”

> medindo correntes elétricAs

A medição de uma corrente elétrica contínua pode ser realizada usando um galvanômetro. Este instrumento funciona com o princípio de que uma agulha magnética colocada próxima a um condutor no qual flui uma corrente contínua, é defletida na direção perpendicular à dele. O quanto ela deflete é proporcional ao valor da corrente. Em 1823, Johann Schweiger amplificou este efeito usando uma bobina para produzir o primeiro galvanômetro funcional.

> reAlizAção modernA do Ampère e do volt

> reAlizAção futurA do AmpèrePadrões futuros de corrente poderão ser baseados na contagem de elétrons fluindo em sofisticados circuitos semicondutores. Num dispositivo ainda em pesquisa, elétrons isolados podem ser levados por uma onda acústica de superfície (fônons) que percorre o dispositivo. A corrente pode ser facilmente comparável à teoria, já que ela é simplesmente a carga de um elétron vezes frequência do número de elétrons carregados pela onda.

> fontes AlternAtivAs de energiAA maioria da energia elétrica usada em todo o mundo é produzida por geradores contendo um magneto rotativo. Essas turbinas são em geral giradas por queda d’água ou vapor produzido pela queima de combustível fóssil (óleo ou gás, por exemplo). No mundo, fontes renováveis de energia, contudo, tornam-se cada vez mais comuns e aumenta a exigência pelo seu uso, substituindo as usinas que usam combustível fóssil ou nuclear. No Brasil, 85,4% da energia elétrica é gerada por sistemas hidráulicos. Também cresce muito no Brasil a pesquisa para uso de biomassa, outra fonte renovável. Fontes alternativas incluem painéis solares, gerados eólicos, entre outros. Painéis solares convertem luz do sol diretamente em eletricidade, mas são em geral de pouca eficiência. No caso de geradores eólicos, o vento é usado para movimentar as turbinas.

> veículos elétricosDevido ao avanço no desenho de baterias elétricas, veículos abastecidos por eletricidade tornaram-se uma realidade, apesar de sua incidência entre os consumidores ser baixa. Já existem hoje carros elétricos que podem viajar a velocidades da ordem de 120 km/h e necessitam de recarga a cada 100 km. Automóveis mistos ou híbridos também estão em desenvolvimento e combinam o melhor de motores elétricos com motores a combustão para produzir veículos com baixos índices de poluição e boa velocidade e alcance.

> supercondutoresSupercondutores são materiais, como os metais e certas ligas, que apresentam resistência elétrica zero a baixas temperaturas, tipicamente abaixo de -260 oC. Supercondutores são usados para fabricar eletromagnetos poderosos, mas as temperaturas necessárias para que as propriedades supercondutoras apareçam são tão baixas que dificultam seu uso cotidiano. Novos tipos de materiais, conhecidos por supercondutores a alta temperatura, permanecem como supercondutores à temperaturas muito mais altas, próximo de -200 oC. Infelizmente, estes materiais são frágeis e não podem ser trabalhados em fios. Se os supercondutores puderem ser usados como cabos para transmissão de energia, não haveria perda de energia em sua transmissão.

O ampère é difícil de ser realizado na prática com suficiente exatidão. Assim, ele pode ser realizado através do watt (a unidade SI para potência). A potência elétrica gerada em um experimento controlado é comparada à potência mecânica e, usando-se uma medição de resistência de grande exatidão, o ampère pode ser calculado (Potência = Resistência x Corrente2).

O volt é reproduzido no Inmetro usando um equipamento com efeito Josephson de corrente alternada. Devido a este efeito, a diferença de potencial entre os dois supercondutores separados por uma fina barreira isolante e nos quais é aplicada uma excitação alternada (micro-ondas) assume valores discretos dependentes da constante de Josephson (KJ = 483597,9 Ghz/V) e da frequência da excitação. Este procedimento fornece tensões que são estáveis e reproduzíveis a um nível de aproximadamente 0,001 parte por milhão, atualmente.

ESCALA DE CORRENTE

Corrente típica em um raio 30.000 A

Chaleira elétrica 10 A

Computador 1 A

Lâmpada incandescente doméstica

0,25 A

Corrente letal típica 0,1 - 0,2 A

Corrente de um poraquê 0,07 A

Corrente típica em impulsos nervosos no cérebro

0,000 000 010 A = 10 x 10-9 A

Corrente correspondente a um elétron por segundo passando em um ponto de um circuito

0,000 000 000 000 000 000 16 A = 1,6 x 10-19 A

Supercondutor

Temperatura = 4,2 K

Isolante Corrente de Polarização

Supercondutor

f

l = Corrente de Polarização

4fKJ

3fKJ

2fKJ

fK

Representação esquemática de uma junção Josephson. Platôs discretos de diferença de potencial característicos de uma junção Josephson.

Os direitos de tradução e adaptação foram gentilmente cedidos pelo National Physical Laboratory - NPL do Reino Unido. Tradução e adaptação organizada pelo Centro de Capacitação - CICMA do Inmetro.

Todos os direitos reservados de acordo com a legislação em vigor.

Energia liberada na forma de calor

Bateria

Condutor

Negativo

Positivo

Elétrons