Nos primórdios da civilização, um dos fenômenos que mais impressionava o homem era o raio, que nada mais é que uma descarga na terra da eletricidade contida nas nuvens.
Com o passar dos tempos, o homem mercê de sua capacidade criadora, foi pesquisando e dominando a eletricidade, transformando-a de um simples fenômeno desconhecido e “sobrenatural”, em uma fonte de energia básica para a civilização atual.
A eletricidade, atualmente, se faz sentir não só como energia para iluminação ou propulsora de maquinários industriais, mas também na agricultura, transporte, comunicação, nas atividades doméstica, na medicina, etc.
Os conhecimentos de eletricidade trouxeram ao mundo um desenvolvimento em larga escala à todos setores da sociedade moderna. Hoje é impossível se pensar em qualquer processo produtivo em todas as áreas sem o conhecimento dos conceitos básicos em eletricidade.
Contudo, apesar da utilização generalizada da eletricidade, o desconhecimento de seus conceitos básicos é ainda hoje, marcante.
Esta apostila tem por objetivo trazer noções básicas em eletricidade de maneira simples clara e objetiva aos que desejam obter maiores conhecimentos desta técnica para aplicação nos mais diversos campos de atividades.
Eletrostática:
A matéria é formada de pequenas partículas, os átomos. Cada átomo, por sua vez, é constituído de partículas ainda menores, os prótons, os elétrons e os nêutrons. Os prótons e os nêutrons localizam-se na parte central do átomo, e formam o chamado núcleo. Os elétrons giram em torno do núcleo na região chamada de eletrosfera. Os prótons e os elétrons apresentam uma importante propriedade física, a carga elétrica. A carga elétrica do próton e a do elétron têm a mesma intensidade mas sinais contrários. A carga do próton é positiva e a do elétron, negativa.
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Num átomo não existe predominância de cargas elétricas; o número de prótons é igual a número de elétrons. O átomo é um sistema eletricamente neutro. Entretanto, quando ele ganha ou perde elétrons, fica eletrizado. Eletrizado positivamente quando perde elétrons e negativamente quando recebe elétrons.
A este processo na qual os átomos cedem ou ganham elétrons, chamamos de ionização.
Sendo a carga do elétron a menor quantidade de carga elétrica existente na natureza, ela foi tomada como carga padrão nas medidas de cargas elétricas.
No sistema Internacional de unidades, a unidade de medida de cargas elétricas é o
Coulomb ( C )
A carga do elétron, quando tomada em módulo, é chamada de carga elementar e é
representada por e.
-19
Carga elementar: 1,6 x 10 C
-19
Carga do elétron: - 1,6 x 10 C
-19
Carga do próton : +1,6 x 10 C
Eletrização de um corpo:
O processo de eletrização de um corpo é semelhante ao de um átomo. Se num corpo o número de prótons for igual ao número de elétrons, dizemos que ele está neutro. Quando um corpo apresenta uma falta ou um excesso de elétrons, ele adquire uma carga elétrica Q, que é sempre um número inteiro n de elétrons, de modo que: Q= n x e
Portanto, um corpo eletrizado pode estar:
• Eletrizado positivamente: falta de elétrons = + n x e
• Eletrizado negativamente: excesso de elétrons = - n x e
Princípios da eletrostática:
Experiências comprovam que durante o processo de atrito o número de cargas cedidas por um corpo é igual ao número de cargas recebidas pelo outro, o que permite enunciar o princípio da conservação da carga elétrica:
“Num sistema eletricamente isolado, é constante a soma algébrica das cargas elétricas”
Aproximando-se dois corpos eletrizados de mesma carga elétrica, entre eles aparece uma força elétrica de repulsão, e entre corpos eletrizados de cargas diferentes, força elétrica de atração. O que permite enunciar o princípio da atração e repulsão das cargas:
“Cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e se sinais opostos se atraem”
Condutores e Isolantes:
Conforme explicado no item 1.2 acima (Eletrização de um corpo), os prótons do núcleo repelem-se mutuamente do ponto de vista elétrico, porém, conseguem ficar unidos graças à existência de um outro tipo de força, muito mais intensa, a força nuclear
Nos fenômenos elétricos (assim como nos químicos), apenas os elétrons são envolvidos.
Denominam-se condutores as substâncias nas quais os elétrons se locomovem com facilidade por estarem fracamente ligados aos átomos.
Nos condutores, os elétrons mais distantes do núcleo abandonam o átomo, adquirindo liberdade de movimento: são os chamados elétrons livres.
Nos metais os elétrons livres podem se mover com grande facilidade de um átomo para o outro por serem fracamente ligados, formando assim, uma nuvem de elétrons livres ou a chamada “nuvem eletrônica”. A nuvem eletrônica é que permite aos metais de serem excelentes condutores de eletricidade.
Num condutor eletrizado, as forças de repulsão, que agem entre as cargas de mesmo sinal, fazem com que as cargas fiquem distantes uma das outras. O maior afastamento possível ocorre na superfície do corpo.
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Num condutor eletrizado, as cargas elétricas se localizam na sua superfície.
Por outro lado, chamam-se isolantes, ou dielétricos, as substancias nas quais os elétrons não tem a liberdade de movimento.
Nos isolantes, os elétrons não se movimentam com facilidade, pois estão fortemente ligados ao núcleo do átomo e dificilmente poderão se libertar.
Isto, no entanto, não quer dizer que um corpo isolante não possa ser eletrizado. A diferença é que nos isolantes as cargas elétricas permanecem na região em que apareceram, enquanto nos condutores elas se distribuem pela superfície do corpo.
A borracha, o vidro, a porcelana e outros materiais são considerados isolantes de eletricidade pelo fato de praticamente não apresentarem “elétrons livres”.
Na prática, não existe condutores ou isolantes perfeitos, o que existe são os bons condutores elétricos por permitirem a movimentação de cargas elétricas e os bons isolantes elétricos os quais não permitem a movimentação de cargas elétricas.
– Processos de eletrização
– Eletrização por atrito
Na eletrização por atrito, os dois corpos ficam carregados com cargas iguais, porém de sinais contrários.
– Eletrização por contato
Na eletrização por contato, os corpos ficam eletrizados com cargas de mesmo sinal.
– Eletrização por indução
Na indução eletrostática ocorre apenas uma separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo. No processo de indução eletrostática, o corpo induzido se eletrizará sempre com cargas de sinal contrário às do indutor.
– Força Elétrica
- Lei de Coulomb
Esta lei diz respeito à intensidade das forças de atração ou de repulsão que agem em duas cargas elétricas puntiformes (cargas e dimensões desprezíveis), quando colocadas em presença uma da outra.
Considere duas cargas elétricas puntiformes, Q 1 e Q 2 , separadas pela distancia d. Sabemos que, se os sinais dessas cargas forem iguais, elas se repelem e, se forem diferentes, se atraem.
Sabendo-se que as cargas elétricas exercem forças entre si, Coulomb determinou, através de experiências, a intensidade e o alcance dessas forças elétricas. Com a ajuda de uma balança de torsão por ele construída, determinou o seguinte:
“As forças de atração ou repulsão entre duas cargas elétricas puntiformes são diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distancia que as separa”.
A expressão matemática dessa força é:
– Campo Elétrico
Com a ajuda das linhas de forças imaginárias, é possível visualizar a causa de atração ou repulsão dos corpos eletricamente carregados, mesmo sem se tocarem. O fenômeno também é observado no vácuo.
Obs.: O espaço onde atuam as forças elétricas de uma carga denomina-se campo elétrico. Este campo é preenchido por linhas de forças elétricas. Neste campo manifestam-se forças sobre outras cargas elétricas.
Determinou-se que de uma carga elétrica positiva saem radialmente e em todas as direções as linhas de força. Elas terminam em uma carga elétrica negativa situada a uma distancia arbitrária. As linhas de forças de um campo elétrico nunca terminam no espaço livre.
Os campos elétricos são produzidos por duas cargas de mesmo sinal (ação de repulsão) e por duas cargas de sinais contrários (ação de atração)
Introduzindo-se em um campo homogêneo (constante em todos os pontos) reinante entre duas placas metálicas carregadas de eletricidade de sinais opostos, um corpo com carga elétrica negativa que apresenta uma quantidade de carga constante Q, percorrerá uma distancia s de um ponto inicial P 1 , até um ponto final P 2 . Neste movimento, as forças do campo realizarão um trabalho W= F x S, que é proporcional à quantidade de carga Q. Portanto, a relação W/Q é uma grandeza independente de Q e relacionada com as distancias S entre P1 e P2. Portanto, a tensão elétrica é determinada pelo trabalho W, liberado no transporte de uma unidade de carga.
Obs.: A tensão elétrica U entre dois pontos é calculada pela razão entre o trabalho de transporte W e a carga transportada Q:
U = W
2.3 – Diferença de Potencial (ddp) ou Tensão Elétrica
Se uma carga negativa Q 1 for transportada da placa magnética à esquerda até o ponto P 1 , o trabalho gasto é armazenado na forma de energia potencial. Dizemos que entre as duas cargas separadas existe um potencial elétrico.
Potencial elétrico = Energia Potencial W p1/
Quantidade de carga Q 1
Se uma outra carga negativa Q 2 for transportada até o ponto P 2 , então o trabalho armazenado com energia potencial é sensivelmente maior do que no caso da carga Q 1 .
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Portanto, dois pontos que possuem potenciais diferentes apresentam uma diferença de potencial. A diferença de potencial é denominada tensão elétrica. Logo, tensão= gasto de energia por unidade de carga.
A diferença de potencial, ddp, também é chamada de voltagem ou tensão elétrica, sendo uma das grandezas mais importante da eletricidade. É utilizada para explicar o movimento das cargas elétricas.
Produção de Tensão Elétrica
A tensão elétrica se obtém por separação de cargas, isto é, os portadores de cargas elétricas positivas e negativas dos átomos eletricamente neutros devem ser separados entre si. Para esta separação deve se consumir trabalho. As tensões podem ser produzidas de diversas maneiras: Por ação química Por ação magnética Por ação térmica Por ação luminosa Por ação de pressão sobre cristais
Tensão Elétrica Normalizada:
Os aparelhos domésticos são constituídos unicamente para tensões normalizadas. De acordo com a norma DIM 40001, devem ser utilizadas tensões contínuas e alternadas entre 1 e 100 volts, cujos valores são iguais aos da série principal: 2, 4,6, 12,24, 40 (42), 60 e 80 volts; campo de aplicação: comunicações, instalações de baixa tensão, aparelhos eletromedicinais, etc.
Para as áreas industriais devem ser utilizadas tensões industriais para as instalações elétricas de alta tensão, tensões continuas de 110, 220, 440 volts.
Para as estradas de ferro: 600, 750, 1200, 1500 e 300 volts.
Para as instalações monofásicas com 16 ½ Hz e trifásicas com 60 Hz, devem ser usadas principalmente 127, 220, 380, 440, 6000, 15000, 30000, 60000, 100000 e 200000 volts.
Medidas de Tensão Elétrica
A unidade de tensão no sistema internacional de unidades é o volt com o símbolo “V”.
Para a medida de tensões elétricas:
E utilizado um instrumento chamado “voltímetro”. Ao ser medida uma tensão, o voltímetro deve ser conectado sempre em paralelo com a fonte geradora ou então com o consumidor. Ao ser medida uma tensão continua é necessário observar a correta polaridade das ligações do voltímetro.
Tipos de Tensões Elétricas:
De acordo com a forma de obtenção da tensão elétrica podemos ter tensões invariáveis no decorrer do tempo ou tensões que oscilam invertendo seu sinal ou oscilam variando somente a sua amplitude.
A Tensão contínua normalmente é obtida em baterias e pilhas, estendendo-se também a denominação de tensão continua para todo o sinal onde não ocorra polaridade, embora seja um sinal pulsante.
Na Tensão alternada existe a inversão da polaridade um certo número de vezes em um determinado espaço de tempo, para esta característica define-se a freqüência do sinal.
Corrente Elétrica:
No século VI a.C., o filósofo grego Thales de Mileto verificou e registrou pela primeira vez que o âmbar (resina dura) depois de atritado com a pele de gato, atrai fios de cabelo, palha, penas e outros objetos leves.
Devido a origem da palavra âmbar (eléktron, em grego), os fenômenos observados primeiramente por Thales foram denominados fenômenos elétricos.
Os fenômenos elétricos foram considerados misteriosos durante vários séculos e só vieram a ser explicados satisfatoriamente após o conhecimento da estrutura da matéria, isto é, dos átomos e de suas partículas elementares (prótons, nêutrons e elétrons).
As manifestações mais conhecidas de eletricidade são: relâmpagos, faíscas, choques elétricos, etc.
Na explicação dos fenômenos elétricos tomaremos como termo de comparação a corrente da água, que pode ser considerada como formada pela reunião de numerosíssimas gotículas d’água.
A corrente elétrica é formada pelas movimentações de partículas elementares conhecida com nomes de elétrons, estes elétrons possuem uma carga elétrica, que é negativa. Existe também uma carga positiva, mas que não possui a capacidade de movimentar-se, estando situada no núcleo do átomo, chamando-se próton. Também no núcleo existe o nêutron, sem carga elétrica. Ele é muito mais pesado do que o elétron.
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O elétron, próton e o nêutron são constituintes fundamentais do átomo que é o constituinte fundamental de toda matéria. Nele o elétron gira em redor do Núcleo como um planeta ao redor do sol. Na matéria existem, contudo, elétrons que não fazem parte dos átomos, são os elétrons livres, na realidade são esses os que são movimentados com maior facilidade.
Os átomos por sua vez se reúnem para formar uma molécula e estas para formarem um elemento. O elétron tende a ser sempre atraído pelo núcleo, em razão de ambos terem cargas elétricas opostas; o primeiro tem carga negativa e o segundo positiva, porém, não ocorre à junção dos dois em virtude da força centrifuga desenvolvida pelo movimento do elétron em torno do núcleo.
Fica-se pois sabendo que as cargas opostas se atraem e as iguais se repelem, isto é: o negativo atrai o positivo e vice e versa, assim como os negativos se repelem, também, os positivos idem.
Sentido da Corrente Elétrica:
Nos condutores sólidos, o sentido da corrente elétrica é o sentido do movimento dos elétrons, pois são eles que se deslocam do potencial menor (pólo negativo) para o potencial maior (pólo positivo). Esse é o sentido real da corrente elétrica.
No estudo da corrente elétrica, entretanto, adota-se um sentido convencional, que é o deslocamento das cargas positivas, do potencial maior para o menor, que corresponde ao mesmo sentido do campo elétrico no interior do condutor.
Assim, sempre que tratamos do sentido da corrente, estaremos nos referindo ao sentido convencional.
Intensidade da corrente elétrica:
Usando da analogia com o transporte da água, é sabido que a quantidade de água que percorre um cano pode ser medida, assim, também as intensidades dos elétrons em movimento através do circuito elétrico formam a corrente elétrica a qual sua unidade de medida é o Ampére cujo símbolo é “A” e pode ser medida com um instrumento de medição denominado Amperímetro, intercalado no condutor. Assim como medimos a água em litros, medimos as intensidades das correntes elétricas em Ampéres.
Voltemos à comparação com a água: esta só pode atravessar o encanamento quando existe uma certa pressão. Nos rios a pressão é formada pelo peso da água que, devido ao desnível do leito se movimenta. Esta pressão pode ser medida.
Analogamente a eletricidade para percorrer um trajeto (circuito elétrico) é preciso ter uma certa “pressão” onde a fonte geradora exerce pressão para que os elétrons se desloquem através do circuito elétrico. Esta “pressão” denomina-se tensão e mede-se em volts num aparelho denominado Voltímetro
Tipos de Corrente Elétrica:
Já vimos anteriormente, que a corrente elétrica é produzida pelo movimento de cargas elétricas (elétrons livres) através de um condutor e assim, que esse movimento de cargas elétricas somente acontecerá quando for mantida entre as extremidades do condutor uma diferença de potencial. Dependendo da fonte causadora dessa diferença de potencial, consideram-se dois tipos de corrente elétrica: a continua (CC) e a alternada (CA).
Corrente Contínua
É aquela cujo sentido da carga elétrica é o mesmo e se mantém constante. Quando além do sentido a intensidade também se mantém constante, a corrente é chamada de corrente continua constante. Como exemplos, temos as correntes estabelecidas por uma bateria de automóvel, por uma pilha, dínamos, geradores, etc.
Corrente Alternada:
É aquela cuja intensidade e cujo sentido variam periodicamente. Onde, a cada uma destas variações chamamos de ciclo e o conjunto de todos eles constitui o que chamamos de freqüência ou ciclagem. É o caso das correntes utilizadas em residências que são fornecidas pelas usinas hidrelétricas em que temos uma corrente alternada de freqüência 60 ciclos por segundo.
Uma das suas principais vantagens é que se pode facilmente elevar e diminuir sua tensão
Cada ciclo tem duas etapas: uma negativa e outra positiva e repete-se diversas vezes por segundo dependendo da fonte utilizada. A esse número de repetições por segundo dá-se o nome de freqüência, representada por c/s ( ciclos por segundo ) ou simplesmente Hertz.
Corrente Pulsante:
È aquela que ao longo do tempo. Somente sofre variações de intensidade, porém conserva a mesma polaridade.
Efeitos da Corrente Elétrica
Na passagem de uma corrente por um condutor observam-se alguns efeitos, que veremos:
Efeito Térmico ou efeito Joule:
Qualquer condutor sofre um aquecimento ao ser atravessado por uma corrente elétrica. Esse efeito é a base de funcionamento dos aquecedores elétricos, chuveiros, secadores de cabelo, lâmpadas térmicas, etc. Quanto maior a resistência oposta à sua passagem, maior a temperatura desenvolvida, chegando como no caso das lâmpadas elétricas até a incandescência do filamento.
Efeito Magnético:
Magnetismo é a propriedade que tem certos corpos compostos de ferro de atraírem o mesmo metal.
Um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica também cria ao seu redor um campo magnético. Este é um dos efeitos mais importantes, constituindo a base do funcionamento dos motores, transformadores, relés, etc.
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Estando enrolado em forma de espiras criará um campo magnético tanto mais forte quanto mais numeroso forem as voltas ou espiras.
Colocando-se dentro das espiras que também são chamadas de bobinas, um núcleo de ferro aumenta se ainda mais a força magnética, aqui chamada eletro-magnético, por ter sua formação baseada na eletricidade.
Efeito químico:
Uma solução eletrolítica sofre decomposição, quando atravessada por uma corrente elétrica. Seu principal efeito é a eletrólise, que consiste em provocar dentro de uma solução eletrolítica a migração dos elementos negativos (aniontes) para o pólo positivo (anódio) e dos elementos positivos (cationtes) para o pólo negativo (catódio).
Exemplo prático da utilização deste princípio: revestimento de metais como: galvanoplastia, cromagem, niquelação, etc.
A passagem da corrente elétrica no corpo humano produz efeito idêntico, pois nosso corpo comporta-se como uma solução eletrolítica.
Gerador elétrico:
É um dispositivo capaz de transformar várias modalidades de energia como: mecânica, térmica, química e até a atômica em eletricidade. A eletricidade é então transportada por fios condutores até nós consumidores.
O gerador não gera ou cria cargas elétricas. Sua função é fornecer energia às cargas elétricas que o atravessam.
Industrialmente, os geradores mais comuns são os químicos e os mecânicos.
• Químicos: São aqueles que transformam energia química em energia elétrica. Ex: Pilhas e Baterias.
• Mecânicos: São aqueles que transformam energia mecânica em energia elétrica. Ex: Dínamo do motor do automóvel
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