CORRENTE ELÉTRICA

A corrente elétrica é um movimento ordenado de cargas elementares.

A corrente elétrica pode ser um simples jato de partículas no vácuo, como acontece num cinescópio de TV, em que um feixe de elétrons é lançado contra a tela. No entanto, na maioria dos casos, a corrente elétrica não ocorre no vácuo, mas sim no interior de um condutor. Por exemplo, aplicando uma diferença de potencial num fio metálico, surge nele uma corrente elétrica formada pelo movimento ordenado de elétrons.

Não se pode dizer que todo movimento de cargas elétricas seja uma corrente elétrica. No fio metálico, por exemplo, mesmo antes de aplicarmos a diferença de potencial, já existe movimento de cargas elétricas. Todos os elétrons livres estão em movimento, devido à agitação térmica. No entanto, o movimento é caótico e não há corrente elétrica.

Quando aplicamos a diferença de potencial, esse movimento caótico continua a existir, mas a ele se sobrepõe um movimento ordenado, de tal forma que, em média, os elétrons livres do fio passam a se deslocar ao longo deste. É assim que se forma a corrente elétrica.

O símbolo convencional para representar a intensidade de corrente elétrica (ou seja, a quantidade de carga Q que flui por unidade de tempo t) é o I, original do alemão Intensität, que significa intensidade.

A unidade padrão no SI para medida de intensidade de corrente é o ampère. A corrente elétrica é também chamada informalmente de amperagem.

EXERCÍCIOS

1. O que é corrente elétrica? Qual o sentido convencional da corrente elétrica e qual o seu sentido real?

2. ( (Vunesp-SP) Mediante estímulo, 2 . 105 íons de K+ atravessam a membrana de uma célula nervosa em 1,0 milisegundo. Calcule a intensidade dessa corrente elétrica, sabendo que a carga elementar é 1,6 .10-19C.

3. (PUC-SP) Uma lâmpada permanece acesa durante 1h, sendo percorrida por uma corrente elétrica de intensidade igual a 0,5A. A carga do elétron em valor absoluto é 1,6.10-19C.

a) Qual a carga elétrica que passou por uma secção de seu filamento?

b) Quantos elétrons passaram?

4. Às vezes sentimos um choque elétrico ao morder – por descuido – um pedaço de papel alumínio com um dente que sofre obturação co amálgama. Por que isso acontece?

Amálgama é um material, utilizado na odontologia, feito de uma liga de mercúrio, prata e estanho, que por ser resistente a oxidação, tem a finalidade de proporcionar a restauração dos dentes.

Isto tem utilidade? Em 1887 foi feito o primeiro eletrocardiograma

humano, medindo-se a corrente elétrica que provoca as contrações do coração. Hoje, sabe-se que os músculos são excitados pela corrente elétrica proveniente do tecido nervoso.

Pacientes com problemas na frequência cardíaca podem ser tratados pela utilização de um estímulo elétrico externo no músculo cardíaco. Os marca-passos são pequenos aparelhos que estimulam eletricamente o coração.

Exercício5. Qual a função do marca-passos?

Marca-passos

RESISTOR

Resistor é todo dispositivo elétrico que transforma exclusivamente energia elétrica em energia térmica.

SÍMBOLO

Alguns dispositivos elétricos classificados como resistores: ferro elétrico, chuveiro, lâmpada incandescente etc.

• A figura mostra  o aspecto físico de alguns tipos de resistores   

•

• A figura mostra os tipos mais comuns de  resistores variáveis.

1ª Lei de OHM

Mantendo-se constante a temperatura do resistor, sua resistência elétrica permanecera constante.

i

UR

Unidade: Volt/Ampere(ohm,Ω)

Resistor ôhmico

2ª LEI DE OHM

A

LR

.

L

A

= Resistividade do material (ohm.m))

Resistividade elétrica é uma medida da oposição de um material ao fluxo de corrente elétrica. Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite a passagem de uma carga elétrica. A unidade SI da resistividade é o ohm.metro (Ωm).

Dependência da temperatura Uma vez que é dependente da temperatura a

resistência específica geralmente é apresentada para temperatura de 20 ºC. No caso dos metais aumenta à medida que aumenta a temperatura enquanto que nos semicondutores diminui à medida que a temperatura aumenta.

Conforme o valor da sua resistividade um material pode ser considerado condutor ou isolante.

EXERCÍCIOS6. Os elétrons podem se mover mais facilmente no

metal ou no vidro? Explique.

7. Cite duas razões para se utilizar fios grossos nas instalações das casas.

8. O diâmetro e o comprimento de um fio de cobre são dobrados. O que ocorre com a resistência elétrica do fio?

9. Aplica-se uma ddp de 100V nas extremidades de um fio de secção circular de área 2mm² e resistividade elétrica 0,001Ω.m. Sabendo-se que a corrente elétrica que circula tem intensidade 10A, calcule o comprimento total do fio.

Isto tem utilidade? Alguns tipos de detectores de mentira funcionam medindo a

resistência elétrica do corpo humano. Nosso corpo, por ser constituído em grande parte por água e íons dissolvidos, é condutor elétrico. A resistência do nosso corpo depende de vários fatores, como o caminho percorrido pela corrente, o tipo de contato que fazemos com os eletrodos, a umidade da pele etc. A teoria diz que, quando mentimos nosso corpo sofre algumas modificações na sua resistência elétrica. Por exemplo, podemos começar a suar mais e a diminuir a resistência elétrica.

Os detectores de mentira ficam monitorando continuamente a resistência entre dois pontos do corpo da pessoa submetida ao teste, e indicam os instantes em que ela tem alguma alteração significativa em sua resistência elétrica. Quando isso ocorre, é sinal de que ela estará um pouco mais nervosa, supostamente devido alguma mentira.

POTÊNCIA ELÉTRICA Muitas vezes, na propaganda de certos produtos de

eletrônicos, destaca-se a sua potência. Podemos citar como exemplos os aparelhos de som, os chuveiros e as fontes dos microcomputadores.

Sabemos que esses aparelhos necessitam de energia elétrica para funcionar. Ao receberem essa energia elétrica, eles a transformam em outra forma de energia. No caso do chuveiro, por exemplo, a energia elétrica é transformada em energia térmica.

Quanto mais energia for transformada em um menor intervalo de tempo, maior será a potência do aparelho. Portanto, podemos concluir que potência elétrica é uma grandeza que mede a rapidez com que a energia elétrica é transformada em outra forma de energia.

.

• Define-se potência elétrica como a razão entre a energia elétrica transformada e o intervalo de tempo dessa transformação. Observe o quadro ao lado:

Podemos também calcular a potência elétrica através da através da tensão e da corrente.

Potência elétrica dissipada

Quando utilizamos algum aparelho que funciona à base de transformação de energia, podemos observar que ele esquenta durante o seu funcionamento. Isso não é diferente quando estamos lidando com aparelhos que funcionam à base de energia elétrica. Esse aquecimento é conhecido como efeito Joule, e ele é fruto das colisões que os elétrons sofrem contra os átomos e íons que pertencem ao condutor. A energia que é drenada nesse aquecimento é chamada de energia dissipada

Existem aparelhos que têm como objetivo dissipar toda a energia elétrica e transformá-la em energia térmica. Temos muitos exemplos cotidianos de aparelhos que funcionam assim, o chuveiro, o ferro de passar, o forno elétrico, o secador de cabelo, etc.

Se tomarmos a lei de Ohm R = U/i, e a equação para calcularmos a potência P = U.i é possível determinar o valor da potência elétrica dissipada. Observe o quadro ao lado:

Unidades de potência e energia elétrica

As duas unidades de potência mais usadas são o watt (W) e o quilowatt (kW). Elas estão representadas no quadro abaixo, assim como a conversão entre elas:

EXERCÍCIOS10. (Unb-DF) Um cidadão que morava em Brasília, onde a voltagem é

220V, mudou-se para o Rio de Janeiro, onde a voltagem é de 110V. Para que tenha a mesma potência no chuveiro elétrico, ele deverá modificar sua resistência para:

a) ½ da resistência originalb) ¼ da resistência originalc) 2 vezes resistência originald) 4 vezes a resistência originalJustifique sua resposta.

11. A ddp existente nas tomadas elétricas de nossas residências é de 110V. Um aquecedor elétrico é ligado a uma tomada. Verificamos que passam pelo aquecedor 200 coulombs em 25 segundos. Determine a potência consumida pelo aquecedor.

12. (Fuvest-SP) a) Qual a resistência elétrica de uma lâmpada de 220V e 60W?b) Supondo que a resistência elétrica varia pouco com a temperatura,

qual a potência dissipada quando a lâmpada é ligada a uma tomada de 110V?

Isto tem utilidade?

É muito importante saber qual é a potência de cada aparelho que estamos ligando em uma tomada. Normalmente, os fios e as tomadas têm um valor máximo de corrente que podem suportar sem se danificar. Quando este valor é excedido, os fios se aquecem em demasia, podendo resultar em um derretimento de sua capa isolante. Isto provoca um curto-circuito, que é uma das principais causas de incêndios em residências.

Antes de ligar os aparelhos é importante saber a potência que cada um exige e verificar se a soma das potências não é maior do que o recomendado na tomada.

EXERCÍCIOS

13. Numa casa são utilizadas 6 lâmpadas elétricas de 100W durante 2 horas por dia, 4 lâmpadas de 60W durante uma hora por dia, um chuveiro elétrico de 100W durante meia hora por dia e uma geladeira de 250W durante 10 horas por dia. Sabendo que o KWh é cobrado à razão de R$ 0,20, determine o custo de energia elétrica consumida por essa casa em trinta dias.

14. Uma residência é iluminada por 12 lâmpadas de incandescência, sendo 5 de 100W e 7 de 60W cada.

a) Para uma média diária de 3 horas de utilização, qual a energia consumida, em KWh, por essas lâmpadas em um mês?

b) Sendo a tensão da instalação de 115V, qual é a corrente tal utilizada pelas lâmpadas?

Isto tem utilidade? Na escolha dos fios para as instalações elétricas de uma

edificação, é necessário determinar a área (bitola) do fio para que a resistência seja baixa e, ao mesmo tempo, usar o fio mais fino possível para diminuir os custos: um fio muito grosso possui resistência pequena, mas é mais caro. O fio deve ser escolhido de acordo com a corrente máxima que, supostamente, passará por ele.

Como vimos, a potência dissipada pelo fio é dada por P = Ri². Um fio fino possui resistência maior e dissipa mais potência do que um fio grosso, ao ser percorrido por uma determinada corrente. A potência dissipada é a responsável pelo aquecimento do fio, e é preciso que o fio dissipe este calor com eficiência, pois – caso contrário- pode haver um superaquecimento, derretendo a capa isolante e podendo provocar curto-circuito na instalação. Por outro lado, quanto maior for o diâmetro do fio, maior será o seu poder de dissipação de calor. Estes fatores combinados determinam a corrente máxima segura que pode passar pelo fio.

Levando em consideração o tipo de fio, o tipo de capa isolante e as condições de instalação dos fios (área, enterrada ou em tubos), pode-se determinar qual a corrente máxima segura para este fio.

Área do fio (mm²)

Corrente máxima (A)

1 10,5

1,5 13

2,5 18

4 24

6 31

10 42

16 56

25 73

35 89

50 108

• Na tabela, mostramos um exemplo para um fio com capa isolante termoplástica, área do fio em mm² e a corrente máxima sugerida para sua utilização (em A).

EXERCÍCIOS

15. (Unicamp-SP) Um aluno necessita de um resistor que, ligado a uma tomada de 220V, gere 2 200W de potência térmica. Ele constrói o resistor usando fio de resistividade elétrica 2,0 . 106 (Ω.m) e área de secção transversal de 5,0 . 10-² mm². Quantos metros de fio deverão ser utilizados?

Supercondutividade

Em 1911, Kammerlingh Onnes, que foi o primeiro a conseguir a liquefação do gás hélio que acontece em 4,2 K. Ele estava pesquisando sobre as propriedades de metais sobre temperaturas extremamente baixas banhando em hélio líquido. Durante um desses experimentos, Onnes descobriu que a resistência do mercúrio caia a zero na temperatura perto de 4 K. Com isso, foi descoberto os supercondutores, uma nova classe de condutores. Onnes ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1913.

Com evolução das pesquisas, a temperatura para que os supercondutores ocorressem foi aumentando. Até a década passada ocorria na ordem dos 28 K. Mas com a descoberta de novos materiais supercondutores, ocorreu um aumento surpreendente de temperatura para a utilização de supercondutores, com os óxidos cerâmicos, com os fulerenos, os borocarbetos e o composto intermetálico MgBr2. Atualmente o recorde é de 134 K para um óxido de mercúrio, bário, cálcio e cobre.

Supercondutores são materiais que têm resistência elétrica praticamente nula e nos quais a corrente elétrica não perde energia para o material. Com isso pode-se construir equipamentos que aproveitam ao máximo a energia elétrica disponível, sem que seja transformada em calor. Meios de transportes, principalmente trens suspensos por campos magnéticos, podem usar esta tecnologia. O trem japonês, MAGLEV, que usa tecnologia de materiais supercondutores e atinge mais de 500Km/h com segurança.

EXERCÍCIOS

16. Após leitura do texto – Supercondutividade - responda a questão que se segue:

Quando a temperatura do material aumenta também aumenta o grau de agitação dos seus átomos e moléculas. Isso faz com que os elétrons tenham maior dificuldade de transitar por dentro do material. Qual a relação existente entre essa afirmação e a 2º Lei de Ohm.

EFEITOS DA CORRENTE ELÉTRICA

• efeito joule: liberar calor • efeito magnético: gerar

campo magnético • efeito fisiológico: choque • efeito químico: produzir

reações químicas • efeito luminoso: gerar luz

EXERCÍCIOS17. Um estudante deseja aquecer 1,2 litros de água contida em um

recipiente termicamente isolado e de capacidade térmica desprezível, com o auxílio de um resistor R imerso na água e conectado diretamente a uma bateria de 12V e de resistência interna praticamente nula. Calcule R para que a temperatura da água seja elevada de 20ºC para 32ºC em 42 mim.

Adote 1 cal = 4,2 J.

18. Um ferro elétrico tem resistência ôhmica de 11Ω. Sabendo-se que ele é utilizado durante 1h por dia e que a tensão da rede elétrica é de 110V, qual o consumo, em cal, após 30 dias?

Adote 1cal = 4J.

19. A corrente elétrica ao passar pelos condutores, pode apresentar cinco efeitos principais. Cite , explique e exemplifique cada um deles.

Integrando conceitos: CHOQUES ELÉTRICOS

a) Por que o choque ocorre? Quando uma corrente elétrica atravessa nosso corpo, interfere com as

correntes internas carregadas pelos nervos e nos dá a sensação de formigamento.

Para que isto ocorra, é necessário existir uma diferença de potencial entre dois pontos do corpo: quanto maior esta diferença de potencial, maior a corrente elétrica e maior o choque.

Normalmente, um dos pontos são os pés, que estão em contato com o solo, e o outro ponto é o que entra em contato com algum aparelho ou fio.

O valor da corrente depende de vários fatores, como a voltagem e a resistência elétrica do caminho que ela percorre pelo corpo. A resistência do corpo humano varia de pessoa para pessoa e depende muito das condições da pele. A resistência do corpo humano molhado é muito menor do que quando seco. Molhado, a resistência baixa, e a corrente que passa pelo corpo pode ser muito alta, mesmo para uma pequena tensão.

É interessante notar que os danos causados pelos choques são mais relacionados com a corrente elétrica do que com as voltagem. Choques fatais podem ocorrer com voltagens de apenas 20V.

b)Danos ao corpo humano Quando uma corrente passa pelo

corpo, os seguintes efeitos podem ocorrer: sensação de formigamento, dor, contração e espasmos musculares, alteração nos batimentos cardíacos, parada respiratória, queimaduras e morte. Os danos decorrem do fato de a movimentação dos músculos e a transmissão de sinais nervosos se darem pela passagem de pequenas correntes elétricas.

Deve ser lembrado que também o trajeto que a corrente percorre no corpo humano é um fator determinante dos danos causados. Os choques mais perigosos são os recebidos quando se segura um fio em cada mão, pois o caminho da corrente passa próximo ao coração. Por isso os eletricistas evitam utilizar as duas mãos ao mesmo tempo quando mexem em um circuito elétrico que pode estar energizado.

• A tabela indica os valores de aproximados de corrente e os danos que causam.

Corrente(em mA) Danos que acarretam

1 a 10 Leve formigamento

10 a 20 Dor e forte ‘formigamento’

20 a 100 Convulsões e parada respiratória

100 a 200 Fibrilação

Acima de 200 Queimaduras e parada cardíaca

d) Situações de perigosas e como evitar choques- Lembre-se sempre de que correntes elétricas podem matar e que o número

de acidentes é grande.- Ao lidar com fios ou tomadas, certifique-se de que o disjuntor esteja

desligado. Mesmo assim antes de tocar em qualquer fio use uma chave-teste para verificar se existe ddp entre o fio e sue corpo.

- Tire da tomada qualquer equipamento antes de abri-lo . Não mexa nos circuitos de equipamento sem conhecer detalhadamente a função de cada componente (consertos devem ser feitos por especialistas) já que, mesmo desligados, alguns componentes (como os capacitores) podem causar violentos choques pois armazenam energia.

- Evite ao máximo usar aparelhos elétricos no banheiro ou nas proximidades de piscinas. Quando o corpo esta molhado, a condução de eletricidade através dele é facilitada e as chances de você sofrer lesões graves são maiores.

- Caso tenha crianças pequenas em casa compre tapadores de tomadas para evitar acidentes.

- Só use fios que estejam em perfeitas condições, inclusive para extensões elétricas.

- Nunca toque fios que estão na rua, mesmo quando a companhia elétrica indicou que a energia seria cortada.

EXERCÍCIOS

20. Qual a corrente, em mA, que passa em um chuveiro comum de 2200W de potência, ligado a uma tensão de 220V? Consultando a tabela do ítem b, qual os danos que acarretam um choque com essa amperagem.

21. Explique por que devemos evitar usar equipamentos elétricos no banheiro e piscinas.

e) O que fazer quando um choque acontece?

- Ao atender uma pessoa que levou um choque devemos, em minutos desligar a fonte de energia elétrica. Caso não seja possível desligar a energia, devemos usar um pedaço de madeira seca, por exemplo, para afastar os fios da pessoa. Nunca devemos utilizar canos ou madeira molhada.

RESPONDA

22. Por que esses materiais não devem ser utilizados?

- Após desligar a energia elétrica, devemos pedir ajuda imediatamente. O choque pode causar parada respiratória ou cardíaca.

RESPONDA

23. Qual o nome do aparelho utilizado em casos de parada cardíaca?

Isto tem utilidade?

A chave teste é montada no interior de um cabo de uma chave de fenda. A extremidade deste cabo é feita de metal. Um resistor e uma lâmpada de neon são ligados entre esta extremidade e a chave de fenda.

Quando colocamos a ponta da chave em contato com o fio que possui tensão (110 ou 220V) e tocamos a parte metálica do cabo, o circuito se fecha e a lâmpada acende, indicando que existe tensão entre o fio e a terra.

Isto tem utilidade?O relógio de luz O que comumente

chamamos de relógio da luz é na verdade um medidor da energia elétrica consumida na instalação onde é colocado.

Como ler o medidor e acompanhar o consumo

O medidor é composto por quatro relógios. A leitura é iniciada pelo primeiro deles, localizado à direita de quem o lê. O ponteiro gira no sentido do menor para o maior algarismo.

Ao fazer a leitura lêem-se os reloginhos da esquerda para a direita. A leitura corresponde sempre ao último número ultrapassado pelo ponteiro no seu sentido de rotação. Observe que o 1º e o 3º relógios giram no sentido anti-horário, enquanto o 2º e o 4º giram no sentido horário. Por exemplo , suponhamos que num dado instante, os reloginhos apresentem o seguinte aspecto:

KWh A leitura é então: 4.627KWh

Essa leitura em si não tem valor significativo. O que interessa é a diferença entre duas leituras consecutivas, a qual indica o consumo. Geralmente as leituras são feitas no intervalo de um mês. Por exemplo se a leitura do mês anterior foi de 5.273KWh, o consumo no período corresponde à diferença:

consumo = 5.273 – 4.627 = 646KWh

A “conta de luz” A conta de luz fornecida num período de tempo,

geralmente, de um mês marca o consumo medido pela diferença de leituras e é expresso em KWh. Observe o preço do KWh e os impostos que incidem sobre a conta e é possível analisar o consumo de energia elétrica nos diversos meses anteriores.