Introdução à Eletricidade e ao Magnetismo

Breve história da eletricidade Tales de Mileto – Atritou a pele de um animal com um pedaço de âmbar e percebeu que este passava a atrair pequenos objetos leves, como pedacinhos de palha, pequenas sementes e penas. Willian Gilbert – Médico da rainha Elizabeth I, rainha da Inglaterra, notou que além do âmbar outros materiais sofriam o mesmo fenômeno. ( Vidro, enxofre e resinas)

Breve história da eletricidade Otto Von Guericke – Prefeito da cidade de Magdeburgo, Alemanha, montou a primeira máquina eletrostática de que se tem notícia.

Breve história da eletricidade Alessandro Volta – físico italiano que construiu a primeira pilha elétrica, o que tornou possível a obtenção da corrente elétrica, isto é, cargas elétricas em movimento.

Lei de Coulomb Foi o francês Charles Augustim de Coulomb quem formulou, em 1785, a lei matemática que rege as interações entre partículas eletrizadas. Usando o modelo newtoniano, ele estabeleceu que a interação eletrostática entre essas partículas manifestava-se por meio de forças de atração e repulsão, dependendo dos sinais das cargas. Imagem: ArtMechanic / domínio público

Eletricidade É uma forma de energia, um fenômeno que é um resultado da existência de cargas elétricas. A teoria de eletricidade e seu inseparável efeito, Magnetismo, é provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias científicas. O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invenção de motores, geradores, telefones, rádio e televisão, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear. A eletricidade é uma necessidade para a civilização moderna. A eletrodinâmica estuda as correntes elétricas, suas causas e seus efeitos. As correntes elétricas desempenham um papel fundamental em nosso cotidiano.

Modelo atômico

Corpos neutros e corpos eletrizados Os objetos materiais são formados por átomos, o que significa que eles são constituídos de elétrons e prótons (e nêutrons). Um objeto neutro possui mesmo número de elétrons e prótons. Um corpo eletrizado (ou eletricamente carregado) apresenta um desequilíbrio nos números de prótons e elétrons.

Corpos neutros e corpos eletrizados Corpo eletricamente neutro Corpo eletrizado positivamente Corpo eletrizado negativamente

Princípio fundamental da eletrostática Corpos de sinais iguais se repelem.

Princípio fundamental da eletrostática Corpos de sinais diferentes se atraem.

Corpos eletrizados

Resistores São componentes eletrônicos que tem a função de limitar a corrente elétrica que passa num determinado ponto do circuito, e podem ser fabricados com os mais diversos valores de resistência. Os resistores mais comuns são os de carbono (grafite), filme metálico e o de fio enrolado.

Condutores Os materiais condutores são aqueles que possuem muito baixa resistência elétrica, facilitando a corrente elétrica em seu interior, e assim podem ser usados para conduzir eletricidade. Isso é devido a facilidade de ceder elétrons livres da sua camada de valência. Ex.: cobre, alumínio, platina ferro

Isolantes O comportamento de um isolante é oposto ao de um condutor. Os átomos desses corpos, uma vez agrupados em moléculas não cedem elétrons para outros átomos, e impedem desta forma o trânsito de elétrons livres pelo seu interior. Dessa forma os materiais isolantes são aqueles que possuem muito alta resistência elétrica, bloqueando a passagem de corrente elétrica. Ex.: borracha, mica, vidro, porcelana, cerâmica. OBS: NÃO EXISTE ISOLANTE OU CONDUTOR PERFEITO

Isolantes OBS: NÃO EXISTE ISOLANTE OU CONDUTOR PERFEITO

Semicondutores Sua resistência é considerada intermediária, não é um isolante e nem um condutor. Porém pode através de um processo chamado dopagem e outro chamado polarização comportar-se como ambos ao mesmo tempo. Ex : Silício Si e Germânio Ge OBS: O SEMICONDUTORES SÃO A BASE DE TODA A INDÚSTRIA ELETROELETRÔNICA ATUAL.

Tipos de eletrização Eletrização por Atrito Atritando um corpo ao outro, há transferência de elétrons entre eles. Ficando um corpo eletrizado positivamente (o que perde elétrons), e o outro eletrizado negativamente (o que ganha elétrons). Perderá elétrons o átomo que exercer menor força sobre eles. Assim, um mesmo corpo poderá se eletrizar positivamente ou negativamente, dependendo do corpo com o qual for atritado.

Tipos de eletrização Eletrização por Contato Considerando um corpo eletrizado positivamente e um condutor não eletrizado; ao encostar o corpo eletrizado à extremidade negativa do condutor, haverá troca das suas cargas, deixando esta extremidade neutra. Ao retirar o bastão, as cargas da extremidade contrária, se espalharão em todo condutor, ficando este eletrizado positivamente. Este processo de eletrização é denominado eletrização por contato ou condução.

Tipos de eletrização Eletrização por Indução Aproximando um corpo eletrizado positivamente (exemplo), à um condutor não eletrizado, apoiado em um suporte isolante, pode-se observar que os elétrons livres, existentes em grande quantidade no condutor são atraídos pela carga positiva do corpo. A aproximação do corpo carregado provoca no condutor, uma separação de cargas, embora, como um todo, ele continue neutro (sua carga total é nula). Esta separação de cargas em um condutor, provocada pela aproximação de um corpo eletrizado, é denominada indução eletrostática.

Carga Elétrica A matéria é formada de pequenas partículas, os átomos. Cada átomo, por sua vez, é constituído de partículas ainda menores, no núcleo: os prótons (positivos) e os nêutrons (sem carga); na eletrosfera: os elétrons (negativos). Às partículas eletrizadas, elétrons e prótons, chamamos "carga elétrica".

Medida da Carga Elétrica Δq = - n.e (se houver excesso de elétrons) Δq = + n.e (se houver falta de elétrons) e = 1,6.10-19 C Onde: Δq = quantidade de carga (C) n = número de cargas e = carga elementar (C) unidade de carga elétrica no SI é o coulomb (C)

Movimento dos elétrons Nos metais, os elétrons das últimas camadas são fracamente ligados a seu núcleo atômico, podendo facilmente locomover-se pelo material. Geralmente, este movimento é aleatório, ou seja, desordenado, não seguindo uma direção privilegiada.

Causa da corrente elétrica: É o movimento ordenado de portadores de carga elétrica ao longo de um condutor, isto é, é o movimento que ocorre numa direção e num sentido definido. Causa da corrente elétrica: Estabelecida uma ddp (diferença de potencial) ou tensão elétrica entre os terminais do condutor ,obtemos ,então, um deslocamento de portadores de carga.

Intensidade da corrente elétrica Onde: Q = quantidade de carga elétrica → C ∆T = intervalo de tempo → s Im = Intensidade média da corrente elétrica = A

Intensidade da corrente elétrica

Tipos de corrente elétrica Quando a intensidade da corrente elétrica e o sentido do deslocamento permanecem constantes, chamamos essa corrente de CORRENTE CONTÍNUA CONSTANTE. Essa corrente é gerada por pilhas e baterias.

Tipos de corrente elétrica Quando o sentido da corrente alterna e a intensidade varia entre um máximo e um mínimo, então ela será chamada de CORRENTE ALTERNADA. É gerada pelas hidroelétricas.

Efeitos da corrente elétrica EFEITO TÉRMICO – EFEITO JOULE Quando os elétrons livres são acelerados no interior dos condutores, eles colidem com os átomos do material. Essas colisões transferem energia fazendo com que esses átomos aumentem sua VIBRAÇÃO. Essa situação, macroscopicamente é evidenciada pelo aumento da temperatura do condutor gerando o CALOR. Esse efeito também é conhecido por EFEITO JOULE. CHUVEIROS ELÉTRICOS FERROS ELÉTRICOS FUSÍVEIS SECADOR DE CABELO CHAPINHA LÂMPADA INCANDESCENTE

Efeitos da corrente elétrica EFEITO QUÍMICO Quando uma corrente elétrica atravessa uma solução de ácido sulfúrico, por exemplo, observamos a formação dos gases oxigênio e hidrogênio no cátodo e ânodo. A corrente produz uma ação nos elementos da substância.

Efeitos da corrente elétrica EFEITO FISIOLÓGICO Por que ocorre o choque? A corrente elétrica, quando percorre o corpo humano, interfere junto às correntes internas carregadas pelos nervos, dando-nos a sensação de formigamento. Para que o choque ocorra, deve haver uma diferença de potencial entre dois pontos distintos do corpo humano, ou seja, quanto maior for a diferença de potencial, maior será a corrente elétrica, como consequência, o choque também será maior. Geralmente, um desses pontos são os pés, que estão em contato com o solo, e o outro ponto é o que de fato entra em contato com algum aparelho elétrico ou fio elétrico.

Efeitos da corrente elétrica EFEITO MAGNÉTICO Quando a corrente elétrica percorre um condutor, ela produz em torno desse condutor um campo magnético. EFEITO LUMINOSO O efeito luminoso é uma consequência do efeito Joule. Após o condutor ser aquecido, ele então emite ondas eletromagnéticas dentro do espectro da luz visível.

Danos causados ao corpo humano Quando uma corrente elétrica passa pelo corpo humano, estamos aptos a sentir os seguintes efeitos: pequeno formigamento, dores, espasmos musculares, contrações musculares, alteração nos batimentos cardíacos, parada respiratória, queimaduras e morte. Os danos são provenientes do fato de o movimento dos músculos e as transmissões de sinais nervosos ocorrerem pela passagem de pequenas correntes elétricas. Temos que lembrar que outro fator que pode causar danos ao corpo humano é o trajeto que a corrente faz. O fato de ela passar pelo coração, que é um músculo, causa os espasmos que alteram o ritmo cardíaco, deixando-o irregular. Os choques mais perigosos ocorrem quando uma pessoa segura com as duas mãos o fio elétrico, pois o caminho a ser percorrido pela corrente elétrica fica mais próximo do coração.

Chances de Salvamento

Valores aproximados de corrente e os danos que causam: 1 mA a 10 mA – apenas formigamento; 10 mA a 20 mA – dor e forte formigamento; 20 mA a 100 mA – convulsões e parada respiratória; 100 mA a 200 mA – fibrilação; acima de 200 mA – queimaduras e parada cardíaca. Fonte: http://www.brasilescola.com/fisica/choques-eletricos.htm

Sentido da corrente elétrica Inicialmente, nos condutores sólidos, pensava-se que a corrente elétrica era consequência do movimento de cargas positivas. Dessa forma, o sentido da corrente seria do potencial maior(+) para o potencial menor(-). Esse sentido chamou-se de CONVENCIONAL. Sabemos então que o sentido REAL da corrente elétrica(elétrons) é do potencial menor(-) para o maior potencial(+), isto é, contrário ao sentido do campo elétrico estabelecido no interior do condutor.

Exemplos 1-) Se em uma secção transversal de um condutor passar 30C em 6s. Temos uma corrente de: 2-) Uma corrente elétrica de intensidade igual a 5 A percorre um fio condutor. Determine o valor da carga que passa através de uma secção transversal em 1 minuto. 3-) Em um relâmpago, a carga elétrica envolvida na descarga atmosférica é da ordem de 10 coulombs. Se o relâmpago dura cerca de 10-3 segundos, a corrente elétrica média, vale, em ampère:

Exemplos 4-) Um condutor é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i = 800 mA. Conhecida a carga elétrica elementar, e = 1,6 × 10-19C, o número de elétrons que atravessa uma seção normal desse condutor, por segundo, é?

Magnetismo

Conceitos iniciais O termo magnetismo resultou do nome Magnésia, região da Ásia Menor (Turquia), devido a um minério chamado magnetita (ímã natural) com a propriedade de atrair objetos ferrosos à distância (sem contato físico).

Propriedades Magnéticas A Magnetita é um mineral magnético formado pelos óxidos de ferro II e III cuja fórmula química é Fe3O4. A magnetita apresenta na sua composição, aproximadamente, 69% de FeO e 31% de Fe2O3 ou 26,7% de ferro e 72,4% de oxigênio. O mineral apresenta forma cristalina, geralmente na forma octaédrica. É um material quebradiço, fortemente magnético, de cor preta, de brilho metálico, com densidade de 5,18 g/cm3. A magnetita é a pedra-ímã mais magnética de todos os minerais da Terra, e a existência desta propriedade foi utilizada para a fabricação de bússolas.

Orientação Geográfica Norte Geográfico Sul Geográfico