CORRENTE ELÉTRICA Até aqui a nossa discussão dos fenómenos elétricos concentraram-se em cargas em repouso Consideraremos agora as situações que envolvem cargas elétricas em movimento Corrente elétrica (ou corrente) é o fluxo da carga numa região do espaço Na maioria das situações comuns, o fluxo de carga ocorre num condutor, tal como um fio de cobre Neste caso Corrente elétrica: o movimento ordenado de eletrões Condição para que haja corrente elétrica deve existir uma diferença de potencial (DDP) em volt(V)
Aplicando-se uma diferença de potencial: Criam-se pólos positivos e negativos nos extremos
Fonte ddp =(VA – VB) VB VA O pólo positivo é de maior potencial (VA) O pólo negativo é de menor potencial (VB)
Não há corrente elétrica as cargas se movimentam em todas as direções
Unidade no SI: ampère (A): Corrente elétrica é o movimento ordenado de cargas elétricas Convencionalmente definimos a corrente elétrica como a direcção do fluxo de carga positiva Q é a quantidade de carga que atravessa a área A no intervalo de tempo t: Corrente elétrica instantânea I sentido não convencional Unidade no SI: ampère (A): 1 A = 1 C/s ddp =(VA – VB)
Podemos ter dois ou mais tipos de partículas que se deslocam, com cargas de ambos os sinais Um feixe de protões positivamente carregados num acelerador de partículas, a corrente está na direção do movimento dos protões. Nos gases e eletrólitos, a corrente é o resultado do fluxo de partículas carregadas positiva e negativamente Líquido Gás Sólido
Corrente elétrica iônica é o movimento ordenado de iões CONDUTORES IÓNICOS iões + Iões - Corrente elétrica iônica é o movimento ordenado de iões Portador de carga móvel
EXEMPLO: Intensidade da corrente elétrica A = área da seção transversal Nº eletrões Carga “e” Q (C) I (A)= Q/2 s -19 -19 01 1,6.10 1,6.10 0,8.10 -19 -19 -19 -19 02 1,6.10 3,2.10 1,6.10 -19 1,6.10 -19 -19 03 4,8.10 3,2.10
Q= número de portadores carga por portador = Modelo estrutural relaciona a corrente macroscópica ao movimento das partículas carregadas Volume do cilindro : número de portadores no elemento de volume: A carga móvel Q neste volume: Q= número de portadores carga por portador = Os portadores se deslocam ao longo do comprimento do condutor com uma velocidade média constante chamada de velocidade de migração (ou de deriva - drift) vd Distância percorrida pelos portadores de carga num intervalo de tempo t xd = vdt Supomos relaciona uma corrente I macroscópica com elementos microscópicos da corrente n, q, vd
Uma representação esquemática do movimento em ziguezague de um portador de carga num condutor As mudanças de sentido são devidas a colisões com átomos no condutor. A resultante do movimento dos eletrões está na direção oposta à direção do campo elétrico - Quando não existe ddp através do condutor, os eletrões do condutor realizam movimento aleatório similar àquele das moléculas de gás visto anteriormente na teoria cinética (Termodinâmica). Esse movimento aleatório está relacionado à temperatura do condutor. - Quando existe ddp o movimento dos eletrões devido à força elétrica é sobreposto ao seu movimento aleatório para fornecer uma velocidade média cujo módulo é a velocidade de migração, vd Quando os eletrões colidem com o átomo do metal durante o seu movimento, transferem energia para o átomo causando um aumento da energia de vibração dos átomos aumento da temperatura
Na verdade este é um processo que envolve três etapas : A energia no instante em que a ddp é aplicada é a energia potencial elétrica associada ao campo elétrico e aos eletrões. Esta energia é transformada em energia cinética pelo trabalho realizado pelo campo elétrico sobre os eletrões. Quando os eletrões colidem com os átomos do metal uma parte da energia cinética é transferida para os átomos esse soma à energia interna do sistema DENSIDADE DE CORRENTE J NO CONDUTOR Unidades do SI: ampères por metro quadrado: podemos generalizar a ideia de densidade de corrente para qualquer tipo de corrente , esteja ou não confinada a um condutor
Exemplo: Velocidade de Migração num Fio de Cobre
RESISTÊNCIA Vd está relacionada com o campo elétrico, E no fio se E aumentar, a Fe sobre os eletrões é mais forte e vd aumenta V E assim I V Podemos escrever essa proporcionalidade como V = IR A constante de proporcionalidade R é chamada de resistência do condutor Esta resistência é causada por colisões dos eletrões com os átomos do condutor Unidade SI: volt/ ampère, chamada de ohm () RESISTÊNCIA
Resistência à passagem da corrente elétrica no fio
LEI DE OHM Verificou-se experimentalmente que para muitos materiais, incluindo os metais, a resistência é constante para grande parte das tensões aplicadas. Esse comportamento é conhecido como lei de Ohm em homenagem a Georg Simon Ohm (1787-1854) foi a primeira pessoa a fazer um estudo sistemático da resistência elétrica. A lei de Ohm não é uma lei fundamental da natureza, mas uma relação empírica válida somente para determinados materiais e dispositivos, sob uma escala limitada de condições O declive é (a) (b) a) Curva da corrente em função da tensão para um dispositivo óhmico. A curva é linear e o declive fornece a resistência do condutor : b) Uma curva não linear da corrente em função da tensão para um díodo semicondutor. Esse dispositivo não obedece à lei de Ohm.
O símbolo para um resistor em diagramas de circuito A principal função do resistor num circuito é controlar a corrente A resistência de um fio condutor óhmico é proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à sua área de seção transversal: resistividade do material Unidades da resistividade : ohm-metro (-m ) comprimento do fio Condutividade tem a unidade ( )-1
Exemplo: Um condutor de alumínio tem 300 m de comprimento e 2 mm de diâmetro. Calcule a sua resistência elétrica. Dados: Comprimento do fio, L=300 m, diâmetro do fio, D=2 mm, resistividade do alumínio 2.810-8 -m. Solução R=1mm A=R2 =3.14(1mm)2 =3.14 mm2 =3.1410-6 m2 Considerando a resistividade expressa em ( m). Nesse caso o comprimento deve estar expresso em m, e a área da seção em m2, portanto substituindo na expressão da resistência resulta:
VARIAÇÃO DA RESISTIVIDADE COM A TEMPERATURA A resistividade depende de vários fatores, um dos quais é a temperatura É de se esperar, uma vez que com o aumento da temperatura os átomos movem-se mais rapidamente no aumento de colisões entre os eletrões livres e os átomos Fio frio Fio quente o coeficiente de resistividade de temperatura resistividade para como A resistividade do cobre em função de T
Condutores, semicondutores e isoladores RESISTIVIDADE DE ALGUNS MATERIAIS Condutores, semicondutores e isoladores
RESISTIVIDADE EM TERMOS DE PARÂMETROS MICROSCÓPICOS Um eletrão de massa m num condutor está num campo elétrico e sofre uma aceleração A velocidade de deriva pode ser escrita como: onde é o tempo médio entre as colisões Sabemos que Igualando as duas expressões onde 20
SUPERCONDUTORES Para uma classe de metais e de compostos conhecidos como supercondutores, a resistência vai a zero abaixo de uma determinada temperatura crítica Tc As resistividades dos supercondutores abaixo de Tc são menores do que 4 10-25 Alumínio, Estanho, chumbo 1017 vezes menor do que a resistividade do cobre e considerada como nula na prática. Uma das características verdadeiramente notáveis dos supercondutores é o facto que, uma vez que uma corrente é criada neles, ela persiste (por anos) sem nenhuma tensão aplicada (porque R = 0): 21
A segunda característica denominada de Efeito Messner: é o diamagnetismo perfeito, ou seja, exclusão do campo magnético de seu interior. Demonstração do efeito Meissner: consiste em fazer com que um imã permanente flutue sobre a superfície de um supercondutor. As linhas do campo magnético são bloqueadas e não penetram no supercondutor, tomando uma forma semelhante a que teriam se houvesse, dentro do condutor, um outro imã idêntico, o qual chamamos de imã “imagem”. Assim, o imã sofre uma repulsão que anula o seu peso, levitando sobre o supercondutor. Um imã levitando sôbre o nitrogénio líquido refrigerado à temperatura de -200 C. Hoje já são conhecidos supercondutores com temperatura crítica acima de 130 K.