Corrente elétrica. Corrente contínua e condição de existência da corrente elétrica:

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1 Corrente elétrica Corrente contínua e condição de existência da corrente elétrica: Sobre qualquer partícula com carga na presença de um campo elétrico vai atuar uma força igual a F=qE onde q é a carga da partícula e E o campo elétrico. Se a carga é livre então, sob a ação dessa força, a partícula entrará em movimento. Portadores de carga: - define-se como portadores de cargas as partículas carregadas que sob a ação da força elétrica são capazes de se movimentar. Obs: Em diferentes substâncias os transportadores de cargas são diferentes. Metais - elétrons Soluções eletrolíticas - íons Gases - íons de diferentes grau de ionização e elétrons Semicondutores - elétrons e lacunas.

2 Corrente elétrica Corrente elétrica: - define-se como corrente elétrica o movimento ordenado dos portadores de carga. Obs: Foi proposto por Franklin que a corrente elétrica teria o sentido das cargas positivas. Essa escolha não foi muito boa porque, nos condutores mais comuns que são os metais o transporte das carga é feito pelos elétrons. Deste modo temos que o movimento dos elétrons nos metais é sempre contrário ao sentido da corrente elétrica. Para que exista a corrente é necessário que o meio contenha transportadores de cargas e uma força capaz de colocar os transportadores de cargas. Se E=0 teremos apenas o movimento caótico das partículas carregadas que é caracterizado pela agitação térmica. Se o campo elétrico é diferente de zero então o movimento dos transportadores de carga será composto pelo movimento caótico mais o movimento ordenado dos portadores.

3 Se em um condutor e x i s t e u m c a m p o elétrico, então as cargas vão se movimentar de um lado para outro rapidamente de forma a tentar anular esse campo elétrico e qdo o campo (B) desaparecer a corrente deixará de circular. Portanto, para fazer com que a corrente circule por (A) um tempo longo pelo Representação esquemática de um capacitor circuito ao lado é necessário que um agente externo obrigue as cargas a se movimentarem na direção contrária ao campo para manter a diferença de potencial constante entre as placas.

4 Desta forma, em um circuito fechado deve existir, junto com o trecho onde as cargas negativas vão da placa negativa para a placa positiva (A) um trecho em que elas são obrigadas a se movimentarem na direção contrária a esse campo (B). O transporte de cargas nesse trecho só é possível pela ação de uma força de origem não eletrostática. Essas forças podem ser de origem química, difusiva devido a diferença de densidade entre dois meios ou magnética. Portanto, em um circuito sempre deve existir um agente externo responsável por repor as cargas elétricas. Em geral, esse agente externo recebe o nome de força eletromotriz. Como exemplo de força eletromotriz temos as baterias, células fotoelétricas, termopares e etc. Todos esses dispositivos são responsáveis por converter algumas formas de energia (mecânica, química, térmica etc) em energia potencial eletrostática.

5 A figura abaixo mostra uma fonte de força eletromotriz ideal que mantém a diferença de potencial entre os terminais (a) e (b) constante. O terminal (a) positivo é mantido com um potencial elevado relação ao terminal (b). Essa diferença de potencial entre os terminais (a) e (b) dará origem a um campo elétrico para baixo. As cargas no interior da fonte experimentam uma força F=qE para baixo no entanto, no interior da fonte existe uma força de origem não eletrostática que faz com que as cargas se movam de (b) para (a). A origem dessa força não eletrostática depende do tipo de fonte em questão. Se as cargas estão se movimentando do terminal (b) para o (a) dentro da fonte então, as forças não eletrostáticas estão realizando um Fonte ideal de força eletromotriz trabalho positivo igual a e isto faz com que a energia potencial sofra um acréscimo igual a qva,b onde Va,b é a diferença de potencial entre os pontos (a) e (b). Portanto, podemos igualar essas duas expressões e escrever que:

6 Fonte real de força eletromotriz Vamos agora analisar um caso mais próximo da realidade onde os terminais (a) e (b) são conectados externamente através de um fio com resistência elétrica R, como mostrado na figura ao lado. O campo elétrico no interior do fio dará origem a uma corrente no sentido indicado na figura. De acordo com a lei de Ohm podemos escrever que: (caso ideal). Resistência interna: Uma fonte real de força eletromotriz se comporta de modo diferente do descrito acima. Isto acontece porque a diferença de potencial em uma fonte real não é igual a força eletromotriz porque as cargas ao se movimentarem interior de uma fonte vão experimentar uma resistência que chamamos de resistência interna da fonte e a representamos pela letra r.

7 Quando a corrente circula pela resistência r ocorrerá uma queda na diferença de potencial igual a Ir. Portanto, quando a corrente flui no interior da fonte de (b) para (a) a diferença de potencial entre os terminais é: O potencial Va,b chamado de voltagem nos terminais, é menor que a força eletromotriz devido a queda Ir. Uma pilha possui 1,5 V em seus terminais somente quando a corrente do circuito é igual a zero. Em geral, quando a corrente é diferente de zero a diferença de potencial nos terminais da pilha sofre uma pequena queda e a corrente que circula pelo circuito externo é igual a:

8 Exemplos Resistência de um cabo coaxial: Obs: Os cabos coaxiais são muito utilizados em aparelhos de televisão e em laboratórios. Eles são constituídos de dois condutores dispostos concentricamente. A região entre os condutores é preenchida com um material isolante de modo a evitar correntes radiais. Seja o raio interno igual a 0,5 cm, externo igual a 1,75 cm e comprimento 15 cm. Obter a resistência entre os condutores.

9 Exemplos Exemplo 1: A resistência externa de um circuito é vezes maior que a resistência interna da fonte. Obter a relação para esse circuito.