Corrente elétricas A partir do modelo atômico de Bohr, que o define pela junção de prótons, nêutrons e elétrons, é possível explicar a alta condutividade dos metais, devida à presença dos elétrons livres. Na ausência de campo elétrico externo, ou seja, quando não há nenhuma força externa aplicada aos elétrons livres, o fluxo líquido de cargas em um condutor é nulo em qualquer direção. Ao aplicar uma diferença de potencial nas extremidades do condutor, o campo elétrico aplicado desloca os elétrons livres na direção do maior potencial. O fluxo de cargas em uma seção reta do condutor, ou seja, a quantidade de cargas que atravessa essa seção, por unidade de tempo, é definido como corrente elétrica. i= Δ Q Δ t [ A ] A unidade de medida da corrente elétrica é Ampere, em homenagem ao físico francês André-Marie Ampére. A medida de 1 A corresponde ao fluxo de 1 C por segundo. Exemplo 01: Determine o tempo necessário para que 4 x 10 16 elétrons atravessem a seção reta de um condutor, sabendo que a corrente elétrica é 5 ma. Considerando que a corrente elétrica é definida pelo fluxo de carga, é importante definir o sentido de deslocamento das cargas. À época dos experimentos de Ampére, o modelo atômico ainda não estava estabelecido e acreditava-se que as cargas positivas que se deslocavam, assim, foi definido que o sentido convencional de deslocamento da corrente é do maior para o menor potencial elétrico. Tensão O deslocamento das cargas, e consequente uma corrente elétrica, depende da aplicação de um campo elétrico externo. Isso pode ser garantido a partir da diferença de potencial entre dois pontos. Como toda grandeza potencial, o potencial elétrico é a base para a energia potencial elétrica (semelhante ao potencial gravitacional e a energia potencial gravitacional). Essa energia potencial é
então usada para realizar trabalho, que nesse caso é o deslocamento das cargas, assim como a energia potencial gravitacional ou elástica deslocam uma massa. V = W Q [V ] onde V é a diferença de potencial, medida em Volts, e W é a energia potencial elétrica, medida em Joules. Assim, é preciso uma fonte de energia que forneça uma diferença de potencial para geração de corrente elétrica. Fontes de tensão CC A sigla CC é usada para corrente contínua, que define um sistema onde o sentido da corrente é sempre o mesmo. Assim, uma fonte de tensão CC é aquela em que a diferença de potencial entre os terminais da fonte tem sempre o mesmo sinal algébrico. Uma fonte de tensão ideal fornece uma diferença de potencial constante, independente da corrente gerada por ela. A fonte é representada, em diagramas de circuitos elétricos, pelo símbolo: Em geral, elas podem ser divididas em 3 grupos: baterias, geradores e fontes de alimentação. 1- Bateria A bateria provoca, às custas de reações químicas, um acúmulo de cargas positivas (íons) em um terminal e um acúmulo de cargas negativas (elétrons) no outro. Ao fazer a conexão entre os dois terminais, usando um meio condutor (por exemplo, metal), os elétrons livres são atraídos pelos íons no terminal positivo, gerando corrente elétrica. O terminal negativo funciona como uma fonte de elétrons suprindo o condutor de cargas
negativas a medida que os elétrons livres se deslocam. Conjunto formado por um contato positivo (anodo) e um contato negativo (catodo) constitui uma célula. A associação em série de 2 ou mais células, formando uma bateria de células, forma o que se define como bateria. Ao cessar o contato elétrico entre os terminais da bateria, o caminho percorrido pelas cargas é também interrompido, anulando a corrente elétrica. A tensão fornecida pela bateria, no entanto, é mantida. Em outras palavras, haverá corrente elétrica enquanto houver um circuito fechado para circulação da corrente. A bateria fornecerá cargas negativas em seu catodo enquanto houver matéria-prima para as reações químicas em seu eletrólito. Dado que o consumo de energia elétrica (a partir da energia química) se dá com a circulação de corrente: Δ t i=δq em outras palavras, a capacidade de uma bateria é medida pela sua carga elétrica total que pode ser gerada a partir das reações químicas em seu eletrólito. A unidade de medida de carga elétrica é o Coulomb, no entanto, pela equação acima vemos que [C] = [A][s], dessa forma, a indústria usa como unidade o ampere-hora [Ah]. Uma bateria ideal fornece uma tensão constante até o fim de sua carga. Uma bateria real, entretanto, mostra uma queda gradativa na diferença de potencial fornecida a medida que sua carga diminui. Adicionalmente, a capacidade de manter um nível de corrente constante diminui quando a corrente solicitada aumenta e quando a temperatura é diferente da ambiente.
2- Geradores O princípio de geração de diferença de potencial em geradores é totalmente diferente das baterias. Em geradores há uma conversão eletromecânica, onde uma fonte mecânica externa (queda d'água, vapor d'água pressurizado, vento, correntes marítimas, etc) movem um eixo magnetizado (rotor), induzindo corrente elétrica nos terminais de bobinas instaladas em torno de eixo (estator). A duração do fornecimento de tensão dependerá somente da existência da força mecânica externa, que geralmente é indefinida, não podendo portanto ser calculada diretamente.
O limite do valor de corrente a ser fornecida pela fonte, entretanto, é conhecida e definida pelo campo magnético do rotor, do número de bobinas do estator, do número de espiras de cada bobina, da distância entre o rotor e o estator, a permissividade elétrica e permeabilidade magnética desse meio, etc. 3- Fontes de alimentação A tensão fornecida por fontes de alimentação são provenientes do condicionamento da tensão alternada fornecida por outras fontes (geradores ou rede elétrica, por exemplo). Esse condicionamento é feito a partir de circuitos elétricos (eletrônicos) que retificam a tensão alternada senoidal, transformando-a em constante. Essa tensão é então regulada para os valores de interesse. Apesar da diferença nos princípios de funcionamento entre as diferentes fontes, é sempre usado o mesmo símbolo em diagramas de circuitos elétricos. Condutores e isolantes Denominamos condutores os materiais que permitem a passagem de corrente razoavelmente intensa com a aplicação de uma tensão relativamente pequena. Nos metais esse fenômeno ocorre pela existência dos elétrons livres. Em meios líquidos isso pode ocorrer pela presença de íons (soluções iônicas), que são moléculas carregadas e podem se deslocar facilmente no meio líquido. O cobre é um dos materiais mais usado para fabricação de fios condutores. Dada sua popularidade, a tabela abaixo mostra a condutividade relativa entre vários materiais, comparando-as com a do cobre.
Os isolantes são materiais os quais é necessária uma tensão relativamente elevada para que eles sejam percorridos por uma corrente mensurável. É importante lembrar, no entanto, que todo isolante se tornará condutor se for submetido a uma diferença de potencial suficientemente elevada. O valor do campo elétrico correspondente a essa tensão é chamada rigidez dielétrica do material. Isso acontece porque, ao aplicar uma tensão extremamente elevada em um meio isolante, essa tensão será alta o suficiente para arrancar os elétrons das moléculas que constituem esse meio, mesmo eles não sendo elétrons livres. Além do deslocamento desses elétrons arrancados, há formação de íons no meio isolante, que podem também se deslocar. A tabela abaixo mostra o valor da rigidez dielétrica para alguns materiais. Em geral, a relação entre a rigidez dielétrica e condutividade é inversamente proporcional.