VISÃO MICROSCÓPICA DA CONDUÇÃO EM METAIS O FUNCIONAMENTO DOS APARELHOS ELÉTRICOS PODE SER ENTENDIDO EM FUNÇÃO DE QUATRO GRANDEZAS PRINCIPAIS: Potência Intensidade de Corrente Resistência Tensão Elétrica P I R U QUE NÓS INDICAREMOS PELAS LETRAS ACIMA. MUITAS VEZES OS APARELHOS TRAZEM ESTAS INFORMAÇÕES, PARA QUE POSSAMOS NOS INFORMAR SOBRE SUAS CONDIÇÕES DE FUNCIONAMENTO. UM LIQÜIDIFICADOR, POR EXEMPLO, PODE TRAZER SOB O GABINETE DE SEU MOTOR A INSCRIÇÃO: ISTO SIGNIFICA QUE ELE FOI PROJETADO PARA FUNCIONAR SOB UMA TENSÃO ELÉTRICA DE 115 VOLTS (V). SE VOCÊ LIGÁ-LO EM UMA TOMADA 220V O APARELHO IRÁ FUNCIONAR COM VELOCI- DADE DE ROTAÇÃO MAIOR, PORÉM IRÁ AQUECER MUITO E O MOTOR SERÁ DANIFICADO. OUTRA INFORMAÇÃO DADA SÃO OS LUÍS PAULO DE CARVALHO PIASSI PHILIPS RI 3121 115V ~ 50/60Hz 300W SER 7345 IND.BRAS. / MADE BRAZIL 300 WATTS (W), QUE INDICA A POTÊNCIA, OU SEJA, A QUANTIDADE DE ENERGIA QUE O APARELHO CONSOME POR UNIDADE DE TEMPO. ALGUNS APARELHOS TRAZEM INFORMAÇÕES DIFERENTES COMO INTENSIDADE DE COR- RENTE OU RESISTÊNCIA. A INTENSIDADE DE CORRENTE ESTÁ ASSOCIADA À QUANTIDADE DE CARGA ELÉTRICA QUE ATRAVESSA UM PONTO DO FIO POR SEGUNDO. A RESISTÊNCIA ELÉTRICA INDICA A DIFICULDADE, OU RESISTÊNCIA OFERECIDA PELO APARELHO, OU MATERIAL, À PASSAGEM DA CORRENTE ELÉTRICA. ASSIM, ISOLANTES POSSUEM ALTA RESISTÊNCIA À PASSAGEM DE CORRENTE ENQUANTO NOS CONDUTORES A RESISTÊNCIA É BAIXA. A TABELA ABAIXO INDICA A UNIDADE DE MEDIDA DESSAS GRANDEZAS NO S ISTEMA INTERNACIONAL E OS SEUS SÍMBOLOS: GRANDEZA UNIDADE SÍMBOLO NOME NOME SÍMBOLO P I R U Potência Intensidade de Corrente Resistência Elétrica Tensão Elétrica Watt Ampère Ohm O QUE FAREMOS AGORA É TENTAR ENTENDER MELHOR O SIGNIFICADO DESTAS GRAN- DEZAS. PARA ISSO VAMOS APRESENTAR UM MODELO TEÓRICO QUE EXPLIQUE O QUE OCORRE MICROSCOPICAMENTE EM UM FIO COM CORRENTE ELÉTRICA. UM MODELO É UMA EXPLICAÇÃO TEÓRICA DE UM FENÔMENO COM BASE EM UMA TEORIA E EM HIPÓTESES CONSIDERADAS PLAUSÍVEIS PELA OBSERVAÇÃO PRÁTICA. NOSSO MODELO, POR EXEMPLO, FAZ USO DA TEORIA ATÔMICA DA MATÉRIA, HOJE EM DIA, ACREDITAMOS QUE TODA MATÉRIA SEJA CONSTITUÍDA DE CORPÚSCULOS EXTREMAMEN- TE MINÚSCULOS DENOMINADOS Volt ÁTOMOS. W A W V
OS ÁTOMOS SÃO MUITO PEQUENOS. SE UM ÁTOMO FOSSE DESTE TAMANHO A BOLINHA DA PONTA DE UMA CANETA TERIA 10 KM DE DIÂMETRO. ALIÁS, UMA BOLINHA DE PONTA DE CANETA DEVE CONTER UNS... 1.000.000.000.000.000.000.000 DE ÁTOMOS. DOS ÁTOMOS ESTÃO LIGADOS MUITO FRACAMENTE A ELES, PODENDO SE MOVER LIVRE- MENTE. figura 1 A FIGURA AO LADO É UMA REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DO ÁTOMO. NA PARTE INTERNA DO ÁTOMO ENCONTRAM-SE PARTÍCULAS INFINITAMENTE PEQUENAS CHAMADAS ELÉTRONS. OS ELÉTRONS POSSUEM CARGA ELÉTRICA NEGATIVA E A REGIÃO ONDE SE MOVEM CHAMA-SE ELETROSFERA. AS REGIÕES MAIS ESCURAS RE- PRESENTADAS NA FIGURA SÃO OS LOCAIS ONDE É MAIS PROVÁVEL SE ENCONTRAR UM ELÉTRON. figura 2 OS ELÉTRONS LIVRES MOVEM-SE ALEATORIAMENTE ENTRE OS ÁTOMOS COM ALTA VELOCIDADE. A FIGURA MOSTRA O MOVIMENTO DE UM ELÉTRON NESSA SITUAÇÃO. VISTO DE MANEIRA MAIS AMPLA A TRAJETÓRIA DO ELÉTRON SERIA ALGO ASSIM: DE MODO QUE O ELÉTRON PRATICAMENTE NÃO SAI DO LUGAR, figura 3 FICANDO EM MOVIMENTO ALEATÓRIO EM TORNO DE UMA REGIÃO. ESTE FENÔMENO SÓ OCORRE EM CONDUTORES, POIS NOS MATERIAIS ISOLANTES NÃO HÁ ELÉTRONS LIVRES! A PARTE CENTRAL DO ÁTOMO É O NÚCLEO CONSTITUÍDO DE PARTÍCULAS EXTEMAMENTE PEQUENAS: OS PRÓTONS QUE TEM CARGA POSITIVA, E OS NÊUTRONS QUE NÃO POSSUEM CARGA. O NÚCLEO É MUITO MENOR QUE A ELETROSFERA (10 MIL VEZES MENOR) E É MANTIDO POR UMA FORÇA NUCLEAR QUE EXISTE ENTRE SUAS PARTÍCULAS. EM UM ÁTOMO NEUTRO, OS NÚMEROS DE PRÓTONS E ELÉTRONS SÃO IGUAIS. EM MATERIAIS CONDUTORES COMO OS METAIS OS ELÉTRONS DA PARTE MAIS EXTERNA EM UMA REGIÃO COMO A DA FIGURA 2, SE CADA ÁTOMO POSSUI UM ELÉTRON LIVRE, TEREMOS ALGO EM TORNO DE 24 ELÉTRONS EM MOVIMENTO ALEATÓRIO (UM POR ÁTOMO). OS ÁTOMOS TAMBÉM ESTÃO EM MOVIMENTO, PORÉM MUITO PEQUENO, APENAS VIBRANDO EM TORNO DE SUAS POSIÇÕES. CORRENTE ELÉTRICA (I) VAMOS DISCUTIR AGORA A INTERPRETAÇÃO MICROSCÓPICA DA CORRENTE. COM ISSO, PODEMOS COMPREENDER POR EXEMPLO POR QUE A PASSAGEM DE CORRENTE PROVOCA
O AQUECIMENTO DE UM FIO. ESSE AQUECIMENTO RECEBE O NOME DE EFEITO JOULE E É A BASE DO FUNCIONAMENTO DE TODOS OS APARELHOS RESISTIVOS. QUANDO LIGAMOS UM APARELHO A UMA TOMADA OU BATERIA, UMA SITUAÇÃO NOVA SE ESTABELECE NOS FIOS CONDUTORES. AO LONGO DE TODA EXTENSÃO DO CONDUTOR UMA FORÇA COMEÇA AGIR SOBRE TODAS AS CARGAS IMPULSIONANDO-AS EM UM DETERMINADO SENTIDO NA DIREÇÃO DO FIO. DESSE MODO, QUANDO O APARELHO É ACIONADO, ALÉM DO MOVIMENTO ALEATÓRIO QUE OS ELÉTRONS TÊM, ELES PASSAM A SE MOVER TAMBÉM NA DIREÇÃO DA FORÇA, HAVENDO UMA COMPOSIÇÃO DOS MOVIMENTOS, CONFORME INDICA A FIGURA 4. MAS COMO ESSE MODELO EXPLICA A MEDIDA DA CORRENTE ELÉTRICA, OU SEJA, A INTENSIDADE DE CORRENTE? PARA ENTENDERMOS ISSO MELHOR VAMOS IMAGINAR QUE QUISÉSSEMOS MEDIR UMA CORRENTE DE CARROS EM UMA ESTRADA. PARA ISSO, MARCAMOS UMA FAIXA DE REFERÊNCIA NA ESTRADA (FIG. 6) E CONTAMOS QUANTOS CARROS PASSAM ALI POR MINUTO OU POR HORA. figura 6 UMA CORRENTE DE 100 CARROS POR MINUTO INDICARIA QUE A CADA MINUTO 100 CARROS PASSAM PELA FAIXA. SE CONTAMOS DURANTE O TEMPO DE 5 MINUTOS A PASSAGEM DE 600 CARROS E QUISERMOS SABER QUANTOS PASSAM, EM MÉDIA, EM 1 MINUTO FARÍAMOS: UMA VISÃO MAIS GLOBAL DESTA TRAJETÓRIA PODERIA SER: ASSIM PODERÍAMOS ESCREVER A FÓRMULA DA INTENSIDADE DE CORRENTE DA SEGUIN- TE MANEIRA: NA VERDADE, O ELÉTRON ANDA 100 km PARA TER UM DESLOCAMENTO DE APENAS 1 mm NO SENTIDO DA FORÇA. DE FATO, A VELOCIDADE DE UM ELÉTRON É EM TONO DE 100.000 m/s ENQUANTO A VELOCIDADE DE DESLOCA- MENTO AO LONGO DO FIO FICA EM TORNO DE 1 mm/s. figura 5 A FORÇA QUE SURGE NO FIO TAMBÉM AGE SOBRE OS ÍONS (ÁTOMOS QUE PERDERAM OS ELÉTRONS LIVRES). PELO FATO DE TEREM PERDIDO ELÉTRONS DEIXARAM DE SER NEUTROS ESTANDO CARREGADOS POSITIVAMENTE. POR ISSO A FORÇA AGE EM SENTIDO OPOSTO AO DOS ELÉTRONS. PELO FATO DE OS ÁTOMOS SEREM MUITO MAIS PESADOS QUE OS ELÉTRONS E ESTAREM PRESOS UNS AOS OUTROS ELES PRATICAMENTE NÃO SAEM DE SUAS POSIÇÕES. E, EM SÍMBOLOS: figura 7 DO MESMO MODO PODEMOS IMAGINAR, A CORRENTE DE ELÉTRONS SENDO MEDIDA PELO NÚMERO DE ELÉTRONS QUE PASSAM POR UM CORTE TRANSVERSAL DO FIO EM UM MINUTO, OU SEGUNDO.
ASSIM, PODERÍAMOS ESCREVER PARA A CORRENTE DE ELÉTRONS: NO ENTANTO, O QUE NOS INTERESSA É A QUANTIDADE DE CARGA QUE PASSA E NÃO O NÚMERO DE ELÉTRONS. NO EXEMPLO DOS CARROS SE O QUE INTERESSASSE FOSSE A QUANTIDADE DE PNEUS E NÃO DE CARROS DEVERÍAMOS MULTIPLICAR O NÚMERO DE CARROS PELO NÚMERO DE PNEUS DE CADA CARRO (4). ASSIM, NO CASO DOS ELÉTRONS, DEVEMOS MULTIPLICAR O NÚMERO DE ELÉTRONS PELA CARGA DE CADA ELÉTRON, OU SEJA, - 1,6. 10-19 C. ASSIM: PARA ABREVIAR FAREMOS E = 1,6. 10-19 C DE MODO QUE FICAREMOS COM; fig.ura 8 IMAGINE AGORA UMA FESTA ONDE TEMOS MENINOS E MENINAS EM IGUAL QUANTIDADE. VAMOS INDICAR AS MENINAS PELO SINAL + (MAIS) E MENINOS POR - (MENOS). NESTE CASO, NEM AS MENINAS NEM OS MENINOS ESTÃO EM MAIORIA, NINGUÉM ESTÁ SOBRANDO; NO ENTANTO, SE APARECEREM DUAS MENINAS O GRUPO FEMININO FICARÁ COM DUAS A MAIS. OU SEJA, TEREMOS COMO RESUL- TADO: + 6-4 = + 2 (DUAS MENINAS SOBRANDO ) FÓRMULA 1 A FÓRMULA 1 NOS FORNECE, PORTANTO UMA INTERPRETAÇÃO MICROSCÓPICA DE UMA CORRENTE ELÉTRICA: A INTENSIDADE DA CORRENTE É A QUANTIDADE DE CARGA CONDUZIDA ATRAVÉS DA PASSAGEM DE N ELÉTRONS POR INTERVALO DE TEMPO EM UMA SECÇÃO DO FIO. Poderíamos escrever também: figura 9 POR OUTRO LADO, SE AO INVÉS DE VIREM DUAS MENINAS A MAIS, SUMIREM DOIS MENINOS O RESULTADO SERÁ O MESMO, DUAS MENINAS A MAIS. +4-2 = + 2 onde DQ é a quantidade de cargas que atravessam o corte transversal. Essa quantidade é dada, como vimos, por DQ = - N. e, ou seja, o número de elétrons vezes a carga de cada elétron. figura 10 (DUAS MENINAS SOBRANDO DE NOVO) EM SUMA, APARECER MENINAS (+) OU DESAPARECER MENINOS (-) DÁ O MESMO RESULTADO.
FIGURA 11 EM UM PEDAÇO DE MATÉRIA NEUTRO O NÚMERO DE CAR- GAS POSITIVAS E NEGATIVAS É IGUAL (PRÓTONS E ELÉTRONS), COMO NO EXEMPLO DA FIGURA 8. ASSIM, A SAÍDA DE CAR- FIGURA 12 GAS NEGATIVAS PRODUZ O MESMO EFEITO QUE A CHE- GADA DE CARGAS POSITIVAS, COMO NO EXEMPLO DOS ME- NINOS E MENINAS. POR CONVENÇÃO O SENTIDA DA CORRENTE É DADO PELO SENTIDO DO MOVIMENTO DAS CARGAS POSITIVAS, OU O QUE É A MESMA COISA, PELO SENTIDO OPOSTO AO DAS CARGAS NEGATIVAS (FIGURA 12). COMO EM UM FIO SÃO OS ELÉTRONS QUE SE MOVEM (CARGAS NEGATIVAS), A CORRENTE É CONSIDERADA COMO SENDO EM SENTIDO OPOSTO AO DO MOVIMENTOS DOS ELÉTRONS. FIGURA 13 ISSO PORQUE O MOVIMENTO DOS ELÉTRONS PARA A ESQUERDA EQUIVALE A UM MOVIMENTO DE CARGAS POSITIVAS PARA A DIREITA. EM FUNÇÃO DISSO, PODEMOS ESCREVER A FÓRMULA 1 SEM O SINAL MENOS INDICANDO A CORRENTE POR CONVENÇÃO, NO SENTIDO OPOSTO: FÓRMULA 1 CORRIGIDA QUANDO UM APARELHO É LIGADO A UMA PILHA OU BATERIA CORRENTE ELÉTRICA SE MANTÉM CONSTAN- TEMENTE EM UM MESMO SENTIDO. POR ESTE MOTIVO DIZEMOS QUE PILHAS E BATERIAS GERAM CORRENTE CONTINUA (ABREVIAMOS POR C.C. OU D.C. EM IN- GLÊS). JÁ NA TOMADA, A CORRENTE É ALTERNADA. ISSO SIGNIFICA QUE ORA A CORRENTE TEM UM SENTIDO ORA TEM OUTRO. A FORÇA QUE IMPULSIONA OS ELÉTRONS INVERTE CONSTANTEMENTE DE SENTIDO. A FIGURA AO LADO MOSTRA O COMPORTAMENTO DA CORRENTE NO DECORRER DO TEMPO, EM UM FIO. DURANTE ALGUM TEMPO ELA TEM UM SENTIDO E DEPOIS ELA TEM OUTRO, E ASSIM POR DIANTE. NA REDE ELÉTRICA DO BRASIL A CORRENTE INVERTE SEU SENTIDO E RETORNA AO SENTIDO ORIGINAL 60 VEZES POR SEGUNDO. POR ISSO DIZEMOS QUE A CORRENTE OSCILA COM 60 HZ (HERTZ) DE FRE- QÜÊNCIA. EM OUTROS PAÍSES, AS FREQÜÊNCIAS DA CORREN- TE ALTERNADA PODEM SER DIFERENTES. NO PARAGUAI, A FREQÜÊNCIA É DE 50 HZ, OU SEJA, A CORRENTE MUDA DE SENTIDO E VOLTA 50 VEZES POR SEGUNDO. NO MOMENTO EM QUE A CORRENTE INVERTE NO SENTIDO SEU VALOR É ZERO, COMO MOSTRA O GRÁ- FICO ADA FIGURA 15 E A FIGURA AO LADO. ISSO SIGNIFICA QUE TODOS OS APARELHOS SE DESLIGAM POR UM TEMPO MUITO CURTO 120 VEZES POR SEGUN- DO. Figura 14