.
Want Wikipedia to look like this?   
Click here to upgrade your Wikipedia experience
Eletricidade | QuickiWiki

Eletricidade

  PO

Overview

A eletricidade em uma de suas manifestações naturais mais imponentes: o relâmpago. - Eletricidade
A eletricidade em uma de suas manifestações naturais mais imponentes: o relâmpago.

A eletricidade é um termo geral que abrange uma variedade de fenômenos resultantes da presença e do fluxo de carga elétrica.[1] Esses incluem muitos fenômenos facilmente reconhecíveis, tais como relâmpagos, eletricidade estática, e correntes elétricas em fios elétricos. Além disso, a eletricidade engloba conceitos menos conhecidos, como o campo eletromagnético e indução eletromagnética.[2]

A palavra deriva do termo em neolatim "ēlectricus", que por sua vez deriva do latim clássico "electrum", "amante do âmbar", termo esse cunhado a partir do termo grego ήλεκτρον (elétrons) no ano de 1600 e traduzido para o português como âmbar. O termo remonta às primeiras observações mais atentas sobre o assunto, feitas esfregando-se pedaços de âmbar e pele.

No uso geral, a palavra "eletricidade" se refere de forma igualmente satisfatória a uma série de efeitos físicos. Em um contexto científico, no entanto, o termo é muito geral para ser empregado de forma única, e conceitos distintos contudo a ele diretamente relacionados são usualmente melhor identificados por termos ou expressões específicos.

Alguns conceitos importantes com nomenclatura específica que dizem respeito à eletricidade são:

  • Carga elétrica: propriedade das partículas subatômicas que determina as interações eletromagnéticas dessas. Matéria eletricamente carregada produz, e é influenciada por, campos eletromagnéticos. Unidade SI (Sistema Internacional de Unidades): ampère segundo (A.s), unidade também denominada coulomb (C).[3]
  • Campo elétrico: efeito produzido por uma carga no espaço que a contém, o qual pode exercer força sobre outras partículas carregadas. Unidade SI: volt por metro (V/m); ou newton por coulomb (N/C), ambas equivalentes.[4]
  • Potencial elétrico: capacidade de uma carga elétrica de realizar trabalho ao alterar sua posição. A quantidade de energia potencial elétrica armazenada em cada unidade de carga em dada posição. Unidade SI: volt (V); o mesmo que joule por coulomb (J/C).[5]
  • Corrente elétrica: quantidade de carga que ultrapassa determinada secção por unidade de tempo. Unidade SI: ampère (A); o mesmo que coulomb por segundo (C/s).[6]
  • Potência elétrica: quantidade de energia elétrica convertida por unidade de tempo. Unidade SI: watt (W); o mesmo que joules por segundo (J/s).[7]
  • Energia elétrica: energia armazenada ou distribuída na forma elétrica. Unidade SI: a mesma da energia, o joule (J).
  • Eletromagnetismo: interação fundamental entre o campo magnético e a carga elétrica, estática ou em movimento.[1] [2]

O uso mais comum da palavra "eletricidade" atrela-se à sua acepção menos precisa, contudo. Refere-se a:

  • Energia elétrica (referindo-se de forma menos precisa a uma quantidade de energia potencial elétrica ou, então, de forma mais precisa, à energia elétrica por unidade de tempo) que é fornecida comercialmente pelas distribuidoras de energia elétrica. Em um uso flexível contudo comum do termo, "eletricidade" pode referir-se à "fiação elétrica", situação em que significa uma conexão física e em operação a uma estação de energia elétrica. Tal conexão garante o acesso do usuário de "eletricidade" ao campo elétrico presente na fiação elétrica, e, portanto, à energia elétrica distribuída por meio desse.

Embora os primeiros avanços científicos na área remontem aos séculos XVII e XVIII, os fenômenos elétricos têm sido estudados desde a antiguidade. Contudo, antes dos avanços científicos na área, as aplicações práticas para a eletricidade permaneceram muito limitadas, e tardaria até o final do século XIX para que os engenheiros fossem capazes de disponibilizá-la ao uso industrial e residencial, possibilitando assim seu uso generalizado. A rápida expansão da tecnologia elétrica nesse período transformou a indústria e a sociedade da época. A extraordinária versatilidade da eletricidade como fonte de energia levou a um conjunto quase ilimitado de aplicações, conjunto que em tempos modernos certamente inclui as aplicações nos setores de transportes, aquecimento, iluminação, comunicações e computação. A energia elétrica é a espinha dorsal da sociedade industrial moderna, e deverá permanecer assim no futuro tangível.[8]

História

Thales, o pioneiro pesquisador da eletricidade - Eletricidade
Thales, o pioneiro pesquisador da eletricidade

Muito tempo antes de qualquer conhecimento científico sobre a eletricidade, as pessoas já estavam cientes dos choques desferidos pelo peixe-elétrico. No Antigo Egito, remontando ao ano de 2750 a.C, havia textos que referiam-se a esse peixe como o "Trovão do Nilo", descrevendo-o como o protetor de todos os outros peixes. Encontra-se o peixe-elétrico também retratado em documentos e estudos antigos realizados por naturalistas, médicos, ou simples interessados que viveram na Grécia Antiga, no Império Romano e na região da civilização islâmica.[9] Vários escritores antigos, como Caio Plínio Segundo e Scribonius Largus, atestaram ciência do efeito anestesiante dos choque elétricos do peixe-gato e da arraia elétrica, e de que os choques elétricos podem viajar ao longo de certos objetos condutores de eletricidade.[10]

Na época, os pacientes que sofriam de gota e de dor de cabeça eram aconselhados a tocar o peixe-elétrico na esperança de que os poderosos choques elétricos desferidos por esse animal pudessem curá-los.[11]

As primeiras referências relacionadas de forma ora remota ora mais próxima à identidade elétrica do raio e à existência de outras fontes distintas de eletricidade são possivelmente as encontradas junto aos árabes, que seguramente já empregavam antes do século XV a palavra (raad), raio em seu idioma, a fim de se fazer referência às arraias elétricas.[12]

Nas culturas antigas ao longo de todo o Mediterrâneo sabia-se que determinados objetos, a exemplo pedaços de âmbar, ganham a propriedade de atrair pequenos e leves objetos, tais como penas, após atritados com pele de gato ou similar. Por volta de 600 a.C. Tales de Mileto fez uma série de observações sobre eletricidade estática, as quais levou-o a acreditar que o atrito era necessário para produzir magnetismo no âmbar; em visível contraste com o que se observa em minerais tais como magnetita, que não precisam de fricção.[13] [14]

Thales enganou-se ao acreditar que a atração era devida a um efeito magnético e não a um efeito elétrico, havendo a ciência evidenciado de forma correta a ligação que Thales esboçou fazer entre eletricidade e magnetismo somente milênios mais tarde (experiência de Ørsted, 1820 d.C). Em acordo com uma teoria controversa, os habitantes da região de Parthia, nordeste do atual Irã, conheciam a galvanoplastia, baseando-se tal afirmação na descoberta de 1936 da bateria de Bagdá, artefato que de fato, embora certamente incerta a natureza elétrica do mesmo, em muito se assemelha a uma célula galvânica.[15]

Benjamin Franklin desenvolveu uma grande pesquisa sobre a eletricidade no século XVIII, que é documentado por Joseph Priestley em (1767) no livro History and Present Status of Electricity, com quem Franklin trocou correspondências. - Eletricidade
Benjamin Franklin desenvolveu uma grande pesquisa sobre a eletricidade no século XVIII, que é documentado por Joseph Priestley em (1767) no livro History and Present Status of Electricity, com quem Franklin trocou correspondências.

A eletricidade permaneceria pouco mais do que uma curiosidade intelectual por milênios, pelo menos até 1600, quando o cientista inglês William Gilbert publicou um estudo cuidadoso sobre magnetismo e eletricidade, o "De Magnete", entre outros distinguindo de forma pertinente o efeito da pedra-imã e o da eletricidade estática produzida ao se esfregar o âmbar com outro material [13] . Foi ele quem cunhou a palavra neolatina "electricus" ("de âmbar" ou "como âmbar", deήλεκτρον[elektron], a palavra grega para "âmbar") para referir-se à propriedade do âmbar e de outros corpos atraírem pequenos objetos depois de friccionados.[16] Esta associação deu origem às palavras inglesa "electric" e "electricity", que fez sua primeira aparição na imprensa nas páginas de Pseudodoxia Epidemica, obra de Thomas Browne, em 1646.[17] . Também encontram-se ai as raízes das palavras portuguesas elétrico e eletricidade. Outros trabalhos seguiram-se, sendo esses conduzidos por pessoas como Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray e Charles Du Fay. No século XVIII, Benjamin Franklin realizou uma ampla pesquisa sobre a eletricidade, inclusive vendendo seus bens para financiar seu trabalho. É a ele atribuído o ato de, em junho de 1752, ter prendido uma chave de metal próximo à barbela de uma pipa e, com a chave atada à linha umedecida, tê-la feito voar em uma tempestade ameaçadora.[18] É incerto se Franklin pessoalmente realizou de fato esse experimento, mas o ato é popularmente atribuído a ele. Uma sucessão de faíscas saltando de uma segunda chave atada à linha para o dorso da sua mão teria então mostrado-lhe de maneira contundente que o raio tem, de fato, uma natureza elétrica.[19]

Michael Faraday formou a base da tecnologia de motores elétricos. - Eletricidade
Michael Faraday formou a base da tecnologia de motores elétricos.

Em 1791, Luigi Galvani publicou sua descoberta da bioeletricidade, demonstrando que é por meio da eletricidade que as células nervosas passam sinais para os músculos.[20]

A pilha voltaica de Alessandro Volta, ou simplesmente bateria, datada de 1800 e feita a partir de camadas alternadas de zinco e cobre, forneceu aos cientistas uma fonte mais confiável e estável de energia elétrica do que as antigas máquinas eletrostáticas.[20] A advento do eletromagnetismo, união da eletricidade e do magnetismo, é creditada à dupla Hans Christian Ørsted e André-Marie Ampère, seus trabalhos remontando aos anos 1819 e 1820; Michael Faraday inventou o motor elétrico em 1821, e Georg Ohm analisou matematicamente o circuito elétrico em 1827 .[20] A eletricidade e o magnetismo (e também a luz) foram definivamente unidos por James Clerk Maxwell, em particular na obra "On Physical Lines of Force", entre 1861 e 1862.[21]

Embora o rápido progresso cientifico sobre a eletricidade remonte a séculos anteriores e ao início do século XIX, foi nas décadas vindouras do século XIX que deram-se os maiores progresso na engenharia elétrica. Através dos estudos de Nikola Tesla, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Thomas Edison, Ottó Bláthy, Ányos Jedlik, Sir Charles Parsons, Joseph Swan, George Westinghouse, Werner von Siemens, Alexander Graham Bell e Lord Kelvin, a eletricidade transformou-se de uma curiosidade científica a uma ferramenta essencial para a vida moderna, ou seja, transformou-se na força motriz da Segunda Revolução Industrial.[22]

Descargas elétricas e raios catódicos

Tubo de raios catódicos usado por Thomson na determinação da razão carga-massa do elétron. - Eletricidade
Tubo de raios catódicos usado por Thomson na determinação da razão carga-massa do elétron.

Durante a descoberta da eletricidade um enigma ainda pairava sobre tipos de radiação existentes, uma delas chamada de radiação de raios catódicos , emitida por superfícies metálicas quando uma voltagem é aplicada entre o cátodo e o ânodo.[23]

Havia duas correntes de pensamento acerca da natureza dos raios catódicos: uma delas acreditava que se tratava de partículas; a outra acreditava que fossem um fenômeno ondulatório que dependia do meio. A interferência ondulatória era apoiada pela observação de que os raios catódicos podiam atravessar folhas de metal sem serem defletidos. O conflito sobre a dualidade onda-partícula, como veremos, vai reaparecer mais tarde, em outro contexto.

Em 1885, J. H. Geissler (1815-1879) inventou uma bomba que permitia extrair o ar de um tubo de vidro até uma pressão da ordem de 10^{4} vez a pressão atmosférica. Essa bomba foi usada entre 1858 e 1859 numa série de experimentos para estudar a condução de eletricidade em gases a pressões muito baixas. Esses experimentos foram feitos por J. Plucker (1801-1868). No seu arranjo experimental, duas placas de metal dentro de um tubo de gás eram conectadas através de fios a uma fonte de alta tensão. No entanto, esse “vácuo" não era perfeito, e os cientistas foram levados a hipóteses errôneas sobre a natureza dos raios catódicos, como mais tarde se aprendeu tratar-se de efeitos do gás residual dentro do tubo.

É nesse ponto que J. J. Thomson entra na história. O ingrediente fundamental que lhe permitiu a descoberta da natureza dos raios catódicos – os elétrons - foi o desenvolvimento de bombas a vácuo 10 vezes mais eficientes do que as anteriores  (p\text{tubo} \sim 10^{5} Pa).[23]

Conceitos

Carga elétrica

A carga elétrica é a propriedade dos entes físicos fundamentais, certamente das partículas subatômicas, que dá origem e interage via forças eletromagnéticas, uma das quatro forças fundamentais na natureza. A carga na matéria extensa origina-se no átomo, sendo os portadores de carga mais conhecidos o elétron e o próton. A carga elétrica obedece a uma lei de conservação, o que significa dizer que a quantidade líquida total de carga no interior de um sistema isolado sempre permanece constante, sendo a carga total essencialmente independente de qualquer mudança que ocorra no interior do sistema.[24]

No interior do sistema, carga pode ser transferida entre corpos, quer pelo contato direto, quer passando através de um material condutor como um fio, ou mesmo através de portadores de carga movendo-se livremente no vácuo.[25]

A expressão tradicional "eletricidade estática" se refere à presença de carga, ou melhor, de um desequilíbrio de cargas em um corpo, o que é geralmente causado quando se tem materiais quimicamente diferentes esfregados entre si, o que leva à transferência de cargas de um para o outro.

Uma pequena quantidade de carga elétrica em um eletroscópio de folhas é capaz de provocar notória repulsão das folhas do eletroscópio. - Eletricidade
Uma pequena quantidade de carga elétrica em um eletroscópio de folhas é capaz de provocar notória repulsão das folhas do eletroscópio.

A presença de carga dá origem à força eletromagnética: cargas exercem força uma sobre a outra, efeito certamente conhecido, embora não compreendido, já na antiguidade.[26]

Uma pequena esfera condutora suspensa por um fio isolante pode ser carregada através do toque de um bastão de vidro previamente carregado devido ao atrito com um tecido de algodão. Se um pêndulo similar é carregado pelo mesmo bastão de vidro, encontra-se que este irá repelir aquele: as cargas agem de forma a separar os pêndulos. Dois pêndulos carregados via bastão de borracha também repelir-se-ão mutuamente. Entretanto, se um pêndulo for carregado via bastão de vidro, e o outro for carregado via bastão de borracha, os pêndulos, quando aproximados, atrair-se-ão mutuamente. Esse fenômeno foi investigado no século XVIII por Charles-Augustin de Coulomb, que deduziu que as cargas apresentam-se em duas formas distintas. Suas descobertas levam ao bem conhecido axioma: objetos carregados com cargas similares se repelem, objetos carregados com cargas opostas se atraem.

A força atua sobre as cargas propriamente ditas, do qual segue que as cargas têm a tendência de se distribuir de forma a mais uniforme ou conveniente possível sobre superfícies condutoras. A magnitude da força eletrostática, quer atrativa quer repulsiva, é dada pela Lei de Coulomb, que a relaciona ao produto das cargas e retrata a relação inversa empiricamente observada dessa com o quadrado da distância que separa as cargas. A força eletromagnética é muito forte, sendo subjugada apenas pela força de interação forte (força nuclear); contudo, ao contrário desta última, que atua entre partículas separadas por não mais que alguns angstroms (1 angstrom = 1 x 10 -10m), a força eletromagnética é uma força de longo alcance, ou seja, uma força que atual a qualquer distância, embora o faça certamente de forma muito mais fraca quanto maior for a separação. Em comparação com a muito mais fraca força gravitacional, a força eletromagnética que repele dois elétrons próximos mostra-se 10+42 vezes maior do que a força de atração gravitacional que um exerce sobre o outro mantida a mesma separação.

As cargas do próton e do elétron são opostas em sinal, implicando que uma quantidade de carga pode ser ou positiva ou negativa. Por convenção e por razões históricas, a carga associada a um elétron é considerada a negativa, e a carga associada a um próton, positiva, um costume que originou-se com os trabalhos de Benjamin Franklin.[27] A quantidade de carga é usualmente representada pelo símbolo Q e expressa em coulombs; cada elétron transportando a mesma carga fundamental cujo valor é aproximadamente -1,6022x10-19 coulomb. O próton tem carga igual em módulo contudo oposta em sinal, +1,6022x10-19 coulomb. Não apenas partículas de matéria possuem carga mas também as partículas de antimatéria, cada partícula carregando uma carga de igual valor mas de sinal oposto ao da carga da sua correspondente antipartícula.[28]

Cargas elétricas podem ser medidas de diferentes formas, um dos mais antigos instrumentos sendo o eletroscópio de folhas, que embora ainda em uso em demonstrações escolares, já há muito foi substituído pelo eletrômetros (coulombímetros) eletrônicos.

Corrente elétrica

O movimento ordenado de partículas carregadas é o que se denomina por corrente elétrica; sendo a intensidade da mesma usualmente medida em ampère. Embora se saiba hoje que nos metais as partículas móveis são os elétrons, quaisquer partículas carregadas em movimento direcionado implicam corrente elétrica. Íons positivos ou negativos movendo-se em uma solução salina ou em um sal iônico fundido são casos típicos de corrente elétrica presente de forma dissociada do movimento de elétrons. Nos semicondutores, tantos os elétrons como os "buracos", esses quase-partículas positivamente carregadas, movem-se em sentidos contrários a fim de definir a corrente elétrica total que circula material, que, ao contrário do que a primeira pressão sugere, não é nula nesse caso.

Por razões históricas, uma corrente positiva é definida como possuindo o mesmo sentido de movimento de qualquer portador de carga positiva que ela contenha, ou, de forma análoga contudo mais geral, em sentido que leva da parte mais positiva do circuito à parte mais negativa do mesmo. As correntes definidas com essa orientação são denominadas correntes convencionais. O movimento dos elétrons em um circuito elétrico, uma das formas mais comuns de corrente, implica uma corrente convencional positiva em sentido contrário ao do movimento dos elétrons. Em certas condições, como nos semicondutores ou em soluções iônicas, a corrente elétrica real pode consistir no movimento de portadores de carga elétrica distintas em ambas as direções ao mesmo tempo. As cargas negativas, para cômputo da corrente convencional, são assim tratadas como se positivas fossem, essas movendo-se obviamente também em direção contrária à realmente verifica para as cargas negativas. A situação hipotética onde há apenas portadores de cargas positivas em movimento é amplamente empregada por simplificar a análise em tais situações e de forma geral a análise de circuitos elétricos, e não acarreta quaisquer resultados inesperados ou incorretos.

Um arco elétrico fornece uma brilhante visualização da corrente elétrica. - Eletricidade
Um arco elétrico fornece uma brilhante visualização da corrente elétrica.

O processo pelo qual as cargas elétricas se movimentam no interior de um material é denominado condução elétrica, e sua natureza varia com a natureza dos portadores de carga e com o material no qual elas estão fluindo. Exemplo de correntes elétricas incluem a condução por metais, onde os elétrons fluem através dos condutores em consideração, e a eletrólise, onde íons fluem através de líquidos. Enquanto os portadores de carga geralmente movimentam-se com velocidades muito baixas, às vezes com uma velocidade de arrasto de apenas alguns milímetros por segundo, o campo elétrico que as impulsiona propaga a velocidades próximas à da luz, possibilitando o envio quase instantâneo de sinais ao longo dos condutores elétricos.

A corrente causa uma série de efeitos observáveis, e historicamente a presença destes é utilizada como meio de identificar a presença daquela. O fato da água ser decomposta por uma corrente elétrica oriunda de uma pilha voltaica foi descoberto por William Nicholson e Anthony Carlisle, mediante o processo hoje conhecido por eletrólise. Os trabalhos desses foram consideravelmente expandidos por Michael Faraday até o ano de 1833. Uma corrente através de uma resistência causa aquecimento localizado, um efeito matematicamente estudado por James Prescott Joule em 1840. Uma das descobertas mais importantes relacionadas à corrente foi feita por Hans Christian Ørsted em 1820, quando, ao preparar uma aula, ele testemunhou a corrente elétrica em um fio perturbar a agulha magnética de uma bússola, descobrindo assim uma a relação íntima entre eletricidade e magnetismo, o primeiro passo que levou diretamente ao eletromagnetismo.

Tanto em aplicações domésticas ou industriais a corrente elétrica é usualmente caracterizada como sendo ou uma corrente contínua (CC, ou em inglês, DC) ou uma corrente alternada (CA , ou em inglês, AC). Esses termos referem-se à variação da corrente no tempo. A corrente contínua, como aquela produzida por uma bateria ou a necessária ao funcionamento da maiorias dos circuitos eletrônicos, consiste em um fluxo sempre unidirecional da corrente convencional, direcionada das partes mais positivas para as partes mais negativas do circuito através do mesmo. Se a corrente real consiste em elétrons em movimento, como nos casos mais comuns, os elétrons estarão movendo-se em sentido contrário, conforme antes discutido. Corrente alternada é qualquer corrente que inverta seu sentido repetidamente no tempo; quase sempre de forma representada por uma sinusoide. Um portador de carga em uma corrente alternada move-se adiante e para trás no interior do condutor sem contudo deslocar-se de forma efetiva ao longo do tempo. A média temporal da corrente alternada é zero, contudo essa libera energia tanto em um sentido quanto no reverso. As correntes alternadas são influenciadas por propriedades elétricas que não manifestam-se no caso da corrente elétrica contínua quando estabelecida, tais como indutância e capacitância. Essas propriedades podem mostrar-se contudo importantes em circuitos de corrente contínua quando sujeito a transientes, tais como os observados ao ligar-se o circuito.

Campo elétrico

O conceito de campo foi introduzido por Michael Faraday ainda no século XIX, contudo sua adoção inicialmente como ferramenta matemática para o tratamento dos problemas correlatos tornou-se tão frutífera que hoje é praticamente impossível conceber-se um tratamento mais aprofundado em eletricidade, magnetismo ou eletromagnetismo sem que se lance mão do mesmo. As equações de Maxwell são todas escritas em função dos campos elétricos e magnéticos. Em termos do campo aqui pertinente, o campo eletrostático, sabe-se que toda carga elétrica cria no espaço que a contém um campo elétrico, e qualquer carga elétrica imersa em um campo que não o campo por ela mesmo criado encontrar-se-á solicitada por uma força elétrica em virtude do mesmo. O campo elétrico age entre dois corpos carregados de uma maneira similar à ação do campo gravitacional entre duas massas, e assim como este, estende-se até o infinito, exibindo contudo uma relação com o inverso do quadrado da distância, de forma que, se a distância aumentar, muito menor será seu efeito; e associado, muito menor será também a interação entre as cargas envolvidas. Embora as semelhanças sejam significativas, há entretanto uma importante diferença entre os campos eletrostáticos e os gravitacionais: a gravidade sempre implica atração entre as massas, contudo a interação entre um campo e a carga pode expressar atração ou repulsão entre as cargas elétricas. Como os grandes corpos massivos no universo, a exemplo os planetas ou estrelas, quase sempre não têm carga elétrica, os campos elétricos a estes devidos valem zero, de forma que a força gravitacional é de longe a força dominante ao considerarem-se dimensões astronômicas, mesmo sendo esta muito mais fraca do que a força elétrica. Os movimentos dos corpos celestes são devidos essencialmente à gravidade que geram e que neles agem.

As linhas do campo emanando de uma carga elétrica positiva sobre um plano condutor - Eletricidade
As linhas do campo emanando de uma carga elétrica positiva sobre um plano condutor

O campo eletrostático geralmente varia no espaço, e o seu módulo em um dado ponto é definido como a força por unidade de carga elétrica (newtons por coulomb) que seria experimentada por uma carga elétrica puntual de valor negligenciável quando colocada no referido ponto.[29] Esta carga elétrica hipotética, nomeada carga de prova, deve ser feita extremamente pequena a fim de se prevenir que o campo elétrico por ela criado venha a perturbar a distribuição de cargas responsável pelo campo o qual deseja-se determinar, e deve ser feita estacionária a fim de se prevenir eventuais influências de campos magnéticos uma vez que esses últimos atuam apenas sobre cargas elétricas em movimento. A definição de campo elétrico faz-se de forma dependente do conceito de força, essa uma grandeza vetorial. Tem-se pois, em acordo com a definição, que o campo elétrico configura-se como um campo vetorial, tendo o vetor campo elétrico associado a cada ponto em particular uma direção e uma módulo (valor) característicos também particulares.

O estudo das cargas elétricas estacionárias e dos campos elétricos criados por essas é denominado eletrostática. A mais usual representação e um campo vetorial é a representação por linhas. Uma representação direta seria a representação do campo de vetores, onde desenham-se os respectivos vetores campo elétrico em um número suficientemente grande de pontos do espaços a ponto de tornar o diagrama representativo o necessário contudo não confuso. A representação por linhas emerge naturalmente desse último ao observar-se que os vetores dispõem-se no diagrama vetorial no caso de problemas físicos notoriamente de forma a sugestionar um padrão de linhas contínuas. Verificou-se que esse padrão de linhas sugerido poderia ser utilizado para representar um campo vetorial tão bem como o padrão por vetores, com a vantagem de ser de representação mais nítida e fácil. Nesse padrão, as linhas são usualmente, no caso elétrico ou gravitacional, denominadas "linhas de força". A nomenclatura não é contudo a mais adequada ao caso da representação por linhas do campo magnético. Na representação por linhas verifica-se que duas linhas nunca se cruzam; que o vetor campo em um dado ponto é tangente à linha que passa pelo respectivo ponto; que as linhas são orientadas de forma condizente com os vetores; que o módulo de um vetor é proporcional à densidade espacial de linhas em sua vizinhança imediata. Quando propostos, os campos não apresentavam existência real, esse permeando todos os pontos do espaço mesmo os pontos entre linhas em qualquer representação por linhas. Os campos elétricos que emanam das cargas elétricas estacionárias têm as seguintes propriedades: as linhas de campo iniciam-se em cargas positivas e terminam em cargas negativas; as linhas de campo eletrostático deve encontrar as superfícies de quaisquer bons condutores elétricos em ângulo reto; e obviamente, elas nunca devem se cruzar.[30]

Um condutor oco carrega todas as suas cargas em sua superfície. O campo por elas determinado é zero em todos os pontos internos ao corpo.[31] Esse é o princípio de funcionamento da gaiola de Faraday; uma blindagem condutora isola todos o seu interior de efeitos eletrostáticos externos.

Os princípios da eletrostática mostram-se importantes em projetos de equipamentos para trabalho sobre alta tensão elétrica. Há um valor finito de campo elétrico admissível para cada meio diferente. Além desse limite, ocorre uma rutura dielétrica acompanhada de arco elétrico entre as partes carregadas envolvidas. A exemplo, para o ar confinado entre pequenas frestas campos elétricos superiores a 30 quilovolts por centímetro levam à rutura dielétrica. Para grandes espaçamentos a tensão de rutura é um pouco menor, da ordem de 1kV por centímetro.[32] A forma mais natural de se visualizar tal situação é observar os raios, usualmente provocados por tensões elétricas tão grandes quanto 100 megavolts, implicando dissipações de energias usualmente da ordem de 250 kWh.[33]

A intensidade do campo elétrico é consideravelmente afetada nas proximidades de objetos condutores, sendo particularmente intenso nas proximidades de extremidades pontiagudas. Esse princípio é explorado nos para-raios, onde as pontas em sua extremidade elevada atuam de forma a encorajar os raios a atingi-los em detrimento das estruturas abaixo.[34]

Potencial elétrico

Um par de pilhas de AA. O sinal +  indica a polaridade da diferença de potencial entre os terminais da bateria. - Eletricidade
Um par de pilhas de AA. O sinal +  indica a polaridade da diferença de potencial entre os terminais da bateria.

O conceito de potencial elétrico encontra-se intimamente relacionado com o conceito de campo elétrico. Uma pequena carga, quando imersa em um campo elétrico criado por objetos carregados ao seu redor, fica solicitada por uma força elétrica, e movê-la de um ponto a outro no interior implica trabalho. O potencial de um ponto é definido como a energia necessária por unidade de carga elétrica para movê-la lentamente e à velocidade constante de um ponto infinitamente distante - onde o campo é efetivamente nulo - até o ponto em questão. O potencial é usualmente medido em volts, e 1 volt corresponde ao potencial de um ponto para o qual necessita-se de um trabalho de um joule para nele posicionar-se uma carga de 1 coulomb oriunda do infinito. Essa definição de potencial, embora formal, apresenta muito poucas aplicações práticas, e um conceito muito mais útil é o conceito de diferença de potencial elétrico, que especifica a energia necessária para mover-se a unidade de carga entre dois pontos em específico. O campo eletrostático exibe todas as propriedades de um campo conservativo, o que implica em essência dizer que a trajetória a ser seguida pela carga no seu movimento é irrelevante: os diversos trajetos que levam a carga de um ponto a outro especificados implicam ao fim o mesmo trabalho elétrico, e um único valor para a diferença de potencial entre os dois pontos pode ser especificado. O volt encontra-se tão correlacionado à medida e descrição da diferença de potencial entre dois pontos que o termo deu origem à expressão "voltagem", uma expressão que, embora muito desencorajada, encontra amplo uso no dia-a-dia como sinônimo para diferença de potencial.

Para fins práticos mostra-se útil definir um ponto de referência comum a partir do qual as diferenças de potencial são expressas e comparadas. Embora o ponto de referência possa ser escolhido no infinito, uma referência muito mais útil é fornecida pelo planeta propriamente dito, que dadas as propriedades físico-químicas e anatômicas, possui para todos os efeitos o mesmo potencial ao longo de toda a sua superfície. Pontos de referência diretamente conectados à terra não apresentam diferença de potencial entre si e recebem naturalmente o nome de "terra" ou "massa". O "terra" elétrico é utopicamente assumido ser uma fonte inesgotável de cargas positivas ou negativas, podendo fornecê-las ou absorvê-las conforme o requisitado pelo experimento sem contudo tornar-se eletricamente carregado. Um ponto de terra ideal encontra-se pois sempre eletricamente neutro. O planeta terra constitui contudo excelente aproximação à definição utópica. Em redes alternadas encontra-se uma nomenclatura similar, o fio "neutro", que embora geralmente aterrado, constitui-se em princípio como um fio distinto do fio de terra.

O potencial elétrico é uma grandeza escalar, ou seja, é uma grandeza que fica completamente especificada ao estabelecer-se a sua magnitude com a devida unidade, não requerendo para tal a especificação de direção ou sentido. Uma analogia é geralmente feita à altura: assim como um objeto move-se entre pontos com diferentes alturas devido ao campo gravitacional, uma carga elétrica move-se entre pontos com diferentes potenciais devido ao campo elétrico. Assim como os mapas de relevo exibem linhas de contorno marcando os pontos à mesma altura, um conjunto de linhas (conhecidas como equipotenciais) marcando os pontos com os mesmos potenciais podem ser desenhadas ao redor de um objeto eletricamente carregado. As linhas equipotenciais cruzam com as linhas de campo elétrico sempre de maneira a determinarem ângulos retos. As linhas equipotenciais devem sempre mostrar-se paralelas às superfícies condutoras. Se assim não o fizessem, haveria movimento de cargas no condutor até um equilíbrio de potenciais (o equilíbrio eletrostático) ser atingido ao longo de toda a superfície condutora.

O campo elétrico foi definido inicialmente como a força elétrica exercida sobre cada unidade de carga, mas o conceito de potencial permite uma definição equivalente contudo muito mais prática: o campo elétrico corresponde ao negativo do gradiente do potencial elétrico. Nesse caso, de forma equivalente, usualmente expresso em volts por metro, a direção do vetor campo elétrico em um ponto corresponde à direção que leva ao mais rápido aumento no potencial elétrico, em sentido que leva contudo às regiões onde as linhas de campo, e as equipotenciais, encontram-se menos densas. As linhas de campo orientam-se de pontos de maior potencial para pontos de menor potencial. Em termos matemáticos:

\vec E\ = -\vec\nabla V

onde V representa o campo de potenciais elétricos(campo escalar) e  \vec E o campo elétrico (um campo vetorial). O símbolo  \nabla , denominado nabla, representa o operador gradiente.

Potência elétrica

A potência elétrica é uma grandeza física que busca mensurar a quantidade de energia que está sendo convertida para a forma elétrica ou da elétrica em outras formas a cada unidade de tempo considerada. Não se deve confundir potência elétrica com potencial ou mesmo diferença de potencial elétricos, sendo essas grandezas grandezas completamente distintas por definição. Ao passo que o potencial e a diferença de potencial elétricos são medidos em volts (V), a potência elétrica é medida em watts (W). Uma potência de 1 watt corresponde à conversão de 1 joule de energia a cada segundo.

Em componentes lineares a potência instantânea P(t) pode ser calculada como o produto da diferença de potencial elétrico ou tensão elétrica V(t) encontrado entre seus terminais e a corrente elétrica I(t) que atravessa o mesmo no instante considerado.

 P_{(t)} = V_{(t)} . I_{(t)}

Para circuitos onde há tensões e correntes constantes a potência média iguala-se à potencia instantânea em qualquer tempo, e tem-se simplesmente que:

 P = V  . I

Em circuitos de corrente alternada, contudo, embora as médias da tensão e corrente elétricas sejam sempre nulas, a potência média ao longo de um ciclo pode ou não sê-lo, dependendo essa da natureza dos componentes presentes no circuito. Em capacitores e indutores ideais, a potência média é nula, contudo em componentes como os resistores, a potência média não o é, mesmo o sendo a tensão e corrente médias sobre o mesmo. Um cálculo integral deve ser feito em cada situação a fim de determinar-se o que denomina-se por tensão elétrica eficaz e corrente eficaz (e não médias) em cada caso bem como suas respectivas fases, para que, posteriormente, determine-se a potência efetiva dissipada pelo dispositivo sob as respectivas tensão e corrente alternadas. Embora fuja ao escopo desse artigo tratar os pormenores da análise desses circuitos, de forma geral, para circuitos de corrente alternada:

 P = V_{(eficaz)} . I_{(eficaz)}

A exemplo, a tensão elétrica eficaz típica de redes elétricas no Brasil, conforme disponibilizada nas casas dos usuários, é de 127 volts na maioria dos estados. Alguns estados e o Distrito Federal usam 220 volts. Uma lâmpada incandescente de mercado típica opera sob uma corrente calculável de aproximadamente 0,47 ampères quando submetida a essa tensão, de forma que a potência da lâmpada é, em acordo com a relação acima:

 P = V_{(eficaz)} . I_{(eficaz)} = 127V . 0,47A = 60W

Na lâmpada vêm usualmente grafados não os valores da tensão e corrente, e sim os valores da diferença de potencial (tensão) e da potência, no caso, respectivamente 127V versus 60W (na lâmpada encontra-se a notação 127V x 60W); indicando que, quando submetida a uma tensão de 127 volts especificada, a lâmpada opera de forma a converter 60 joules de energia elétrica a cada segundo em outras formas de energia, ou seja, com uma potência de 60 watts. Nessas condições a lâmpada opera sob a corrente citada - facilmente calculável via relação apresentada - de 0,47A.

Vale ressaltar que a potência elétrica especifica quanta energia elétrica estará sendo convertida para outras formas a cada período de tempo, e não quanta energia elétrica está sendo convertida para a forma útil desejada a cada período. Nas lâmpadas incandescentes citada, por exemplo, dos 60 joules de energia elétrica convertidos a cada segundo, apenas uma pequena parcela dessa energia acaba efetivamente na forma de interesse, na forma de energia luminosa na faixa do visível no caso. Em lâmpadas fluorescentes o desperdício é consideravelmente menor, sendo bem maior a parcela da energia elétrica convertida que acaba na forma luminosa desejável. O rendimento bem maior das lâmpadas fluorescentes se comparadas às incandescentes é mais que suficiente para justificar o seu uso preferencial em detrimento dessas últimas: uma lâmpada fluorescente substituta típica, cuja potência é de meros 13 watts, é plenamente capaz de prover uma iluminação plenamente equivalente à da lâmpada incandescente de 60 watts citada, a exemplo.

Eletromagnetismo

Linhas de campo magnético devido a uma corrente elétrica. - Eletricidade
Linhas de campo magnético devido a uma corrente elétrica.

A descoberta de Hans Christian Ørsted, em 1821, de que existe um campo magnético em torno de todo fio carregando uma corrente elétrica forneceu a primeira indicação de que há uma relação íntima entre eletricidade e magnetismo. Em acréscimo, a experiência também revelou que a força que expressa a interação entre a agulha magnética da bússola e o fio condutor de corrente parecia possuir natureza bem diferente da força gravitacional e eletrostática, das duas forças naturais então conhecidas. A força sobre a agulha da bússola não agia de forma a posicioná-la em direção paralela ao da corrente elétrica, mas sim em ângulos perpendiculares à esta. Nas palavras obscuras de Ørsted, "a discordância elétrica age de maneira giratória". A força também mostra-se dependente do sentido da corrente elétrica, de forma que se o fluxo elétrico for revertido, a força também o é.

Ørsted não compreendeu plenamente a sua descoberta, contudo observou que o efeito era recíproco: uma corrente exerce uma força sobre um magneto, e um campo magnético exerce uma força sobre uma corrente. O fenômeno foi posteriormente investigado por André-Marie Ampère, que descobriu que dois fios transportando correntes de forma paralela exercem forças um sobre o outro: dois fios conduzindo correntes no mesmo sentido atraem-se mutuamente, ao passo que dois fios conduzindo correntes em sentidos opostos repelem-se mutuamente. A interação é mediada pelos campos magnéticos que cada corrente produz. Tal experimento veio a mostrar-se também de vital importância, constituindo hoje a base para a definição da unidade de corrente elétrica no Sistema Internacional de Unidades (S.I.).

O motor elétrico explora um importante efeito do eletromagnetismo: uma corrente imersa em um campo magnético experimenta uma força em ângulo reto em relação a ambos, o campo magnético e a corrente. - Eletricidade
O motor elétrico explora um importante efeito do eletromagnetismo: uma corrente imersa em um campo magnético experimenta uma força em ângulo reto em relação a ambos, o campo magnético e a corrente.

A íntima relação entre campos magnéticos e correntes elétricas é também extremamente importante no que concerne à invenção do motor elétrico por Michael Faraday em 1821. O motor homopolar de Faraday consiste em um imã permanente assentado no centro de uma piscina de mercúrio. Nesse motor uma corrente elétrica é estabelecida entre as extremidades de um fio suspenso por um delas através de um pivô fixado sobre o magneto, encontrando-se a outra extremidade imersa no no mercúrio, um metal líquido à temperatura ambiente. Em tais condições o magneto exerce uma força tangencial no fio, de forma a fazê-lo circular em torno do magneto enquanto a corrente for mantida.

Experimentos realizados por Michael Faraday, em 1831, revelaram que uma diferença de potencial elétrico desenvolve-se entre as extremidades de um fio quando este move-se de forma perpendicular a um campo magnético previamente encontrado na região em que esse se move. Análises futuras do processo, que veio a ser conhecido por indução eletromagnética, permitiu que Faraday estabelecesse o princípio hoje conhecido como Lei de Faraday-Neumann-Lenz, o de que a diferença de potencial induzida em um circuito fechado é proporcional à taxa de mudança do fluxo magnético encerrado pelo circuito. Extrapolações dessa descoberta lhe permitiram inventar em 1831 o primeiro gerador elétrico, o qual convertia a energia mecânica de um disco de cobre em rotação em energia elétrica. Embora o disco de Faraday fosse muito ineficiente para aplicações práticas, ele claramente demonstrou a possibilidade de geração de energia elétrica através do uso do magnetismo, possibilidade que seria exaustivamente aproveitada por aqueles que viriam a dar continuidade a seus trabalhos.

Os trabalhos de Faraday e Ampère demonstraram que um campo magnético variável no tempo atua como fonte de campo elétrico, e que um campo elétrico variável no tempo é também fonte de campo magnético. Então, uma vez que um dos campos encontre-se variando, o outro é necessariamente induzido. A possibilidade de acoplamento entre os dois de forma que um campo variável sustente a existência do outro campo também variável de forma recíproca mostrou-se frutífera; por exibir as propriedades inerentes a uma onda, o acoplamento entre os campos da forma apresentada deu origem às ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas foram teoricamente analisadas por James Clerk Maxwell em 1864. Maxwell desenvolveu um conjunto de equações capazes de descrever de forma não ambígua o inter-relacionamento entre o campo elétrico, o campo magnético, a carga elétrica e a corrente elétrica. Ele fora capaz a partir das mesmas inclusive de demonstrar que uma onda eletromagnética deveria necessariamente se propagar à velocidade da luz, e que por tal a própria luz seria em essência uma onda eletromagnética. As equações de Maxwell, que unificam a ótica, o magnetismo e a eletricidade em um único campo, o eletromagnetismo, constituem um dos grandes marcos da física teórica.

Circuito elétrico

Um circuito elétrico básico. O gerador de tensão V na direção esquerda de um Circuito elétrico I em torno do circuito, na entrega de energia elétrica dentro do resistor R. Para o resistor,a corrente volta para o gerador,completando o circuito. - Eletricidade
Um circuito elétrico básico. O gerador de tensão V na direção esquerda de um Circuito elétrico I em torno do circuito, na entrega de energia elétrica dentro do resistor R. Para o resistor,a corrente volta para o gerador,completando o circuito.

Um circuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos de tal forma que a carga elétrica é feita fluir ao longo de um caminho fechado (um circuito), geralmente com o objetivo de transferir-se energia e executar alguma tarefa útil.

Há componentes elétricos os mais variados, encontrando-se em um circuito elétrico não raro peças como resistores, capacitores, indutores, transformadores e interruptores. Os circuitos eletrônicos usualmente contêm componentes ativos, geralmente semicondutores, os quais caracterizam-se pelo funcionamento não-linear e demandam análise mais avançada. Os componentes elétricos mais simples são chamados passivos ou lineares: embora possam armazenar temporariamente energia, eles não constituem fontes da mesma, e apresentam respostas lineares aos estímulos elétricos aos quais são aplicados.[35]

O resistor é o componente mais simples entre os passivos: como o nome sugere, o resistor limita a corrente que pode fluir através do circuito. Transforma toda a energia elétrica que recebe em energia térmica, essa transferida ao ambiente que o cerca via calor. Ao passo que o nome resistor designa geralmente o componente em si, a resistência elétrica é uma propriedade dos resistores que busca mensurar o efeito resistivo. Mostra-se diretamente relacionada à oposição e à forma como os portadores de carga elétrica se movem no interior de um condutor ou semicondutor: nos metais, por exemplo, a resistência é principalmente atribuída às colisões entre os elétrons e os íons. Impurezas e imperfeições na estrutura contribuem em muito para o aumento da resistência a ponto de justificar o processo de purificação pelo qual os metais são submetidos antes da confecção de estruturas condutoras como os fios ou barramentos elétricos.

A Lei de Ohm é uma lei básica da teoria do circuito. Estabelece que a corrente que se fará presente em um resistor é diretamente proporcional à diferença de potencial entre os terminais do mesmo. A resistência de muitas estruturas materiais é relatividade constante em uma faixa de temperaturas e correntes; sendo em tais condições denominados 'ôhmicos'. A unidade de resistência elétrica, o ohm, assim nomeada em honra a Georg Ohm, é simbolizada pela letra grega Ω. 1 Ω é a resistência de um resistor que desenvolve entre seus terminais uma diferença de potencial de um volt quando submetido a uma corrente de um ampère (ou vice-versa).[35]

O capacitor é um dispositivo capaz de armazenar carga elétrica bem como energia elétrica no campo elétrico resultante. Conceitualmente, ele é composto por duas placas condutoras paralelas separadas por uma fina camada isolante. Na prática, são compostos por duas lâminas finas de metal separadas por uma lâmina de material isolante, todas enroladas juntas de forma a aumentar a área de superfície por unidade de volume e, portanto, a capacitância. A unidade de capacitância é, em homenagem a Michael Faraday, o farad, e à unidade é dada o símbolo "F": um farad é a capacitância de um capacitor que desenvolve em seus terminais uma diferença de potencial de um volt quando nele encontra-se armazenada uma carga elétrica de um coulomb (ou vice-versa). A capacitância de um capacitor é determinada através da razão entre a carga que esse armazena e a tensão elétrica em seus terminais, do que decorre a igualdade: 1F = 1C/1V. Um capacitor ligado a uma fonte de tensão constante permite inicialmente a presença de uma corrente intensa durante o processo inicial de acúmulo de carga; essa corrente entretanto decai gradualmente à medida que o capacitor acumula carga e a tensão elétrica em seus terminais aumenta, e eventualmente anula-se após o tempo necessário à carga completa do capacitor, situação onde a tensão em seus terminais iguala-se à da fonte. Um capacitor, portanto, não permite em tais situações a existência de correntes estacionárias (correntes contantes); ao contrário, as proíbe.[35]

O indutor é um condutor, geralmente uma bobina ou enrolamento de fio encapado, que armazena energia no campo magnética que surge em resposta à corrente que faz-se fluir através dele. Quando a corrente altera-se o campo magnético também altera-se, e há nesse momento, em consequência da lei da indução de Faraday, a indução de uma tensão elétrica entre os terminais do indutor. Verifica-se que a tensão induzida é proporcional à taxa de variação da corrente, sendo tanto maior quanto mais rápido se der a mudança na corrente. A constante de proporcionalidade é a chamada indutância do indutor. A unidade de indutância é henry, assim nomeada em homenagem a Joseph Henry, um contemporâneo de Faraday. Um henry é a indutância de um indutor que desenvolve uma diferença de potencial de um volt entre seus terminais quando a corrente entre os mesmos varia à taxa de um ampère por segundo.[35] O comportamento elétrico do indutor é em vários aspectos inverso ao do capacitor: ao passo que os capacitores opõem-se às mudanças repentinas na tensão entre seus terminais mas em nada limitam as correntes neles, os indutores opõem-se às mudanças repentinas na corrente, mas em nada limitam as tensões entre seus terminais.

Dadas as características complementares, a união de um capacitor e de um indutor produz um circuito elétrico ressonante, o conhecido circuito LC, no qual observa-se a troca contante de energia entre o indutor e o capacitor e vice-versa. A tensão e a corrente no circuito alteram-se continuamente em um padrão senoidal cujo período depende dos valores da capacitância e da indutância dos componentes envolvidos. O acréscimo de uma parcela resistiva leva ao também bem estudado circuito RLC, no qual oscilações amortecidas são observadas.

Condutores e isolantes elétricos

Conforme antes definido, chama-se corrente elétrica o fluxo ordenado de elétrons em uma determinada seção. A corrente contínua tem um fluxo constante, enquanto a corrente alternada tem um fluxo de média zero, ainda que não tenha valor nulo todo o tempo. Esta definição de corrente alternada implica que o fluxo de elétrons muda de direção continuamente.

O fluxo de cargas elétricas pode gerar-se no vácuo ou em meio material adequado, caso no qual o material é então caracterizado como um condutor elétrico, mas não existe ou mostra-se completamente desprezível nos materiais ditos isolantes. Em um fio, há a presença dos dois tipos de materiais: a capa do fio encerra em seu interior, visto ser os metais por definição bons condutores de eletricidade, tipicamente um metal dúctil, a exemplo o cobre ou o alumínio, ao passo que a capa em si, dadas as funções práticas inerentes esperadas, é feita de material pertencente à classe dos bons isolantes elétricos.

Sobre materiais isolantes há de se ressalvar que na prática não há isolante elétrico perfeito. Os materiais isolantes são aqueles cujas estruturas químicas implicam todos os portadores de carga fortemente presos em suas posições, de forma que portadores de carga não podem mover-se livremente através das estruturas desses materiais. São tipicamente compostos covalentes, onde os elétrons encontram-se fortemente ligados aos respectivos orbitais de ligação ou aos orbitais mais internos aos átomos da molécula, ou ainda sólidos iônicos, onde algo similar ocorre, não se encontrando, contudo, orbitais ligantes nesse caso. Embora quando sujeitos a um campo elétrico moderado a localidade dos portadores de carga na estrutura material isolante se preserve, sob intensos campos elétricos as forças associadas podem ser suficientes para superar as forças que mantêm os elétrons ligados aos núcleos ou moléculas, caso no qual há uma ruptura súbita na capacidade isolante do material. Este ioniza-se e, em um processo quase instantâneo, deixa de ser isolante, tornando-se um bom condutor elétrico mesmo que por um curto intervalo de tempo. O campo elétrico limite acima do qual o material isolante torna-se condutor é conhecido como rigidez dielétrica do material.

A origem dos raios durante tempestades fundamenta-se basicamente no princípio citado. As nuvens acumulam cargas elétricas até que a rigidez dielétrica do ar úmido seja atingida. No momento em que o material se torna condutor, as cargas fluem em um processo de avalanche entre o solo e a nuvem, ou entre nuvens, dando então origem ao efeito visual e sonoro característicos do fenômeno.

Produção e aplicações

Geração e distribuição

A energia eólica desempenha papel cada vez mais importante em vários países. - Eletricidade
A energia eólica desempenha papel cada vez mais importante em vários países.

Os experimentos de Thales de Mileto com barras de âmbar constituíram os primeiros estudos acerca da produção de eletricidade e energia elétrica. Embora essa experiência, baseado no que hoje denomina-se efeito triboelétrico, permita que levantem-se pequenos e leves objetos e até mesmo que se gere centelhas via processos elétricos, ele é extremamente ineficiente. Ter-se-ia que aguardar até a invenção da pilha elétrica por Alessandro Volta, no século XVIII, para que uma fonte viável de eletricidade tornar-se disponível. A pilha de Volta, e suas descendentes modernas, as baterias elétricas, armazenam energia na forma química e a tornam disponível sob demanda na forma elétrica (em verdade, a energia química atrela-se à energia potencial elétrica no sistema formado pelo núcleo atômico e pelos elétrons no átomo). A bateria talvez configura-se como a mais comum e versátil fonte de energia elétrica, mostrando-se a mesma muito adequada a uma infinidade de aplicações. Há contudo um contratempo: a quantidade de energia armazenada é finita, e uma vez descarregada, essa deve ser substituída ou recarregada. Para aplicações em larga escala e consumos elevados a energia elétrica deve ser gerada e transmitida continuamente via linhas de transmissão elétrica.

Potência elétrica é usualmente gerada através de geradores eletromecânicos acionados por vapor d'água produzido mediante queima de combustíveis fósseis ou mediante o calor oriundo de reatores nucleares, ou mesmo diretamente acionados pelo vento ou pelo fluxo descendente de água. Em todos os casos alguma forma de energia, tipicamente a térmica ou mecânica (cinética), é convertida em energia elétrica de forma contínua e no momento do uso. As turbinas a vapor modernas inventadas por Charles Parsons em 1884 é responsável, em dias atuais, por cerca de 80% da potência elétrica mundial atreladas às mais variadas fontes térmicas. Tais geradores não guardam certamente semelhança estrutural com o gerador homopolar de Faraday de 1831, contudo o princípio de funcionamento dos mesmos ainda encontra pleno suporte no princípio de que há uma tensão elétrica induzida entre as extremidades de um condutor quando esse encontra-se submetido a uma situação que leve a uma variação do fluxo magnético determinado pelo mesmo. A invenção do transformador elétrico durante o século XIX forneceu a condição necessária para que a energia elétrica fosse transmitida com muito maior eficiência, mediante o uso de altas tensões e baixas correntes. Linhas de transmissão elétricas eficientes implicam que a potência elétrica pode ser gerada em enormes estações centralizadas, o que traz significativo ganho quanto à viabilidade e praticidade, e posteriormente despachada por longas distâncias até os locais onde se faça necessária.

Uma vez percebido que a energia elétrica não pode ser armazenada em quantidades grandes o suficiente para atender as demandas em escala nacional ou mesmo mundial, a todo o instante deve-se produzir exatamente tanta energia elétrica quanto for a demanda. Tal requisito implica e existência de equipamentos elétricos capazes de predizer e mensurar com precisão a demanda de energia elétrica, e de manter uma constante coordenação desse com a energia sendo produzida nas estações geradoras. Uma capacidade de geração extra deve ser sempre mantida de prontidão para que essa possa suprir uma demanda eventual devido a algum imprevisto ou sobrecarga.

A demanda por energia elétrica cresce rapidamente com a modernização e o desenvolvimento econômico das nações. A exemplo, os Estados Unidos vivenciaram um aumento anual de 12% na demanda por energia elétrica durante os três primeiras décadas do século XX, uma taxa que nos dias de hoje encontra-se facilmente nos países de economia emergente tais como a China. Historicamente, a taxa de aumento na demanda por energia elétrica ultrapassa em muito as observadas para as outras formas de energia.

Preocupações quanto ao ônus ambiental da geração de energia elétrica têm direcionado atualmente o foco das atenções para as chamadas fontes de energia renováveis, em particular as fontes eólicas e hidráulicas. Embora os debates acerca dos impactos ambientais atrelados aos diferentes meios de se produzir energia elétrica estejam acirrando-se em dias modernos, é consenso que a forma final da energia nesse processo é relativamente limpa.

Aplicações

A lâmpada incandescente, uma antiga aplicação da eletricidade, opera por aquecimento Joule: a presença de uma corrente elétrica através da sua resistência eleva a temperatura do filamento, que em resposta emite luz. - Eletricidade
A lâmpada incandescente, uma antiga aplicação da eletricidade, opera por aquecimento Joule: a presença de uma corrente elétrica através da sua resistência eleva a temperatura do filamento, que em resposta emite luz.

A energia elétrica é uma forma de energia extremamente flexível, e tem sido adaptada a fim de prover energia para uma grande e crescente gama de aplicações. A invenção da lâmpada incandescente em 1870 levou a iluminação a ser uma das primeiras aplicações públicas e práticas da eletricidade. Embora a eletrificação traga consigo os seus próprios perigos, a substituição das chamas expostas dos lampiões a gás nas fábricas e residências reduziu significativamente os perigos de incêndios e acidentes correlatos. Serviços públicos foram criados em diversas cidades visando o crescente mercado de iluminação elétrica.

O aquecimento atrelado ao efeito Joule empregado nas lâmpadas incandescentes tem contudo uso mais direto nos aquecedores elétricos. Ao mesmo tempo que mostra-se versátil e controlável, ele pode ser visto como um desperdício visto que a maior parte da geração de eletricidade dá-se através do calor gerado nas estações geradoras. Um crescente número de países, tais como a Dinamarca, vêm desenvolvendo legislações que restringem ou proíbem o uso de aquecedores elétricos em novas construções. A eletricidade é contudo uma fonte altamente prática de energia quando o assunto é a refrigeração, representando os condicionadores de ar uma classe de aparelhos responsável por grande parte do aumento na demanda de energia elétrica, aumento que os serviços públicos de energia elétrica estão cada vez mais obrigados a acomodar.

A eletricidade é usada dentro das telecomunicações, e em verdade o telégrafo elétrico, demonstrado operacional em 1837 por William Cooke e Charles Wheatstone, constituiu uma das suas primeiras aplicações práticas. Com a construção na década de 1860 do primeiro sistema telegráfico intercontinental, e posteriormente transatlântico, a eletricidade possibilitou a comunicação quase instantânea através do globo. Mesmo que parte considerável desse mercado sejo hoje ocupada pelas comunicações via fibras ópticas e via satélite, a eletricidade nunca deixou de ser parte essencial ao processo.

Uma das aplicações da eletricidade encontra-se claramente visível no motor elétrico, que provê uma limpa e eficiente forma de gerar movimento. Quando atrelado a maquinário fixo, o motor pode ser facilmente alimentado por uma fonte de energia elétrica constante, particularmente a fornecida pela distribuidora de energia elétrica da localidade, contudo em casos onde a maquinaria, incluso o motor, deva ser móvel, tais como em veículos elétricos, as fontes de energia elétrica nesses casos têm que ser também móveis, para tal empregando-se usualmente baterias, ou em última alternativa o veículo deve circular por caminhos pré-definidos de forma a possibilitar a coleta de energia ao longo do trajeto, mediante o uso de pantógrafos, a exemplo. A mobilidade necessária acarreta restrições na performance de tais dispositivos, e uma avaliação acerca dos custos-benefícios mostra-se muitas vezes pertinente.

Os dispositivos eletrônicos modernos fazem uso do transístor. Talvez representando a mais importante das invenções do século XX, o transístor constitui o bloco fundamental com o qual se erige qualquer circuito eletrônico moderno. Um circuito integrado típico moderno contém milhões e os mais sofisticados até mesmo vários bilhões de transístores todos miniaturizados em uma regiões não maiores que um centímetro quadrado.

A eletricidade encontra aplicações notórias na logística atrelada ao setor de transportes e outras áreas, incluindo-se no caso os metrôs e os trens.

A eletricidade e o mundo natural

Efeitos fisiológicos

A aplicação de uma tensão elétrica ao corpo humano leva a uma corrente elétrica através dos tecidos, e embora a relação entre ambas as grandezas não seja linear, quanto maior a tensão, maior a corrente. Embora o limiar de percepção mostre-se significativamente dependente da frequência da fonte elétrica e do caminho da corrente através do corpo, sob certas condições uma corrente tão baixa quanto a de alguns microamperes já mostra-se perceptível através do efeito eletrovibratório que provoca. Se a corrente for suficientemente alta, ela poderá facilmente induzir a contração muscular, a fibrilação do coração e queimaduras significativas nos tecidos. A ausência de qualquer sinal visível de que um condutor encontra-se eletricamente energizado torna a eletricidade particularmente perigosa. A dor causada por um choque elétrico pode ser intensa, levando-a a ser empregada várias vezes como método de tortura. À morte causada por choque elétrico dá-se o nome de eletrocussão. Embora venha tornando-se cada vez mais rara em dias recentes, a eletrocussão ainda é uma forma de execução penal empregada em várias jurisdições ao redor do mundo.

Fenômenos elétricos naturais

A enguia elétrica, Electrophorus electricus - Eletricidade
A enguia elétrica, Electrophorus electricus

A eletricidade não é uma invenção humana, e pode ser observada de variadas formas na natureza, sendo o raio talvez uma das mais contundentes manifestações. Muitas interações que nos são familiares em nível macroscópico tais como o toque, a fricção ou as reações químicas, são devidas a interações elétricas que se dão em nível microscópico. Supõe-se que o campo magnético terrestre tenha sua origem em um dínamo natural que implica correntes circulantes em regiões mais internas do planeta. Certos cristais, tais como o quartzo, ou mesmo açúcar, produzem uma diferença de potencial entre suas faces quando sujeitos a pressões externas. Tal fenômeno, conhecido como piezeletricidade, do grego piezein (πιέζειν), que em português traduz-se por "pressionar", foi descoberto em 1880 por Pierre e Jacques Curie. O efeito é recíproco, e quando materiais piezelétricos são submetidos a campos elétricos, pequenas modificações em suas dimensões físicas são observadas. O acoplamento entre o comportamento elétrico e mecânico nos cristais piezelétricos fazem com que os mesmos encontrem grande aplicação na confecção de bases de tempo para circuitos elétricos muito precisas. Os cristais piezelétricos são os responsáveis pela precisão atual de qualquer relógio eletrônico de pulso.

Alguns espécimes, tais como os tubarões, são capazes de detectar e responder a estímulos elétricos, uma habilidade conhecida como eletropercepção, enquanto outros, ditos eletrogênicos, são capazes de gerar por si só altas tensões, sendo essas usadas tanto para fins predatórios como defensivos. A ordem Gymnotiformes, da qual a enguia elétrica é o melhor exemplo, detecta e atordoa sua presa através das altas tensões geradas em células musculares modificadas conhecidas como eletrócitos. Todos os animais, sobretudo os dotados de sistema nervoso, transmitem informação ao longo das membranas celulares mediante pulsos de tensão conhecidos como potenciais de ação, os quais são responsáveis entre outras pela função de comunicação, via sistema nervoso, entre os neurônios e os músculos. Os choques elétricos estimulam e interferem nesse sistema, levando os músculos a contraírem-se. Os potenciais de ação são também responsáveis pela coordenação de atividades em certas plantas, como as carnívoras.

Um choque cultural

Question book.svg
Esta seção não cita nenhuma fonte ou referência, o que compromete sua credibilidade (desde agosto de 2012).
Por favor, melhore este artigo providenciando fontes fiáveis e independentes, inserindo-as no corpo do texto por meio de notas de rodapé. Encontre fontes: Googlenotícias, livros, acadêmicoYahoo!Bing. Veja como referenciar e citar as fontes.

Até início do século XX, a eletricidade não era parte integrante das vida cotidiana das pessoas, mesmo no Ocidente industrializado[36] .A cultura popular da época frequentemente a retratava como uma força misteriosa, quasi-mágica, capaz de cercear a vida, ressuscitar os mortos e em outras situações violar as leis da natureza. A "revitalização" de pessoas bêbadas ou mesmo aparentemente mortas encontram-se registradas nos anais da medicina desde os trabalhos de Luigi Galvani. Embora não seja a responsável pela nomenclatura do processo de revitalização aplicado ao seu monstro, esses resultados já eram conhecidos por Mary Shelley quando essa escreveu Frankenstein, ainda nos idos de 1819. A revitalização de monstros através da eletricidade tornou-se mais tarde um assunto "chocante" em filmes de terror.

À medida que a familiaridade do público bem como os conhecimentos acerca da força motriz da segunda revolução industrial se desenvolviam, uma luz positiva foi gradualmente iluminando o assunto eletricidade e os que soldavam suas fundações, levando a extinção os preconceitos contra os que abrigavam, segundo o poema Sons of Martha de Rudyard Kipling (1907), "o dedo da morte nas extremidades de suas luvas à medida que esses emendavam e remendavam os fios da vida". Veículos elétricos de todos os tipos caracterizaram de forma marcante as estórias de aventuras tais como as narradas em livros escritos por Jules Verne e Tom Swift. Os mestres da eletricidade, quer real quer ficcional - incluso cientistas tais como Thomas Edison, Charles Proteus Steinmetz e Nikola Tesla - eram popularmente concebidos como possuidores de poderes descomunais.

Com a eletricidade gradualmente deixando de ser uma novidade e tornando-se uma necessidade do cotidiano na metade final do século XX, ela causa alarme popular hoje apenas quando verifica-se a sua ausência repentina, evento que, alheio a considerações sobrenaturais, certamente significa uma premonição para desastres. Os homens que hoje a mantém fluindo, tais como os heróis anônimos retratados na canção Wichita Lineman (1968) de Jimmy Webb, são mais que nunca nesses casos elencados como heróis possuidores de poderes descomunais ao restaurarem o fluxo normal da energia elétrica.

Ver também

Referências

  1. a b Gaspar 2005, p. 15
  2. a b Gaspar 2005, p. 399
  3. Gaspar 2005, p. 401
  4. Gaspar 2005, p. 414
  5. Gaspar 2005, p. 425
  6. Gaspar 2005, p. 439
  7. Gaspar 2005, p. 449
  8. Jones, D.A., "Electrical engineering: the backbone of society", Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1–10 
  9. Moller, Peter; Kramer, Bernd (December 1991), "Review: Electric Fish", BioScience (American Institute of Biological Sciences) 41 (11): 794–6 [794], doi:10.2307/1311732 
  10. Bullock 2005, p. 5-7
  11. Morris 2003, p. 182-185
  12. The Encyclopedia Americana; a library of universal knowledge (1918), Nova Iorque: Encyclopedia Americana Corp
  13. a b Stewart 2001, p. 50
  14. Stewart 2001, p. 6-7
  15. Frood, Arran (27 February 2003), Riddle of 'Baghdad's batteries', BBC, http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/2804257.stm, visitado em 2008-02-16 
  16. Bargrie 2006, p. 7-8
  17. Chalmers, Gordon (1937), "The Lodestone and the Understanding of Matter in Seventeenth Century England", Philosophy of Science 4 (1): 75–95, doi:10.1086/286445 
  18. Srodes 2002, p. 92–94
  19. Uman 1987
  20. a b c Kirby 1990, p. 331–333
  21. Berkson 1974, p. 148
  22. Marković, Dragana, The Second Industrial Revolution, http://www.b92.net/eng/special/tesla/life.php?nav_id=36502, visitado em 2007-12-09 
  23. a b Feynman; Mathew Sands. Lições de Física de Feynman (em Português). Edição Definitiva, A ed. [S.l.]: Bookman, 2008. 1798 pp. ISBN 9788577802593 Página visitada em 10 de agosto de 2013.
  24. Trefil 2003, p. 74
  25. Duffin 1980, p. 2-5
  26. Sears 1982, p. 457
  27. Shectman, Jonathan (2003), Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 18th Century, Greenwood Press, pp. 87–91, ISBN 0-3133-2015-2 
  28. Close, Frank (2007), The New Cosmic Onion: Quarks and the Nature of the Universe, CRC Press, p. 51, ISBN 1-5848-8798-2 
  29. Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, pp. 469–470, ISBN 0-2010-7199-1 
  30. Sears, et al., Francis (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, p. 479, ISBN 0-2010-7199-1 
  31. Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, p. 88, ISBN 007084111X 
  32. Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, p. 2, ISBN 0-07-451786-4 
  33. Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, pp. 201–202, ISBN 0-07-451786-4 
  34. Rickards, Teresa (1985), Thesaurus of Physics, HarperCollins, p. 167, ISBN 0-0601-5214-1 
  35. a b c d Joseph, Edminister (1965), Electric Circuits, McGraw-Hill, p. 3, ISBN 07084397X 
  36. COOK, Megan (12/04/2010). Story: Energy supply and use (em inglês) Te Ara - the Encyclopedia of New Zealand. Página visitada em 16/08/2012.

Bibliografia

  • Bargrie, Brian. Electricity and Magnetism: A Historical Perspective. [S.l.]: Greenwood Press, 2006. ISBN 0-3133-3358-0
  • Berkson, William. Fields of force: the development of a world view from Faraday to Einstein (em inglês). [S.l.]: Routledge, 1974. Página visitada em 12 de janeiro de 2012.
  • Bullock, Theodore H.. Electroreception (em inglês). [S.l.]: Springer, 2005. ISBN 0387231927
  • Duffin, W.J.. Electricity and Magnetism. 3 ed. [S.l.]: McGraw-Hill, 1980. ISBN 007084111X
  • Kirby, Richard S. Engineering in History. [S.l.]: Courier Dover Publications, 1990. ISBN 0486264122
  • Morris, Simon C. Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe (em inglês). [S.l.]: Cambridge University Press, 2003. ISBN 0521827043
  • Sears, Francis; et al.. University Physics (em inglês). 6 ed. [S.l.]: Addison Wesley, 1982. ISBN 0-2010-7199-1
  • Simpson, Brian. Electrical Stimulation and the Relief of Pain (em inglês). [S.l.]: Elsevier Health Sciences, 2003. ISBN 0-4445-1258-6
  • Srodes, James. Franklin: The Essential Founding Father. [S.l.]: Regnery Publishing, 2002. ISBN 0895261634
  • Stewart, Joseph. Intermediate Electromagnetic Theory (em inglês). [S.l.]: World Scientific, 2001. ISBN 9-8102-4471-1
The Nature of Science: An A-Z Guide to the Laws and Principles Governing Our Universe
James Trefil Physics Professor (2003)
Today science literacy - knowing how the world works, from the microscopic level to the farthest reaches of space - is more important than ever, but finding all the essential information in one place can be a daunting task. Enter The Nature of Science, the ultimate science handbook for the home, explaining in everyday terms the two hundred overarching laws, principles, and mechanisms that make sense of the physical world. Cloning; black holes; Fermat's last theorem; genetic drift; the inflationary universe; Newton's laws of motion; string theories. With lively writing and whimsical analogies, science popularizer James Trefil leads a remarkable A-Z tour through the discovery, significance, and workings of the universe's major laws. Here are some two hundred essays on grand theories, such as Kepler's laws of planetary motion and Mendel's laws of genetics, and on more familiar phenomena, such as how airplanes fly and how polarized sunglasses work. Abundant cross-references make it easy to follow a law's connections across different fields, revealing a web of unifying theories that span the smallest cell and the largest galaxy. Timelines in each essay further spell out the evolution of each law, while biographical sidebars on scientists showcase the often quirky tales of discovery - the human stories behind nature's laws. From atomic theory to Zeno's paradox, The Nature of Science makes understanding science a pleasure. For those who are familiar with the Big Bang (but maybe not the Big Crunch or the Big Splash), this book is essential reading - a key to unlocking the mysteries of the universe.
  • Trefil, James. The Nature of Science: An A–Z Guide to the Laws and Principles Governing Our Universe. [S.l.]: Houghton Mifflin Books, 2003. ISBN 0-6183-1938-7
  • Umashankar, Korada. Introduction to Engineering Electromagnetic Fields. [S.l.]: World Scientific, 1989. ISBN 9971509210
This page is based on data from Wikipedia (read/edit), Freebase, Amazon and YouTube under respective licenses.
Text is released under the Creative Commons Attribution-ShareAlike License.