Aula 05.2 - Cálculos em um circuito elétrico

O circuito elétrico é o conjunto de equipamentos que promove a passagem de corrente elétrica. Circuito elétrico é uma ligação de dispositivos, como geradores (V), resistores (R), capacitores (C), indutores (L), etc...

Feita por meio de um condutor, que permite a passagem de correntes elétricas (I) pelos elementos do circuito, neste circuito estão relacionados diversas grandezas elétrica que são dependente uma das outras.

Cálculos em eletricidade: Tensão, Corrente, Potência e Resistência

O conceito de eletricidade é abrangente, mas podemos compreendê-lo como todos os efeitos que as cargas elétricas produzem sobre a matéria. A eletricidade é comumente associada à corrente elétrica, uma movimentação de cargas que é estabelecida quando algum corpo é submetido a uma diferença de potencial elétrico, já definido acima.

A fim de calcularmos a potência elétrica dissipada em um resistor podemos aplicar diferentes equações, além da equação que nos fornece a potência nos dispositivos elétricos (P = V x I). Para descobrirmos quais são essas equações, vamos considerar a figura ao lado onde:

P – é a potência, que é dada em watt (W)

i – é a corrente elétrica, que é dada em ampère (A)

U – é a tensão, que é dada em volt (V)

R – é a resistência, que é dada em ohm (Ω).

Fórmulas de resistências: Resistência, tensão e corrente, são relacionadas por três fórmulas, que correspondem à “Lei de Ohm”. Na verdade, a relação existente entre as três grandezas é uma só, e as duas fórmulas seguintes são consequência da primeira:

• R = V/I 
• V = R x I
• I = V / R

Estas fórmulas dizem, então, que: 

Para calcular a resistência de um circuito, dividimos a tensão aplicada neste circuito pela corrente que nele circula. 

Para calcular a tensão num circuito, multiplicamos a sua resistência pela corrente que nele passa.

Para calcular a corrente num circuito, dividimos a tensão nela aplicada pela sua resistência.

1) Qual é a resistência de uma lâmpada que deixa passar uma corrente de 0,5 A, quando ligada na rede de 110 V?

Neste caso temos: I = 0,5 A e V = 110 V; queremos calcular R, para isso usamos a fórmula: R = V/I

R = 110 / 0,5; R = 220 Ω

A resistência da lâmpada é, portanto, de 220 Ω.

2) Que tensão devemos aplicar numa resistência de 50 Ω para que passe uma corrente de 2 A?

Neste caso temos: R = 50 Ω e I = 2 A; queremos calcular V, para isso usamos a fórmula: V = R x I

V = 50 x 2; V = 100 volts

A tensão aplicada deve ser de 100 V.

3) Qual é a corrente que passa numa resistência de chuveiro de 22 Ω quando ligamos na rede de 220 V?

Neste caso temos: V = 220 V e R = 22 Ω; queremos calcular I: usamos a fórmula: I = V/R

I = 220/22; I = 10 ampères

A corrente circulante é de 10 ampères.

Para resolver sozinho:

1) Qual é a resistência de um pedaço de fio que ao ser ligado numa rede de energia que estabelece uma tensão de 110 V é percorrido por uma corrente de 5 A?

2) Que tensão devemos aplicar numa resistência de 50 Ω para que circule uma corrente de 0,1A?

3) Qual é a corrente que passa numa lâmpada de resistência 100 Ω, quando a ligamos na rede de 220 V?

Respostas: 1) 22 Ω; 2) 5 V e 3) 2,2 A.

Fórmulas de potências: Outra série de fórmulas importantes são as que relacionam a potência, a resistência, a corrente e a tensão. A. relação é denominada “Lei de Joule”. Temos então, as seguintes fórmulas (todas decorrentes de uma mesma relação):

• P = V x I
• P = V²/R
• P = R x I²

Estas fórmulas nos dizem que:

Para calcular a potência quando temos a tensão e a corrente num circuito, basta multiplicar um pelo outro, ou seja, tensão x corrente.

Quando temos a tensão e a resistência, e queremos calcular a potência, devemos, em primeiro lugar, elevar a tensão ao quadrado, ou seja, fazer tensão x tensão, e o resultado desta operação devemos dividir pela resistência.

Quando temos a resistência e a corrente para calcular a potência, devemos em primeiro lugar, elevar a corrente ao quadrado e o resultado multiplicar pela resistência.

Veja os exemplos abaixo. 

4) Qual é a potência de um chuveiro, que ligado na rede de 220 V, funciona com uma corrente de 10 A?

Neste caso: V = 220 V e I = 10 A;

Queremos calcular P, usamos a fórmula: P = V x I. 

P = 220 x 10; P = 2.200 watts

A potência do chuveiro é de 2.200 watts.

5) Que potência tem uma lâmpada em que filamento tem uma resistência de 220 Ω, e que é usada na rede de 110 V?

Neste caso temos: R = 220 Ω e V = 110 V;

Queremos calcular P, Usamos a fórmula: P = V2/R; fazemos então: 

P = (110 x 110) / 220; P = 12.100 / 220; P = 55 watts

A potência da lâmpada é de 55 watts.

6) Qual é a potência exigida por um aparelho que tem uma resistência de 100 Ω e que opera com uma corrente de 0,2 A?

Neste caso temos: R = 100 Ω e I = 0,2 A e queremos calcular P, Usamos a fórmula: P = R x I2;

P = 100 x (0,2)2; P = 100 x 0,2 x 0,2; P = 100 x 0,04; P = 4 watts

A potência é de 4 watts.

Para o leitor resolver sozinho:

1) Que potência consome um ferro elétrico que trabalha na rede de 110 V e que exige uma corrente de 5 A?

2) Qual é a potência de uma lâmpada cujo filamento tem uma resistência de 100 Ω e que trabalha com tensão de 100 V?

3) Qual é a potência de um ferro de passar roupa cuja resistência é de 55 Ω, e que trabalha na rede de 110 V?

Respostas: 4) 550 W; 5)100 W; 6) 220 W.

Lembramos que, para calcular o consumo de um aparelho em quilowatts hora, além de calcular sua potência em watts, devemos convertê-la em quilowatts (dividindo por 1.000 o valor encontrado) e depois multiplicar pelo tempo em horas que ele fica ligado.

No link a seguir há exercícios de circuitos em corrente contínua simples, série, paralelo e misto; onde temos que realizar os cálculos de resistência para definir as tensões e correntes no circuito:  20_03_012_Circuito_Simples_Série_Paralelo_Misto.

No link a seguir há exercícios de circuitos em corrente alternada simples, série, paralelo e misto; onde temos que realizar os cálculos de resistência para definir as tensões e correntes no circuito:  23_01_001_Circuito_Simples_Série_Paralelo_Misto.

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/01/2023

Aula 05.1 - Representação de: Tensão, Corrente, Potência e Resistência elétrica.

Figura 01 - Tensão, corrente e resistência elétrica.

Quando estudamos eletrônica, é comum ouvirmos sobre Tensão, Corrente, Potência, Resistência e unidades de medida como Volts, Amperes, Watts e Ohms.

Entender esses conceitos é fundamental para começar a aprender sobre eletricidade e realizar análises de circuitos bem sucedidas.

Vamos estudar quais são as principais grandezas físicas relacionadas a eletricidade bem como os cálculos que relacionam umas com as outras.

Tensão Elétrica

Figura 02 - Tensão elétrica.

A tensão elétrica consiste na diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Essa diferença de potencial é o que possibilita o movimento dos elétrons, gerando assim uma corrente elétrica. Portanto, quanto maior esse valor, mais energia pode fluir no circuito.

A Tensão Elétrica é fornecida ao circuito por meio de um gerador, seja ele uma pilha, bateria, fonte ou até mesmo um gerador solar, térmico, mecânico e inúmeros outros. A unidade de medida é o Volt, e é vista em circuitos representada pelas letras V ou U.

Tensão elétrica é a quantidade de energia armazenada em cada coulomb de carga elétrica, quando esta se encontra em regiões em que há um campo elétrico não nulo. Nessas condições, quando soltas, as cargas podem passar a se mover, devido ao surgimento de uma força elétrica sobre elas. Cargas positivas movem-se em direção aos potenciais elétricos mais baixos, enquanto as cargas negativas tendem a se deslocar em direção aos potenciais elétricos mais altos. Logo: "A tensão elétrica é definida como a energia potencial elétrica armazenada por unidade de carga elétrica. Por exemplo, quando uma carga elétrica de 1,0 Coulomb é colocada em uma região de 1 Volts, ela adquire uma energia potencial elétrica de 1 Joule."

Quando alguém falar em ddp (diferença de potencial) também está se referindo a tensão elétrica. A tensão também é representada nas fórmulas pela letra V e eventualmente pela letra U. V, uma homenagem á Volta, Alessandro Giuseppe (1745 - 1827). 

Corrente Elétrica

Figura 03 - Corrente elétrica.

A Corrente Elétrica é um fluxo de elétrons que circula em um condutor quando há diferença de potencial – ou seja, tensão.

Pode causar alguns efeitos no condutor, sejam eles térmicos ou luminosos. O exemplo disso é um chuveiro elétrico, que a corrente passando em seu circuito dissipa muito calor.

A corrente elétrica é o movimento de cargas elétricas, que acontece no interior de diferentes materiais, em razão da aplicação de uma diferença de potencial elétrico. A corrente elétrica é a grandeza física que nos permite conhecer qual é a quantidade de carga que atravessa a secção transversal de um condutor a cada segundo. "No sistema internacional sua unidade de medida é o Ampère (A), sendo calculada através da seguinte expressão: I = Q / Δt. Onde: I: intensidade da corrente (A), Q: carga elétrica (C) e Δt: intervalo de tempo (s).

A unidade de medida da corrente são os Amperes. Em circuitos, você pode ver ela ser representada pela letra i. Não confundir a representação da corrente (I) com sua unidade em Amperes (A), uma homenagem á Ampère, André-Marie (1775 - 1836).

Apesar de sempre considerarmos que a energia sai do terminal positivo do gerador e flui para o terminal negativo, isso não acontece de fato. Na realidade, os elétrons saem do terminal negativo e fluem para o positivo.

Carga Elétrica

De acordo com o sistema internacional de unidades, a carga elétrica é medida em Amperes x segundos, tal unidade, por sua vez, é chamada de coulomb (C). O coulomb (símbolo: C) é a unidade de carga elétrica no Sistema Internacional (SI). É, por definição, a carga elétrica transportada em 1 segundo por uma corrente de 1 ampere. Seu nome foi dado em homenagem a Charles de Coulomb.

A carga elementar e de um elétron é: .

Uma carga de 1 Coulomb é a carga elétrica de 6,25 . 10¹⁸ elétrons.

Para determinarmos a quantidade de carga elétrica de um corpo precisamos saber o número de elétrons ou prótons que este corpo tem em excesso, logo: Q = n.e. Onde: Q = quantidade de carga elétrica do corpo, n = número de elétrons em falta ou em excesso e e = carga elementar (1,6 . 10^-19C).

Resistência Elétrica

Figura 04 - Resistência elétrica.

Em termos técnicos, a Resistência Elétrica é a capacidade de um corpo se opor a passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada.

Isso muda de material para material – cada um tem suas características, uns facilitam e outros dificultam a passagem de corrente.

Dessa forma, na prática, todo material possui uma resistência elétrica, por menor que ela seja.

A resistência causa o efeito Joule, em que parte da energia é perdida em forma de calor. Quanto maior a resistência, maior a perda.

A unidade de medida da Resistência é o Ohm. Entretanto, em circuitos e equações, ela será vista representada pela letra R. Os Ohms são representados pela letra grega ômega. Ohm é uma homenagem á Ohm, Georg Simon (1789-1854).

Potência Elétrica

Figura 05 - Potência elétrica.

Quando relacionamos a Tensão e a Corrente de um circuito, temos a potência. Assim, a potencia é o produto da multiplicação dos volts pelos amperes. Veja a fórmula:

P = V x I (W)

Onde: P= Potência (Watts); V= Tensão (Volts) e I= Corrente (Amperes).

A unidade de medida da Potência é o Watt. Assim, quando dizemos que um aparelho tem tantos Watts, é a relação entre a tensão e a corrente que ele “consome”. Não confundir a representação da potência (P) com sua unidade em watts (W), Watts é uma homenagem á Watt, James (1736-1819).

Representação de correntes e tensões em componentes passivos

Nós precisamos de uma forma simples para representar as tensões e correntes em um circuito. O propósito da convenção de sinais desenvolvida é definir o que queremos dizer por tensões e correntes positivas e/ou negativas. Por que precisamos de uma convenção de sinais? Componentes passivos (resistores, capacitores, indutores) têm uma equação que os define (Lei de Ohm e outras). Essas equações estabelecem uma relação entre tensão e corrente. Nós não podemos simplesmente atribuir a polaridade da tensão e a direção da corrente de qualquer forma. A polaridade da tensão e a direção da corrente têm que ser consistentes uma com a outra. A convenção universal para polaridade da tensão e direção da corrente para componentes de dois terminais é mostrada abaixo:

Figura 06 - Convenção de sinais de tensão e corrente para resistores, capacitores e indutores.

Polaridade da tensão: A figura 01 mostra a polaridade da tensão com duas notações em laranja: sinais + positivo e - negativo, e uma seta. A seta da tensão aponta de - negativo para + positivo. Os sinais e a seta são redundantes, eles significam exatamente a mesma coisa. Você pode usar qualquer um, ou ambos, em seus esquemas. A seta de tensão é desenhada levemente curvada. Isso ajuda a identificá-la como a seta de tensão, e não ser confundida com uma seta reta que representa a corrente.

Direção da corrente: A seta azul mostra a direção atribuída ao fluxo de corrente positiva. Setas de corrente devem ser desenhadas do forma que a corrente flui do terminal de tensão + positivo, para o terminal de tensão - negativo.

A razão dessa convenção é para que os sinais de corrente e tensão surjam corretamente quando aplicamos as equações que definem cada componente, como Lei de Ohm para um resistor.

Exemplo 1: Esse resistor de 250 Ω foi definido usando a convenção de sinais para componentes passivos. A polaridade das tensões (sinais laranja e setas) foram designados com + positivo no topo do resistor. Essa direção foi uma escolha arbitrária. A seta de corrente azul aponta do terminal positivo para o negativo, Isso não foi uma escolha arbitrária. Corrente tem que fluir de + para -.

Figura 07 - Cálculo de corrente em resistores.

Alguma coisa (não mostrada, uma fonte de tensão ou um circuito vizinho) causou o aparecimento de 2 volts, através do resistor. Para achar a corrente, aplique a Lei de Ohm: i = v / R >> i =  2 / 250 >> i = 8 mA. A seta da tensão nos diz que o topo do resistor tem 2V a mais que parte inferior do resistor. Pela Lei de Ohm calcula-se a corrente que é + 8 mA. O sinal + na corrente significa que ela está fluindo na direção da seta, de cima para baixo.

No link a seguir há exercícios de aplicação: 05 - Lista de exercícios de Eletricidade básica.

No link a seguir há o software Proteus para simulação de circuito elétricos: 01 Software para uso em Eletricidade básica.

© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/04/2019

Aula 05 - Eletrodinâmica

Eletrodinâmica é o ramo da Física que estuda as cargas elétricas em movimento. Os principais conceitos estudados nessa área são a tensão elétrica (V) corrente elétrica (i), a resistência elétrica (R) e a potência elétrica (P).

A corrente elétrica (i) é o movimento ordenado das cargas elétricas dentro de um condutor devido a uma diferença de potencial (tensão elétrica - U). A intensidade da corrente (i) é calculada pela quantidade de cargas (ΔQ) que passam no condutor em um determinado tempo (Δt).

A resistência elétrica (R) é encontrada por meio da 1ª e 2ª lei de Ohm, que relacionam a resistência com a tensão (U) e a corrente (i), bem como a resistência com o tipo de material de que o condutor é feito. Sua unidade de medida é o ohm (Ω).
A potência elétrica (P) é eficiência do dispositivo de transformar energia, nesse caso a energia elétrica. Sua unidade de medida é o watt (w).

© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/04/2019

Aula 04 - Experimentos com Kit Bender

Figura 01 - Transformador Desmontável Bender

Normalmente a energia elétrica não é gerada sob a forma e parâmetros apropriados a uma determinada utilização e, assim sendo, o problema de alterações nos valores de tensões e correntes apareceu logo nas primeiras aplicações industriais. 
Os aparelhos imaginados para resolver tais problemas são de concepções que datam de mais de um século.

Figura 02 - Fotos do Transformador desmontável Bender

Tais aparelhos recebem a denominação genérica  de transformadores e são melhores conhecidos sob adjetivos que especificam mais acuradamente suas funções particulares, tais como: elevadores de tensão, abaixadores de tensão, de isolamento, casadores de impedância, de modulação, de acoplamento, de pulso, de saída, etc.
Vamos nos restringir ao uso de um transformador desmontável para fins didáticos. 

A figura 01 ilustra as partes que constituem esse 'kit Bender', que provavelmente já existente em muitas escolas e faculdades.

A figura 02 temos parte das peças que constituem o kit Bender sobre a bancada.

Experimentos com o 'kit Bender'

O 'transformador utilizado no kit possui um núcleo desmontável com área de 40 x 40 mm, o qual define a potência máxima deste transformador, veja figura 03. 

Figura 03 - Dimensões do núcleo 

Como primário usamos a bobina de 250 espiras (ou a de 300 espiras) e como secundário a bobina de tubo de cobre com 5 ou 6 espiras, veja figura 04.
Se a tensão aplicada é de U_p = 120 VAC, a corrente no primário ficará ao redor dos 5 A (I_p = 5 A); se usarmos a bobina de 300 espiras no primário e a de 5 espiras no secundário teremos a seguinte corrente:

Ip/Is = Ns/Np ;
Is = Ip.Np/Ns ;
Is = 5.300/5 ;
Is = 300 A .

Experimento 1 - Modo para se obter altas intensidades de correntes. Aplicação: Solda elétrica.

Figura 04 - Aplicação de transformador - Solda Elétrica 

O transformador ilustrado na figura 04 é utilizado para demonstrar o funcionamento de uma solda elétrica.

O secundário é uma bobina de 5 espiras feitas com um tubo de cobre de parede espessa e cerca de 1 cm de diâmetro. Quando o secundário é posto em curto circuito a corrente assume valores de centenas de ampères.
Dois pregos (ou pedaços de arame) são colocados na parte de soldagem e, quando entram em contato, esquentam até o rubro e, eventualmente, se fundem.

Figura 05 - Fotos do experimento (A) - Solda Elétrica

Várias tiras pequenas de metal podem ser colocadas entre os pontos de solda; quando estes são apertados contra elas, soldam-se, veja figura 05.
uma às outras. Há um tubo isolante (fibra) separando o núcleo de ferro das espiras do secundário.
Veja o vídeo do experimento no link: Solda Elétrica com Kit Bender .

Experimento 2 - Modo para levitar objetos. Aplicação: Anel de Thompson.

Figura 06 - Foto do experimento (B) - Anel de Thompson

O anel de Thompson ou vulgarmente anel saltitante, é essencialmente um transformador de núcleo aberto no qual a bobina secundária se reduz a uma única espira de fio grosso. Na prática, o secundário  é um anel metálico, normalmente de alumínio, de paredes grossas, veja  figura 06.

Quando a bobina primária (250 ou 300 espiras de fio de cobre esmaltado para corrente de 5 a 10 A) está conectada à rede elétrica (117 VAC), a corrente induzida na bobina secundária (anel metálico de parede grossa) é muito intensa (faça os cálculos!) e gera um forte campo magnético em seu interior.
A lei de Lenz aplicada ao sentido dessa corrente justifica a concordância das polaridades desses dois campos (o indutor e o induzido) e a conseqüente força de repulsão que surge no anel, fazendo-o saltar. Obviamente no sistema indutor (núcleo e bobina primária) aparece a reação dessa força de repulsão, comprimindo o sistema contra a mesa (ou sobre o prato de uma balança de molas, se o intuito do experimento é constatar o valor médio da intensidade dessa força, ou a validade da terceira lei de Newton).
É muito interessante observar o que ocorrerá quando o anel de alumínio (material mais utilizado) é resfriado em nitrogênio líquido. Tal resfriamento aumenta substancialmente a condutividade do material do anel, a corrente induzida adquire valores especialmente notáveis e o anel congelado saltará muito mais alto.

Figura 07 - Aplicação de transformador - Anel de Thompson 

Se a bobina primária é 'energizada' e então abandonarmos o anel no centro do núcleo de ferro, ele irá levitar. Se tentarmos arrastá-lo para baixo, até o topo da bobina primária, iremos sentir uma força repulsiva muito intensa; talvez até consigamos levá-lo até lá --- mas, prepare-se para soltá-lo rapidamente pois o aquecimento que se manifestará será um bocado intenso.
Não nos esqueçamos da lei de Joule! A energia desenvolvida sob a forma de calor é proporcional à resistência elétrica do anel, ao quadrado da intensidade de corrente nele induzida e do intervalo de tempo que dura a indução.
Para uma explicação rápida do fenômeno basta informar que a bobina primária e o anel secundário comportam-se como duas barras magnéticas cujos pólos de mesmo polaridade se defrontam.
Para que o anel salte, o campo magnético gerado pela bobina não pode estar confinado ao núcleo (o que acontece quando o núcleo está fechado, como na foto ao lado). Ele deve se 'espalhar', de modo que B (vetor indução magnética) admita um componente vertical (que é responsável pelo estrangulamento do anel) e um componente horizontal/radial (que é responsável pela repulsão do anel para cima).

Figura 08 -  Transformador com núcleo fechado.

Se substituirmos o anel rígido por uma espiral toroidal fechada de fio de cobre, pode-se verificar o estrangulamento do anel toroidal.
Quando o fluxo está crescendo, o sentido da força de Lorentz sobre o anel é o de repulsão e, quando está decrescendo, é o de atração.
Este fato e a inércia do anel deveria impedir qualquer movimento, todavia, o desequilíbrio ocorre por conta da pequena indutância do anel, que atrasa um pouco a corrente e faz com que, numa pequena fração do ciclo, ocorra a concordância entre o sentido da corrente e o do campo, necessário para ocorrer a repulsão, conforme ilustração da figura 07.
Obviamente nenhuma das explicações dadas para o anel saltador aqui apresentadas no texto acima é completa; o aluno do ensino médio ainda não tem os recursos necessários para o entendimento da não uniformidade de campo magnético que se origina no núcleo e seus efeitos sobre o anel. Se fecharmos o núcleo (como na ilustração acima) o anel não mais apresentará qualquer tendência de 'saltar'; o que justifica esse meu parágrafo sobre a 'não uniformidade do campo'.
Com o núcleo fechado (conforme ilustração da figura 08) não ocorre considerável espalhamento do campo para fora do núcleo, o que é indispensável para o pulo do anel.

Veja o vídeo do experimento no link: Anel de Thompson com Kit Bender .

Experimento 3 - Modo para se obter altíssima intensidade de correntes. Aplicação: Forno de Indução.

Figura 09 - Aplicação de transformador - Forno Magnético

Para esta experimentação usamos da "calha". Esta consiste de um aro metálico (cobre ou latão), que comporta uma canaleta (um rebaixo) no círculo médio, fixado a um punho de madeira. No fundo é uma chapa circular com um sulco na região central capaz de reter uma pequena quantidade de água. Montando o sistema como se ilustra e ligando-se a corrente primária esta água ferve em segundos (2 ou 3 segundos!). Em 5 s toda a água já terá se vaporizado. Colocando-se a cabeça de um palito de fósforo nesta calha (em substituição à água), o fósforo arderá em segundos. A calha passa a ser uma espira única e de resistência desprezível; a corrente induzida alcança a casa dos mil ampères facilmente.
Veja o vídeo do experimento no link: Solda de Indução com Kit Bender .

Experimento 4 - Modo para se obter alta tensão - Aplicação: Chifre elétrico.

Figura 10 - Aplicação de transformador - Chifre Elétrico

O transformador elevador de tensão apresenta como primário uma bobina de 150 ou 300 espiras e como secundário uma bobina de 12 000 ou 24 000 espiras. A razão de transformação é a mesma nos dois casos:

Figura 11 - Foto de Aplicação de transformador - Chifre Elétrico

                          Up/Us = Np/Ns  , então,  110V~/Us = 150/12000 ==> Us = 8 800 V~
                          Up/Us = Np/Ns  , então,  110V~/Us = 300/24000 ==> Us = 8 800 V~

Nos terminais da bobina secundário, onde teremos disponível a alta tensão alternada, ligam-se duas varetas metálicas, dispostas na vertical, em forma de V, lembrando um par de chifres. Eis as ilustrações da fira 10 e 11.
Os detalhes do funcionamento e as causas da subida da faísca nos chifres podem ser vistos, em detalhes, no trabalho que trata especificamente do "chifre elétrico".
Veja o vídeo do experimento no link: Arco Elétrico com Kit Bender .

Experimento 5 -  A corrente no primário depende da carga no secundário.

Figura 12 - Foto de Aplicação de transformador
Correntes primário e secundário

Uma lâmpada de 117V/40W colocada em série com o primário (250 ou 300 espiras) acende com fraco brilho quando o secundário (que contém uma lâmpada de automóvel de 12V/70W) está aberto.
Ao se fechar o circuito secundário, a lâmpada de 12V brilha e a lâmpada da 110V/40W brilha mais intensamente, acusando um aumento da intensidade de corrente no primário.

Referências: Figuras e Texto retirado do site Feira de Ciências.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 21/01/2017

Aula 03.5 - Carga elétrica

A carga elétrica é uma propriedade das partículas elementares que compõem o átomo. Lembrando que o átomo é formado por prótons, nêutrons e elétrons, sendo que:

• Prótons: Localizam-se no núcleo do átomo e possuem carga elétrica positiva;
• Elétrons: Ficam na eletrosfera, região ao redor do núcleo atômico, e têm carga elétrica negativa;
• Nêutron: Também localizado no núcleo atômico, não possui carga elétrica.

Estrutura Atômica - O átomo é formado por prótons, nêutrons e elétrons. A unidade de grandeza da carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades é o Coulomb, representado pela letra C, em homenagem a Charles Augustin Coulomb.

Todos os corpos são formados por cargas elétricas, porém, não é fácil perceber suas propriedades, pois a maioria dos corpos, quando estão eletricamente neutros, possui mesma quantidade de prótons e elétrons. Um corpo pode ser eletrizado de duas formas:

• Positivamente: se possui mais prótons que elétrons;
• Negativamente: se possui mais elétrons do que prótons.

A carga elementar - A carga elétrica elementar é a menor quantidade de carga que pode ser encontrada na natureza. Seu valor é igual a 1,6 . 10 -19 C e é atribuído à carga do elétron (com sinal negativo) e à do próton (com sinal positivo).

A partir desse valor, podemos perceber que 1 C é uma unidade muito grande para a carga elétrica, por isso, é comum a utilização de seus submúltiplos. Os principais são 

• mC (milicoulomb) = 10 -3C
• μC (microcoulomb) = 10 -6C
• nC (nanocoulomb) = 10 -9 C
• pC (picocoulomb) = 10 -12 C

Eletrostática

A eletrostática é a parte da Física que estuda fenômenos associados às cargas elétricas em repouso. Ela é regida pelos seguintes princípios:

1. O princípio da conservação da carga elétrica: a somatória da carga elétrica de um sistema eletricamente isolado é constante;
2. Quantização da carga elétrica: de acordo com esse princípio, a carga elétrica é quantizada, ou seja, sempre um múltiplo do valor da carga elétrica elementar. A carga de um corpo é dada pela equação: Q = n . e . Sendo: Q - a carga elétrica total de um corpo; n - o número de elétrons perdidos ou recebidos; e - a carga elementar (1,6 x 10 -19 C).
3. Princípio da atração e repulsão das cargas elétricas: cargas elétricas de mesmo sinal repelem-se, e cargas de sinais contrários atraem-se.

Eletrização

Para que um corpo, inicialmente neutro, fique eletricamente carregado, ele precisa passar por um processo de eletrização, que pode ocorrer de três formas:

Eletrização por atrito: quando dois corpos neutros e feitos de diferentes materiais são atritados entre si, um deles ganha elétrons (adquire carga negativa) e o outro perde elétrons (adquire carga positiva). Nesse tipo de eletrização, os dois corpos ficam com carga de módulo igual, mas de sinais opostos.

Eletrização por contato: ocorre quando dois corpos condutores, estando um deles eletrizado, são colocados em contato e a carga elétrica é redistribuída entre os dois, estabelecendo equilíbrio eletrostático. Ao fim desse processo, os dois corpos ficam com a mesma carga.

Eletrização por indução: esse processo de eletrização ocorre em três etapas: Inicialmente se aproxima um corpo eletrizado de um corpo neutro, fazendo com que neste haja a separação de cargas; Em seguida, conecta-se um condutor ao corpo neutro, ligando-o a terra, fazendo com que uma parte do condutor seja neutralizada; Por fim, desconecta-se o corpo da terra e ele fica eletrizado com mesma carga, porém com sinal oposto às cargas do corpo usado para induzir a separação de cargas.

Campo Elétrico

O campo elétrico é uma carga pontual e no vácuo pode ser calculado por meio da seguinte equação:

Legenda: E – campo elétrico [N/C ou V/m]; Q – carga geradora do campo elétrico [C]; k0 – constante eletrostática do vácuo [8,99.109 N.m²/C²]; d – distância do ponto até a carga geradora.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/01/2017

Aula 03.4 - Fundamentos de Eletroquímica

  Eletroquímica é um ramo da Química em que se correlaciona o envolvimento de reações químicas com corrente elétrica e potencial elétrico. Algumas reações podem gerar corrente elétrica espontaneamente, enquanto outras podem necessitar de corrente elétrica para acontecer. Assim sendo, a eletroquímica estuda como mudanças químicas e elétricas ocorrem no sistema de acordo com a passagem de uma corrente elétrica.

A eletroquímica é um importante campo, pois ajuda a desenvolver tecnologias e materiais que atendem ao mundo moderno. Graças a ela, temos o desenvolvimento de baterias (como as de íon lítio), células solares, técnicas de produção de diversas substâncias químicas e metais pela eletrólise, além de técnicas de contenção da corrosão, um grande problema estrutural. As reações que ocorrem em processos eletroquímicos são chamadas de reações de oxirredução.
As reações de oxirredução (ou reações redox) são assim chamadas porque englobam duas semirreações importantes, que ocorrem de forma concomitante: a de oxidação e a de redução.

Fig.1 - Oxiredução: Zn e Cu

Durante uma reação de oxirredução ocorre a transferência de um ou mais elétrons de uma espécie oxidada (a qual perde elétrons) para uma espécie reduzida (a qual ganha elétrons).
Por exemplo, vê-se a reação de oxirredução a seguir:
Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s)
Perceba que o zinco perdeu, durante a oxidação, dois elétrons da sua estrutura e teve seu número de oxidação aumentado durante o processo (passou de 0 para +2), já o cobre, ao contrário, sofre uma redução.

Pilha de Volta

Fig.2 - Pilha de Volta

A primeira contribuição da eletroquímica foi a pilha desenvolvida pelo cientista italiano Alessandro Volta. Ela possuía esse nome por se tratar de discos dos metais zinco e prata empilhados de formas alternadas, os quais eram separados por folhas de papel embebidas com solução de cloreto de sódio. Foi o primeiro dispositivo de armazenamento de eletricidade.

Pilha de Daniell

Fig.3 - Pilha de Daniell

Foi desenvolvida pelo cientista inglês John Frederic Daniell, no ano de 1836, servindo de modelo para as pilhas posteriores. A célula galvânica desenvolvida por Daniell utiliza uma reação espontânea de oxidação de zinco e redução de cobre para a geração de cerca de 1,1 V de potencial elétrico.
Nesta, os metais (ou condutores metálicos) são chamados de eletrodos: o zinco, que é o eletrodo em que ocorre a oxidação, é chamado de ânodo (ou anodo); enquanto o cobre, que é o eletrodo em que ocorre a redução, é chamado de cátodo (ou catodo). Assim sendo, os elétrons migram do eletrodo de zinco em direção ao eletrodo de cobre, dando origem a uma corrente elétrica capaz de realizar trabalho elétrico.
Tais eletrodos estão ligados por um fio conector, porém imersos, cada um, em uma respectiva solução chamada de solução eletrolítica (um meio condutor iônico): o zinco metálico em uma solução de sulfato de zinco (rica em íons Zn2+) e o cobre metálico em uma solução de sulfato de cobre (rica em íons Cu2+).
Em uma solução eletrolítica, a corrente elétrica é carregada pela movimentação dos íons. Assim sendo, as soluções de sulfato de zinco e cobre estão conectadas para fechar o circuito, seja por uma parede membranosa, seja por uma ponte salina, que também possuem a função de manter a eletroneutralidade do sistema.

Eletrólises
São reações redox não espontâneas, sendo necessária a utilização da corrente elétrica para direcioná-las no sentido direto da formação dos produtos desejados. A eletrólise pode ocorrer na presença de água ou não (ígnea).

Fig.4 - Eletrólise

A eletrólise é muito utilizada na indústria, pois por meio dela é possível isolar algumas substâncias fundamentais para muitos processos de produção, como o alumínio, o cloro, o hidróxido de sódio, etc. Além disso, também é um processo que purifica e protege (revestimento) vários metais.
Esse tipo de reação é muito utilizado na indústria, principalmente para a produção de metais. Veja o exemplo de eletrólise do NaCl (cloreto de sódio – sal de cozinha), com produção do sódio metálico e do gás cloro: 2 Na+ + 2 Cl- → 2 Na + Cl2

Como a eletrólise ocorre em meio aquoso, a água fornece o cátion hidrônio (H+) e o ânion hidróxido (OH-). O outro cátion e o outro ânion pertencem geralmente a um sal inorgânico que foi dissolvido na água, o que favorece a dissociação ou liberação de íons por parte do sal.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/01/2017