Eletricidade - Electricity

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Vários relâmpagos em uma cidade à noite
O relâmpago é um dos efeitos mais dramáticos da eletricidade.

Eletricidade é o conjunto de fenômenos físicos associados à presença e ao movimento da matéria que possui a propriedade de carga elétrica . A eletricidade está relacionada ao magnetismo , ambos fazendo parte do fenômeno do eletromagnetismo , conforme descrito pelas equações de Maxwell . Vários fenômenos comuns estão relacionados à eletricidade, incluindo raios , eletricidade estática , aquecimento elétrico , descargas elétricas e muitos outros.

A presença de uma carga elétrica , que pode ser positiva ou negativa, produz um campo elétrico . O movimento de cargas elétricas é uma corrente elétrica e produz um campo magnético .

Quando uma carga é colocada em um local com um campo elétrico diferente de zero, uma força agirá sobre ele. A magnitude desta força é dada pela lei de Coulomb . Se a carga se mover, o campo elétrico estaria trabalhando na carga elétrica. Assim, podemos falar de potencial elétrico em um determinado ponto no espaço, que é igual ao trabalho realizado por um agente externo ao transportar uma unidade de carga positiva de um ponto de referência escolhido arbitrariamente até aquele ponto sem qualquer aceleração e é normalmente medido em volts .

A eletricidade está no centro de muitas tecnologias modernas, sendo usada para:

Os fenômenos elétricos foram estudados desde a Antiguidade, embora o progresso na compreensão teórica tenha permanecido lento até os séculos XVII e XVIII. A teoria do eletromagnetismo foi desenvolvida no século 19 e, no final desse século, a eletricidade estava sendo colocada em uso industrial e residencial por engenheiros elétricos . A rápida expansão da tecnologia elétrica nesta época transformou a indústria e a sociedade, tornando-se a força motriz da Segunda Revolução Industrial . A extraordinária versatilidade da eletricidade significa que ela pode ser aplicada a um conjunto quase ilimitado de aplicações que incluem transporte , aquecimento , iluminação , comunicações e computação . A energia elétrica é agora a espinha dorsal da sociedade industrial moderna.

História

O busto de um homem barbudo com cabelos desgrenhados
Thales , o primeiro pesquisador conhecido em eletricidade

Muito antes de qualquer conhecimento sobre eletricidade existir, as pessoas estavam cientes dos choques causados ​​por peixes elétricos . Textos egípcios antigos datados de 2750 AC referiam-se a esses peixes como o "Trovão do Nilo " e os descreviam como "protetores" de todos os outros peixes. Peixes elétricos foram novamente relatados milênios depois por naturalistas e médicos da Grécia Antiga , Romanos e Árabes . Vários escritores antigos, como Plínio, o Velho e Scribonius Largus , atestaram o efeito entorpecente dos choques elétricos emitidos por bagres elétricos e raios elétricos , e sabiam que tais choques podiam viajar ao longo de objetos condutores. Pacientes que sofriam de doenças como gota ou dor de cabeça eram orientados a tocar em peixes elétricos na esperança de que o poderoso choque pudesse curá-los.

As culturas antigas ao redor do Mediterrâneo sabiam que certos objetos, como hastes de âmbar , podiam ser esfregadas com pêlo de gato para atrair objetos leves como penas. Tales de Mileto fez uma série de observações sobre a eletricidade estática por volta de 600 aC, das quais ele acreditava que a fricção tornava o âmbar magnético , em contraste com minerais como a magnetita , que não precisava ser esfregada. Tales estava incorreto ao acreditar que a atração se devia a um efeito magnético, mas a ciência mais tarde provaria uma ligação entre o magnetismo e a eletricidade. De acordo com uma teoria polêmica, os partas podem ter tido conhecimento de galvanoplastia , com base na descoberta de 1936 da Bateria de Bagdá , que se assemelha a uma célula galvânica , embora seja incerto se o artefato era de natureza elétrica.

Um retrato de meio corpo de um homem careca, um tanto corpulento, em um terno de três peças.
Benjamin Franklin conduziu uma extensa pesquisa sobre eletricidade no século 18, conforme documentado por Joseph Priestley (1767) History and Present Status of Electricity , com quem Franklin manteve correspondência extensa.

A eletricidade permaneceria pouco mais que uma curiosidade intelectual por milênios até 1600, quando o cientista inglês William Gilbert escreveu De Magnete , no qual fez um estudo cuidadoso da eletricidade e do magnetismo, distinguindo o efeito magnetita da eletricidade estática produzida pela fricção do âmbar. Ele cunhou a nova palavra latina electricus ("de âmbar" ou "como âmbar", de ἤλεκτρον, elektron , a palavra grega para "âmbar") para se referir à propriedade de atrair pequenos objetos após serem esfregados. Esta associação deu origem às palavras inglesas "elétricos" e "eletricidade", que fez sua primeira aparição na imprensa em Thomas Browne 's Pseudodoxia Epidemica de 1646.

Outros trabalhos foram conduzidos no século XVII e no início do século XVIII por Otto von Guericke , Robert Boyle , Stephen Gray e CF du Fay . Mais tarde, no século 18, Benjamin Franklin conduziu uma extensa pesquisa em eletricidade, vendendo seus bens para financiar seu trabalho. Em junho de 1752, ele teria anexado uma chave de metal à parte inferior de um fio de pipa úmido e voado em um céu ameaçado de tempestade. Uma sucessão de faíscas saltando da chave para as costas de sua mão mostrou que o relâmpago era de fato elétrico por natureza. Ele também explicou o comportamento aparentemente paradoxal do jarro de Leyden como um dispositivo para armazenar grandes quantidades de carga elétrica em termos de eletricidade que consiste em cargas positivas e negativas.

Retrato a óleo de meio corpo de um homem em um terno escuro
As descobertas de Michael Faraday formaram a base da tecnologia de motores elétricos

Em 1791, Luigi Galvani publicou sua descoberta do bioeletromagnetismo , demonstrando que a eletricidade era o meio pelo qual os neurônios transmitiam sinais aos músculos. A bateria de Alessandro Volta , ou pilha voltaica , de 1800, feita de camadas alternadas de zinco e cobre, fornecia aos cientistas uma fonte de energia elétrica mais confiável do que as máquinas eletrostáticas usadas anteriormente. O reconhecimento do eletromagnetismo , a unidade dos fenômenos elétricos e magnéticos, deve-se a Hans Christian Ørsted e André-Marie Ampère em 1819–1820. Michael Faraday inventou o motor elétrico em 1821 e Georg Ohm analisou matematicamente o circuito elétrico em 1827. Eletricidade e magnetismo (e luz) foram definitivamente ligados por James Clerk Maxwell , em particular em seu " On Physical Lines of Force " em 1861 e 1862 .

Embora o início do século 19 tenha visto um rápido progresso na ciência elétrica, o final do século 19 veria o maior progresso na engenharia elétrica . Por meio de pessoas como Alexander Graham Bell , Ottó Bláthy , Thomas Edison , Galileo Ferraris , Oliver Heaviside , Ányos Jedlik , William Thomson, 1º Barão Kelvin , Charles Algernon Parsons , Werner von Siemens , Joseph Swan , Reginald Fessenden , Nikola Tesla e George Westinghouse , a eletricidade deixou de ser uma curiosidade científica e se tornou uma ferramenta essencial para a vida moderna.

Em 1887, Heinrich Hertz descobriu que eletrodos iluminados com luz ultravioleta criam faíscas elétricas com mais facilidade. Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo que explicava os dados experimentais do efeito fotoelétrico como sendo o resultado da energia da luz sendo transportada em pacotes quantizados discretos, energizando elétrons. Essa descoberta levou à revolução quântica . Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921 por "sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico". O efeito fotoelétrico também é empregado em fotocélulas , como as que podem ser encontradas em painéis solares, e é freqüentemente usado para produzir eletricidade comercialmente.

O primeiro dispositivo de estado sólido foi o " detector de bigode de gato " usado pela primeira vez em 1900 em receptores de rádio. Um fio tipo bigode é colocado levemente em contato com um cristal sólido (como um cristal de germânio ) para detectar um sinal de rádio pelo efeito de junção de contato. Em um componente de estado sólido, a corrente é confinada a elementos sólidos e compostos projetados especificamente para alternar e amplificá-la. O fluxo de corrente pode ser entendido de duas formas: como elétrons carregados negativamente e como deficiências de elétrons carregados positivamente chamados buracos . Essas cargas e buracos são entendidos em termos de física quântica. O material de construção geralmente é um semicondutor cristalino .

A eletrônica de estado sólido ganhou destaque com o surgimento da tecnologia de transistor . O primeiro transistor funcional, um transistor de contato pontual à base de germânio , foi inventado por John Bardeen e Walter Houser Brattain no Bell Labs em 1947, seguido pelo transistor de junção bipolar em 1948. Esses primeiros transistores eram dispositivos relativamente volumosos e difíceis de fabricar em uma base de produção em massa . Eles foram seguidos pelo MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico ou transistor MOS) baseado em silício , inventado por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng no Bell Labs em 1959. Foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que poderia ser miniaturizado e produzido em massa para uma ampla gama de usos, levando à revolução do silício . Os dispositivos de estado sólido começaram a prevalecer a partir da década de 1960, com a transição dos tubos de vácuo para diodos semicondutores , transistores, chips de circuito integrado (IC), MOSFETs e tecnologia de diodo emissor de luz (LED).

O dispositivo eletrônico mais comum é o MOSFET, que se tornou o dispositivo mais fabricado da história. Dispositivos MOS de estado sólido comuns incluem chips de microprocessador e memória de semicondutor . Um tipo especial de memória semicondutora é a memória flash , que é usada em unidades flash USB e dispositivos móveis , bem como a tecnologia de unidade de estado sólido (SSD) para substituir a tecnologia de unidade de disco rígido (HDD) de disco magnético rotativo mecanicamente .

Conceitos

Carga elétrica

Uma cúpula de vidro transparente possui um eletrodo externo que se conecta através do vidro a um par de folhas de ouro.  Uma haste carregada toca o eletrodo externo e faz com que as folhas se repelam.
A carga em um eletroscópio de folha de ouro faz com que as folhas se repelam visivelmente

A presença de carga dá origem a uma força eletrostática: as cargas exercem uma força umas sobre as outras, um efeito que era conhecido, embora não compreendido, na antiguidade. Uma bola leve suspensa por um barbante pode ser carregada tocando-a com uma vareta de vidro que foi carregada esfregando um pano. Se uma bola semelhante é carregada pela mesma barra de vidro, ela repele a primeira: a carga age para forçar as duas bolas a se separarem. Duas bolas carregadas com uma barra âmbar atritada também se repelem. No entanto, se uma bola for carregada pela barra de vidro e a outra por uma barra âmbar, as duas bolas se atraem. Esses fenômenos foram investigados no final do século XVIII por Charles-Augustin de Coulomb , que deduziu que a acusação se manifesta em duas formas opostas. Essa descoberta levou ao conhecido axioma: objetos com cargas semelhantes se repelem e objetos com cargas opostas se atraem .

A força atua sobre as próprias partículas carregadas, portanto, a carga tem a tendência de se espalhar tão uniformemente quanto possível sobre uma superfície condutora. A magnitude da força eletromagnética, seja atrativa ou repulsiva, é dada pela lei de Coulomb , que relaciona a força com o produto das cargas e tem uma relação inversa do quadrado com a distância entre elas. A força eletromagnética é muito forte, perdendo apenas em força para a interação forte , mas, ao contrário dessa força, ela opera em todas as distâncias. Em comparação com a força gravitacional muito mais fraca , a força eletromagnética que separa dois elétrons é 10 42 vezes maior que a atração gravitacional que os aproxima.

A carga se origina de certos tipos de partículas subatômicas , cujos portadores mais familiares são o elétron e o próton . A carga elétrica dá origem e interage com a força eletromagnética , uma das quatro forças fundamentais da natureza. O experimento mostrou que a carga é uma quantidade conservada , ou seja, a carga líquida dentro de um sistema eletricamente isolado sempre permanecerá constante, independentemente de quaisquer mudanças que ocorram nesse sistema. Dentro do sistema, a carga pode ser transferida entre corpos, por contato direto ou pela passagem de um material condutor, como um fio. O termo informal eletricidade estática se refere à presença líquida (ou 'desequilíbrio') de carga em um corpo, geralmente causada quando materiais diferentes são friccionados, transferindo carga de um para o outro.

A carga nos elétrons e prótons é de sinal oposto, portanto, uma quantidade de carga pode ser expressa como sendo negativa ou positiva. Por convenção, a carga transportada pelos elétrons é considerada negativa, e a dos prótons, positiva, um costume que se originou com o trabalho de Benjamin Franklin . A quantidade de carga normalmente recebe o símbolo Q e é expressa em coulombs ; cada elétron carrega a mesma carga de aproximadamente -1,6022 × 10 −19   coulomb . O próton tem uma carga igual e oposta e, portanto, + 1,6022 × 10 −19   coulomb. A carga é possuída não apenas pela matéria , mas também pela antimatéria , cada antipartícula carregando uma carga igual e oposta à sua partícula correspondente.

A carga pode ser medida por vários meios, um dos primeiros instrumentos sendo o eletroscópio de folha de ouro , que embora ainda em uso para demonstrações em sala de aula, foi substituído pelo eletrômetro eletrônico .

Corrente elétrica

O movimento da carga elétrica é conhecido como corrente elétrica , cuja intensidade é geralmente medida em amperes . A corrente pode consistir em qualquer partícula carregada em movimento; mais comumente são elétrons, mas qualquer carga em movimento constitui uma corrente. A corrente elétrica pode fluir através de algumas coisas, condutores elétricos , mas não fluirá através de um isolador elétrico .

Por convenção histórica, uma corrente positiva é definida como tendo a mesma direção de fluxo que qualquer carga positiva que ela contém, ou fluir da parte mais positiva de um circuito para a parte mais negativa. A corrente definida desta maneira é chamada de corrente convencional . O movimento de elétrons carregados negativamente em torno de um circuito elétrico , uma das formas mais conhecidas de corrente, é, portanto, considerado positivo na direção oposta à dos elétrons. No entanto, dependendo das condições, uma corrente elétrica pode consistir em um fluxo de partículas carregadas em qualquer direção, ou mesmo em ambas as direções ao mesmo tempo. A convenção de positivo para negativo é amplamente usada para simplificar essa situação.

Dois fios de metal formam um V invertido.  Um arco elétrico branco-alaranjado brilhante e cegante flui entre suas pontas.
Um arco elétrico fornece uma demonstração energética da corrente elétrica

O processo pelo qual a corrente elétrica passa por um material é denominado condução elétrica e sua natureza varia de acordo com a das partículas carregadas e do material através do qual elas estão viajando. Exemplos de correntes elétricas incluem condução metálica, onde os elétrons fluem através de um condutor , como metal, e eletrólise , onde íons ( átomos carregados ) fluem através de líquidos ou através de plasmas , como faíscas elétricas. Enquanto as próprias partículas podem se mover muito lentamente, às vezes com uma velocidade de deriva média apenas frações de um milímetro por segundo, o campo elétrico que as impulsiona se propaga próximo à velocidade da luz , permitindo que os sinais elétricos passem rapidamente pelos fios.

A corrente causa vários efeitos observáveis, que historicamente foram o meio de reconhecer sua presença. Que a água pode ser decomposta pela corrente de uma pilha voltaica foi descoberta por Nicholson e Carlisle em 1800, um processo agora conhecido como eletrólise . Seu trabalho foi amplamente expandido por Michael Faraday em 1833. Corrente através de uma resistência causa aquecimento localizado, um efeito que James Prescott Joule estudou matematicamente em 1840. Uma das descobertas mais importantes relacionadas à corrente foi feita acidentalmente por Hans Christian Ørsted em 1820, quando , enquanto preparava uma palestra, ele testemunhou a corrente em um fio perturbando a agulha de uma bússola magnética. Ele havia descoberto o eletromagnetismo , uma interação fundamental entre eletricidade e magnetismo. O nível de emissões eletromagnéticas geradas por arco elétrico é alto o suficiente para produzir interferência eletromagnética , que pode ser prejudicial ao funcionamento de equipamentos adjacentes.

Em aplicações de engenharia ou domésticas, a corrente é frequentemente descrita como corrente contínua (DC) ou corrente alternada (AC). Esses termos referem-se a como a corrente varia no tempo. A corrente contínua, como produzida por exemplo de uma bateria e exigida pela maioria dos dispositivos eletrônicos , é um fluxo unidirecional da parte positiva de um circuito para a negativa. Se, como é mais comum, esse fluxo for conduzido por elétrons, eles estarão viajando na direção oposta. Corrente alternada é qualquer corrente que inverte a direção repetidamente; quase sempre isso assume a forma de uma onda senoidal . A corrente alternada, portanto, pulsa para frente e para trás dentro de um condutor sem que a carga se mova por qualquer distância ao longo do tempo. O valor médio de tempo de uma corrente alternada é zero, mas ela fornece energia primeiro em uma direção e depois na reversa. A corrente alternada é afetada por propriedades elétricas que não são observadas em corrente contínua em estado estacionário , como indutância e capacitância . Essas propriedades, entretanto, podem se tornar importantes quando o circuito está sujeito a transientes , como quando é energizado pela primeira vez.

Campo elétrico

O conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday . Um campo elétrico é criado por um corpo carregado no espaço que o rodeia e resulta em uma força exercida sobre quaisquer outras cargas colocadas dentro do campo. O campo elétrico atua entre duas cargas de maneira semelhante à forma como o campo gravitacional atua entre duas massas e, como ele, se estende até o infinito e mostra uma relação quadrada inversa com a distância. No entanto, existe uma diferença importante. A gravidade sempre atua na atração, aproximando duas massas, enquanto o campo elétrico pode resultar em atração ou repulsão. Uma vez que grandes corpos, como planetas, geralmente não carregam carga líquida, o campo elétrico à distância geralmente é zero. Assim, a gravidade é a força dominante à distância no universo, apesar de ser muito mais fraca.

Linhas de campo emanando de uma carga positiva acima de um condutor plano

Um campo elétrico geralmente varia no espaço, e sua força em qualquer ponto é definida como a força (por unidade de carga) que seria sentida por uma carga estacionária insignificante se colocada naquele ponto. A carga conceitual, denominada ' carga de teste ', deve ser extremamente pequena para evitar que seu próprio campo elétrico perturbe o campo principal e também deve ser estacionária para evitar o efeito de campos magnéticos . Como o campo elétrico é definido em termos de força , e a força é um vetor , tendo magnitude e direção , segue-se que um campo elétrico é um campo vetorial .

O estudo dos campos elétricos criados por cargas estacionárias é chamado de eletrostática . O campo pode ser visualizado por um conjunto de linhas imaginárias cuja direção em qualquer ponto é a mesma do campo. Esse conceito foi introduzido por Faraday, cujo termo " linhas de força " às vezes ainda é usado. As linhas de campo são os caminhos que uma carga pontual positiva procuraria fazer ao ser forçada a se mover dentro do campo; eles são, no entanto, um conceito imaginário sem existência física, e o campo permeia todo o espaço intermediário entre as linhas. As linhas de campo que emanam de cargas estacionárias têm várias propriedades principais: primeiro, que se originam em cargas positivas e terminam em cargas negativas; segundo, que eles devem entrar em qualquer bom condutor em ângulos retos, e terceiro, que eles nunca podem se cruzar ou fechar sobre si mesmos.

Um corpo condutor oco carrega toda a sua carga em sua superfície externa. O campo é, portanto, zero em todos os lugares dentro do corpo. Este é o princípio operacional da gaiola de Faraday , uma concha de metal condutor que isola seu interior dos efeitos elétricos externos.

Os princípios da eletrostática são importantes ao projetar itens de equipamentos de alta tensão . Existe um limite finito para a intensidade do campo elétrico que pode ser suportado por qualquer meio. Além desse ponto, ocorre uma pane elétrica e um arco elétrico causa um flashover entre as partes carregadas. O ar, por exemplo, tende a formar um arco através de pequenas lacunas em intensidades de campo elétrico que excedem 30 kV por centímetro. Em intervalos maiores, sua resistência à ruptura é mais fraca, talvez 1 kV por centímetro. A ocorrência natural mais visível disso é o relâmpago , causado quando a carga se separa nas nuvens por colunas crescentes de ar e aumenta o campo elétrico no ar para mais do que ele pode suportar. A voltagem de uma grande nuvem de raios pode ser tão alta quanto 100 MV e ter energias de descarga de até 250 kWh.

A intensidade do campo é muito afetada por objetos condutores próximos, e é particularmente intensa quando é forçada a se curvar em torno de objetos pontiagudos. Este princípio é explorado no condutor de pára - raios , cuja ponta afiada atua para estimular o golpe do raio a se desenvolver ali, ao invés de no edifício que ele serve para proteger

Potencial elétrico

Duas baterias AA cada uma tem um sinal de mais marcado em uma das extremidades.
Um par de células AA . O sinal + indica a polaridade da diferença de potencial entre os terminais da bateria.

O conceito de potencial elétrico está intimamente ligado ao de campo elétrico. Uma pequena carga colocada dentro de um campo elétrico sofre uma força, e ter trazido essa carga até aquele ponto contra a força requer trabalho . O potencial elétrico em qualquer ponto é definido como a energia necessária para trazer uma carga de teste unitária de uma distância infinita lentamente até aquele ponto. Geralmente é medido em volts , e um volt é o potencial para o qual um joule de trabalho deve ser gasto para trazer uma carga de um coulomb do infinito. Esta definição de potencial, embora formal, tem pouca aplicação prática, e um conceito mais útil é o da diferença de potencial elétrico , e é a energia necessária para mover uma carga unitária entre dois pontos especificados. Um campo elétrico tem a propriedade especial de ser conservador , o que significa que o caminho percorrido pela carga de teste é irrelevante: todos os caminhos entre dois pontos especificados gastam a mesma energia e, portanto, um valor único para a diferença de potencial pode ser declarado. O volt é tão fortemente identificado como a unidade de escolha para medição e descrição da diferença de potencial elétrico que o termo voltagem tem maior uso diário.

Para fins práticos, é útil definir um ponto de referência comum no qual os potenciais podem ser expressos e comparados. Embora isso possa estar no infinito, uma referência muito mais útil é a própria Terra , que se supõe estar com o mesmo potencial em todos os lugares. Este ponto de referência leva naturalmente o nome de terra ou solo . A Terra é considerada uma fonte infinita de quantidades iguais de carga positiva e negativa e, portanto, não tem carga elétrica - e não pode ser carregada.

O potencial elétrico é uma grandeza escalar , ou seja, possui apenas magnitude e não direção. Pode ser visto como análogo à altura : assim como um objeto liberado cairá por uma diferença de altura causada por um campo gravitacional, uma carga irá 'cair' através da voltagem causada por um campo elétrico. Como os mapas de relevo mostram linhas de contorno marcando pontos de altura igual, um conjunto de linhas marcando pontos de potencial igual (conhecido como equipotenciais ) pode ser desenhado em torno de um objeto eletrostaticamente carregado. Os equipotenciais cruzam todas as linhas de força em ângulos retos. Eles também devem estar paralelos à superfície de um condutor , caso contrário, isso produziria uma força que moverá os portadores de carga para nivelar o potencial da superfície.

O campo elétrico foi formalmente definido como a força exercida por unidade de carga, mas o conceito de potencial permite uma definição mais útil e equivalente: o campo elétrico é o gradiente local do potencial elétrico. Normalmente expressa em volts por metro, a direção vetorial do campo é a linha de maior declive de potencial e onde os equipotenciais estão mais próximos.

Eletroímãs

Um fio conduz uma corrente para o leitor.  Círculos concêntricos que representam o campo magnético circulam no sentido anti-horário ao redor do fio, conforme visto pelo leitor.
O campo magnético circunda uma corrente

A descoberta de Ørsted em 1821 de que um campo magnético existia ao redor de todos os lados de um fio transportando uma corrente elétrica indicava que havia uma relação direta entre eletricidade e magnetismo. Além disso, a interação parecia diferente das forças gravitacionais e eletrostáticas, as duas forças da natureza então conhecidas. A força na agulha da bússola não a direcionou para ou para longe do fio condutor de corrente, mas agiu perpendicularmente a ele. As palavras de Ørsted foram que "o conflito elétrico age de maneira rotativa". A força também dependia da direção da corrente, pois se o fluxo fosse revertido, a força também.

Ørsted não entendeu totalmente sua descoberta, mas observou que o efeito era recíproco: uma corrente exerce uma força em um ímã e um campo magnético exerce uma força em uma corrente. O fenômeno foi investigado por Ampère , que descobriu que dois fios condutores de corrente paralelos exercem uma força um sobre o outro: dois fios que conduzem correntes na mesma direção são atraídos um pelo outro, enquanto fios contendo correntes em direções opostas são forçados a se separar. A interação é mediada pelo campo magnético que cada corrente produz e forma a base para a definição internacional do ampere .

Um diagrama em corte de um pequeno motor elétrico
O motor elétrico explora um importante efeito do eletromagnetismo: uma corrente através de um campo magnético experimenta uma força perpendicular ao campo e à corrente

Essa relação entre campos magnéticos e correntes é extremamente importante, pois levou à invenção do motor elétrico por Michael Faraday em 1821. O motor homopolar de Faraday consistia em um ímã permanente colocado em uma piscina de mercúrio . Uma corrente foi permitida através de um fio suspenso por um pivô acima do ímã e mergulhada no mercúrio. O ímã exerceu uma força tangencial no fio, fazendo-o circular ao redor do ímã enquanto a corrente fosse mantida.

A experiência de Faraday em 1831 revelou que um fio se movendo perpendicularmente a um campo magnético desenvolveu uma diferença de potencial entre suas extremidades. Uma análise mais aprofundada desse processo, conhecido como indução eletromagnética , permitiu-lhe estabelecer o princípio, agora conhecido como lei da indução de Faraday , de que a diferença de potencial induzida em um circuito fechado é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético através do loop. A exploração dessa descoberta permitiu-lhe inventar o primeiro gerador elétrico em 1831, no qual converteu a energia mecânica de um disco de cobre giratório em energia elétrica. O disco de Faraday era ineficiente e inútil como gerador prático, mas mostrava a possibilidade de gerar energia elétrica a partir do magnetismo, possibilidade que seria aproveitada pelos que seguiram seu trabalho.

Eletroquímica

A capacidade das reações químicas de produzir eletricidade e, inversamente, a capacidade da eletricidade de conduzir as reações químicas tem uma ampla gama de utilizações.

A eletroquímica sempre foi uma parte importante da eletricidade. Desde a invenção inicial da pilha voltaica, as células eletroquímicas evoluíram para muitos tipos diferentes de baterias, eletrogalvanização e células de eletrólise. O alumínio é produzido em grandes quantidades dessa forma, e muitos dispositivos portáteis são alimentados eletricamente por meio de células recarregáveis.

Circuitos elétricos

Um circuito elétrico básico . A fonte de tensão V nas unidades deixou uma corrente I redor do circuito, entregando energia elétrica para o resistor R . Do resistor, a corrente retorna à fonte, completando o circuito.

Um circuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos de forma que a carga elétrica flua ao longo de um caminho fechado (um circuito), geralmente para realizar alguma tarefa útil.

Os componentes em um circuito elétrico podem assumir várias formas, que podem incluir elementos como resistores , capacitores , interruptores , transformadores e eletrônicos . Os circuitos eletrônicos contêm componentes ativos , geralmente semicondutores , e normalmente exibem um comportamento não linear , exigindo uma análise complexa. Os componentes elétricos mais simples são aqueles denominados passivos e lineares : embora possam armazenar energia temporariamente, eles não contêm fontes dela e exibem respostas lineares aos estímulos.

O resistor é talvez o mais simples dos elementos passivos do circuito: como o próprio nome sugere, ele resiste à corrente através dele, dissipando sua energia como calor. A resistência é uma consequência do movimento da carga através de um condutor: nos metais, por exemplo, a resistência é principalmente devida a colisões entre elétrons e íons. A lei de Ohm é uma lei básica da teoria do circuito , afirmando que a corrente que passa por uma resistência é diretamente proporcional à diferença de potencial através dela. A resistência da maioria dos materiais é relativamente constante em uma faixa de temperaturas e correntes; os materiais nessas condições são conhecidos como 'ôhmicos'. O ohm , a unidade de resistência, foi batizado em homenagem a Georg Ohm e é simbolizado pela letra grega Ω. 1 Ω é a resistência que produzirá uma diferença de potencial de um volt em resposta a uma corrente de um ampere.

O capacitor é um desenvolvimento do jarro de Leyden e é um dispositivo que pode armazenar carga e, assim, armazenar energia elétrica no campo resultante. Consiste em duas placas condutoras separadas por uma fina camada dielétrica isolante ; na prática, folhas de metal finas são enroladas juntas, aumentando a área de superfície por unidade de volume e, portanto, a capacitância . A unidade de capacitância é o farad , em homenagem a Michael Faraday , e dado o símbolo F : um farad é a capacitância que desenvolve uma diferença de potencial de um volt quando armazena uma carga de um coulomb. Um capacitor conectado a uma fonte de tensão inicialmente causa uma corrente à medida que acumula carga; esta corrente, entretanto, diminuirá com o tempo, conforme o capacitor se enche, eventualmente caindo a zero. Um capacitor, portanto, não permitirá uma corrente de estado estacionário , mas a bloqueia.

O indutor é um condutor, geralmente uma bobina de fio, que armazena energia em um campo magnético em resposta à corrente que passa por ele. Quando a corrente muda, o campo magnético também muda, induzindo uma voltagem entre as pontas do condutor. A tensão induzida é proporcional à taxa de variação de tempo da corrente. A constante de proporcionalidade é denominada indutância . A unidade de indutância é o Henry , em homenagem a Joseph Henry , um contemporâneo de Faraday. Um Henry é a indutância que irá induzir uma diferença de potencial de um volt se a corrente através dela mudar a uma taxa de um ampere por segundo. O comportamento do indutor é, em alguns aspectos, inverso ao do capacitor: ele permite livremente uma corrente constante, mas se opõe a uma que muda rapidamente.

Energia elétrica

A energia elétrica é a taxa na qual a energia elétrica é transferida por um circuito elétrico . A unidade SI de potência é o watt , um joule por segundo .

Energia elétrica, como energia mecânica , é a taxa de fazer o trabalho , medida em watts , e representado pela letra P . O termo potência é usado coloquialmente para significar "energia elétrica em watts". A energia elétrica em watts produzida por uma corrente elétrica I consistindo em uma carga de Q coulombs a cada t segundos, passando por uma diferença de potencial elétrico ( voltagem ) de V é

Onde

Q é carga elétrica em coulombs
t é o tempo em segundos
I é a corrente elétrica em amperes
V é o potencial elétrico ou tensão em volts

A geração de eletricidade geralmente é feita com geradores elétricos , mas também pode ser fornecida por fontes químicas, como baterias elétricas, ou por outros meios a partir de uma ampla variedade de fontes de energia. A energia elétrica é geralmente fornecida a empresas e residências pela indústria de energia elétrica . A eletricidade é normalmente vendida por quilowatt-hora (3,6 MJ), que é o produto da potência em quilowatts multiplicado pelo tempo de operação em horas. As concessionárias de eletricidade medem a energia usando medidores de eletricidade , que mantêm em funcionamento um total da energia elétrica entregue a um cliente. Ao contrário dos combustíveis fósseis, a eletricidade é uma forma de energia de baixa entropia e pode ser convertida em movimento ou em muitas outras formas de energia com alta eficiência.

Eletrônicos

Componentes eletrônicos de
montagem em superfície

A eletrônica lida com circuitos elétricos que envolvem componentes elétricos ativos , como tubos de vácuo , transistores , diodos , optoeletrônica , sensores e circuitos integrados e tecnologias de interconexão passiva associadas. O comportamento não linear dos componentes ativos e sua capacidade de controlar os fluxos de elétrons tornam a amplificação de sinais fracos possível e a eletrônica é amplamente utilizada no processamento de informações , telecomunicações e processamento de sinais . A capacidade dos dispositivos eletrônicos de atuarem como interruptores torna possível o processamento digital de informações. As tecnologias de interconexão, como placas de circuito , tecnologia de empacotamento de eletrônicos e outras formas variadas de infraestrutura de comunicação completam a funcionalidade do circuito e transformam os componentes mistos em um sistema de trabalho regular .

Hoje, a maioria dos dispositivos eletrônicos usa componentes semicondutores para realizar o controle de elétrons. O estudo de dispositivos semicondutores e tecnologia relacionada é considerado um ramo da física do estado sólido , enquanto o projeto e a construção de circuitos eletrônicos para resolver problemas práticos são considerados engenharia eletrônica .

Onda eletromagnética

O trabalho de Faraday e Ampère mostrou que um campo magnético variável no tempo agia como fonte de um campo elétrico, e um campo elétrico variável no tempo era a fonte de um campo magnético. Assim, quando um dos campos está mudando com o tempo, um campo do outro é necessariamente induzido. Esse fenômeno tem as propriedades de uma onda e é naturalmente conhecido como onda eletromagnética . As ondas eletromagnéticas foram analisadas teoricamente por James Clerk Maxwell em 1864. Maxwell desenvolveu um conjunto de equações que podiam descrever de forma inequívoca a inter-relação entre campo elétrico, campo magnético, carga elétrica e corrente elétrica. Além disso, ele poderia provar que tal onda necessariamente viajaria na velocidade da luz e, portanto, a própria luz era uma forma de radiação eletromagnética. As Leis de Maxwell , que unificam luz, campos e carga, são um dos grandes marcos da física teórica.

Assim, o trabalho de muitos pesquisadores possibilitou o uso da eletrônica para converter sinais em correntes oscilantes de alta frequência e, por meio de condutores de formato adequado, a eletricidade permite a transmissão e recepção desses sinais por ondas de rádio em distâncias muito longas.

Produção e usos

Geração e transmissão

Alternador do início do século 20 feito em Budapeste , Hungria , no salão de geração de energia de uma estação hidrelétrica (fotografia de Prokudin-Gorsky , 1905-1915).

No século 6 aC, o filósofo grego Tales de Mileto fez experiências com hastes de âmbar e essas experiências foram os primeiros estudos sobre a produção de energia elétrica. Embora esse método, agora conhecido como efeito triboelétrico , possa levantar objetos leves e gerar faíscas, é extremamente ineficiente. Não foi até a invenção da pilha voltaica no século XVIII que uma fonte viável de eletricidade se tornou disponível. A pilha voltaica e sua descendente moderna, a bateria elétrica , armazenam energia quimicamente e a disponibilizam sob demanda na forma de energia elétrica. A bateria é uma fonte de alimentação versátil e muito comum, ideal para muitas aplicações, mas seu armazenamento de energia é finito e, uma vez descarregada, deve ser descartada ou recarregada. Para grandes demandas elétricas, a energia elétrica deve ser gerada e transmitida continuamente por linhas de transmissão condutoras.

A energia elétrica geralmente é gerada por geradores eletromecânicos movidos a vapor produzido pela combustão de combustível fóssil ou pelo calor liberado por reações nucleares; ou de outras fontes, como energia cinética extraída do vento ou da água corrente. A moderna turbina a vapor inventada por Sir Charles Parsons em 1884 hoje gera cerca de 80% da energia elétrica do mundo usando uma variedade de fontes de calor. Esses geradores não têm nenhuma semelhança com o gerador de disco homopolar de Faraday de 1831, mas ainda contam com seu princípio eletromagnético de que um condutor ligando um campo magnético variável induz uma diferença de potencial em suas extremidades. A invenção do transformador no final do século XIX significava que a energia elétrica poderia ser transmitida com mais eficiência em uma tensão mais alta, mas com uma corrente mais baixa. A transmissão elétrica eficiente significava, por sua vez, que a eletricidade poderia ser gerada em usinas centralizadas , onde se beneficiava das economias de escala , e então ser despachada para distâncias relativamente longas para onde fosse necessária.

Um parque eólico com cerca de uma dúzia de turbinas eólicas brancas de três pás.
A energia eólica é cada vez mais importante em muitos países

Uma vez que a energia elétrica não pode ser facilmente armazenada em quantidades grandes o suficiente para atender às demandas em escala nacional, sempre deve ser produzida exatamente a quantidade necessária. Isso requer que as concessionárias de eletricidade façam previsões cuidadosas de suas cargas elétricas e mantenham uma coordenação constante com suas estações de energia. Uma certa quantidade de geração deve sempre ser mantida em reserva para amortecer uma rede elétrica contra distúrbios e perdas inevitáveis.

A demanda por eletricidade cresce com grande rapidez à medida que uma nação se moderniza e sua economia se desenvolve. Os Estados Unidos apresentaram um aumento de 12% na demanda durante cada ano das três primeiras décadas do século XX, uma taxa de crescimento que agora está sendo experimentada por economias emergentes como as da Índia ou da China. Historicamente, a taxa de crescimento da demanda de eletricidade superou a de outras formas de energia.

As preocupações ambientais com a geração de eletricidade levaram a um foco maior na geração de fontes renováveis , em particular eólica e solar . Embora se possa esperar que continue o debate sobre o impacto ambiental dos diferentes meios de produção de eletricidade, sua forma final é relativamente limpa.

Formulários

A lâmpada , uma aplicação inicial da eletricidade, opera por aquecimento Joule : a passagem da corrente pela resistência gerando calor

A eletricidade é uma forma muito conveniente de transferir energia e foi adaptada para um número enorme e crescente de usos. A invenção de uma lâmpada incandescente prática na década de 1870 fez com que a iluminação se tornasse uma das primeiras aplicações de energia elétrica disponíveis ao público. Embora a eletrificação trouxesse seus próprios perigos, a substituição das chamas nuas da iluminação a gás reduziu muito os riscos de incêndio em residências e fábricas. Os serviços públicos foram criados em muitas cidades visando o crescente mercado de iluminação elétrica. No final do século 20 e nos tempos modernos, a tendência começou a fluir na direção da desregulamentação do setor de energia elétrica.

O efeito de aquecimento resistivo de Joule empregado em lâmpadas de filamento também vê um uso mais direto no aquecimento elétrico . Embora seja versátil e controlável, pode ser visto como um desperdício, uma vez que a maior parte da geração elétrica já exigiu a produção de calor em uma usina. Vários países, como a Dinamarca, emitiram legislação restringindo ou banindo o uso de aquecimento elétrico resistivo em novos edifícios. A eletricidade é, no entanto, ainda uma fonte de energia altamente prática para aquecimento e refrigeração , com ar condicionado / bombas de calor representando um setor crescente para a demanda de eletricidade para aquecimento e refrigeração, cujos efeitos as concessionárias de eletricidade são cada vez mais obrigadas a acomodar.

A eletricidade é usada nas telecomunicações e, de fato, o telégrafo elétrico , demonstrado comercialmente em 1837 por Cooke e Wheatstone , foi uma de suas primeiras aplicações. Com a construção dos primeiros sistemas telegráficos transcontinentais e depois transatlânticos na década de 1860, a eletricidade possibilitou as comunicações em minutos em todo o mundo. A fibra ótica e a comunicação por satélite conquistaram uma fatia do mercado de sistemas de comunicação, mas a eletricidade continuará sendo uma parte essencial do processo.

Os efeitos do eletromagnetismo são mais visivelmente empregados no motor elétrico , que fornece um meio limpo e eficiente de força motriz. Um motor estacionário, como um guincho, é facilmente fornecido com um fornecimento de energia, mas um motor que se move com sua aplicação, como um veículo elétrico , é obrigado a carregar uma fonte de energia, como uma bateria, ou coletar corrente de um contato deslizante, como um pantógrafo . Os veículos movidos a eletricidade são usados ​​no transporte público, como ônibus e trens elétricos, e um número crescente de carros elétricos movidos a bateria de propriedade privada.

Dispositivos eletrônicos fazem uso do transistor , talvez uma das invenções mais importantes do século XX, e um bloco de construção fundamental de todos os circuitos modernos. Um circuito integrado moderno pode conter vários bilhões de transistores miniaturizados em uma região de apenas alguns centímetros quadrados.

Eletricidade e o mundo natural

Efeitos fisiológicos

Uma voltagem aplicada ao corpo humano provoca uma corrente elétrica nos tecidos e, embora a relação não seja linear, quanto maior a voltagem, maior a corrente. O limite de percepção varia com a frequência de alimentação e com o caminho da corrente, mas é de cerca de 0,1 mA a 1 mA para eletricidade de frequência de rede, embora uma corrente tão baixa quanto um microamper possa ser detectada como um efeito de eletrovibração sob certas condições. Se a corrente for suficientemente alta, ela causará contração muscular, fibrilação cardíaca e queimaduras nos tecidos . A falta de qualquer sinal visível de que um condutor está eletrificado torna a eletricidade um perigo particular. A dor causada por um choque elétrico pode ser intensa, levando a eletricidade às vezes a ser empregada como método de tortura . A morte causada por um choque elétrico é chamada de eletrocussão . A eletrocussão ainda é o meio de execução judicial em algumas jurisdições, embora seu uso tenha se tornado mais raro nos últimos tempos.

Fenômenos elétricos na natureza

A enguia elétrica, Electrophorus electricus

A eletricidade não é uma invenção humana e pode ser observada de várias formas na natureza, uma manifestação proeminente da qual são os raios . Muitas interações familiares no nível macroscópico, como toque , fricção ou ligação química , são devidas a interações entre campos elétricos na escala atômica. O campo magnético da Terra é pensado para surgir de um dínamo naturais das correntes que circulam no núcleo do planeta. Certos cristais, como o quartzo ou mesmo o açúcar , geram uma diferença de potencial em suas faces quando submetidos à pressão externa. Esse fenômeno é conhecido como piezoeletricidade , do grego piezein (πιέζειν), que significa pressionar, e foi descoberto em 1880 por Pierre e Jacques Curie . O efeito é recíproco e, quando um material piezoelétrico é submetido a um campo elétrico, ocorre uma pequena mudança nas dimensões físicas.

§Bioeletrogênese na vida microbiana é um fenômeno proeminente na ecologia de solos e sedimentos resultante da respiração anaeróbia . A célula de combustível microbiana imita esse fenômeno natural onipresente.

Alguns organismos, como os tubarões , são capazes de detectar e responder a mudanças nos campos elétricos, habilidade conhecida como eletrorrecepção , enquanto outros, denominados eletrogênicos , são capazes de gerar tensões para servir como arma predatória ou defensiva. A ordem Gymnotiformes , da qual o exemplo mais conhecido é a enguia elétrica , detecta ou atordoa suas presas por meio de altas tensões geradas a partir de células musculares modificadas chamadas eletrócitos . Todos os animais transmitem informações ao longo de suas membranas celulares com pulsos de voltagem chamados de potenciais de ação , cujas funções incluem a comunicação do sistema nervoso entre neurônios e músculos . Um choque elétrico estimula esse sistema e faz com que os músculos se contraiam. Os potenciais de ação também são responsáveis ​​por coordenar as atividades em certas fábricas.

Percepção cultural

Em 1850, William Gladstone perguntou ao cientista Michael Faraday por que a eletricidade era valiosa. Faraday respondeu: "Um dia, senhor, pode cobrar impostos."

No século 19 e no início do século 20, a eletricidade não fazia parte da vida cotidiana de muitas pessoas, mesmo no mundo ocidental industrializado . A cultura popular da época, portanto, muitas vezes o descreveu como uma força misteriosa, quase mágica, que pode matar os vivos, reviver os mortos ou de alguma outra forma dobrar as leis da natureza. Essa atitude começou com os experimentos de Luigi Galvani, em 1771, nos quais as pernas de sapos mortos se contorciam com a aplicação da eletricidade animal . A "revitalização" ou ressuscitação de pessoas aparentemente mortas ou afogadas foi relatada na literatura médica logo após o trabalho de Galvani. Esses resultados eram conhecidos por Mary Shelley quando ela escreveu Frankenstein (1819), embora ela não cite o método de revitalização do monstro. A revitalização de monstros com eletricidade mais tarde se tornou um tema comum em filmes de terror.

À medida que a familiaridade do público com a eletricidade, como a força vital da Segunda Revolução Industrial, crescia, seus detentores eram mais frequentemente colocados sob uma luz positiva, como os trabalhadores que "tocam a morte de suas luvas enquanto remendam e repõem os fios vivos" em Poema de Rudyard Kipling , de 1907, Sons of Martha . Veículos movidos a eletricidade de todo tipo tiveram grande destaque em histórias de aventura, como as de Júlio Verne e os livros de Tom Swift . Os mestres da eletricidade, fictícios ou reais - incluindo cientistas como Thomas Edison , Charles Steinmetz ou Nikola Tesla - eram popularmente concebidos como tendo poderes de feiticeiros.

Com a eletricidade deixando de ser uma novidade e se tornando uma necessidade da vida cotidiana na segunda metade do século 20, ela passou a exigir atenção especial da cultura popular apenas quando para de fluir, um evento que geralmente sinaliza um desastre. As pessoas que o mantêm fluindo, como o herói sem nome da canção " Wichita Lineman " (1968) de Jimmy Webb , ainda são frequentemente considerados figuras heróicas e mágicas.

Veja também

Notas

Referências

links externos