Eletricidade (do grego ήλεκτρον élektron, cujo significado é 'âmbar')[1] é o conjunto de fenômenos físicos relacionados à presença e ao fluxo de carga elétrica. Ela se manifesta em uma ampla variedade de fenômenos, como raios, eletricidade estática, indução eletromagnética ou fluxo de corrente elétrica. É uma forma de energia tão versátil que tem inúmeras aplicações, por exemplo: transporte, ar condicionado, iluminação e computação.[2].
A eletricidade se manifesta através de vários fenômenos e propriedades físicas:
Carga elétrica: propriedade de algumas partículas subatômicas, que determina sua interação eletromagnética. A matéria eletricamente carregada produz e é influenciada por campos eletromagnéticos.
Corrente elétrica: fluxo de elétrons que circula por um condutor em determinado momento. É medido em amperes.
Campo elétrico: tipo de campo eletromagnético produzido por uma carga elétrica, mesmo quando esta não está em movimento. O campo elétrico produz uma força sobre todas as outras cargas, quanto menor for a distância que separa as duas cargas. Além disso, cargas móveis produzem campos magnéticos.
Potencial elétrico: é o trabalho que uma força externa deve realizar para atrair uma carga positiva unitária que, do ponto de referência ao ponto considerado, vai contra a força elétrica e com velocidade constante.
Magnetismo: a corrente elétrica produz campos magnéticos, e campos magnéticos variantes no tempo geram corrente elétrica.
História
A história da eletricidade refere-se ao estudo da eletricidade, à descoberta de suas leis como fenômeno físico e à invenção de dispositivos para seu uso prático.
Como o ramo da ciência que estuda o fenômeno e o ramo da tecnologia que o aplica também é chamado de eletricidade, a história da eletricidade é o ramo da história da ciência e da história da tecnologia que trata do seu surgimento e evolução. O fenômeno da eletricidade é estudado desde a antiguidade, mas seu estudo científico iniciou-se nos séculos XVII e XVIII. No final do século XIX, os engenheiros conseguiram aproveitá-lo para uso doméstico e industrial. A rápida expansão da tecnologia elétrica tornou-a a espinha dorsal da sociedade industrial moderna.[3].
Eletricidade-Eletrônica
Introdução
Em geral
Eletricidade (do grego ήλεκτρον élektron, cujo significado é 'âmbar')[1] é o conjunto de fenômenos físicos relacionados à presença e ao fluxo de carga elétrica. Ela se manifesta em uma ampla variedade de fenômenos, como raios, eletricidade estática, indução eletromagnética ou fluxo de corrente elétrica. É uma forma de energia tão versátil que tem inúmeras aplicações, por exemplo: transporte, ar condicionado, iluminação e computação.[2].
A eletricidade se manifesta através de vários fenômenos e propriedades físicas:
Carga elétrica: propriedade de algumas partículas subatômicas, que determina sua interação eletromagnética. A matéria eletricamente carregada produz e é influenciada por campos eletromagnéticos.
Corrente elétrica: fluxo de elétrons que circula por um condutor em determinado momento. É medido em amperes.
Campo elétrico: tipo de campo eletromagnético produzido por uma carga elétrica, mesmo quando esta não está em movimento. O campo elétrico produz uma força sobre todas as outras cargas, quanto menor for a distância que separa as duas cargas. Além disso, cargas móveis produzem campos magnéticos.
Potencial elétrico: é o trabalho que uma força externa deve realizar para atrair uma carga positiva unitária que, do ponto de referência ao ponto considerado, vai contra a força elétrica e com velocidade constante.
Magnetismo: a corrente elétrica produz campos magnéticos, e campos magnéticos variantes no tempo geram corrente elétrica.
História
A história da eletricidade refere-se ao estudo da eletricidade, à descoberta de suas leis como fenômeno físico e à invenção de dispositivos para seu uso prático.
Como o ramo da ciência que estuda o fenômeno e o ramo da tecnologia que o aplica também é chamado de , a é o ramo da história da ciência e da história da tecnologia que trata do seu surgimento e evolução. O fenômeno da eletricidade é estudado desde a antiguidade, mas seu estudo científico iniciou-se nos séculos XVII e XVIII. No final do século XIX, os engenheiros conseguiram aproveitá-lo para uso doméstico e industrial. A rápida expansão da tecnologia elétrica tornou-a a espinha dorsal da sociedade industrial moderna.[3].
Muito antes de haver qualquer conhecimento sobre eletricidade, a humanidade já conhecia as descargas elétricas produzidas pelos peixes elétricos. Textos egípcios antigos datados de 2750 AC. C. referiam-se a esses peixes como "os trovões do Nilo", descritos como os protetores de outros peixes. Mais tarde, os peixes elétricos também foram descritos pelos romanos, gregos, árabes, naturalistas e físicos.[4] Autores antigos como Plínio, o Velho e Escribônio Largus,[5][6] descreveram o efeito entorpecente das descargas elétricas produzidas por peixes elétricos e raios elétricos. Além disso, eles sabiam que essas descargas poderiam ser transmitidas por materiais condutores.[7] Pacientes com doenças como gota e dores de cabeça eram tratados com peixes elétricos, na esperança de que a descarga pudesse curá-los.[6] A primeira abordagem ao estudo dos raios e sua relação com a eletricidade é atribuída aos árabes, que antes do século XV tinham uma palavra para relâmpago (raad) aplicada ao raio elétrico.[8].
Nas antigas culturas mediterrâneas sabia-se que ao esfregar certos objetos, como uma barra de âmbar, com lã ou pele, obtinham-se pequenas cargas (efeito triboelétrico) que atraíam pequenos objetos, e a fricção por muito tempo poderia causar o aparecimento de uma faísca. Perto da antiga cidade grega de Magnésia estavam as chamadas pedras de magnésia, que incluíam magnetita e os antigos gregos observaram que pedaços deste material se atraíam, e também pequenos objetos de ferro. As palavras magneto (equivalente em espanhol a magneto) e magnetismo derivam desse topônimo. Por volta do ano 600 AC. C., o filósofo grego Tales de Mileto fez uma série de observações sobre a eletricidade estática. Ele concluiu que a fricção conferia magnetismo ao âmbar, ao contrário de minerais como a magnetita, que não precisavam ser friccionados.[9][10][11] Tales se enganou ao acreditar que essa atração era produzida por um campo magnético, embora mais tarde a ciência provasse a relação entre magnetismo e eletricidade. De acordo com uma teoria controversa, os partos poderiam ter conhecido a eletrodeposição, com base na descoberta da bateria de Bagdá em 1936,[12] semelhante a uma célula voltaica, embora seja duvidoso que o dispositivo fosse de natureza elétrica.[13].
Estas especulações e registos fragmentários foram o tratamento quase exclusivo (com a notável excepção do uso do magnetismo para a bússola) desde a Antiguidade até à Revolução Científica do século XVII; embora mesmo então fosse considerado pouco mais que uma curiosidade para ser exposta em salões. As primeiras contribuições que podem ser entendidas como abordagens sucessivas do fenômeno elétrico foram feitas por William Gilbert, que realizou um estudo cuidadoso da eletricidade e do magnetismo. Ele diferenciou o efeito produzido por pedaços de magnetita da eletricidade estática produzida pela fricção do âmbar.[11] Além disso, ele cunhou o termo neolatino electricus (que, por sua vez, vem de ήλεκτρον [elektron], a palavra grega para âmbar) para se referir à propriedade de atrair pequenos objetos depois de esfregá-los.[14] Isto deu origem aos termos elétrico e eletricidade, que aparecem pela primeira vez em 1646 na publicação Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne.[15].
Esses estudos foram seguidos por pesquisadores sistemáticos como von Guericke, Cavendish,[16][17] Du Fay,[18] van Musschenbroek[19] (garrafa de Leyden) ou William Watson.[20] Observações submetidas ao método científico começaram a dar frutos com Galvani,[21] Volta,[22] Coulomb[23] e Franklin,[24] e, agora no início do Século XIX, com Ampère,[25] Faraday[26] e Ohm. Os nomes desses pioneiros acabaram batizando as unidades hoje utilizadas para medir as diferentes magnitudes do fenômeno. A compreensão definitiva da eletricidade só foi alcançada com a sua unificação com o magnetismo num único fenômeno eletromagnético descrito pelas equações de Maxwell (1861-1865).[27].
Os desenvolvimentos tecnológicos que produziram a Primeira Revolução Industrial não fizeram uso de eletricidade. A sua primeira aplicação prática generalizada foi o telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833) - precedido por Gauss e Weber, 1822 -, que revolucionou as telecomunicações.[28] A geração industrial de eletricidade teve início no último quartel do século XIX, quando se difundiu a iluminação elétrica de ruas e residências. A crescente sucessão de aplicações desta forma de energia fez da eletricidade um dos principais motores da Segunda Revolução Industrial.[29] Mais do que grandes teóricos como Lord Kelvin, foi o tempo de grandes engenheiros e inventores, como Gramme,[30] Tesla, Sprague, Westinghouse,[31] von Siemens,[32] Graham Bell,[33] e, sobretudo, Alva Edison e sua maneira revolucionária de compreender a relação entre pesquisa científico-técnica. e o mercado capitalista, que transformou a inovação tecnológica numa atividade industrial.[34][35] As sucessivas mudanças de paradigma da primeira metade do século XX (relativística e quântica) estudarão a função da eletricidade numa nova dimensão: atómica e subatómica.
A electrificação não foi apenas um processo técnico, mas uma verdadeira mudança social com implicações extraordinárias, começando pela iluminação e continuando com todos os tipos de processos industriais (motor eléctrico, metalurgia, refrigeração...) e comunicações (telefonia, rádio). Lénine, durante a Revolução Bolchevique, definiu o socialismo como a soma da electrificação e do poder dos sovietes,[36] mas foi sobretudo a sociedade de consumo que nasceu nos países capitalistas, que dependia em maior medida do uso doméstico de electricidade em electrodomésticos, e foi nestes países onde o feedback entre ciência, tecnologia e sociedade desenvolveu as estruturas complexas que permitiram os actuais sistemas de I&D e I&D+I, nos quais se combinam a iniciativa pública e privada. Eles se interpenetram e as figuras individuais se confundem nas equipes de pesquisa.
A energia elétrica é essencial para a sociedade da informação da terceira revolução industrial que ocorre desde a segunda metade do século XX (transistor, televisão, computação, robótica, internet...). Somente a motorização dependente do petróleo (que também é amplamente utilizada, como outros combustíveis fósseis, na geração de eletricidade) pode ser comparada em importância. Ambos os processos necessitavam de quantidades cada vez maiores de energia, o que está na origem da crise energética e ambiental e da procura de novas fontes de energia, a maioria com utilização eléctrica imediata (energia nuclear e energias alternativas, dadas as limitações da hidroeletricidade tradicional). Os problemas que a eletricidade tem para o seu armazenamento e transporte a longas distâncias, e para a autonomia dos dispositivos móveis, são desafios técnicos que ainda não foram resolvidos de forma suficientemente eficaz.
O impacto cultural daquilo que Marshall McLuhan chamou de Era da Eletricidade, que se seguiria à Era da Mecanização (em comparação com a forma como a Idade dos Metais se seguiu à Idade da Pedra), reside na altíssima velocidade de propagação da radiação eletromagnética (300.000 km/s) que a faz ser percebida quase instantaneamente. Esse fato traz consigo possibilidades antes inimagináveis, como a simultaneidade e a divisão de cada processo em uma sequência. Uma mudança cultural ocorreu, decorrente de um foco em “segmentos especializados de atenção” (a adoção de uma perspectiva particular) e da ideia de “consciência sensorial instantânea da totalidade”, uma atenção ao “campo total”, um “senso de estrutura total”. O sentido de “forma e função como uma unidade”, uma “ideia integral de estrutura e configuração”, tornou-se evidente e predominante. Estas novas concepções mentais tiveram grande impacto em todos os tipos de campos científicos, educacionais e até artísticos (por exemplo, o cubismo). Na esfera espacial e política, “a eletricidade não centraliza, mas descentraliza... enquanto a ferrovia exige um espaço político uniforme, o avião e o rádio permitem a maior descontinuidade e diversidade na organização espacial”.
Alguns dos grandes impulsionadores do conhecimento sobre eletricidade
Coulomb (1736-1806), estabeleceu as leis quantitativas da eletrostática
Coulomb (1736-1806) estabeleceu as leis quantitativas da eletrostática.
!Galvani (1737-1798), famoso por suas pesquisas sobre os efeitos da eletricidade nos músculos dos animais
Galvani (1737-1798), famoso por suas pesquisas sobre os efeitos da eletricidade nos músculos dos animais
!Volta (1745-1827), inventor da bateria
Volta (1745-1827), inventor da bateria
!Ampère (1775-1836), um dos descobridores do eletromagnetismo
Ampère (1775-1836), um dos descobridores do eletromagnetismo
!Faraday (1791-1867), descobridor da indução eletromagnética
Faraday (1791-1867), descobridor da indução eletromagnética.
Usos
A eletricidade é usada para gerar:.
luz, através de lâmpadas em luminárias e outros objetos luminosos.
Calor, aproveitando o efeito Joule.
Movimento, através de motores que transformam energia elétrica em energia mecânica.
Sinais, através de sistemas eletrônicos, compostos por circuitos elétricos que incluem componentes ativos (tubos de vácuo, transistores, diodos e circuitos integrados) e componentes passivos como resistores, indutores e capacitores.
Conceitos
carga elétrica
A carga elétrica é uma propriedade da matéria que se manifesta por meio de forças de atração e repulsão. A carga se origina no átomo, que é composto de partículas subatômicas carregadas, como o elétron (negativo) e o próton (positivo).[38] A carga pode ser transferida entre corpos por contato direto ou pela passagem através de um material condutor, geralmente metálico.[39] O termo eletricidade estática se refere à presença de carga em um corpo, geralmente causada por dois materiais diferentes esfregando um contra o outro, transferindo carga um para o outro.[40].
A presença de carga dá origem à força eletromagnética: uma carga exerce uma força sobre as outras. Este efeito era conhecido nos tempos antigos, mas não compreendido.[41] Uma bola leve, suspensa por um fio, poderia ser carregada pelo contato com uma haste de vidro previamente carregada por fricção com um tecido. Descobriu-se que se uma bola semelhante fosse carregada com a mesma barra de vidro, elas se repeliriam. No final do século XVIII, Charles-Augustin de Coulomb investigou este fenômeno. Ele deduziu que a acusação se manifesta de duas maneiras opostas.[42]
Esta descoberta deu origem ao conhecido axioma “objetos com a mesma polaridade se repelem e com polaridades diferentes se atraem”.
A força atua sobre as partículas carregadas umas em relação às outras, e a carga também tende a se espalhar por uma superfície condutora. A magnitude da força eletromagnética, seja atrativa ou repulsiva, é expressa pela lei de Coulomb, que relaciona a força ao produto das cargas e tem uma relação inversa ao quadrado da distância entre elas. 10 vezes maior que a atração gravitacional que os une.[48].
Uma carga pode ser expressa como positiva ou negativa. As cargas dos elétrons e dos prótons têm sinais opostos. Por convenção, a carga dos elétrons é assumida como negativa e a dos prótons como positiva, um costume que começou com o trabalho de Benjamin Franklin.[49] A quantidade de carga é representada pelo símbolo Q e é expressa em coulombs.[50] Todos os elétrons têm a mesma carga, aproximadamente -1,6022×10 coulombs. O próton tem carga igual, mas oposta, +1,6022×10 coulombs. A carga não está presente apenas na matéria, mas também na antimatéria: cada antipartícula tem uma carga igual e oposta à sua partícula correspondente.[51].
A carga pode ser medida de diferentes maneiras. Um instrumento muito antigo é o eletroscópio, que ainda é usado para demonstrações em sala de aula, embora agora tenha sido substituído pelo eletrômetro eletrônico.[52].
Corrente elétrica
O movimento de cargas elétricas através de um condutor é conhecido como corrente elétrica. A corrente pode ser produzida por qualquer partícula eletricamente carregada em movimento. O mais comum é que sejam elétrons, mas qualquer outra carga em movimento pode ser definida como corrente.[53] Segundo o Sistema Internacional, a intensidade de uma corrente elétrica é medida em amperes, cujo símbolo é A.[54].
Historicamente, a corrente elétrica foi definida como um fluxo de cargas positivas e a direção convencional de circulação da corrente foi definida como o fluxo de cargas do pólo positivo para o negativo. Posteriormente observou-se que, nos metais, os portadores de carga são os elétrons, com carga negativa, e que se movem no sentido oposto ao convencional.[55] A verdade é que, dependendo das condições, uma corrente elétrica pode consistir num fluxo de partículas carregadas numa direção, ou mesmo simultaneamente em ambas as direções. A convenção positivo-negativo é normalmente usada para simplificar esta situação.[53].
O processo pelo qual a corrente elétrica flui através de um material é chamado de condução elétrica. A sua natureza varia, dependendo das partículas carregadas e do material através do qual circulam. Exemplos de correntes elétricas são a condução metálica, onde os elétrons viajam através de um condutor elétrico, como um metal; e eletrólise, onde íons (átomos carregados) fluem através de líquidos. Embora as partículas possam se mover muito lentamente, às vezes com uma velocidade média de deriva de apenas frações de milímetro por segundo,[56] o campo elétrico que as controla se propaga perto da velocidade da luz, permitindo que os sinais elétricos sejam transmitidos rapidamente através de cabos.[57].
A corrente produz muitos efeitos visíveis, que tornaram a sua presença reconhecida ao longo da história. Em 1800, Nicholson e Carlisle descobriram que a água poderia ser decomposta pela corrente de uma célula voltaica, num processo conhecido como eletrólise. Em 1833, Michael Faraday expandiu este trabalho.[58] Em 1840, James Prescott Joule descobriu que a corrente através de uma resistência elétrica aumenta a temperatura, um fenômeno agora chamado de Efeito Joule.[58].
campo elétrico
O conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday. Um campo elétrico é criado por um corpo carregado no espaço ao seu redor e produz uma força que exerce sobre outras cargas localizadas no campo. Um campo elétrico atua entre duas cargas de maneira muito semelhante ao campo gravitacional que atua sobre duas massas. Assim como ele, estende-se ao infinito e seu valor é inversamente proporcional ao quadrado da distância.[47] Porém, há uma diferença importante: enquanto a gravidade sempre atua como atração, o campo elétrico pode produzir atração ou repulsão. Se um corpo grande como um planeta não tiver carga líquida, o campo elétrico a uma determinada distância é zero. Portanto, a gravidade é a força dominante no universo, apesar de ser muito mais fraca.[48].
Um campo elétrico varia no espaço, e sua intensidade em qualquer ponto é definida como a força (por unidade de carga) que uma carga perceberia se estivesse localizada naquele ponto.[59] A carga de teste deve ser insignificante, para evitar que seu próprio campo afete 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 uma força é um vetor, então o campo elétrico também é um vetor, com magnitude e direção. Especificamente, é um campo vetorial.[59].
potencial elétrico
O conceito de potencial elétrico está intimamente relacionado ao de campo elétrico. Uma pequena carga colocada num campo elétrico sofre uma força e, para levar essa carga até esse ponto contra a força, ela precisa realizar trabalho. O potencial elétrico em qualquer ponto é definido como a energia necessária para mover uma carga de teste localizada no infinito até aquele ponto.[60] Geralmente é medido em volts, onde um volt é o potencial necessário para que um joule de trabalho atraia uma carga de um coulomb do infinito. Esta definição formal de potencial tem poucas aplicações práticas. Um conceito mais útil é a diferença de potencial, definida como a energia necessária para mover uma carga entre dois pontos específicos. O campo elétrico tem a propriedade especial de ser conservativo, ou seja, o caminho percorrido pela carga de teste não importa; Todas as trajetórias entre dois pontos específicos consomem a mesma energia, e também com um único valor de diferença de potencial.[60].
Eletromagnetismo
A teoria física que unifica os fenômenos elétricos e magnéticos é chamada de eletromagnetismo. Seus fundamentos são obra de Faraday, mas foram formulados pela primeira vez na íntegra por Maxwell,[61][62] usando quatro equações diferenciais vetoriais, conhecidas como equações de Maxwell. Eles relacionam o campo elétrico, o campo magnético e suas respectivas fontes materiais: densidade de carga elétrica, corrente elétrica, deslocamento elétrico e corrente de deslocamento.[63].
No início do século 19, Ørsted encontrou evidências empíricas de que os fenômenos magnéticos e elétricos estavam relacionados. A partir dessa base, em 1861 Maxwell unificou os trabalhos de Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm e Faraday, em um conjunto de equações que descreviam ambos os fenômenos como um só, o fenômeno eletromagnético.[64].
É uma teoria de campo. Suas explicações e previsões são baseadas em grandezas físicas vetoriais, que dependem da posição no espaço e no tempo. O eletromagnetismo descreve fenômenos físicos macroscópicos envolvendo cargas elétricas em repouso e em movimento, utilizando campos elétricos e magnéticos e seus efeitos na matéria.
circuitos elétricos
Um circuito elétrico é uma interconexão de dois ou mais componentes elétricos de modo que a carga elétrica flua em um caminho fechado, geralmente para realizar alguma tarefa útil.[65].
Os componentes de um circuito elétrico podem ser muito variados, podendo conter elementos como resistores, capacitores, interruptores, plugues, transformadores e eletrônicos. Os circuitos eletrônicos contêm componentes ativos, geralmente semicondutores, que apresentam comportamento não linear, o que requer análises complexas. Os componentes elétricos mais simples são passivos e lineares.[66].
O comportamento de circuitos elétricos contendo apenas resistores e fontes eletromotrizes de corrente contínua é regido pelas leis de Kirchhoff. Para estudá-lo, o circuito é decomposto em malhas elétricas, estabelecendo um sistema de equações lineares cuja resolução fornece os valores das tensões e correntes que entram ou saem de seus nós.[67].
A resolução de circuitos de corrente alternada requer a expansão do conceito de resistência elétrica, agora ampliado pelo de impedância para incluir os comportamentos de bobinas e capacitores. A resolução destes circuitos pode ser feita com generalizações das leis de Kirchoff, mas geralmente requer métodos matemáticos avançados, como a Transformada de Laplace, para descrever seus comportamentos transitórios e estacionários.[67].
Propriedades da eletricidade
Origem microscópica
A possibilidade de transmissão de corrente elétrica nos materiais depende da estrutura e interação dos átomos que os compõem. Os átomos são compostos de partículas carregadas positivamente (prótons), partículas carregadas negativamente (elétrons) e partículas neutras (nêutrons). A condução elétrica em condutores, semicondutores e isolantes é devida aos elétrons na órbita externa ou aos portadores de carga, uma vez que tanto os nêutrons internos quanto os prótons dos núcleos atômicos não podem se mover facilmente. Os materiais condutores por excelência são metais que normalmente possuem um único elétron na última camada eletrônica, como o cobre. Esses elétrons podem passar facilmente para átomos adjacentes, constituindo os elétrons livres responsáveis pelo fluxo da corrente elétrica.[68].
Em todos os materiais sujeitos a campos elétricos, as distribuições espaciais relativas de cargas negativas e positivas são modificadas em maior ou menor grau. Esse fenômeno é chamado de polarização elétrica e é mais perceptível em isoladores elétricos porque graças a esse fenômeno as cargas são impedidas de serem liberadas e, portanto, não conduzem, principal característica desses materiais.[69].
Condutividade e resistividade
A condutividade elétrica é a propriedade dos materiais que quantifica a facilidade com que as cargas podem se mover quando um material é submetido a um campo elétrico. A resistividade é uma magnitude inversa à condutividade, aludindo ao grau de dificuldade que os elétrons encontram em seus movimentos, dando uma ideia de quão bom ou ruim é um condutor. Geralmente a resistividade dos metais aumenta com a temperatura, enquanto a dos semicondutores diminui com o aumento da temperatura.[68].
Os materiais são classificados de acordo com sua condutividade elétrica ou resistividade em condutores, dielétricos, semicondutores e supercondutores.
Condutores elétricos. São materiais que, ao serem colocados em contato com um corpo carregado de eletricidade, a transmitem a todos os pontos de sua superfície. Os melhores condutores elétricos são os metais e suas ligas. Existem outros materiais não metálicos que também possuem a propriedade de conduzir eletricidade, como grafite, soluções salinas (por exemplo, água do mar) e qualquer material em estado de plasma. Para o transporte de energia elétrica, bem como para qualquer instalação de uso doméstico ou industrial, o metal mais utilizado é o cobre na forma de cabos monofios ou multifios. Alternativamente, utiliza-se o alumínio, metal que, embora tenha uma condutividade elétrica em torno de 60% da do cobre, é, no entanto, um material muito menos denso, o que favorece a sua utilização em linhas de transmissão de energia elétrica em redes de alta tensão. Para aplicações especiais, o ouro é usado como condutor.[71]
Dielétricos. São materiais que não conduzem eletricidade, portanto podem ser utilizados como isolantes. Alguns exemplos desse tipo de materiais são o vidro, a cerâmica, os plásticos, a borracha, a mica, a cera, o papel, a madeira seca, a porcelana, algumas graxas para uso industrial e eletrônico e a baquelite. Embora não existam materiais absolutamente isolantes ou condutores, mas apenas condutores melhores ou piores, são materiais muito utilizados para evitar curtos-circuitos (revestir os condutores eléctricos com eles, para manter afastadas do utilizador certas partes dos sistemas eléctricos que, se tocadas acidentalmente quando estão sob tensão, podem produzir uma descarga) e para fazer isoladores (elementos utilizados nas redes de distribuição eléctrica para fixar os condutores aos seus suportes sem que haja contacto eléctrico). Alguns materiais, como o ar ou a água, são isolantes sob certas condições, mas não em outras. O ar, por exemplo, é isolante à temperatura ambiente e seco, mas, sob condições de frequência e potência de sinal relativamente baixas, pode tornar-se um condutor.[72].
Produção e usos de eletricidade
Geração e transmissão
Até a invenção da célula voltaica no século XVIII (Alessandro Volta, 1800) não existia nenhuma fonte viável de eletricidade. A célula voltaica (e seus descendentes modernos, a célula elétrica e a bateria elétrica), armazenava energia quimicamente e a fornecia sob demanda na forma de energia elétrica.[73] A bateria é uma fonte comum muito versátil utilizada para muitas aplicações, mas seu armazenamento de energia é limitado e, uma vez descarregada, deve ser recarregada (ou, no caso da bateria, substituída). Para uma demanda elétrica muito maior, a energia deve ser gerada e transmitida continuamente através de linhas de transmissão condutoras.[74].
A energia elétrica é geralmente gerada por geradores eletromecânicos, que são dispositivos que utilizam movimento para manter uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Ou seja, transformam energia mecânica em energia elétrica. Essa transformação é conseguida pela ação de um campo magnético sobre os condutores elétricos. Se um movimento relativo entre os condutores e o campo for produzido mecanicamente, uma força eletromotriz (EMF) será gerada. Este sistema é baseado na lei de Faraday. Para conseguir o movimento, são utilizados ar (vento), água (hidráulico), vapor ou outros gases (térmicos). A moderna turbina a vapor inventada por Charles Algernon Parsons em 1884 gera cerca de 80% da energia elétrica mundial usando uma ampla variedade de fontes de energia.
Outro dispositivo que gera eletricidade é a célula fotovoltaica, e o faz diretamente a partir da radiação solar por meio de um dispositivo semicondutor.
Os condutores elétricos sempre oferecem resistência à passagem de eletricidade, por menor que seja, de modo que a carga elétrica se perde durante o transporte; Quanto maior a distância, maior a perda. Um aumento de tensão significa uma diminuição da intensidade que circula pela linha, para transportar a mesma potência, e portanto, perdas por aquecimento dos condutores e efeitos eletromagnéticos e, consequentemente, menores perdas de energia. Consequentemente, seções menores dos condutores que a transportam podem ser utilizadas, portanto, para transportar energia elétrica por longas distâncias, deve ser feito na chamada Alta Tensão. Pelo contrário, no uso de corrente deve ser utilizada uma tensão mais baixa (normalmente entre 110 V e 240 V) e isso implica alterações de tensão (transformações). A invenção do transformador no final do século XIX permitiu transmitir energia elétrica de forma mais eficiente. A transmissão elétrica eficiente tornou possível gerar eletricidade em usinas geradoras e depois transportá-la por longas distâncias, onde quer que fosse necessária.[75].
Dado que a energia eléctrica não pode ser facilmente armazenada para satisfazer a procura à escala nacional, na maioria das vezes é produzida a mesma quantidade que é procurada. Isto requer uma troca de electricidade que faça previsões da procura de electricidade e mantenha uma coordenação constante com as centrais geradoras. Uma certa reserva de capacidade de geração é mantida para resistir a qualquer anomalia na rede.[76].
Aplicações de eletricidade
A eletricidade tem inúmeras aplicações para uso doméstico, industrial, medicinal e de transporte. Só para citar, podemos citar iluminação e iluminação, eletrodomésticos, produção de calor, eletrônica, robótica, telecomunicações, sinalização luminosa, ar condicionado, máquinas de refrigeração, eletrossoldagem, eletroímãs, eletroquímica, válvulas solenóides. A indução eletromagnética também é aplicada na construção de motores movidos a energia elétrica, que permitem o funcionamento de inúmeros dispositivos.[77].
Eletricidade na natureza
mundo inorgânico
O fenômeno elétrico mais comum no mundo inorgânico são as descargas elétricas atmosféricas chamadas relâmpagos. Devido ao atrito das partículas de água ou gelo com o ar, ocorre a separação crescente das cargas elétricas positivas e negativas nas nuvens, separação que gera campos elétricos. Quando o campo elétrico resultante excede a rigidez dielétrica do meio, ocorre uma descarga entre duas partes de uma nuvem, entre duas nuvens diferentes ou entre a parte inferior de uma nuvem e o solo. Esta descarga ioniza o ar por aquecimento e excita transições eletrônicas moleculares. A expansão repentina do ar gera trovões, enquanto o decaimento dos elétrons até seus níveis de equilíbrio gera radiação eletromagnética, ou seja, luz.[78].
Embora não possa ser verificado experimentalmente, a existência do campo magnético da Terra é quase certamente devida à circulação de cargas no núcleo externo líquido da Terra. A hipótese da sua origem em materiais com magnetização permanente, como o ferro, parece ser refutada pela confirmação das inversões periódicas da sua direcção ao longo das eras geológicas, onde o pólo magnético norte é substituído pelo sul e vice-versa. Medidos na época humana, no entanto, os pólos magnéticos são estáveis, permitindo a sua utilização, através da antiga invenção chinesa da bússola, para orientação no mar e em terra.[79].
O campo magnético da Terra desvia partículas carregadas do Sol (vento solar). Quando essas partículas colidem com os átomos e moléculas de oxigênio e nitrogênio da magnetosfera, é produzido um efeito fotoelétrico através do qual parte da energia da colisão excita os átomos a níveis de energia tais que, quando não estão mais excitados, eles devolvem essa energia na forma de luz visível. Este fenômeno pode ser observado a olho nu próximo aos pólos, nas auroras polares.[80].
mundo orgânico
O bioeletromagnetismo estuda o fenômeno que consiste na produção de campos eletromagnéticos produzidos pela matéria viva (células, tecidos ou organismos). Exemplos deste fenômeno incluem o potencial elétrico das membranas celulares e as correntes elétricas que fluem nos nervos e músculos como consequência do seu potencial de ação.[81].
Alguns organismos, como os tubarões, têm a capacidade de detectar e responder a mudanças nos campos elétricos, uma capacidade conhecida como eletrorrecepção.[82] Enquanto outros, chamados eletrogênicos, são capazes de produzir grandes descargas elétricas para fins defensivos ou ofensivos. Alguns peixes, como enguias e raias elétricas, podem gerar tensões de até dois mil volts e correntes superiores a 1 A.[83] O potencial de ação também é responsável pela coordenação de atividades em certas plantas.[84].
Bateria elétrica
Cálculo de seções de linhas de energia
Eletrônica
Engenharia elétrica
Energia elétrica
História da eletricidade
Geração de energia elétrica
Medições elétricas
Choque Elétrico
Sistema de alimentação elétrica
Tensão (eletricidade)
Termeletricidade
Eletromecânico
-Nikola Tesla.
Jackson, JD (1975). Eletrodinâmica Clássica. 2ª edição. ISBN 978-0-471-43132-9.
Feynman, R. e Leighton, RB (1987). Física Vol. II: Eletromagnetismo e matéria. Addison-Wesley Iberoamericana, policial. ISBN 0-201-06622-X.
Sears, Francis W., Zemansky, Mark W., Young, Hugh D. (2004). Física Universitária vol. 2 (Eletricidade e Magnetismo). Publicação Pearson Education; Madri (Espanha). ISBN 970-26-0512-1.
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História da tração elétrica (acessado em 1 de julho de 2008).
!Dados Wd: Q12725
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[3] ↑ Jones, D. A. (1991). «Electrical engineering: the backbone of society». Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1-10. doi:10.1049/ip-a-3.1991.0001.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-3
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[17] ↑ Cavendish, Henry (1776). «An Account of Some Attempts to Imitate the Effects of the Torpedo by Electricity». Philosophical Transactions 66: 195-225. doi:10.1098/rstl.1776.0013.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-17
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[44] ↑ «The repulsive force between two small spheres charged with the same type of electricity is inversely proportional to the square of the distance between the centres of the two spheres». Charles-Augustin de Coulomb, Histoire de l'Academie Royal des Sciences, Paris 1785.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-44
[54] ↑ Ledanois, Jean Marie; López de Ramos, Aura L. «Sistema Internacional de Unidades». En Ediciones de la Universidad Simón Bolívar, ed. Magnitudes, Dimensiones y Conversiones de unidades. Equinoccio. p. 7. Archivado desde el original el 1996. Consultado el 24 de noviembre de 2010. La referencia utiliza el parámetro obsoleto |coautores= (ayuda): https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-54
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Muito antes de haver qualquer conhecimento sobre eletricidade, a humanidade já conhecia as descargas elétricas produzidas pelos peixes elétricos. Textos egípcios antigos datados de 2750 AC. C. referiam-se a esses peixes como "os trovões do Nilo", descritos como os protetores de outros peixes. Mais tarde, os peixes elétricos também foram descritos pelos romanos, gregos, árabes, naturalistas e físicos.[4] Autores antigos como Plínio, o Velho e Escribônio Largus,[5][6] descreveram o efeito entorpecente das descargas elétricas produzidas por peixes elétricos e raios elétricos. Além disso, eles sabiam que essas descargas poderiam ser transmitidas por materiais condutores.[7] Pacientes com doenças como gota e dores de cabeça eram tratados com peixes elétricos, na esperança de que a descarga pudesse curá-los.[6] A primeira abordagem ao estudo dos raios e sua relação com a eletricidade é atribuída aos árabes, que antes do século XV tinham uma palavra para relâmpago (raad) aplicada ao raio elétrico.[8].
Nas antigas culturas mediterrâneas sabia-se que ao esfregar certos objetos, como uma barra de âmbar, com lã ou pele, obtinham-se pequenas cargas (efeito triboelétrico) que atraíam pequenos objetos, e a fricção por muito tempo poderia causar o aparecimento de uma faísca. Perto da antiga cidade grega de Magnésia estavam as chamadas pedras de magnésia, que incluíam magnetita e os antigos gregos observaram que pedaços deste material se atraíam, e também pequenos objetos de ferro. As palavras magneto (equivalente em espanhol a magneto) e magnetismo derivam desse topônimo. Por volta do ano 600 AC. C., o filósofo grego Tales de Mileto fez uma série de observações sobre a eletricidade estática. Ele concluiu que a fricção conferia magnetismo ao âmbar, ao contrário de minerais como a magnetita, que não precisavam ser friccionados.[9][10][11] Tales se enganou ao acreditar que essa atração era produzida por um campo magnético, embora mais tarde a ciência provasse a relação entre magnetismo e eletricidade. De acordo com uma teoria controversa, os partos poderiam ter conhecido a eletrodeposição, com base na descoberta da bateria de Bagdá em 1936,[12] semelhante a uma célula voltaica, embora seja duvidoso que o dispositivo fosse de natureza elétrica.[13].
Estas especulações e registos fragmentários foram o tratamento quase exclusivo (com a notável excepção do uso do magnetismo para a bússola) desde a Antiguidade até à Revolução Científica do século XVII; embora mesmo então fosse considerado pouco mais que uma curiosidade para ser exposta em salões. As primeiras contribuições que podem ser entendidas como abordagens sucessivas do fenômeno elétrico foram feitas por William Gilbert, que realizou um estudo cuidadoso da eletricidade e do magnetismo. Ele diferenciou o efeito produzido por pedaços de magnetita da eletricidade estática produzida pela fricção do âmbar.[11] Além disso, ele cunhou o termo neolatino electricus (que, por sua vez, vem de ήλεκτρον [elektron], a palavra grega para âmbar) para se referir à propriedade de atrair pequenos objetos depois de esfregá-los.[14] Isto deu origem aos termos elétrico e eletricidade, que aparecem pela primeira vez em 1646 na publicação Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne.[15].
Esses estudos foram seguidos por pesquisadores sistemáticos como von Guericke, Cavendish,[16][17] Du Fay,[18] van Musschenbroek[19] (garrafa de Leyden) ou William Watson.[20] Observações submetidas ao método científico começaram a dar frutos com Galvani,[21] Volta,[22] Coulomb[23] e Franklin,[24] e, agora no início do Século XIX, com Ampère,[25] Faraday[26] e Ohm. Os nomes desses pioneiros acabaram batizando as unidades hoje utilizadas para medir as diferentes magnitudes do fenômeno. A compreensão definitiva da eletricidade só foi alcançada com a sua unificação com o magnetismo num único fenômeno eletromagnético descrito pelas equações de Maxwell (1861-1865).[27].
Os desenvolvimentos tecnológicos que produziram a Primeira Revolução Industrial não fizeram uso de eletricidade. A sua primeira aplicação prática generalizada foi o telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833) - precedido por Gauss e Weber, 1822 -, que revolucionou as telecomunicações.[28] A geração industrial de eletricidade teve início no último quartel do século XIX, quando se difundiu a iluminação elétrica de ruas e residências. A crescente sucessão de aplicações desta forma de energia fez da eletricidade um dos principais motores da Segunda Revolução Industrial.[29] Mais do que grandes teóricos como Lord Kelvin, foi o tempo de grandes engenheiros e inventores, como Gramme,[30] Tesla, Sprague, Westinghouse,[31] von Siemens,[32] Graham Bell,[33] e, sobretudo, Alva Edison e sua maneira revolucionária de compreender a relação entre pesquisa científico-técnica. e o mercado capitalista, que transformou a inovação tecnológica numa atividade industrial.[34][35] As sucessivas mudanças de paradigma da primeira metade do século XX (relativística e quântica) estudarão a função da eletricidade numa nova dimensão: atómica e subatómica.
A electrificação não foi apenas um processo técnico, mas uma verdadeira mudança social com implicações extraordinárias, começando pela iluminação e continuando com todos os tipos de processos industriais (motor eléctrico, metalurgia, refrigeração...) e comunicações (telefonia, rádio). Lénine, durante a Revolução Bolchevique, definiu o socialismo como a soma da electrificação e do poder dos sovietes,[36] mas foi sobretudo a sociedade de consumo que nasceu nos países capitalistas, que dependia em maior medida do uso doméstico de electricidade em electrodomésticos, e foi nestes países onde o feedback entre ciência, tecnologia e sociedade desenvolveu as estruturas complexas que permitiram os actuais sistemas de I&D e I&D+I, nos quais se combinam a iniciativa pública e privada. Eles se interpenetram e as figuras individuais se confundem nas equipes de pesquisa.
A energia elétrica é essencial para a sociedade da informação da terceira revolução industrial que ocorre desde a segunda metade do século XX (transistor, televisão, computação, robótica, internet...). Somente a motorização dependente do petróleo (que também é amplamente utilizada, como outros combustíveis fósseis, na geração de eletricidade) pode ser comparada em importância. Ambos os processos necessitavam de quantidades cada vez maiores de energia, o que está na origem da crise energética e ambiental e da procura de novas fontes de energia, a maioria com utilização eléctrica imediata (energia nuclear e energias alternativas, dadas as limitações da hidroeletricidade tradicional). Os problemas que a eletricidade tem para o seu armazenamento e transporte a longas distâncias, e para a autonomia dos dispositivos móveis, são desafios técnicos que ainda não foram resolvidos de forma suficientemente eficaz.
O impacto cultural daquilo que Marshall McLuhan chamou de Era da Eletricidade, que se seguiria à Era da Mecanização (em comparação com a forma como a Idade dos Metais se seguiu à Idade da Pedra), reside na altíssima velocidade de propagação da radiação eletromagnética (300.000 km/s) que a faz ser percebida quase instantaneamente. Esse fato traz consigo possibilidades antes inimagináveis, como a simultaneidade e a divisão de cada processo em uma sequência. Uma mudança cultural ocorreu, decorrente de um foco em “segmentos especializados de atenção” (a adoção de uma perspectiva particular) e da ideia de “consciência sensorial instantânea da totalidade”, uma atenção ao “campo total”, um “senso de estrutura total”. O sentido de “forma e função como uma unidade”, uma “ideia integral de estrutura e configuração”, tornou-se evidente e predominante. Estas novas concepções mentais tiveram grande impacto em todos os tipos de campos científicos, educacionais e até artísticos (por exemplo, o cubismo). Na esfera espacial e política, “a eletricidade não centraliza, mas descentraliza... enquanto a ferrovia exige um espaço político uniforme, o avião e o rádio permitem a maior descontinuidade e diversidade na organização espacial”.
Alguns dos grandes impulsionadores do conhecimento sobre eletricidade
Coulomb (1736-1806), estabeleceu as leis quantitativas da eletrostática
Coulomb (1736-1806) estabeleceu as leis quantitativas da eletrostática.
!Galvani (1737-1798), famoso por suas pesquisas sobre os efeitos da eletricidade nos músculos dos animais
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!Volta (1745-1827), inventor da bateria
Volta (1745-1827), inventor da bateria
!Ampère (1775-1836), um dos descobridores do eletromagnetismo
Ampère (1775-1836), um dos descobridores do eletromagnetismo
!Faraday (1791-1867), descobridor da indução eletromagnética
Faraday (1791-1867), descobridor da indução eletromagnética.
Usos
A eletricidade é usada para gerar:.
luz, através de lâmpadas em luminárias e outros objetos luminosos.
Calor, aproveitando o efeito Joule.
Movimento, através de motores que transformam energia elétrica em energia mecânica.
Sinais, através de sistemas eletrônicos, compostos por circuitos elétricos que incluem componentes ativos (tubos de vácuo, transistores, diodos e circuitos integrados) e componentes passivos como resistores, indutores e capacitores.
Conceitos
carga elétrica
A carga elétrica é uma propriedade da matéria que se manifesta por meio de forças de atração e repulsão. A carga se origina no átomo, que é composto de partículas subatômicas carregadas, como o elétron (negativo) e o próton (positivo).[38] A carga pode ser transferida entre corpos por contato direto ou pela passagem através de um material condutor, geralmente metálico.[39] O termo eletricidade estática se refere à presença de carga em um corpo, geralmente causada por dois materiais diferentes esfregando um contra o outro, transferindo carga um para o outro.[40].
A presença de carga dá origem à força eletromagnética: uma carga exerce uma força sobre as outras. Este efeito era conhecido nos tempos antigos, mas não compreendido.[41] Uma bola leve, suspensa por um fio, poderia ser carregada pelo contato com uma haste de vidro previamente carregada por fricção com um tecido. Descobriu-se que se uma bola semelhante fosse carregada com a mesma barra de vidro, elas se repeliriam. No final do século XVIII, Charles-Augustin de Coulomb investigou este fenômeno. Ele deduziu que a acusação se manifesta de duas maneiras opostas.[42]
Esta descoberta deu origem ao conhecido axioma “objetos com a mesma polaridade se repelem e com polaridades diferentes se atraem”.
A força atua sobre as partículas carregadas umas em relação às outras, e a carga também tende a se espalhar por uma superfície condutora. A magnitude da força eletromagnética, seja atrativa ou repulsiva, é expressa pela lei de Coulomb, que relaciona a força ao produto das cargas e tem uma relação inversa ao quadrado da distância entre elas. 10 vezes maior que a atração gravitacional que os une.[48].
Uma carga pode ser expressa como positiva ou negativa. As cargas dos elétrons e dos prótons têm sinais opostos. Por convenção, a carga dos elétrons é assumida como negativa e a dos prótons como positiva, um costume que começou com o trabalho de Benjamin Franklin.[49] A quantidade de carga é representada pelo símbolo Q e é expressa em coulombs.[50] Todos os elétrons têm a mesma carga, aproximadamente -1,6022×10 coulombs. O próton tem carga igual, mas oposta, +1,6022×10 coulombs. A carga não está presente apenas na matéria, mas também na antimatéria: cada antipartícula tem uma carga igual e oposta à sua partícula correspondente.[51].
A carga pode ser medida de diferentes maneiras. Um instrumento muito antigo é o eletroscópio, que ainda é usado para demonstrações em sala de aula, embora agora tenha sido substituído pelo eletrômetro eletrônico.[52].
Corrente elétrica
O movimento de cargas elétricas através de um condutor é conhecido como corrente elétrica. A corrente pode ser produzida por qualquer partícula eletricamente carregada em movimento. O mais comum é que sejam elétrons, mas qualquer outra carga em movimento pode ser definida como corrente.[53] Segundo o Sistema Internacional, a intensidade de uma corrente elétrica é medida em amperes, cujo símbolo é A.[54].
Historicamente, a corrente elétrica foi definida como um fluxo de cargas positivas e a direção convencional de circulação da corrente foi definida como o fluxo de cargas do pólo positivo para o negativo. Posteriormente observou-se que, nos metais, os portadores de carga são os elétrons, com carga negativa, e que se movem no sentido oposto ao convencional.[55] A verdade é que, dependendo das condições, uma corrente elétrica pode consistir num fluxo de partículas carregadas numa direção, ou mesmo simultaneamente em ambas as direções. A convenção positivo-negativo é normalmente usada para simplificar esta situação.[53].
O processo pelo qual a corrente elétrica flui através de um material é chamado de condução elétrica. A sua natureza varia, dependendo das partículas carregadas e do material através do qual circulam. Exemplos de correntes elétricas são a condução metálica, onde os elétrons viajam através de um condutor elétrico, como um metal; e eletrólise, onde íons (átomos carregados) fluem através de líquidos. Embora as partículas possam se mover muito lentamente, às vezes com uma velocidade média de deriva de apenas frações de milímetro por segundo,[56] o campo elétrico que as controla se propaga perto da velocidade da luz, permitindo que os sinais elétricos sejam transmitidos rapidamente através de cabos.[57].
A corrente produz muitos efeitos visíveis, que tornaram a sua presença reconhecida ao longo da história. Em 1800, Nicholson e Carlisle descobriram que a água poderia ser decomposta pela corrente de uma célula voltaica, num processo conhecido como eletrólise. Em 1833, Michael Faraday expandiu este trabalho.[58] Em 1840, James Prescott Joule descobriu que a corrente através de uma resistência elétrica aumenta a temperatura, um fenômeno agora chamado de Efeito Joule.[58].
campo elétrico
O conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday. Um campo elétrico é criado por um corpo carregado no espaço ao seu redor e produz uma força que exerce sobre outras cargas localizadas no campo. Um campo elétrico atua entre duas cargas de maneira muito semelhante ao campo gravitacional que atua sobre duas massas. Assim como ele, estende-se ao infinito e seu valor é inversamente proporcional ao quadrado da distância.[47] Porém, há uma diferença importante: enquanto a gravidade sempre atua como atração, o campo elétrico pode produzir atração ou repulsão. Se um corpo grande como um planeta não tiver carga líquida, o campo elétrico a uma determinada distância é zero. Portanto, a gravidade é a força dominante no universo, apesar de ser muito mais fraca.[48].
Um campo elétrico varia no espaço, e sua intensidade em qualquer ponto é definida como a força (por unidade de carga) que uma carga perceberia se estivesse localizada naquele ponto.[59] A carga de teste deve ser insignificante, para evitar que seu próprio campo afete 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 uma força é um vetor, então o campo elétrico também é um vetor, com magnitude e direção. Especificamente, é um campo vetorial.[59].
potencial elétrico
O conceito de potencial elétrico está intimamente relacionado ao de campo elétrico. Uma pequena carga colocada num campo elétrico sofre uma força e, para levar essa carga até esse ponto contra a força, ela precisa realizar trabalho. O potencial elétrico em qualquer ponto é definido como a energia necessária para mover uma carga de teste localizada no infinito até aquele ponto.[60] Geralmente é medido em volts, onde um volt é o potencial necessário para que um joule de trabalho atraia uma carga de um coulomb do infinito. Esta definição formal de potencial tem poucas aplicações práticas. Um conceito mais útil é a diferença de potencial, definida como a energia necessária para mover uma carga entre dois pontos específicos. O campo elétrico tem a propriedade especial de ser conservativo, ou seja, o caminho percorrido pela carga de teste não importa; Todas as trajetórias entre dois pontos específicos consomem a mesma energia, e também com um único valor de diferença de potencial.[60].
Eletromagnetismo
A teoria física que unifica os fenômenos elétricos e magnéticos é chamada de eletromagnetismo. Seus fundamentos são obra de Faraday, mas foram formulados pela primeira vez na íntegra por Maxwell,[61][62] usando quatro equações diferenciais vetoriais, conhecidas como equações de Maxwell. Eles relacionam o campo elétrico, o campo magnético e suas respectivas fontes materiais: densidade de carga elétrica, corrente elétrica, deslocamento elétrico e corrente de deslocamento.[63].
No início do século 19, Ørsted encontrou evidências empíricas de que os fenômenos magnéticos e elétricos estavam relacionados. A partir dessa base, em 1861 Maxwell unificou os trabalhos de Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm e Faraday, em um conjunto de equações que descreviam ambos os fenômenos como um só, o fenômeno eletromagnético.[64].
É uma teoria de campo. Suas explicações e previsões são baseadas em grandezas físicas vetoriais, que dependem da posição no espaço e no tempo. O eletromagnetismo descreve fenômenos físicos macroscópicos envolvendo cargas elétricas em repouso e em movimento, utilizando campos elétricos e magnéticos e seus efeitos na matéria.
circuitos elétricos
Um circuito elétrico é uma interconexão de dois ou mais componentes elétricos de modo que a carga elétrica flua em um caminho fechado, geralmente para realizar alguma tarefa útil.[65].
Os componentes de um circuito elétrico podem ser muito variados, podendo conter elementos como resistores, capacitores, interruptores, plugues, transformadores e eletrônicos. Os circuitos eletrônicos contêm componentes ativos, geralmente semicondutores, que apresentam comportamento não linear, o que requer análises complexas. Os componentes elétricos mais simples são passivos e lineares.[66].
O comportamento de circuitos elétricos contendo apenas resistores e fontes eletromotrizes de corrente contínua é regido pelas leis de Kirchhoff. Para estudá-lo, o circuito é decomposto em malhas elétricas, estabelecendo um sistema de equações lineares cuja resolução fornece os valores das tensões e correntes que entram ou saem de seus nós.[67].
A resolução de circuitos de corrente alternada requer a expansão do conceito de resistência elétrica, agora ampliado pelo de impedância para incluir os comportamentos de bobinas e capacitores. A resolução destes circuitos pode ser feita com generalizações das leis de Kirchoff, mas geralmente requer métodos matemáticos avançados, como a Transformada de Laplace, para descrever seus comportamentos transitórios e estacionários.[67].
Propriedades da eletricidade
Origem microscópica
A possibilidade de transmissão de corrente elétrica nos materiais depende da estrutura e interação dos átomos que os compõem. Os átomos são compostos de partículas carregadas positivamente (prótons), partículas carregadas negativamente (elétrons) e partículas neutras (nêutrons). A condução elétrica em condutores, semicondutores e isolantes é devida aos elétrons na órbita externa ou aos portadores de carga, uma vez que tanto os nêutrons internos quanto os prótons dos núcleos atômicos não podem se mover facilmente. Os materiais condutores por excelência são metais que normalmente possuem um único elétron na última camada eletrônica, como o cobre. Esses elétrons podem passar facilmente para átomos adjacentes, constituindo os elétrons livres responsáveis pelo fluxo da corrente elétrica.[68].
Em todos os materiais sujeitos a campos elétricos, as distribuições espaciais relativas de cargas negativas e positivas são modificadas em maior ou menor grau. Esse fenômeno é chamado de polarização elétrica e é mais perceptível em isoladores elétricos porque graças a esse fenômeno as cargas são impedidas de serem liberadas e, portanto, não conduzem, principal característica desses materiais.[69].
Condutividade e resistividade
A condutividade elétrica é a propriedade dos materiais que quantifica a facilidade com que as cargas podem se mover quando um material é submetido a um campo elétrico. A resistividade é uma magnitude inversa à condutividade, aludindo ao grau de dificuldade que os elétrons encontram em seus movimentos, dando uma ideia de quão bom ou ruim é um condutor. Geralmente a resistividade dos metais aumenta com a temperatura, enquanto a dos semicondutores diminui com o aumento da temperatura.[68].
Os materiais são classificados de acordo com sua condutividade elétrica ou resistividade em condutores, dielétricos, semicondutores e supercondutores.
Condutores elétricos. São materiais que, ao serem colocados em contato com um corpo carregado de eletricidade, a transmitem a todos os pontos de sua superfície. Os melhores condutores elétricos são os metais e suas ligas. Existem outros materiais não metálicos que também possuem a propriedade de conduzir eletricidade, como grafite, soluções salinas (por exemplo, água do mar) e qualquer material em estado de plasma. Para o transporte de energia elétrica, bem como para qualquer instalação de uso doméstico ou industrial, o metal mais utilizado é o cobre na forma de cabos monofios ou multifios. Alternativamente, utiliza-se o alumínio, metal que, embora tenha uma condutividade elétrica em torno de 60% da do cobre, é, no entanto, um material muito menos denso, o que favorece a sua utilização em linhas de transmissão de energia elétrica em redes de alta tensão. Para aplicações especiais, o ouro é usado como condutor.[71]
Dielétricos. São materiais que não conduzem eletricidade, portanto podem ser utilizados como isolantes. Alguns exemplos desse tipo de materiais são o vidro, a cerâmica, os plásticos, a borracha, a mica, a cera, o papel, a madeira seca, a porcelana, algumas graxas para uso industrial e eletrônico e a baquelite. Embora não existam materiais absolutamente isolantes ou condutores, mas apenas condutores melhores ou piores, são materiais muito utilizados para evitar curtos-circuitos (revestir os condutores eléctricos com eles, para manter afastadas do utilizador certas partes dos sistemas eléctricos que, se tocadas acidentalmente quando estão sob tensão, podem produzir uma descarga) e para fazer isoladores (elementos utilizados nas redes de distribuição eléctrica para fixar os condutores aos seus suportes sem que haja contacto eléctrico). Alguns materiais, como o ar ou a água, são isolantes sob certas condições, mas não em outras. O ar, por exemplo, é isolante à temperatura ambiente e seco, mas, sob condições de frequência e potência de sinal relativamente baixas, pode tornar-se um condutor.[72].
Produção e usos de eletricidade
Geração e transmissão
Até a invenção da célula voltaica no século XVIII (Alessandro Volta, 1800) não existia nenhuma fonte viável de eletricidade. A célula voltaica (e seus descendentes modernos, a célula elétrica e a bateria elétrica), armazenava energia quimicamente e a fornecia sob demanda na forma de energia elétrica.[73] A bateria é uma fonte comum muito versátil utilizada para muitas aplicações, mas seu armazenamento de energia é limitado e, uma vez descarregada, deve ser recarregada (ou, no caso da bateria, substituída). Para uma demanda elétrica muito maior, a energia deve ser gerada e transmitida continuamente através de linhas de transmissão condutoras.[74].
A energia elétrica é geralmente gerada por geradores eletromecânicos, que são dispositivos que utilizam movimento para manter uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Ou seja, transformam energia mecânica em energia elétrica. Essa transformação é conseguida pela ação de um campo magnético sobre os condutores elétricos. Se um movimento relativo entre os condutores e o campo for produzido mecanicamente, uma força eletromotriz (EMF) será gerada. Este sistema é baseado na lei de Faraday. Para conseguir o movimento, são utilizados ar (vento), água (hidráulico), vapor ou outros gases (térmicos). A moderna turbina a vapor inventada por Charles Algernon Parsons em 1884 gera cerca de 80% da energia elétrica mundial usando uma ampla variedade de fontes de energia.
Outro dispositivo que gera eletricidade é a célula fotovoltaica, e o faz diretamente a partir da radiação solar por meio de um dispositivo semicondutor.
Os condutores elétricos sempre oferecem resistência à passagem de eletricidade, por menor que seja, de modo que a carga elétrica se perde durante o transporte; Quanto maior a distância, maior a perda. Um aumento de tensão significa uma diminuição da intensidade que circula pela linha, para transportar a mesma potência, e portanto, perdas por aquecimento dos condutores e efeitos eletromagnéticos e, consequentemente, menores perdas de energia. Consequentemente, seções menores dos condutores que a transportam podem ser utilizadas, portanto, para transportar energia elétrica por longas distâncias, deve ser feito na chamada Alta Tensão. Pelo contrário, no uso de corrente deve ser utilizada uma tensão mais baixa (normalmente entre 110 V e 240 V) e isso implica alterações de tensão (transformações). A invenção do transformador no final do século XIX permitiu transmitir energia elétrica de forma mais eficiente. A transmissão elétrica eficiente tornou possível gerar eletricidade em usinas geradoras e depois transportá-la por longas distâncias, onde quer que fosse necessária.[75].
Dado que a energia eléctrica não pode ser facilmente armazenada para satisfazer a procura à escala nacional, na maioria das vezes é produzida a mesma quantidade que é procurada. Isto requer uma troca de electricidade que faça previsões da procura de electricidade e mantenha uma coordenação constante com as centrais geradoras. Uma certa reserva de capacidade de geração é mantida para resistir a qualquer anomalia na rede.[76].
Aplicações de eletricidade
A eletricidade tem inúmeras aplicações para uso doméstico, industrial, medicinal e de transporte. Só para citar, podemos citar iluminação e iluminação, eletrodomésticos, produção de calor, eletrônica, robótica, telecomunicações, sinalização luminosa, ar condicionado, máquinas de refrigeração, eletrossoldagem, eletroímãs, eletroquímica, válvulas solenóides. A indução eletromagnética também é aplicada na construção de motores movidos a energia elétrica, que permitem o funcionamento de inúmeros dispositivos.[77].
Eletricidade na natureza
mundo inorgânico
O fenômeno elétrico mais comum no mundo inorgânico são as descargas elétricas atmosféricas chamadas relâmpagos. Devido ao atrito das partículas de água ou gelo com o ar, ocorre a separação crescente das cargas elétricas positivas e negativas nas nuvens, separação que gera campos elétricos. Quando o campo elétrico resultante excede a rigidez dielétrica do meio, ocorre uma descarga entre duas partes de uma nuvem, entre duas nuvens diferentes ou entre a parte inferior de uma nuvem e o solo. Esta descarga ioniza o ar por aquecimento e excita transições eletrônicas moleculares. A expansão repentina do ar gera trovões, enquanto o decaimento dos elétrons até seus níveis de equilíbrio gera radiação eletromagnética, ou seja, luz.[78].
Embora não possa ser verificado experimentalmente, a existência do campo magnético da Terra é quase certamente devida à circulação de cargas no núcleo externo líquido da Terra. A hipótese da sua origem em materiais com magnetização permanente, como o ferro, parece ser refutada pela confirmação das inversões periódicas da sua direcção ao longo das eras geológicas, onde o pólo magnético norte é substituído pelo sul e vice-versa. Medidos na época humana, no entanto, os pólos magnéticos são estáveis, permitindo a sua utilização, através da antiga invenção chinesa da bússola, para orientação no mar e em terra.[79].
O campo magnético da Terra desvia partículas carregadas do Sol (vento solar). Quando essas partículas colidem com os átomos e moléculas de oxigênio e nitrogênio da magnetosfera, é produzido um efeito fotoelétrico através do qual parte da energia da colisão excita os átomos a níveis de energia tais que, quando não estão mais excitados, eles devolvem essa energia na forma de luz visível. Este fenômeno pode ser observado a olho nu próximo aos pólos, nas auroras polares.[80].
mundo orgânico
O bioeletromagnetismo estuda o fenômeno que consiste na produção de campos eletromagnéticos produzidos pela matéria viva (células, tecidos ou organismos). Exemplos deste fenômeno incluem o potencial elétrico das membranas celulares e as correntes elétricas que fluem nos nervos e músculos como consequência do seu potencial de ação.[81].
Alguns organismos, como os tubarões, têm a capacidade de detectar e responder a mudanças nos campos elétricos, uma capacidade conhecida como eletrorrecepção.[82] Enquanto outros, chamados eletrogênicos, são capazes de produzir grandes descargas elétricas para fins defensivos ou ofensivos. Alguns peixes, como enguias e raias elétricas, podem gerar tensões de até dois mil volts e correntes superiores a 1 A.[83] O potencial de ação também é responsável pela coordenação de atividades em certas plantas.[84].
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-Nikola Tesla.
Jackson, JD (1975). Eletrodinâmica Clássica. 2ª edição. ISBN 978-0-471-43132-9.
Feynman, R. e Leighton, RB (1987). Física Vol. II: Eletromagnetismo e matéria. Addison-Wesley Iberoamericana, policial. ISBN 0-201-06622-X.
Sears, Francis W., Zemansky, Mark W., Young, Hugh D. (2004). Física Universitária vol. 2 (Eletricidade e Magnetismo). Publicação Pearson Education; Madri (Espanha). ISBN 970-26-0512-1.
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[3] ↑ Jones, D. A. (1991). «Electrical engineering: the backbone of society». Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1-10. doi:10.1049/ip-a-3.1991.0001.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-3
[4] ↑ Moller, Peter; Kramer, Bernd (diciembre de 1991), «Review: Electric Fish», BioScience (American Institute of Biological Sciences) 41 (11): 794-6 [794], JSTOR 1311732, doi:10.2307/1311732 .: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-4
[8] ↑ University of Wisconsin - Madison (1918). The Encyclopedia Americana; X. New York, Chicago, The Encyclopedia American corporation. p. 171. Consultado el 10 de abril de 2023.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-8
[15] ↑ 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 .: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-15
[16] ↑ Cavendish, Henry (1771). «An Attempt to Explain Some of the Principal Phaenomena of Electricity, by means of an Elastic Fluid». Philosophical Transactions 61: 564-677. doi:10.1098/rstl.1771.0056.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-16
[17] ↑ Cavendish, Henry (1776). «An Account of Some Attempts to Imitate the Effects of the Torpedo by Electricity». Philosophical Transactions 66: 195-225. doi:10.1098/rstl.1776.0013.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-17
[32] ↑ «Werner von Siemens». Biografía en el sitio de la empresa Siemens (en inglés). Archivado desde el original el 5 de octubre de 2011. Consultado el 18 de enero de 2011.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-32
[43] ↑ Coulomb, C.A.: «Construction et usage d'une balance electrique sur la propriete qu’ont les fils de metal, d’avoir une force de réaction de torsion proportionnelle a l'angle de torsion.» Mem. de l’acad. Sci. pp. 569 y 579. 1785.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-43
[44] ↑ «The repulsive force between two small spheres charged with the same type of electricity is inversely proportional to the square of the distance between the centres of the two spheres». Charles-Augustin de Coulomb, Histoire de l'Academie Royal des Sciences, Paris 1785.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-44
[54] ↑ Ledanois, Jean Marie; López de Ramos, Aura L. «Sistema Internacional de Unidades». En Ediciones de la Universidad Simón Bolívar, ed. Magnitudes, Dimensiones y Conversiones de unidades. Equinoccio. p. 7. Archivado desde el original el 1996. Consultado el 24 de noviembre de 2010. La referencia utiliza el parámetro obsoleto |coautores= (ayuda): https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-54
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[61] ↑ «Definición de electromagnetismo». Diccionario de la lengua española. Espasa-Calpe. Consultado el 19 de diciembre de 2012. «Parte de la física que estudia las acciones y reacciones de las corrientes eléctricas sobre los campos magnéticos.»: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-61
[65] ↑ Hayt, William (2007). «2». Análisis de circuitos en ingeniería. McGraw-Hill. p. 21. ISBN 970-10-6107-1. «La interconexión de dos elementos de circuitos simples forma una red eléctrica; si contiene al menos una trayectoria cerrada, también es un circuito eléctrico».: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-65
[71] ↑ Giordano, José Luis (2006). «El conductor eléctrico, Profísica, Chile.». Archivado desde el original el 4 de mayo de 2008. Consultado el 13 de mayo de 2008.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-71
[72] ↑ González Viñas, Wenceslao; Mancini, Héctor L. (2003). Ciencia de los materiales (1.ª edición). Ariel. p. 85. ISBN 9788434480599. Consultado el 8 de noviembre de 2015.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-72
[76] ↑ Ankaliki, S. G. (2011). «Centro de control de energía para sistemas de potencia». International Journal of Mathematical Sciences, Technology and Humanities (IJMTAH) 1 ((2011) 205-212). ISSN 2249-5460.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-76
[81] ↑ Malmivuo, Jaakko; Robert Plonsey (1994). Bioelectromagnetism : principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields (en inglés). Nueva York: Oxford University Press. ISBN 978-0195058239.: https://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#cite_ref-81