Tensão Elétrica

Introdução

Uma compreensão básica sobre tensão e corrente elétrica requer o conhecimento básico sobre a estrutura atômica. Como exemplo tomemos o mais simples átomo que existe, o de Hidrogênio (H), que é constituído de duas partículas fundamentais, um Próton no núcleo e um Elétron na eletrosfera.

O mesmo átomo de hidrogênio pode, devido a expansão de energia nuclear, possuir isótopos como visto na figura acima. A Carga eletrônica permanece a mesma somente a massa do mesmo muda. (Veja mais Aqui!)

Diferentes átomos, tem diversas números de elétrons em órbitas concêntricas chamadas camadas, cada camada dessa comporta um número máximo de elétrons, são elas (K, L, M, N, O, P e Q), como na figura abaixo.

Cada camada ainda é subdividida no que chamamos de subníveis de energia s, p, d e f. (Veja mais Sobre!)

Elétrons Livres

Sendo assim, o material mais empregado na indústria eletroeletrônica é o Cobre, e a que se deve isso? Exatamente! Essa introdução é proposital, e a resposta à pergunta é a Estrutura Atômica do Cobre. Vejamos na imagem a distribuição elétrica do átomo de Cobre.

Observando a estrutura do átomo de Cobre, aferimos que seus elétrons estão distribuídos em 4 camadas eletrônicas K, L, M e N. Nessa última, embora ela suporte até no máximo 32 elétrons, esta só possui 1 elétron. Na verdade átomos que possuem a última camada mais completa são mais estáveis. Átomos que possuem a última camada incompleta são mais voláteis e essa volatilidade aumenta com a diminuição de elétrons na mesma. Assim é seguro dizer que esse elétron solitário do átomo de Cobre é extremamente fácil de ser arrancado por uma força externa. Esse elétron que pode ser arrancado chamamos de elétron livre.

Além disso a força elétrica exercida pelo núcleo sobre os elétrons na eletrosfera é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles (Lei de Coulomb), isso quer dizer, que a medida que uma carga se afasta de outra a força atrativa entre elas decresce com o quadrado dessa distância. Por exemplo, se a distância entre duas cargas é d=1u, então a Força Elétrica exercida é F para uma quantidade de carga q1 e q2. Mantendo a mesma quantidade de carga e dobrando a distância, ou seja, d=2u. A Força Elétrica exercida sobre essa cargas é igual a F/4, pois são 2u ao quadrado. E assim por diante.

*u = qualquer unidade de medida.

Fonte de Tensão

A separação de cargas, citada a cima é o que ocorre nas pilhas convencionais, uma quantidade de cargas positivas (íons positivos) é estabelecida no terminal positivo da pilha, e uma quantidade de elétrons (carga negativa) é estabelecida no outro terminal.

Assim, "qualquer fonte de tensão é criada separando-se regiões de carga positiva e negativa"

Tensão Elétrica

É irrelevante falar da tensão estalecida para mover 1 único elétron, então sempre iremos falar da tensão necessária para mover um "pacote" de elétrons, chamado de Coulomb (C).

A energia necessária para mover as cargas de um ponto a outro são medidas em Joule (J), sendo assim: 

"Se 1 Joule (J) de energia for necessário para mover 1 Coulomb de carga entre os pontos A e B, então dizemos que existe uma diferença de 1 Volt entre os dois pontos." 

Traduzimos formalmente assim:

Onde:

V - Tensão (Volts)

W - Potência (Joules)

Q - Carga (Coulomb)

A unidade de medida de tensão, o Volt, é uma homenagem aos esforços de Alessandro Volta, que demonstrou pela primeira vez que uma tensão poderia ser estabelecida por ação química.

Lei de Coulomb

Histórico

A Lei de Coulomb é uma lei da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas.

Foi formulada em 1783 pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb. 

A Balança de Torção

No caso do experimento de Coulomb, a balança de torção consiste em um braço horizontal em perfeito equilíbrio, que está suspenso de um fio especial que é o que se vai retorcer por efeito das ações elétricas entre as cargas. Em um dos extremos da barra horizontal, está situada uma esfera B, e unido ao fio vai um disco D graduado, que gira ao mesmo tempo que o fio. 

Se carregamos de eletricidade à esfera B e depois colocamos em suas proximidades a outra esfera A, também carregada de eletricidade de mesma natureza, se produz a repulsão entre as cargas elétricas das ditas esferas. Como a esfera A está fixa, a B pode ser movida com grande facilidade, este giro se mede no disco D. Na realidade Coulomb media era o ângulo de giro ou torção, mas ele já sabia que esse ângulo é diretamente proporcional à força que produzia a torção do fio, isto é, a força elétrica entre as cargas.


Coulomb conseguiu demonstrar que a lei newtoniana da razão inversa dos quadrados rege também a atração e a repulsão das massas elétricas e magnéticas. A primeira lei numérica no vasto campo dos fenômenos elétricos estava descoberta.

Enunciado

O módulo da força entre duas cargas elétricas puntiformes (q1 e q2) é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos (módulos) das duas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre eles.

Esta força pode ser atrativa ou repulsiva dependendo do sinal das cargas. (Diferente por exemplo da força Gravitacional que é somente atrativa).
É atrativa se as cargas tiverem sinais opostos. É repulsiva se as cargas tiverem o mesmo sinal.

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Campo Elétrico

Definição

Campo elétrico é a região ao redor de uma carga (positiva ou negativa), na qual, ao se colocar um corpo eletrizado, este fica sujeito a uma força elétrica.

Campo Elétrico x Campo Gravitacional

Isso é análogo ao campo gravitacional. O fato de um corpo possuir massa  gera em torno de si um campo gravitacional que exerce um força atrativa gravitacional sobre outros corpos.

É importante perceber que um campo elétrico só pode ser detectado a partir da interação com uma carga de prova, se não existir interação com a carga significa que o campo não existe naquele local.

Bom gente isso é obvio, porque o campo também tem um alcance quando comparado com a carga, imagine um buraco negro que você possa ver, você estará seguro de não ser incorporado a este, se estiver a uma distancia x que a gravidade dessa singularidade não te atinja e a uma velocidade especifica. Da mesma forma um copo carregado só interage com um corpo que invade seu campo de atuação! 

Vetor Campo Elétrico

Quando o campo elétrico é criado em uma carga positiva ele, por convenção, terá um sentido de afastamento.

Quando o campo elétrico é criado em uma carga negativa ele, por convenção, terá um sentido de aproximação.

Ao mover uma carga elétrica de prova em um campo elétrico, ela ficará sujeita a diferentes intensidades de força elétrica. Em cada ponto do campo elétrico definimos um vetor campo elétrico (E). A intensidade desse campo é dada pela seguinte expressão:

Na expressão acima, (E) é o vetor campo elétrico e (F) é o vetor força elétrica sobre a carga de prova (q), no ponto considerado. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade para o campo elétrico é newton por coulomb (N/C). A partir da definição anterior, podemos escrever:

Características dos Vetores F e E

Se a carga elétrica é positiva (q > 0), F e E  têm o mesmo sentido

Se a carga elétrica é negativa (q < 0), F e E  têm sentidos opostos

Assista ao Aula pra entender melhor:

Processos de Eletrização

Introdução

Essencialmente, existem dois tipos de portadores de carga elétrica: prótons (+) e elétrons(-). Em condições de equilíbrio, qualquer material é eletricamente neutro, contendo igual número de prótons e elétrons. Um material é eletricamente positivo quando tem excesso de prótons, ou falta de elétrons. Da mesma forma, ele será negativamente carregado se tiver um excesso de elétrons.

No átomo em seu estado natural não existe uma predominância de carga elétrica, por que o número de prótons é igual ao número de elétrons, o que o torna neutro. No entanto, quando ele perde ou ganha elétrons dizemos que está eletrizado.

Processos de Eletrização

Um material pode ser eletrizado através de dois processos:

• Atrito
• Contato
• Indução

Eletrização por Atrito

Eletrização por atrito ocorre quando materiais não condutores são atritados uns contra outros. Nesse processo, um dos materiais perde elétrons e outro ganha, de modo que um tipo de material fica positivo e outro fica negativo.

Eletrização por Contato

Se dois corpos condutores, sendo pelo menos um deles eletrizado, são postos em contato, a carga elétrica tende a se estabilizar, sendo redistribuída entre os dois, fazendo com que ambos tenham a mesma carga, inclusive com mesmo sinal.

Eletrização por Indução

É quando a eletrização de um corpo inicialmente neutro (induzido) acontece por simples aproximação de um corpo carregado (indutor), sem que haja contato entre os corpos. O induzido deve estar ligado a Terra ou a um corpo maior que possa lhe fornecer elétrons ou que dele os receba num fluxo provocado pela presença do indutor.

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Carga Elétrica

Composição da Matéria

Toda matéria é composta em última instância por átomos, que são estruturas formadas por 3 partículas elementares, ou seja que não podem ser divididas. São elas o Próton, o Nêutron e o Elétron. Mas isso levando em consideração o modelo atômico de Niels Bohr! Sim, pois a física moderna já nos mostra que os prótons e nêutrons não são partículas elementares, mas podem ser divididas em pequenas partículas chamadas quarks.

Assim um Próton é composto por 2 quarks UP e 1 quark DOWN e o Nêutron é composto por 2 quark DOWN e 1 quark UP. 

Definição

Deixando a mecânica quântica um pouco de lado, a Carga Elétrica é uma propriedade física intrínseca da matéria e fundamental que determina as interações eletromagnéticas.

Histórico

O estudo sistemático da eletricidade tem seu início no século XVII com os trabalhos de estudiosos da natureza como :

• Otto de Guericke (1602-1686), 
• Francis Hauksbee (1660-1713), 
• Stephen Gray (1666-1736), 
• Charles Fran¸cois de Cisternay Du Fay (1698-1739), 
• Benjamin Franklin (1706-1790), entre outros.

Na década de trinta do século XVIII, Charles Du Fay realizou vários experimentos sobre eletrostática e enunciou dois princípios gerais que, segundo ele, regiam os fenômenos elétricos. 

Sendo assim, em seus experimentos de processos de eletrização ele detectou a existência de dois tipos de cargas elétricas, as quais denominou de "vítrea" e "resinosa", pois notara que um bastão de vidro atritado com seda adquiria carga elétrica diferente da carga elétrica adquirida por um bastão de resina atritado com lã.

Mais tarde, Benjamin Franklin foi o primeiro a utilizar as palavras carga "positiva" para a carga "vítrea" e carga "negativa" para carga resinosa.

Charles Du Fay em seus estudos descobriu a dupla natureza da carga elétrica:

“Cargas elétricas de mesmo nome (sinal) se repelem e de nomes contrários se atraem"

Quantização da Carga Elétrica

Nas colisões entre partículas a altas energias são produzidas muitas outras novas partículas, diferentes dos elétrons, prótons e nêutrons. Todas as partículas observadas têm sempre uma carga que é um múltiplo inteiro da carga elementar {\displaystyle e=1.602\times 10^{-19}C} Assim, a carga de qualquer objeto é sempre um múltiplo inteiro da carga elementar. Que vale:

Nas experiências de eletrostática, as cargas produzidas são normalmente equivalentes a um número muito elevado de cargas elementares. Por tanto, nesse caso é uma boa aproximação admitir que a carga varia continuamente e não de forma discreta.

Conservação da Carga Elétrica

Em qualquer processo, a carga total inicial é igual à carga final. No caso dos fenômenos em que existe transferência de elétrons entre os átomos, isso é claro que tenha que ser assim. No caso da criação de novas partículas não teria que ser assim, mas de fato em todos os processos observados nos raios cósmicos, e nos aceleradores de partículas, existe sempre conservação da carga; se uma nova partícula for criada, com carga negativa, será criada uma outra partícula com carga positiva.

Assista ao vídeo e compreenda melhor: