Módulo 2 - Curso de eletrônica. Circuitos, corrente elétrica e lei de Ohm. (Parte 1)
Copyright (C) 2008, Edelmar Schneider.
Versão 0.1
Este curso de eletrônica é gratuito e oferecido sem quaisquer garantias. Ele pode ser visto no meu blog http://ocientistadiario.blogspot.com/ e pode ser impresso para uso pessoal. Não pode ser copiado ou usado para qualquer fim comercial sem a autorização do autor.
Nesta primeira versão do curso eu não pretendo entrar em detalhes sobre o histórico do desenvolvimento da ciência elétrica e tão pouco forçar o leitor a estudar conceitos e fórmulas que considero mais complicadoras do que elucidativas. Desta forma apresento aqui conceitos e fórmulas essenciais para o entendimento do assunto. O leitor que fizer questão de uma abordagem mais profunda procure num bom livro de física de segundo grau para começar e em livros de física de ensino superior para um tratamento mais refinado.
No último módulo vimos o exemplo das duas esferas em um espaço vazio. Agora vamos no apropriar daquele modelo e fazer pequenas modificações. Vamos esquecer que existe a força da gravidade de modo que as esferas não vão mais se atrair devido à força gravitacional. Em vez disso vamos usar agora a força elétrica.
Vamos nomear a esfera da direita como ED e a da esquerda como EE. Imagine ser possível ir adicionando elétrons em ED. Lembre-se que eles podem se difundir pelo metal. Vamos transferir um número muito grande de elétrons. Um total de 6,241 509 629 152 65×1018 elétrons. Este número está em notação científica. Se você não entende notação cientifica e tão pouco o SI (Sistema Internacional de Unidades) é conveniente pesquisar e entender antes de prosseguir. Na Internet existem ótimos textos sobre o assunto de modo que é desnecessário repetir aqui. Para começar a entender o SI eu sugiro este artigo na Wikipédia e para notação científica este aqui. Não continue o curso antes de entender o fundamental sobre os dois assuntos.
Prosseguindo com o curso. Adicionamos em ED 6,2×1018 elétrons de modo que esta esfera terra toda esta quantidade de elétrons a mais que a outra esfera EE. Eu não escolhi este número por acaso. Este número foi escolhido por que esta quantidade foi definida para representar uma quantidade de carga elétrica que é igual a 1 C ou 1 Coulomb. Este número veio dos primeiro experimentos com eletricidade e representa uma quantidade de energia significativamente grande.
O importante aqui é observar que temos um desbalanço de carga. A esfera ED está com mais elétrons que EE. Ao mesmo tempo lembre-se que cargas iguais se repelem, de forma que os elétrons presentes na primeira esfera tenderiam a se deslocar para outro lugar com menos elétrons. Porém no momento eles não podem fazer isto, pois não ligamos as duas esferas por um fio condutor. Tão pouco vamos deixar que elas se aproximem a ponto de entrar em contato uma com a outra.
Neste ponto temos margem para explicar outro fenômeno. O Surgimento da Voltagem. A Voltagem é uma medida de energia potencial. Ou seja, algo que pode realizar um trabalho. Por exemplo, uma dinamite é algo com uma energia potencial muito grande. Alguém pode acender o pavio e a dinamite vai liberar sua energia química, transformando sua até então energia potencial em trabalho.
Quando falamos de voltagem sempre temos que ter como referência dois pontos. Então a voltagem é medida em ED em relação à EE. A voltagem é a diferença entre o potencial elétrico entre dos pontos. Pode ser chamada também de tensão ou ddp.
Vamos agora calcular a ddp entre este dois pontos. Para isto se usa uma fórmula (2-1) que é muito simples Como eu falei anteriormente não vamos entrar em detalhes sobre como chegar a esta fórmula neste nível do curso, pois isto só acrescentaria duzentas páginas que por enquanto são desnecessárias.
(2-1)
Onde:
- V é o ddp. O valor que estamos querendo saber.
- k é uma constante que vale 9×109
- Q é a quantidade de carga elétrica. Neste exemplo vale 1 C
- r é a distância entre as duas esferas.
Como dito, a carga de 1 C é um valor muito grande. Por isto vamos resolver a fórmula (2-1) considerando as esferas estando a uma distância de um milhão de quilômetros uma da outra. 9000 V = (9×109 × 1 C) / (1.000.000 m).
Veja que mesmo assim ainda temos uma diferença de potencial de nove mil volts.
Por este motivo é comum trabalhar com partes do Coulomb. Mili(m), Micro(µ), Nano(n), conforme deve ter sido visto no site sobre SI.
Apenas para deixar claro, este exemplo foi bastante simplificado para tentar apenas ajudar a criar no leitor uma idéia intuitiva sobre como surge a Voltagem e sobre o que é carga elétrica. A rigor não se pode usar a fórmula (2-1) da maneira que foi usada. Mas não se preocupe, o rigor matemático não vai fazer tanta num primeiro momento do curso e na verdade só atrapalharia. Mais à frente o leitor terá a oportunidade de rever a matéria com o rigor necessário.
Dando continuidade ao curso vamos estudar mais dois aspectos. A corrente elétrica que é a passagem dos elétrons de um ponto a outro. E a resistência que os materiais oferecem a passagem destes elétrons. Com isto vamos fechar os conceitos básicos e mais fundamentais de eletricidade.
Imagine-se ligando as duas esferas por meio de um cabo de cobre. Será certamente um cabo muito longo. Um milhão de metros, ou 1000 km para os mais íntimos. A tendência é ocorrer um forte deslocamento dos elétrons da esfera ED para a esfera EE que é relativamente carente em elétrons. Este fluxo de elétrons é a corrente elétrica. Que é medida em Ampere, abreviado por amp e simbolizado por A. Pela definição padrão, um ampere é a quantidade de carga corresponde a um Coulomb por segundo. Assim se todos aqueles 6,2×1018 elétrons passarem de uma vez de uma esfera para outra em um segundo podemos dizer que a corrente que passou é de 1 A(um ampere). Se a corrente passar em apenas meio segundo teremos então uma corrente de 2 A visto que 1 / 0,5 = 2. Se a corrente passar em 2 segundos então teremos 1/2 = 0,5 A. Perceba que não importa apenas quantos elétrons passam, mas sim quantos em um segundo.
Neste momento o leitor deve estar começando a questionar. Afinal, em quanto tempo os elétrons vão passar? Um segundo, ou um ano?
E assim surge a oportunidade de explicar outro conceito. A resistência elétrica. A resistência elétrica surge como uma medida da dificuldade que os elétrons tem para passar por um material. Esta resistência pode ser encarada como o atrito. Se o leitor tentar correr de bicicleta morro abaixo e a favor do vento, a resistência é menos que insignificante, é negativa até um certo ponto, pois o leitor não precisara fazer força nenhuma para correr. Mas se for o contrario, morro acima e contra o vento, a coisa muda de figura. A dificuldade é enorme. E aumenta conforme a temperatura e a distância. Assim é com os elétrons, quanto mais quente estiver um cabo e quanto mais distante ele for maior será a resistência e mais difícil vai ser percorrer o trajeto. E não bastando apenas isto, o próprio fluxo de elétrons pelo cabo tende a gerar calor.
Desta forma o que determina a quantidade de carga passando por um cabo está relacionado com a diferença de potencial elétrico entre os dois pontos e a resistência elétrica entre os mesmos. Se a resistência for muito alta. Não haverá corrente elétrica. É o caso de quando o cabo não está conectando as duas esferas. A resistência tende ao infinito.
A resistência elétrica é medida em Ohms é simbolizada pela letra grega Ω.
Como calcular a corrente elétrica? Para isto usamos a chamada lei de Ohm. Que é demonstrada em (2-2)
(2-2)
Onde:
- I é a corrente medida em ampere;
- V é a ddp;
- R é a resistência apresentada pelo cabo.
Como exemplo vamos calcular a corrente elétrica entre as duas esferas. Imaginemos que o cabo apresenta uma resistência de 9.000.000 Ω que pode ser representado melhor por 9 MΩ (megaohms). Lembre-se que existia um ddp de 9.000 v que pode ser representado melhor por (9 kv). Assim a corrente será:
Que pode ser representado melhor por 1 mA (miliampere).
A fórmula toda é melhor representada assim:
para resolver, substitua o símbolo de micro, quilo, mega, ou qualquer outro pelo valor correspondente conforme pode ser visto na tabela do SI.
Neste exemplo vimos que apesar de a esfera dispor de 1 C disponível, apenas 0,001 C passava por segundo. Ou seja, uma corrente de apenas 1 mA.
Considerações finais.
Na próxima parte vamos ver exemplos com circuitos reais. Portanto é importante ter entendido bem os conceitos apresentados nesta primeira parte. Lembre-se que é possível fazer operações algébricas com a fórmula de Ohm. Haverá momentos em que você saberá a corrente e a voltagem e não saberá a resistência. Para tanto devera utilizar a fórmula (2-2) para descobrir a resistência. De qualquer forma no a partir de agora veremos exemplos mais práticos e o leitor já será capaz de montar pequenos circuitos
