Como funciona a eletricidade?

Como funciona a eletricidade? Ela é o movimento de carga elétrica dentro de um circuito fechado. Quando esse movimento acontece de forma contínua, surge a corrente elétrica, que acende lâmpadas, move motores e carrega celulares.

Segundo a OpenStax, da Universidade Rice, a corrente é definida como a taxa com que a carga flui. Ou seja, quanta carga passa por um ponto em determinado tempo.

Explicado de forma simples

Pense em um circuito como um sistema de encanamento fechado. A bomba empurra a água, o cano leva a água até um ponto de consumo e depois ela retorna à bomba. Se o cano for cortado, a água para de circular.

Na eletricidade, a bomba é a fonte de tensão, o cano é o condutor, e o ponto de consumo é o aparelho. Sem um caminho fechado, a corrente não existe.

O que é a corrente elétrica

Segundo a OpenStax, a corrente elétrica é a taxa com que a carga flui e é medida em ampères. Um ampère equivale a um coulomb de carga passando por segundo.

Essa carga é transportada por partículas livres, como elétrons e íons. Por convenção, o sentido da corrente é o sentido em que a carga positiva se move, mesmo que, nos metais, sejam os elétrons, de carga negativa, que se deslocam no sentido oposto.

Quão rápido os elétrons se movem

Esse é um ponto que surpreende muita gente. Segundo a OpenStax, a velocidade média com que as cargas se deslocam em um condutor, chamada de velocidade de deriva, é bem pequena.

Segundo a OpenStax, os sinais elétricos viajam cerca de 1 trilhão de vezes (10 elevado a 12) mais rápido que a velocidade de deriva dos elétrons livres.

A tensão: o empurrão

Segundo a OpenStax, a tensão, ou diferença de potencial, é o que impulsiona a carga em um circuito. Ela é medida em volts. Uma bateria ou um gerador fornece essa tensão.

Quanto maior a tensão, maior tende a ser a corrente, desde que a resistência seja a mesma.

A resistência: o freio

A resistência é o que se opõe à passagem da corrente. Ela é medida em ohms, e a OpenStax explica que 1 ohm equivale a 1 volt por ampère.

Segundo a OpenStax, quando a corrente atravessa um resistor, surge uma queda de tensão igual a corrente multiplicada pela resistência. Essa relação é a lei de Ohm, que pode ser escrita como V = IR.

A lei de Ohm na prática

A lei de Ohm mostra que a corrente é proporcional à tensão e inversamente proporcional à resistência. Em um circuito simples, com uma única fonte de tensão e um único resistor, a corrente é dada por I = V/R.

Isso explica por que um aparelho com resistência menor puxa mais corrente da mesma tomada. A resistência define o quanto o circuito deixa a corrente passar.

Por que alguns materiais conduzem melhor

Segundo a OpenStax, os materiais se dividem em três grupos: condutores, semicondutores e isolantes. A diferença está na resistividade, que é uma propriedade do material e não depende só do formato do objeto.

Os condutores, como o cobre, deixam a corrente passar com facilidade. Os isolantes, como a borracha, a dificultam ao máximo. Os semicondutores ficam no meio-termo.

Segundo a OpenStax, a resistência também muda com a temperatura. Em variações pequenas de temperatura, a resistência de um objeto aumenta de forma aproximadamente linear.

Potência: a energia por segundo

Segundo a OpenStax, a potência elétrica é a taxa com que a energia é fornecida por uma fonte ou dissipada por um dispositivo. Ela é medida em watts e pode ser calculada de três formas: P = IV, P = V²/R e P = I²R.

Um aparelho de 100 watts, por exemplo, consome 100 joules de energia por segundo. A energia total depende da potência e do tempo de uso.

Corrente contínua e alternada

Segundo a OpenStax, a corrente contínua, ou CC, flui sempre em um único sentido, e a tensão da fonte é constante. Já a corrente alternada, ou CA, muda de sentido periodicamente.

Na corrente alternada, a tensão varia de forma senoidal, segundo a expressão V = V0 sen(2πft), em que f é a frequência em hertz. Segundo a OpenStax, o valor rms permite calcular a potência média em corrente alternada, com fórmulas análogas às dos circuitos de corrente contínua.

De onde vem a eletricidade que usamos

Segundo a EIA, o órgão de estatísticas de energia do governo dos Estados Unidos, a eletricidade é usada em iluminação, aquecimento, refrigeração e no funcionamento de aparelhos, computadores e máquinas. Em 2015, o consumo nos EUA chegou a cerca de 3,86 trilhões de quilowatts-hora.

A EIA também mostra como esse consumo se divide entre os setores. Em 2015, o setor residencial respondeu por 38%, o comercial por 36%, o industrial por 26%, e o transporte por cerca de 0,2%, principalmente pelo transporte público.

Ainda segundo a EIA, o ar-condicionado foi o maior uso de eletricidade nas residências em 2015, seguido pela refrigeração e pela iluminação.

Perigos da eletricidade

Segundo a OpenStax, há dois tipos de perigo elétrico: o térmico, causado por excesso de potência, e o de choque, causado pela corrente que atravessa uma pessoa. A gravidade do choque depende da corrente, do caminho que ela percorre no corpo, da duração e da frequência da corrente alternada.

Por isso, a segurança elétrica depende de limitar a corrente e de manter os condutores isolados.

Mitos sobre a eletricidade

“A eletricidade viaja na velocidade dos elétrons.” Mito. Segundo a OpenStax, os elétrons se movem devagar, enquanto o sinal elétrico se propaga muito mais rápido.

“Eletricidade é a mesma coisa que elétrons.” Mito parcial. Segundo a OpenStax, a corrente é o fluxo de cargas livres, como elétrons e íons. A eletricidade, porém, é o conjunto de efeitos da carga, como tensão, corrente e potência.

“Mais tensão sempre significa mais corrente.” Mito parcial. Só se a resistência for a mesma. A lei de Ohm mostra que a corrente depende da tensão e da resistência juntas.

Perguntas frequentes

Por que a corrente só flui em circuito fechado?

Porque a corrente é um fluxo contínuo de carga. Segundo a OpenStax, ela exige um caminho fechado que saia da fonte de tensão, passe pelo aparelho e volte à fonte.

Qual é a diferença entre corrente contínua e alternada?

Segundo a OpenStax, a corrente alternada muda de sentido periodicamente, enquanto a contínua mantém um único sentido. Os dois tipos são usados em aplicações diferentes.

Resumindo

• A eletricidade é o movimento de carga, e a corrente é a taxa com que essa carga flui em um circuito fechado.

• A tensão empurra a carga, e a resistência se opõe à corrente, conforme V = IR.

• O sinal elétrico se propaga muito mais rápido que os elétrons individuais, que se movem devagar.

• A potência, em watts, mostra quanta energia um aparelho consome por segundo.

• Nos Estados Unidos, os setores residencial e comercial concentram a maior parte do consumo, segundo dados de 2015 da EIA.

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Fontes

• OpenStax, Universidade Rice, College Physics for AP® Courses, Capítulo 20, Section Summary: https://openstax.org/books/college-physics-ap-courses/pages/20-section-summary

• U.S. Energy Information Administration (EIA), Electricity use: https://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=electricity_use