Nossas casas estão cheias de dispositivos que utilizam eletricidade. Televisão, máquina de lavar roupa, lâmpadas, ferro elétrico, carregador de celular são alguns poucos exemplos dos vários que poderiam ser citados. E, apesar de realizarem atividades muito diferentes, todos eles têm alguns pontos em comum, que podem ser observados nas especificações técnicas. Para começar, todos os aparelhos operam com certa frequência, que se refere à frequência de oscilação da rede elétrica (uma forma interessante de se medir tal frequência pode ser encontrada aqui). Todos devem ser ligados a certa voltagem, e as tomadas podem ser de 127 volts ou 220 volts. Além disso, as saídas de carregadores de celular também têm uma especificação, muito menor, algo em torno de 2 volts. Todos eles informam a potência utilizada, em torno de 60 watts para lâmpadas, e chegando a 10.000 watts em alguns chuveiros elétricos.
Alguns equipamentos, em particular os que consomem mais energia, como máquinas de lavar, requerem uma tomada que suporte uma corrente elétrica de 20 ampères. E os disjuntores da caixa de luz estão lá para cortar correntes elétricas acima de certo valor, normalmente de 30 ampères. Caixas de som vêm com sua impedância discriminada, normalmente algo em torno de alguns ohms. E no final do mês você paga os quilowatts-hora consumidos. Convém, então, fazer uma breve descrição dessas grandezas eletromagnéticas.
Voltagem: Raramente mencionamos a força elétrica quando utilizamos equipamentos eletrônicos. Em vez disso, falamos de voltagem, ou diferença de potencial, um conceito fortemente relacionado à força elétrica, porém mais prático para algumas aplicações. Por exemplo, um excelente condutor, como os fios de cobre presentes na fiação elétrica de uma casa, define um único potencial. O fio correspondente à fase está em um potencial, e o fio neutro está em outro potencial elétrico. A diferença entre estes dois valores é a diferença de potencial ou voltagem entre os dois fios. É medida em newtons x metros, ou volts.
Corrente elétrica: é o fluxo de cargas elétricas, ou seja, quantas cargas elétricas passam por unidade de tempo em, por exemplo, um fio. Mantém todas as analogias possíveis com o fluxo de carros em uma avenida. Um fio mais grosso suporta uma corrente maior (uma estrada mais larga suporta um fluxo de carros maior), uma maior voltagem pode gerar uma maior corrente (esta analogia já não é tão exata, mas podemos dizer que um maior limite de velocidade gera um maior fluxo de carros). É dada em coulombs por segundo, ou simplesmente, ampères.
Resistência ou Impedância: Resistência e Impedância são conceitos distintos, mas com algumas semelhanças. Ambos medem qual a capacidade de um circuito elétrico de passar corrente, dada uma voltagem. A impedância leva em conta complicações que não abordaremos neste curso, como diferenças de fase, indução, e capacitância, mas tem a mesma dimensão de resistência, o ohm. Um ótimo texto salientando a analogia entre corrente elétrica e resistência com fluxo mecânico pode ser encontrada aqui.
Potência elétrica: Mede o consumo de energia elétrica, ou seja, quanta energia, por tempo, determinado aparelho consome (curiosidade: potência e poder têm a mesma tradução para o inglês, power. Isso gera algumas piadas que fazem todo sentido em inglês, mas que não podem ser traduzidas).
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Sabemos que uma diferença de potencial gera uma corrente, e para entender este fato podemos fazer uma analogia. Em princípio, como dissemos antes, a uma diferença de potencial está associada uma força elétrica. E uma força, segundo aprendemos com Newton, gera uma aceleração. Porém, também sabemos que forças resistivas fazem com que uma hora a aceleração cesse, e uma velocidade constante é atingida. É o que acontece com paraquedistas em queda livre, que desenvolvem uma velocidade constante depois de um tempo de queda, ou ao soltarmos uma pedra em uma piscina. Ou seja, força constante + forças resistivas levam a uma velocidade constante. Que velocidade é esta depende de uma infinidade de detalhes, como a forma do objeto sendo acelerado ou a viscosidade do meio, mas podemos colocar toda esta ignorância em uma constante, denominada [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?R[/tex], e escrever:
onde F é a força gravitacional e v é a velocidade.
Pois bem, com corrente elétrica algo similar ocorre. A força elétrica associada à diferença de potencial acelera os elétrons, mas esses elétrons sofrem múltiplas colisões com os átomos do material, o que faz com que uma velocidade média seja atingida. Podemos então escrever uma fórmula análoga, relacionando diferença de potencial com corrente elétrica:
onde U é a diferença de potencial, R é a resistência do material, e I é a corrente desenvolvida. Novamente, encontrar uma expressão para R em termos microscópicos não é tarefa trivial, mas sabemos que a expressão acima deve funcionar muito bem na maioria dos casos. Esta é a chamada Lei de Ohm.
Um fato interessante é que a velocidade média dos elétrons em um circuito comum, domiciliar, não é muito grande (ver por exemplo a questão 11 da prova de Física do vestibular da Unicamp de 2009/2010), sendo da ordem de milímetros por segundo. Por que, então, ao ligarmos um interruptor temos a impressão de que a luz se acende “instantaneamente”?
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Seguindo em nossa analogia com paraquedistas, podemos investigar para onde está indo a energia gravitacionial de sua queda. Bem, uma vez que as forças de resistência do ar estão freiando o paraquedista, podemos calcular a taxa em que ele deixa de ganhar energia. Lembremos que a energia potencial gravitacional é dada por [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?mgh[/tex], portanto, se em um intervalo de tempo [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?\Delta t[/tex] o nosso paraquedista cai uma distância [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?\Delta h[/tex], podemos calcular a potência dissipada (energia por unidade de tempo) da seguinte forma:
E para onde vai esta energia dissipada? Como toda energia dissipada, vira agitação das moléculas do ar e do paraquedista, ou seja, um aumento de temperatura. É claro que paraquedista não tem de se preocupar com seu aumento de temperatura, mas é fácil encontrar exemplos onde este aumento é relevante (lembram-se do problema ocasionado, quando o isolamento térmico de um ônibus espacial foi comprometido?)
Podemos utilizar novamente esta fórmula como uma base para escrevermos uma fórmula similar, para a dissipação de energia em forma de calor ocorrendo em circuitos elétricos:
O calor produzido neste processo é quase sempre muito elevado, e é utilizado em uma grande quantidade de circuitos domésticos, que serão abordados em seguida.
Em aplicações em circuitos domésticos, às vezes, é conveniente combinar a fórmula acima com a Lei de Ohm, e escrever:
Desta última relação, podemos ver como a potência varia com a resistência. Se quisermos um chuveiro que esquente mais a água, necessitamos de uma potência maior, e portanto uma resistência menor. No limite, quando a resistência vai a zero, ocorre o curto-circuito.
Um extenso material sobre o assunto pode ser encontrado no Portal do Professor.
