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Eletrodinâmica

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Eletrodinâmica é o estudo dos fenômenos associados com corpos carregados em movimento e diferentes campos elétricos e magnéticos.

Uma carga em movimento produz um campo magnético, campo eletrodinâmica, está preocupada com os efeitos, tais como magnetismo a radiação eletromagnética.

Eletromagnético de indução

Incluindo as aplicações práticas como o gerador elétrico e o motor elétrico.

Esta área de eletrodinâmica, muitas vezes conhecido como eletrodinâmica clássica, foi pela primeira vez sistematicamente explicado pelo físico James Clerk Maxwell.

As equações de Maxwell, um conjunto de equações diferenciais, descrever os fenômenos desta área com grande generalidade.

Um desenvolvimento mais recente é a eletrodinâmica quântica, a qual foi formulada para explicar a interação da radiação eletromagnética com a matéria, para que as leis da teoria quântica aplicar.

Os físicos PAM Dirac, W. Heisenberg, e W. Pauli foram os pioneiros na formulação da eletrodinâmica quântica.

Quando as velocidades das partículas carregadas em consideração tornam-se comparáveis com a velocidade da luz, as correções que envolvem a teoria de relatividade deve ser feita, o ramo da teoria é chamada eletrodinâmica relativista. Ela é aplicada a fenômenos envolvidos com aceleradores de partículas e com tubos de elétrons que estão sujeitos a altas tensões e correntes carregam pesadas.

Eletrodinâmica é o estudo das relações entre os fenômenos elétricos, magnéticos e mecânicos. Isso inclui considerações sobre os campos magnéticos produzidos por correntes, as forças eletromotrizes induzidas por campos magnéticos variáveis, as forças das correntes em campos magnéticos, a propagação de ondas eletromagnéticas, e do comportamento de partículas carregadas em campos elétricos e magnéticos.

Eletrodinâmica clássica ofertas com campos e partículas carregadas na forma primeiro sistematicamente descrito por JC Maxwell, enquanto eletrodinâmica quântica aplica os princípios da mecânica quântica aos fenômenos elétricos e magnéticos.

Eletrodinâmica Relativa está preocupada com o comportamento de partículas carregadas e campos, quando as velocidades das partículas que se aproxima da luz.

Eletrodinâmica cósmica se preocupa com fenômenos eletromagnéticos que ocorrem nos corpos celestes e no espaço.

Definição

Eletrodinâmica é o ramo da física preocupados com as interações entre as forças elétricas e mecânicas.

A eletrodinâmica é a parte da Física que estuda partículas elétricas em movimento, que, fluindo de maneira ordenada num condutor constituem uma corrente elétrica cuja descoberta provocou uma revolução tecnológica, com o advento da eletricidade.

Eletrodinâmica (Eletromagnetismo)

É o estudo das relações entre os fenômenos elétricos, magnéticos e mecânicos.

Fonte: encyclopedia2.thefreedictionary.com

Eletrodinâmica

A eletrodinâmica é a parte da eletricidade que estuda, analisa e observa o comportamento das cargas elétricas em movimento. À movimentação das cargas elétricas dá-se o nome de corrente elétrica, cujos exemplos existem em grande número, inclusive em nosso organismo, como as minúsculas correntes elétricas nervosas que propiciam a nossa atividade muscular.

Eletrodinâmica e Corrente Elétrica

Consideremos o fio metálico da figura. Sendo um elemento condutor, esse fio apresenta uma grande quantidade de elétrons livres, que se movimentam de maneira desordenada no seu interior.

Eletrodinâmica

Ao movimento ordenado dos elétrons portadores de carga elétrica, devido à ação de um campo elétrico, damos o nome de corrente elétrica.

Para estabelecer uma corrente elétrica num fio condutor usa-se um gerador, como, por exemplo, uma pilha ou uma bateria, que mantém, entre seus terminais, uma ddp constante.

A origem da palavra corrente está ligada a uma analogia que os primeiros físicos faziam entre a eletricidade e a água. Eles imaginavam que a eletricidade era como a água, isto é, um fluido que escoava como água corrente. Os fios seriam os encanamentos por onde passariam essa corrente de eletricidade.

Sentido da corrente elétrica

Nos condutores sólidos, o sentido da corrente elétrica é o sentido do movimento dos elétrons no seu interior. Esse é o sentido real da corrente elétrica.

No estudo da Eletricidade, entretanto, adota-se um sentido convencional, que é o do movimento das cargas positivas, e que corresponde ao sentido do campo elétrico Eletrodinâmica no interior do condutor. Em nosso estudo, adotaremos o sentido convencional.

Eletrodinâmica
Sentido real

Eletrodinâmica
Sentido convencional

Circuito Elétrico

Aplicação

A intensidade da corrente elétrica em um condutor metálico em função do tempo é fornecida pelo gráfico da figura.

Eletrodinâmica

Sendo a carga elementar e = 1,6 . 10-19C, determine:

a) a carga elétrica que atravessa uma seção do condutor em 8s

b) o número de elétrons que atravessa uma seção do condutor durante esse mesmo tempo.

Solução:

a) A área S da figura representa a quantidade de carga que percorre o condutor em 8s, logo:

Eletrodinâmica

b) Eletrodinâmicaelétrons.

ELEMENTOS DE UM CIRCUITO ELÉTRICO

De uma maneira geral, denomina-se circuito elétrico o conjunto de caminhos que permitem a passagem da corrente elétrica, no qual aparecem outros dispositivos elétricos ligados a um gerador.

Eletrodinâmica

RESISTÊNCIA ELÉTRICA – LEIS DE OHM

A resistência elétrica é uma grandeza característica do resistor e mede a dificuldade que os átomos oferecem à passagem da corrente elétrica.

Considere o resistor representado no trecho do circuito, onde se aplica uma ddp U e se estabelece uma corrente de intensidade i.

Eletrodinâmica

Define-se como resistência elétrica R do resistor, o quociente da ddp U aplicada pela corrente i que o atravessa.

Eletrodinâmica

Fonte: files.mecatronicafbe.webnode.com.br

Eletrodinâmica

Corrente Elétrica

Ao se estudarem situações onde as partículas eletricamente carregadas deixam de estar em equilíbrio eletrostático passamos à situação onde há deslocamento destas cargas para um determinada direção e em um sentido, este deslocamento é o que chamamos corrente elétrica.

Estas correntes elétricas são responsáveis pela eletricidade considerada utilizável por nós.

Normalmente utiliza-se a corrente causada pela movimentação de elétrons em um condutor, mas também é possível haver corrente de íons positivos e negativos (em soluções eletrolíticas ou gases ionizados).

A corrente elétrica é causada por uma diferença de potencial elétrico (d.d.p./ tensão). E ela é explicada pelo conceito de campo elétrico, ou seja, ao considerar uma carga A positiva e outra B, negativa, então há um campo orientado da carga A para B. Ao ligar-se um fio condutor entre as duas os elétrons livres tendem a se deslocar no sentido da carga positiva, devido ao fato de terem cargas negativas, lembrando que sinais opostos são atraídos.

Desta forma cria-se uma corrente elétrica no fio, com sentido oposto ao campo elétrico, e este é chamado sentido real da corrente elétrica. Embora seja convencionado que a corrente tenha o mesmo sentido do campo elétrico, o que não altera em nada seus efeitos (com exceção para o fenômeno chamado Efeito Hall), e este é chamado o sentido convencional da corrente.

Para calcular a intensidade da corrente elétrica (i) na seção transversal de um condutor se considera o módulo da carga que passa por ele em um intervalo de tempo, ou seja:

Eletrodinâmica

Considerando |Q|=n e

A unidade adotada para a intensidade da corrente no SI é o ampère (A), em homenagem ao físico francês Andre Marie Ampère, e designa coulomb por segundo (C/s).

Sendo alguns de seus múltiplos:

Nome

Símbolo

Valor emA

Ampère

A

1

Deciarnpère dA

10-1

Centiampère cA 10-2
Miliampère mA 10-3
Microampèe µA 10-6
Nanoampère nA 10-9
Picoampêre pA 10-12

 

Continuidade da corrente elétrica

Para condutores sem dissipação, a intensidade da corrente elétrica é sempre igual, independente de sua seção transversal, esta propriedade é chamada continuidade da corrente elétrica.

Isto implica que se houver “opções de caminho” em um condutor, como por exemplo, uma bifurcação do fio, a corrente anterior a ela será igual à soma das correntes em cada parte desta bifurcação, ou seja:

Eletrodinâmica

Resistência Elétrica

Ao aplicar-se uma tensão U, em um condutor qualquer se estabelece nele uma corrente elétrica de intensidade i. Para a maior parte dos condutores estas duas grandezas são diretamente proporcionais, ou seja, conforme uma aumenta o mesmo ocorre à outra.

Desta forma:

Eletrodinâmica

A esta constante chama-se resistência elétrica do condutor (R), que depende de fatores como a natureza do material.

Quando esta proporcionalidade é mantida de forma linear, chamamos o condutor de ôhmico, tendo seu valor dado por:

Eletrodinâmica

Sendo R constante, conforme enuncia a 1ª Lei de Ohm: Para condutores ôhmicos a intensidade da corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão (ddp) aplicada em seus terminais.

A resistência elétrica também pode ser caracterizada como a “dificuldade” encontrada para que haja passagem de corrente elétrica por um condutor submetido a uma determinada tensão. No SI a unidade adotada para esta grandeza é o ohm (O), em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm.

Pode-se também definir uma grandeza chamada Condutância elétrica (G), como a facilidade que uma corrente tem em passar por um condutor submetido à determinada tensão, ou seja, este é igual ao inverso da resistência:

Eletrodinâmica

E sua unidade, adotada pelo SI é o siemens (S), onde:

Eletrodinâmica

Geradores de corrente elétrica

A corrente sempre existe enquanto há diferença de potencial entre dois corpos ligados, por um condutor, por exemplo, mas esta tem pequena duração quando estes corpos são eletrizados pelos métodos vistos em eletrostática, pois entram rapidamente em equilíbrio.

A forma encontrada para que haja uma diferença de potencial mais duradoura é a criação de geradores elétricos, que são construídos de modo que haja tensão por um intervalo maior de tempo.

Existem diversos tipos de geradores elétricos, que são caracterizados por seu princípio de funcionamento, alguns deles são:

Geradores luminosos

São sistemas de geração de energia construídos de modo a transformar energia luminosa em energia elétrica, como por exemplo, as placas solares feitas de um composto de silício que converte a energia luminosa do sol em energia elétrica.

Geradores mecânicos

São os geradores mais comuns e com maior capacidade de criação de energia. Transformam energia mecânica em energia elétrica, principalmente através de magnetismo. É o caso dos geradores encontrados em usinas hidroelétricas, termoelétricas e termonucleares.

Geradores químicos

São construídos de forma capaz de converter energia potencial química em energia elétrica (contínua apenas). Este tipo de gerador é muito encontrado como baterias e pilhas.

Geradores térmicos

São aqueles capazes de converter energia térmica em energia elétrica, diretamente.

Quando associados dois, ou mais geradores como pilhas, por exemplo, a tensão e a corrente se comportam da mesma forma como nas associações de resistores, ou seja:

Associação em série: corrente nominal e tensão é somada.

Associação em paralelo: corrente é somada e tensão nominal.

Corrente contínua e alternada

Se considerarmos um gráfico i x t (intensidade de corrente elétrica por tempo), podemos classificar a corrente conforme a curva encontrada, ou seja:

Corrente contínua

Uma corrente é considerada contínua quando não altera seu sentido, ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa.

A maior parte dos circuitos eletrônicos trabalha com corrente contínua, embora nem todas tenham o mesmo “rendimento”, quanto à sua curva no gráfico i x t, a corrente contínua pode ser classificada por:

Corrente contínua constante

Eletrodinâmica

Diz-se que uma corrente contínua é constante, se seu gráfico for dado por um segmento de reta constante, ou seja, não variável. Este tipo de corrente é comumente encontrado em pilhas e baterias.

Corrente contínua pulsante

Eletrodinâmica

Embora não altere seu sentido as correntes contínuas pulsantes passam periodicamente por variações, não sendo necessariamente constantes entre duas medidas em diferentes intervalos de tempo.

A ilustração do gráfico acima é um exemplo de corrente contínua constante.

Esta forma de corrente é geralmente encontrada em circuitos retificadores de corrente alternada.

Corrente alternada

Eletrodinâmica

Dependendo da forma como é gerada a corrente, esta é invertida periodicamente, ou seja, ora é positiva e ora é negativa, fazendo com que os elétrons executem um movimento de vai-e-vem.

Este tipo de corrente é o que encontramos quando medimos a corrente encontrada na rede elétrica residencial, ou seja, a corrente medida nas tomada de nossa casa.

Resistores

São peças utilizadas em circuitos elétricos que tem como principal função converter energia elétrica em energia térmica, ou seja, são usados como aquecedores ou como dissipadores de eletricidade.

Alguns exemplos de resistores utilizados no nosso cotidiano são: o filamento de uma lâmpada incandescente, o aquecedor de um chuveiro elétrico, os filamentos que são aquecidos em uma estufa, entre outros.

Em circuitos elétricos teóricos costuma-se considerar toda a resistência encontrada proveniente de resistores, ou seja, são consideradas as ligações entre eles como condutores ideais (que não apresentam resistência), e utilizam-se as representações:

Eletrodinâmica

Associação de Resistores

Em um circuito é possível organizar conjuntos de resistores interligados, chamada associação de resistores.

O comportamento desta associação varia conforme a ligação entre os resistores, sendo seus possíveis tipos: em série, em paralelo e mista.

Associação em Série

Associar resistores em série significa ligá-los em um único trajeto, ou seja:

Eletrodinâmica

Como existe apenas um caminho para a passagem da corrente elétrica esta é mantida por toda a extensão do circuito.

Já a diferença de potencial entre cada resistor irá variar conforme a resistência deste, para que seja obedecida a 1ª Lei de Ohm, assim:

Eletrodinâmica

Esta relação também pode ser obtida pela análise do circuito:

Eletrodinâmica

Sendo assim a diferença de potencial entre os pontos inicial e final do circuito é igual à:

Eletrodinâmica

Analisando esta expressão, já que a tensão total e a intensidade da corrente são mantidas, é possível concluir que a resistência total é:

Eletrodinâmica

Ou seja, um modo de se resumir e lembrar-se das propriedades de um circuito em série é:

Tensão (ddp) (U) se divide
Intensidade da corrente (i) se conserva
Resistência total (R) soma algébrica das resistência em cada resistor.

Associação em Paralelo:

Ligar um resistor em paralelo significa basicamente dividir a mesma fonte de corrente, de modo que a ddp em cada ponto seja conservada.

Ou seja:

Eletrodinâmica

Usualmente as ligações em paralelo são representadas por:

Eletrodinâmica

Como mostra a figura, a intensidade total de corrente do circuito é igual à soma das intensidades medidas sobre cada resistor, ou seja:

Eletrodinâmica

Pela 1ª lei de ohm:

Eletrodinâmica

E por esta expressão, já que a intensidade da corrente e a tensão são mantidas, podemos concluir que a resistência total em um circuito em paralelo é dada por:

Eletrodinâmica

Associação Mista:

Uma associação mista consiste em uma combinação, em um mesmo circuito, de associações em série e em paralelo, como por exemplo:

Eletrodinâmica

Em cada parte do circuito, a tensão (U) e intensidade da corrente serão calculadas com base no que se conhece sobre circuitos série e paralelos, e para facilitar estes cálculos pode-se reduzir ou redesenhar os circuitos, utilizando resistores resultantes para cada parte, ou seja:

Sendo:

Eletrodinâmica

Eletrodinâmica

Efeito Joule

A corrente elétrica é resultado de movimentação de ânions, cátions ou elétrons livres, como já vimos. Ao existir corrente elétrica as partículas que estão em movimento acabam colidindo com as outras partes do condutor que se encontra em repouso, causando uma excitação que por sua vez irá gerar um efeito de aquecimento. A este efeito dá-se o nome efeito Joule.

O aquecimento no fio pode ser medido pela lei de joule, que é matematicamente expressa por:

Eletrodinâmica

Esta relação é valida desde que a intensidade da corrente seja constante durante o intervalo de tempo de ocorrência.

Fonte: www.sofisica.com.br

Eletrodinâmica

Potencial elétrico e eletrodinâmica: O movimento da carga elétrica

Podemos entender mais facilmente a ideia de como o potencial elétrico se transforma em energia elétrica a partir de um exemplo que utiliza os similares mecânicos dessas grandezas.

Nas usinas hidrelétricas, as águas do lago, enquanto em repouso, possuem energia potencial gravitacional, que é diretamente proporcional às massas disponíveis. Quando escoadas através do vertedouro, essa energia potencial se transforma em energia cinética, que pode ser transferida para as turbinas na forma de energia mecânica.

De modo semelhante, o potencial elétrico de um ponto está associado às interações capazes de colocar uma carga elétrica em movimento, que é o que mais nos interessa quanto a esta propriedade.

Para medir o potencial elétrico

O potencial elétrico de um ponto é medido a partir da quantidade de energia potencial adquirida por uma carga elétrica de prova, colocada sob a ação do campo elétrico testado.

O resultado, medido em Volts [V], é definido pela equação:

Eletrodinâmica

Onde:

V = potencial elétrico (V)

Ep = Energia potencial (J)

q = carga de prova (C).

 

Movimento das cargas elétricas

Prosseguindo na analogia entre grandezas elétricas e mecânicas, sabemos que as águas do lago fluem espontaneamente de um ponto mais alto para outro mais baixo, ou seja, de um ponto de maior potencial gravitacional para outro de menor, transformando energia potencial em cinética nesse processo.

Da mesma forma as cargas elétricas também fluirão espontaneamente de um ponto de maior potencial elétrico para outro de menor potencial elétrico.

O movimento das cargas elétricas ocorre quando existe uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos, seguindo as cargas do ponto de maior para o de menor potencial. Esta diferença de potencial elétrico é o que cotidianamente chamamos de voltagem, por ela ser medida em Volts.

Corrente elétrica

Quando esta diferença de potencial é aplicada sobre um fio condutor metálico, os elétrons livres que se movem de modo caótico entre as moléculas do metal passam a se mover de modo ordenado, rumo ao ponto de menor potencial elétrico. Esta movimentação ordenada de cargas elétricas ao longo de um condutor é o que chamamos de corrente elétrica.

A corrente elétrica é medida em ampères [A], sendo que um ampère representa um fluxo de cargas de 1 coulomb por segundo ao longo do condutor.

A corrente elétrica é um deslocamento orientado de elétrons por um condutor. Esse deslocamento nunca será totalmente livre, uma vez que as características físicas dos condutores definirão uma propriedade conhecida como resistência elétrica, cuja unidade de medida é o ohm, frequentemente representado pela letra grega ômega [Eletrodinâmica].

Material e geometria

A resistência elétrica é definida pelo material de que o condutor é feito e pela geometria do condutor, sendo tanto menor quanto maior a área da seção transversal e tanto maior quanto maior o comprimento do condutor.

Mais uma vez podemos recorrer à comparação com um fluxo de água, cuja resistência ao passar por um tubo diminuirá à medida que o diâmetro do tubo aumentar.

As três grandezas que vimos até aqui – diferença de potencial elétrico, corrente elétrica e resistência elétrica – definem uma das equações fundamentais da eletricidade, a lei de Ohm, descrita pelo enunciado abaixo:

Eletrodinâmica

Onde:

U = Diferença de potencial elétrico (medido em Volts [V])

R = Resistência elétrica do condutor (medida Ohms [Eletrodinâmica]

I = Corrente Elétrica (medida em Ampéres [A]).

A diferença de potencial, chamada de tensão ou voltagem, pode ser representada também pela letra V.

Circuito simples

A figura abaixo mostra um circuito elétrico simples, em que uma corrente elétrica I, produzida por uma diferença de potencial V, circula por um condutor e passa pela resistência R.

Eletrodinâmica

O coração do circuito elétrico é o gerador. Geradores fornecem a força eletromotriz que coloca os elétrons em movimento orientado, formando a corrente elétrica.

Como vimos anteriormente, essa força eletromotriz se manifesta na forma de uma diferença de potencial, que fará com que a corrente se desloque do ponto de maior para o de menor potencial elétrico.

Eletromagnetismo

Os geradores são aplicações práticas dos princípios do eletromagnetismo. Basicamente, um gerador elétrico é constituído de um enrolamento de fio condutor e de um imã.

A diferença de potencial é gerada pelo movimentação dos pólos norte e sul do campo magnético em relação ao enrolamento, conforme a figura que segue:

Eletrodinâmica

Estruturalmente, não existe diferença entre motores e geradores elétricos. Podemos dizer que um gerador elétrico é um motor elétrico invertido e vice-versa.

No gerador, fornecemos movimento às partes móveis para que a rotação do enrolamento elétrico entre os pólos magnéticos produza uma diferença de potencial e uma corrente elétrica.

No motor elétrico, formado pelos mesmos componentes, fornecemos uma diferença de potencial e uma corrente, obtendo como resultado o movimento fornecido pelo motor.

Carlos Roberto de Lana

Fonte: educacao.uol.com.br

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