8º A - ELETRICIDADE
RESUMO
Os fenômenos elétricos são comuns em nosso dia a dia, por isso é importante entendê-los. Sem os conhecimentosque temos sobre eletricidade, não seria possível ter a maioria dos aparelhos – como rádio, televisão,geladeira, computador e telefone celular –, já que eles dependem da energia elétrica para funcionar.Todas essas tecnologias, quando bem empregadas, facilitam nosso cotidiano. Você já pensou como seriapassar uma semana sem geladeira ou sem telefone celular?
Cargas elétricas, condutores e maus condutores
Quando um material é friccionado com outro, como é o caso do balão de festa que foi atritado pela flanela, um deles (no caso, o balão) passa a ser portador de carga elétrica negativa e o outro (a flanela), de carga elétrica positiva. Isso acontece porque cargas elétricas de sinais diferentes (positivo e negativo) se atraem. Esse é um dos princípios da eletricidade: cargas elétricas de sinais contrários sofrem atração, uma vez que surge uma força de atração entre elas. Dizemos, então, que o balão de festa e a flanela ficaram eletrizados. Quando a eletrização ocorre por meio da fricção entre dois corpos, é chamada eletrização por atrito. Quando um corpo neutro apresenta desequilíbrio de cargas por influência de outro corpo, dizemos que ele foi eletrizado. Nesse caso, a reorganização das cargas elétricas de um corpo foi provocada pela proximidade de um corpo carregado, sem contato direto, fenômeno denominado indução eletrostática (ou eletrização por indução). Podemos verificar esse tipo de eletrização em outras situações cotidianas. Será que você já vivenciou a eletrização por contato? Quando o ar está seco e uma pessoa atrita a sola do sapato várias vezes sobre um tapete, seu corpo pode se eletrizar por atrito. Se ela tocar em outra pessoa ou em um objeto ligado ao solo, como uma maçaneta, pode levar um pequeno choque por causa da passagem da carga elétrica de um corpo a outro. Essa situação pode provocar apenas um pequeno susto nas pessoas. Mas a eletricidade estática pode causar problemas sérios.
Condutores e maus condutores
Você já observou que os cabos que conduzem corrente elétrica, como oscabos de equipamentos elétricos, são revestidos de plástico ou borracha?Outros materiais, em que as cargas elétricas podem se mover com bastantefacilidade, são chamados condutores elétricos, pois conduzem bem a corrente elétrica.É o caso da maioria dos metais. Por isso, como veremos adiante, os fios elétricos são feitos de metal, geralmente de cobre.Além dos metais,o corpo humano, o solo e o ar úmido, entre outros, são condutores de eletricidade. O planeta Terra é um bom doador e receptor de cargas elétricas negativas. Portanto, se uma das pontas de um fio condutor tocar um corpo eletrizado negativamente e a outra ponta do fio tocar o solo terrestre, o excesso de carga elétrica negativa do corpo será rapidamente transferido ao solo. E, se o corpo estiver eletrizado positivamente, ao estabelecer o contato com o solo terrestre por meio do fio condutor, as cargas elétricas negativas passarão da Terra para o corpo, deixando-o com carga elétrica nula.Em casos como esses, considera-se que foi feita uma ligação com a Terra, isto é, que o objeto está aterrado. Esta é uma propriedade importante do planeta Terra: por ter um volume muito maior comparado a qualquer objeto próximo, ele pode doar para outros corpos ou receber deles uma grande quantidade de cargas elétricas por meio de condutores elétricos. Quando um corpo é eletrizado por indução, suas cargas ficam separadas. Caso o lado oposto seja conectado à Terra, o corpo pode permanecer eletrizado.A ligação com a Terra é importante para evitar acidentes graves com corpos eletrizados. No abastecimento de aviões e no reabastecimento de postos de combustível por caminhões-tanque, é preciso aterrar o avião e o caminhão para evitar que eventuais acúmulos de carga produzidos pela eletrização por atrito produzam faíscas próximo aos combustíveis. Pelo mesmo motivo, chuveiros elétricos, máquinas de lavar, fornos de micro-ondas e outros equipamentos elétricos possuem um fio ligado à Terra ou uma tomada com três pinos, pois por meio do fio ou de um desses pinos se faz escoar para o solo o excesso de carga elétrica que poderia ficar acumulada em suas carcaças e provocar um choque em quem os utiliza.
Raios, relâmpagos e trovões
Durante uma tempestade, as gotas de água e as partículas de gelo das nuvens também podem ficar eletrizadas por atrito. Nessa situação, podem ocorrer descargas elétricas dentro de uma nuvem ou entre nuvens próximas, provocando relâmpagos.As descargas elétricas ocorrem também da nuvem para o solo ou do solo para a nuvem. Elas acontecem por causa da indução eletrostática: a nuvem carregada eletricamente faz a superfície da Terra abaixo dela ficar com carga elétrica oposta à sua. Com isso, pode haver uma súbita e rápida passagem de cargas elétricas da nuvem para o solo ou vice-versa. O movimento das cargas provoca um clarão e aquece o ar, que se expande, formando o que chamamos de raio. A expansão do ar se propaga na forma de uma onda sonora, produzindo um som forte, o trovão. Como a velocidade do som no ar (340 m/s) é bem menor que a velocidade da luz (300 mil km/s), sempre vemos o raio antes de ouvirmos o estrondo do trovão. Os raios das tempestades são capazes de provocar sérias queimaduras e até morte. Por isso, prédios e casas precisam ser equipados com para-raios, uma espécie de poste de metal ligado à Terra. As cargas elétricas tendem a se concentrar nas partes pontiagudas dos corpos. Em razão de sua forma pontiaguda e de sua localização nas partes altas dos edifícios e construções, os para-raios concentram muita carga elétrica por indução e têm mais chance de serem atingidos por raios do que as áreas que estão abaixo deles e ao seu redor, possibilitando a movimentação da carga elétrica com segurança até o solo.
Corrente elétrica
Considerando o que você aprendeu até agora sobre eletricidade, você sabe como um equipamento elétrico funciona quando está ligado a uma tomada ou como uma lâmpada acende quando acionamos o interruptor? Todos dependem de uma corrente elétrica para funcionar. Para entender o que acontece na corrente elétrica, vamos utilizar como modelo uma pilha conectada a uma lâmpada de lanterna.
A lâmpada acende porque uma corrente elétrica, ou seja, um movimento contínuo e ordenado de cargas elétricas negativas passa pelo fio, pela pilha, pelo interruptor e pela lâmpada. A corrente elétrica provoca o aquecimento do filamento de uma lâmpada incandescente, que passa a emitir luz. O conjunto formado pelo fio, pela pilha, pelo interruptor e pela lâmpada é chamado circuito elétrico. Nas casas, as lâmpadas acendem porque também há uma corrente elétrica passando pelos fios da instalação elétrica. Mas você sabe como uma corrente elétrica é formada?Uma pilha tem dois polos: o positivo (+) e o negativo (−). Quando um aparelho é ligado à pilha, a tensão elétrica (esse conceito será visto adiante) fornecida por ela impulsiona as partículas com carga elétrica do fio, organizando o movimento das cargas elétricas negativas. Esse movimento ordenado gera uma corrente elétrica. No caso de instalações elétricas residenciais, as tomadas oferecem a tensão elétrica que gera a corrente para determinado aparelho.Um interruptor, utilizado para ligar e desligar lâmpadas e outros aparelhos, fecha e abre um circuito e, com isso, permite ou interrompe o movimento ordenado de cargas elétricas.
As transformações químicas que ocorrem no interior da pilha fornecem a energia que mantém a corrente elétrica. Pilhas e baterias são chamadas de geradores, dispositivos que transformam outras formas de energia em energia elétrica. A corrente elétrica gerada por pilhas e baterias é chamada corrente contínua, porque o fluxo de cargas elétricas se dá em um único sentido. Nos aparelhos que funcionam com corrente contínua aparece a indicação CC ou DC. A corrente que usamos em nossa casa quando ligamos um aparelho que está conectado à tomada ou quando acendemos uma lâmpada é uma corrente alternada. Para gerar esse tipo de corrente, provoca-se uma inversão periódica no sentido das cargas elétricas para que elas oscilem rapidamente, de um lado para outro, no interior do material condutor que compõe os fios elétricos. Nos aparelhos que funcionam com corrente alternada é possível notar a indicação CA ou AC. A intensidade de uma corrente elétrica é a quantidade de carga elétrica que passa por uma seção transversal do condutor num intervalo de tempo. Ela é medida em ampère (A). A unidade de carga elétrica é o coulomb (C). O nome foi dado em homenagem ao físico francês Charles de Coulomb (1736-1806). O coulomb é uma unidade muito grande e, por isso, usamos submúltiplos, como o microcoulomb (mC), que corresponde a 10-6 C. O aparelho que mede a intensidade de uma corrente é chamado amperímetro. Pode ser usado também o multímetro, um aparelho medidor tanto de correntes e tensões como de resistências elétricas.
Diferença de potencial elétrico
As tomadas de sua residência são de 127 volts ou 220 volts? Talvez você conheça a resposta, mas será que sabe o que significa “volt”? Ou o que é voltagem? As cargas elétricas se deslocam por causa do que chamamos de diferença de potencial elétrico, ou, abreviadamente, DDP. Para compreender melhor esse fenômeno, podemos fazer uma comparação com o deslocamento da água. Na distribuição de água em um prédio, a água desce da caixa-d’água para os apartamentos pela ação da gravidade. De maneira simplificada, podemos dizer que, assim como a gravidade faz com que a água da caixa-d’água, que se encontra a uma altura mais elevada que os apartamentos, desça pelos canos, a diferença de potencial elétrico faz a corrente elétrica circular pelos fios de um circuito. Entre os polos positivo e negativo de uma pilha existe uma diferença de potencial elétrico que mantém a corrente elétrica quando esses polos são ligados por um fio. A pilha usa energia química para criar e manter essa diferença de potencial.
A diferença de potencial elétrico é chamada também de tensão elétrica. Popularmente, também é usado o termo “voltagem”. A tensão elétrica é representada pela letra U. Ela é medida em volts (V) por meio de aparelhos chamados voltímetros ou de um multímetro. Quando um aparelho é ligado à tomada, há uma força elétrica gerada pela tensão elétrica dela, e o trabalho realizado por essa força provoca o surgimento de uma corrente elétrica. Então, por que as aves que pousam sobre os fios elétricos não tomam choque? Para que o choque aconteça, é necessário que exista uma diferença de potencial entre dois pontos. Isso ocorre, por exemplo, quando uma pessoa encosta acidentalmente em um fio elétrico e está com os pés em contato com o solo. Mas, no caso das aves, a distância entre seus pés é pequena e, portanto, insuficiente para criar uma DDP. No Brasil, a tensão elétrica das tomadas nas residências varia entre 110 volts, 127 volts e 220 volts, dependendo da cidade. Nos aparelhos elétricos e nas lâmpadas é identificada a tensão ou a voltagem na qual eles devem ser ligados. Se o aparelho for ligado a uma tensão maior do que a indicada, ele pode ser danificado e parar de funcionar. Se for ligado a uma tensão menor, não funciona ou funciona mal. Vamos tomar como exemplo uma lâmpada com a especificação de 127 V. Se for ligada a uma tomada de 220 V, a corrente que circulará por ela será maior do que a máxima suportada e, provavelmente, a lâmpada vai queimar. Agora, se uma lâmpada com a especificação de 220 V for ligada a 127 V, será percorrida por uma corrente menor do que a dimensionada para o seu funcionamento e por essa razão vai emitir uma intensidade menor de luz. Em muitos aparelhos, a seleção de tensão é automática ou com uma chave que permite ajustá-los à voltagem disponível no local: são os aparelhos bivolts.
Resistência elétrica
Os metais são bons condutores de eletricidade, enquanto plásticos, madeira e outros materiais não são. O cobre, por exemplo, é considerado um bom condutor porque permite a movimentação das cargas elétricas com grande facilidade quando submetido a uma diferença de potencial elétrico. O grau de dificuldade que um material oferece à passagem da correnteelétrica é chamado resistência elétrica, que, além de variar com o tipo de material – a do cobre, por exemplo, é menor do que a do alumínio –, varia de acordo com o comprimento do fio condutor e sua espessura. Quanto maior o comprimento, maior a resistência elétrica; e quanto maior a espessura do fio, menor a resistência elétrica. A unidade de medida da resistência elétrica é o ohm, cujo símbolo é a letra grega ômega (𝛀). A relação entre a intensidade da corrente, a resistência e a diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um condutor pode ser representada pela expressão:
U = R . i
Essa expressão, conhecida como lei de Ohm, mostra que a intensidade da corrente (i) é diretamente proporcional à voltagem a ela aplicada (U) e inversamente proporcional à resistência elétrica (R), já que i =U/ ROu seja, quanto maior a resistência, menor a corrente elétrica, e vice-versa.
Chamamos de resistores os componentes que reduzem a intensidade da corrente elétrica. Eles são dispositivos que transformam a energia elétrica em energia térmica e são usados com duas finalidades: nos chuveiros ou ferros elétricos, por exemplo, os resistores são usados para que os equipamentos produzam calor, esquentando a água do banho ou o ferro de passar roupas. Essa transformação de energia elétrica em energia térmica é chamada de efeito Joule.
Em outros casos, os resistores são usados para diminuir a tensão e a corrente elétrica que poderiam danificar o circuito.Nesse caso, o calor gerado é dissipado rapidamente.
Associação em série e em paralelo
As duas pilhas estão ligadas entre si, com o polo negativo de uma conectado ao polo positivo da outra. A tensão de cada pilha é de 1,5 V, e a união das duas fornece uma tensão de 3,0 V. A associação em série de geradores, como a pilha, permite obter uma tensão maior, equivalente à soma das tensões de cada pilha. Essa ligação entre o polo positivo de uma pilha e o polo negativo de outra permite que a mesma intensidade de corrente passe por todas as pilhas conectadas.
Nesse tipo de associação, em paralelo, todas as lâmpadas estão submetidas à mesma tensão elétrica, mas em cada uma passa uma corrente elétrica com intensidade diferente. O valor da intensidade da corrente que passa por cada lâmpada é inversamente proporcional à resistência elétrica de cada uma delas. E a intensidade elétrica total é a soma das intensidades em cada uma das lâmpadas. Por esse motivo, as iluminações utilizadas antigamente nas árvores de Natal possuíam apenas lâmpadas associadas em série. Isso porque a voltagem das pequenas lâmpadas (5 V) era muito inferior à voltagem utilizada pela rede elétrica (127 V, por exemplo), que poderia ocasionar a queima das lâmpadas se elas fossem ligadas individualmente à tomada. Associando-as em série, a voltagem é dividida proporcionalmente entre as lâmpadas. Atualmente, nas iluminações das árvores de Natal há associações mistas: os diversos fios que associam as lâmpadas em série estão também associados em paralelo a outros fios. Na associação em série, se uma das lâmpadas queimar ou for danificada, a corrente elétrica que percorre o circuito elétrico é interrompida, impedindo que as demais lâmpadas da associação se acendam.
Na associação em paralelo, se uma das lâmpadas queimar, as demais continuam acesas porque há um circuito fechado independente formado pela outra lâmpada, e a corrente continua a circular.A associação em paralelo é a mais frequente em nosso dia a dia, nas residências, nas fábricas, no comércio, na iluminação pública e nos veículos. Afinal, esse tipo de associação permite que cada aparelho elétrico do ambiente (lâmpada, máquina, rádio) funcione de forma independente, sob a mesma tensão elétrica.
Em uma residência, se associarmos os aparelhos elétricos em série, quandouma lâmpada ou aparelho estiver desligado, as demais lâmpadas e os outrosaparelhos também deixam de acender ou param de funcionar. Mas, como elesestão associados em paralelo, uma pessoa pode usar o computador sem acendera luz do cômodo em que se encontra.Mas por que o interruptor e a lâmpada correspondente a ele estão ligadosem série? Essa configuração é necessária para que o interruptor controle somente o funcionamento da lâmpada a que está ligado.
Cuidados nas instalações elétricas
Como vimos, é essencial se certificar de qual é a voltagem especificada nos aparelhos elétricos e nas lâmpadas: 110 V, 127 V ou 220 V. A identificação das tomadas, também é uma saída segura. Para diminuir as chances de ocorrer choques e proteger alguns aparelhos elétricos de variações na tensão elétrica, é feita uma ligação terra: o aparelho é ligado por um fio a uma barra de cobre enterrada no solo ou alojada na parede da casa, permitindo que o excesso de cargas elétricas escoe rapidamente para a Terra. Para isso, os aparelhos elétricos e eletrônicos são fabricados atualmente com plugues no padrão de três pinos, sendo um deles o pino terra, que faz a ligação do aparelho com o sistema de aterramento que leva o excesso de cargas elétricas para o solo. O aterramento é obrigatório por lei nas construções desde 2009. Enrolar um fio em outro para fazer emendas é muito perigoso e pode provocar curtos-circuitos: dois fios próximos se tocam e a corrente elétrica passa a percorrer um caminho de pouca resistência. Quando isso ocorre, a intensidade da corrente aumenta de forma significativa e o calor produzido aquece o circuito a ponto de “queimar” o aparelho ou, em alguns casos, provocar um incêndio. Para proteger as instalações elétricas dos efeitos de curtos-circuitos e de eventuais aumentos de corrente elétrica, existem os disjuntores e os dispositivos chamados fusíveis. O fusível contém um fio interno que geralmente é feito de ligas (combinação de metais diferentes) compostas de chumbo, estanho, cádmio, bismuto, entre outros metais. Essas ligas têm ponto de fusão mais baixo que o do cobre (o material do fio das instalações da casa). Por essa razão, se a corrente elétrica ultrapassar determinada intensidade, o aumento da temperatura vai derreter a liga, interrompendo imediatamente a passagem da corrente elétrica e protegendo a instalação. Nessa situação, diz-se que o fusível “queimou”.
Nas instalações residenciais, o fusível vem sendo substituído pelo disjuntor, que desliga automaticamente (desarma) se a corrente ultrapassar determinada intensidade. A vantagem desse dispositivo é que basta ligá-lo novamente (acionando um interruptor) após solucionar o problema. Ele não precisa ser substituído por outro, como o fusível. Se um disjuntor se desarmar com frequência, é necessário consultar um profissional habilitado para identificar e solucionar o problema. Não se esqueça do fato de que é sempre muito perigoso mexer em aparelhos elétricos. Algumas partes internas de aparelhos elétricos, mesmo desligados, acumulam energia elétrica e podem dar choques. Dependendo da intensidade da corrente elétrica que passa pelo corpo, um choque pode provocar sérias queimaduras e, em alguns casos, levar a uma parada cardíaca, e a pessoa pode vir a óbito. Por isso pessoas sem o preparo e a formação técnica em eletricidade não devem mexer em aparelhos elétricos ou tocar nos fios. Outros cuidados importantes são: usar protetores nas tomadas que estejam ao alcance de crianças pequenas; não usar aparelhos com fios desencapados ou danificados; ler as instruções do fabricante antes de usar um aparelho elétrico novo;evitar ligar mais de um aparelho na mesma tomada para que não ocorra sobrecarga, devido ao risco de acidentes e até de incêndios; não soltar pipas perto da rede elétrica, pois há risco de choque elétrico fatal; evitar o uso de aparelhos elétricos durante tempestades – somente os aparelhos necessários, como a geladeira, devem permanecer ligados.
Eletrocussão
Fonte: Livro didático Teláris Essencial.FERNANDO GEWANDSZNAJDER HELENA PACCA. Edição 2022
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