// ELETRICIDADE
A eletricidade é a forma de energia mais comumente usada
para diversas tarefas, indo do mais simples aquecimento e iluminação
até a energização de computadores que realizam as mais complexas
aplicações. No mundo moderno, a energia elétrica é tida como uma
concessão. Sua produção, distribuição, uso e confiabilidade são tão
comuns que só damos conta da sua importância quando a energia é
cortada ou o disjuntor desarma.
> A descoberta da eletricidade
Por volta de 600 AC descobriu-se que esfregando um pedaço
de âmbar criava-se um excesso de carga que atraía pequenos
pedações de palha. Já nos anos 1600 DC, a palavra “elétrico”
foi introduzida para descrever este efeito. Ela derivava da
palavra grega para âmbar: elektron. Benjamin Franklin
demonstrou a origem elétrica do raio em 1745 com seus
experimentos com pipas durante tempestades. Ele propôs a
existência de dois tipos diferentes de carga: positiva e negativa.
Em 1800, Alessandro Volta produziu uma corrente elétrica constante colocando placas de cobre e zinco
numa solução salina (com sal). Essa pilha voltaica foi a primeira bateria. A próxima descoberta foi feita
em 1820, quando Andre-Marie Ampère estabeleceu a relação entre a corrente elétrica e o magnetismo.
O passo final e crucial foi a descoberta da indução eletromagnética por Michael Faraday em 1831. Ele
descobriu que magnetismo poderia criar eletricidade movendo-se um magneto através de uma bobina.
Isso criou o caminho para o desenvolvimento dos geradores de eletricidade e, em 1881, o primeiro
suprimento público de energia foi feito em Godalming (Reino Unido) para iluminação pública.
>C
omo a eletricidade flui?
Em
metais
e
alguns
outros
materiais,
partículas
negativamente
Negativo
carregadas, chamadas elétrons, são livres para se mover dentro
Condutor
do material. Estes materiais são chamados de condutores. Quando
Energia
uma
bateria
é
conectada
a
um
condutor,
uma
diferença
de
potencial
liberada
Bateria
na forma
é criada entre os pontos de contato e os elétrons “fluem” contra
de calor
o “gradiente de potencial”. Como os elétrons são partículas com
Elétrons
carga negativa, contra o gradiente de potencial significa que eles
Positivo
vão da ponta negativa para a ponta positiva do condutor. Esse
fluxo é conhecimento como corrente elétrica. Ela pode ser corrente
contínua (CC ou DC, da sigla em inglês) se flui continuamente na mesma direção, ou corrente
alternada (AC) se a direção de fluxo alterna-se para um lado e outro.
>A
relação entre
corrente e diferença
de potencial elétrico
Georg Simon Ohm descobriu que a quantidade
de corrente que flui através de um determinado
material é proporcional à diferença de potencial
aplicada a ele. Sua famosa lei estabelece que
V = RI. Se uma certa diferença de potencial V é
aplicada a um condutor, o valor da corrente que
flui é inversamente proporcional à resistência
R do condutor.
> O ampère
A unidade de base SI para quantidades
elétricas é o ampère. Sua definição, adotada
em 1948 é: “O ampère é a intensidade de uma
corrente elétrica constante que, mantida em
dois condutores paralelos,
retilíneos, de comprimento
infinito, de seção circular
desprezível, e situados
à distância de 1 metro
entre si, no vácuo, produz
entre estes condutores
-7
uma força igual a 2 x 10
newton por metro
de comprimento.”
ESCALA DE CORRENTE
> Realização moderna do ampère e do volt
Supercondutor
f
Isolante
Corrente de
Polarização
4fKJ
3fKJ
Corrente típica
em um raio
2fKJ
Supercondutor
fK
Temperatura = 4,2 K
Representação esquemática de uma junção Josephson.
O ampère é difícil de ser realizado na prática com suficiente
exatidão. Assim, ele pode ser realizado através do watt (a unidade
SI para potência). A potência elétrica gerada em um experimento
controlado é comparada à potência mecânica e, usando-se uma
medição de resistência de grande exatidão, o ampère pode ser
2
calculado (Potência = Resistência x Corrente ).
30.000 A
l = Corrente de
Polarização
Platôs discretos de diferença de potencial
característicos de uma junção Josephson.
O volt é reproduzido no Inmetro usando um equipamento com efeito Josephson
de corrente alternada. Devido a este efeito, a diferença de potencial entre os dois
supercondutores separados por uma fina barreira isolante e nos quais é aplicada
uma excitação alternada (micro-ondas) assume valores discretos dependentes
da constante de Josephson (KJ = 483597,9 Ghz/V) e da frequência da excitação.
Este procedimento fornece tensões que são estáveis e reproduzíveis a um nível de
aproximadamente 0,001 parte por milhão, atualmente.
> Realização futura do ampère
Padrões futuros de corrente poderão ser baseados na contagem
de elétrons fluindo em sofisticados circuitos semicondutores. Num
dispositivo ainda em pesquisa, elétrons isolados podem ser levados
por uma onda acústica de superfície (fônons) que percorre o
dispositivo. A corrente pode ser facilmente comparável à teoria, já
que ela é simplesmente a carga de um elétron vezes frequência do
número de elétrons carregados pela onda.
> Fontes alternativas de energia
A maioria da energia elétrica usada em todo o mundo é produzida
por geradores contendo um magneto rotativo. Essas turbinas são
em geral giradas por queda d’água ou vapor produzido pela queima
de combustível fóssil (óleo ou gás, por exemplo). No mundo, fontes
renováveis de energia, contudo, tornam-se cada vez mais comuns e
aumenta a exigência pelo seu uso, substituindo as usinas que usam
combustível fóssil ou nuclear. No Brasil, 85,4% da energia elétrica
é gerada por sistemas hidráulicos. Também cresce muito no Brasil
a pesquisa para uso de biomassa, outra fonte renovável. Fontes
alternativas incluem painéis solares, gerados eólicos, entre outros.
Painéis solares convertem luz do sol diretamente em eletricidade,
mas são em geral de pouca eficiência. No caso de geradores eólicos,
o vento é usado para movimentar as turbinas.
> Medindo correntes elétricas
A medição de uma corrente elétrica contínua pode ser realizada usando um galvanômetro.
Este instrumento funciona com o princípio de que uma agulha magnética colocada próxima
a um condutor no qual flui uma corrente contínua, é defletida na direção perpendicular à
dele. O quanto ela deflete é proporcional ao valor da corrente. Em 1823, Johann Schweiger
amplificou este efeito usando uma bobina para produzir o primeiro galvanômetro funcional.
Chaleira elétrica
10 A
Computador
1A
> Veículos elétricos
Devido ao avanço no desenho de baterias
elétricas, veículos abastecidos por eletricidade
tornaram-se uma realidade, apesar de sua
incidência entre os consumidores ser baixa.
Já existem hoje carros elétricos que podem
viajar a velocidades da ordem de 120 km/h
e necessitam de recarga a cada 100 km.
Automóveis mistos ou híbridos também estão
em desenvolvimento e combinam o melhor de
motores elétricos com motores a combustão
para produzir veículos com baixos índices de
poluição e boa velocidade e alcance.
> SupercondutorEs
Supercondutores são materiais, como os
metais e certas ligas, que apresentam
resistência elétrica zero a baixas
temperaturas, tipicamente abaixo de -260
o
C. Supercondutores são usados para
fabricar eletromagnetos poderosos, mas
as temperaturas necessárias para que as
propriedades supercondutoras apareçam são
tão baixas que dificultam seu uso cotidiano.
Novos tipos de materiais, conhecidos por
supercondutores a alta temperatura,
permanecem como supercondutores à
temperaturas muito mais altas, próximo de
o
-200 C. Infelizmente, estes materiais são
frágeis e não podem ser trabalhados em fios.
Se os supercondutores puderem ser usados
como cabos para transmissão de energia, não
haveria perda de energia em sua transmissão.
Lâmpada
incandescente
doméstica
Corrente letal típica
Corrente de
um poraquê
0,25 A
0,1 - 0,2 A
0,07 A
Corrente típica em
impulsos nervosos no cérebro
0,000 000 010 A
-9
= 10 x 10 A
Corrente correspondente a um
elétron por segundo passando
em um ponto de um circuito
0,000 000 000
000 000 000 16 A
-19
= 1,6 x 10 A
Os direitos de tradução e adaptação foram gentilmente cedidos pelo National Physical Laboratory - NPL do Reino Unido.
Tradução e adaptação organizada pelo Centro de Capacitação - CICMA do Inmetro.
Todos os direitos reservados de acordo com a legislação em vigor.