Eletricidade

Eletricidade é o conjunto de fenômenos físicos associados à presença e ao movimento da matéria que tem a propriedade de carga elétrica. A eletricidade está relacionada ao magnetismo, sendo ambos parte do fenômeno do eletromagnetismo, conforme descrito pelas equações de Maxwell. Vários fenômenos comuns estão relacionados à eletricidade, incluindo raios, eletricidade estática, aquecimento elétrico, descargas elétricas e muitos outros.

A presença de uma carga elétrica, que pode ser positiva ou negativa, produz um campo elétrico. O movimento de cargas elétricas é uma corrente elétrica e produz um campo magnético.

Quando uma carga é colocada em um local com um campo elétrico diferente de zero, uma força atuará sobre ela. A magnitude dessa força é dada pela lei de Coulomb. Se a carga se mover, o campo elétrico estará realizando trabalho sobre a carga elétrica. Assim, podemos falar de potencial elétrico em um determinado ponto do espaço, que é igual ao trabalho realizado por um agente externo ao transportar uma unidade de carga positiva de um ponto de referência escolhido arbitrariamente até aquele ponto sem qualquer aceleração e é normalmente medido em volts.

A eletricidade está no centro de muitas tecnologias modernas, sendo usada para:

• Potência elétrica onde a corrente elétrica é usada para energizar o equipamento;
• Eletrônica que lida com circuitos elétricos que envolvem componentes elétricos ativos, como tubos de vácuo, transistores, diodos e circuitos integrados e tecnologias de interconexão passiva associadas.

Os fenômenos elétricos têm sido estudados desde a antiguidade, embora o progresso na compreensão teórica tenha permanecido lento até os séculos XVII e XVIII. A teoria do eletromagnetismo foi desenvolvida no século 19 e, no final desse século, a eletricidade estava sendo usada para uso industrial e residencial por engenheiros elétricos. A rápida expansão da tecnologia elétrica nesta época transformou a indústria e a sociedade, tornando-se uma força motriz para a Segunda Revolução Industrial. A extraordinária versatilidade da eletricidade significa que ela pode ser colocada em um conjunto quase ilimitado de aplicações que incluem transporte, aquecimento, iluminação, comunicações e computação. A energia elétrica é agora a espinha dorsal da sociedade industrial moderna.

História

Muito antes de qualquer conhecimento de eletricidade existir, as pessoas estavam cientes dos choques dos peixes elétricos. Antigos textos egípcios que datam de 2750 aC referem-se a esses peixes como o "trovão do Nilo", e os descrevem como os "protetores" de todos os outros peixes. Os peixes elétricos foram novamente relatados milênios depois pelos antigos naturalistas e médicos gregos, romanos e árabes. Vários escritores antigos, como Plínio, o Velho e Scribonius Largus, atestaram o efeito entorpecente de choques elétricos entregues por bagres elétricos e raios elétricos, e sabiam que tais choques poderiam viajar ao longo de objetos condutores. Pacientes com doenças como gota ou dor de cabeça foram orientados a tocar peixes elétricos na esperança de que o poderoso choque pudesse curá-los.

Culturas antigas ao redor do Mediterrâneo sabiam que certos objetos, como bastões de âmbar, podiam ser esfregados com pelo de gato para atrair objetos leves como penas. Tales de Mileto fez uma série de observações sobre eletricidade estática por volta de 600 aC, a partir das quais ele acreditava que o atrito tornava o âmbar magnético, em contraste com minerais como a magnetita, que não precisavam ser esfregados. Thales estava errado ao acreditar que a atração era devida a um efeito magnético, mas mais tarde a ciência provaria uma ligação entre o magnetismo e a eletricidade. De acordo com uma teoria controversa, os partos podem ter conhecimento de galvanoplastia, com base na descoberta de 1936 da bateria de Bagdá, que se assemelha a uma célula galvânica, embora seja incerto se o artefato era de natureza elétrica.

A eletricidade permaneceria pouco mais que uma curiosidade intelectual por milênios até 1600, quando o cientista inglês William Gilbert escreveu De Magnete, no qual fez um estudo cuidadoso da eletricidade e do magnetismo, distinguindo o efeito magnetita da eletricidade estática produzida pela fricção do âmbar. Ele cunhou a nova palavra latina electricus ("de âmbar" ou "como âmbar", de ἤλεκτρον, elektron, a palavra grega para "âmbar") para se referir à propriedade de atrair pequenos objetos após serem esfregados. Essa associação deu origem às palavras em inglês "elétrico" e "eletricidade", que fizeram sua primeira aparição impressa na Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne de 1646.

Mais trabalhos foram conduzidos no século XVII e início do século XVIII por Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray e C. F. du Fay. Mais tarde, no século 18, Benjamin Franklin realizou uma extensa pesquisa em eletricidade, vendendo suas posses para financiar seu trabalho. Em junho de 1752, ele teria anexado uma chave de metal ao fundo de uma corda de pipa umedecida e empinado a pipa em um céu ameaçado de tempestade. Uma sucessão de faíscas saltando da chave para as costas de sua mão mostrou que o raio era realmente de natureza elétrica. Ele também explicou o comportamento aparentemente paradoxal da jarra de Leyden como um dispositivo para armazenar grandes quantidades de carga elétrica em termos de eletricidade consistindo de cargas positivas e negativas.

Em 1775, Hugh Williamson relatou uma série de experimentos à Royal Society sobre os choques produzidos pela enguia elétrica; naquele mesmo ano, o cirurgião e anatomista John Hunter descreveu a estrutura dos órgãos elétricos do peixe. Em 1791, Luigi Galvani publicou sua descoberta da bioeletromagnética, demonstrando que a eletricidade era o meio pelo qual os neurônios transmitiam sinais aos músculos. A bateria de Alessandro Volta, ou pilha voltaica, de 1800, feita de camadas alternadas de zinco e cobre, forneceu aos cientistas uma fonte de energia elétrica mais confiável do que as máquinas eletrostáticas usadas anteriormente. O reconhecimento do eletromagnetismo, a unidade dos fenômenos elétricos e magnéticos, deve-se a Hans Christian Ørsted e André-Marie Ampère em 1819-1820. Michael Faraday inventou o motor elétrico em 1821, e Georg Ohm analisou matematicamente o circuito elétrico em 1827. Eletricidade e magnetismo (e luz) foram definitivamente ligados por James Clerk Maxwell, em particular em seu "On Physical Lines of Force" em 1861 e 1862.

Embora o início do século 19 tenha visto um rápido progresso na ciência elétrica, o final do século 19 veria o maior progresso na engenharia elétrica. Através de pessoas como Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, 1º Barão Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla e George Westinghouse, a eletricidade passou de uma curiosidade científica a uma ferramenta essencial para a vida moderna.

Em 1887, Heinrich Hertz descobriu que eletrodos iluminados com luz ultravioleta criam faíscas elétricas com mais facilidade. Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo que explicava os dados experimentais do efeito fotoelétrico como sendo o resultado da energia da luz transportada em pacotes quantizados discretos, energizando elétrons. Essa descoberta levou à revolução quântica. Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921 por "sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico". O efeito fotoelétrico também é empregado em fotocélulas como as encontradas em painéis solares.

O primeiro dispositivo de estado sólido foi o "detector de bigode de gato" usado pela primeira vez em 1900 em receptores de rádio. Um fio semelhante a um bigode é colocado levemente em contato com um cristal sólido (como um cristal de germânio) para detectar um sinal de rádio pelo efeito de junção de contato. Em um componente de estado sólido, a corrente é confinada a elementos sólidos e compostos projetados especificamente para comutá-la e amplificá-la. O fluxo de corrente pode ser entendido de duas formas: como elétrons carregados negativamente e como deficiências de elétrons carregados positivamente chamados buracos. Essas cargas e buracos são entendidos em termos de física quântica. O material de construção é na maioria das vezes um semicondutor cristalino.

A eletrônica de estado sólido se destacou com o surgimento da tecnologia de transistores. O primeiro transistor funcional, um transistor de contato pontual baseado em germânio, foi inventado por John Bardeen e Walter Houser Brattain no Bell Labs em 1947, seguido pelo transistor de junção bipolar em 1948.

Conceitos

Carga elétrica

A presença de carga dá origem a uma força eletrostática: as cargas exercem uma força umas sobre as outras, um efeito que era conhecido, embora não compreendido, na antiguidade. Uma bola leve suspensa por um fio fino pode ser carregada tocando-a com um bastão de vidro que foi carregado por fricção com um pano. Se uma bola semelhante é carregada pelo mesmo bastão de vidro, verifica-se que ela repele a primeira: a carga atua para forçar as duas bolas a se separarem. Duas bolas carregadas com uma barra de âmbar atritada também se repelem. No entanto, se uma bola é carregada pelo bastão de vidro e a outra por um bastão de âmbar, as duas bolas se atraem. Esses fenômenos foram investigados no final do século XVIII por Charles-Augustin de Coulomb, que deduziu que a carga se manifesta em duas formas opostas. Essa descoberta levou ao conhecido axioma: objetos com cargas iguais se repelem e objetos com cargas opostas se atraem.

A força atua nas próprias partículas carregadas, portanto, a carga tende a se espalhar o mais uniformemente possível sobre uma superfície condutora. A magnitude da força eletromagnética, seja ela atrativa ou repulsiva, é dada pela lei de Coulomb, que relaciona a força ao produto das cargas e tem relação inversa ao quadrado com a distância entre elas. A força eletromagnética é muito forte, perdendo apenas em força para a interação forte, mas, ao contrário dessa força, ela opera em todas as distâncias. Em comparação com a força gravitacional muito mais fraca, a força eletromagnética que separa dois elétrons é 10⁴² vezes maior que a atração gravitacional que os aproxima.

A carga se origina de certos tipos de partículas subatômicas, cujos portadores mais conhecidos são o elétron e o próton. A carga elétrica dá origem e interage com a força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza. A experiência mostrou que a carga é uma quantidade conservada, ou seja, a carga líquida dentro de um sistema eletricamente isolado sempre permanecerá constante, independentemente de quaisquer mudanças que ocorram dentro desse sistema. Dentro do sistema, a carga pode ser transferida entre os corpos, seja por contato direto ou pela passagem de um material condutor, como um fio. O termo informal eletricidade estática refere-se à presença líquida (ou 'desequilíbrio') de carga em um corpo, geralmente causada quando materiais diferentes são friccionados, transferindo carga de um para o outro.

A carga de elétrons e prótons tem sinais opostos, portanto, uma quantidade de carga pode ser expressa como sendo negativa ou positiva. Por convenção, a carga carregada pelos elétrons é considerada negativa e a dos prótons positiva, um costume que se originou com o trabalho de Benjamin Franklin. A quantidade de carga geralmente recebe o símbolo Q e é expressa em coulombs; cada elétron carrega a mesma carga de aproximadamente −1,6022×10⁻¹⁹ coulomb. O próton tem carga igual e oposta e, portanto, +1,6022×10⁻¹⁹ coulomb. A carga é possuída não apenas pela matéria, mas também pela antimatéria, cada antipartícula carregando uma carga igual e oposta à sua partícula correspondente.

A carga pode ser medida por vários meios, sendo um dos primeiros instrumentos o eletroscópio de folha de ouro, que embora ainda em uso para demonstrações em sala de aula, foi substituído pelo eletrômetro eletrônico.

Corrente elétrica

O movimento da carga elétrica é conhecido como corrente elétrica, cuja intensidade geralmente é medida em ampères. A corrente pode consistir em quaisquer partículas carregadas em movimento; mais comumente são elétrons, mas qualquer carga em movimento constitui uma corrente. A corrente elétrica pode fluir através de algumas coisas, condutores elétricos, mas não fluirá através de um isolante elétrico.

Por convenção histórica, uma corrente positiva é definida como tendo a mesma direção de fluxo que qualquer carga positiva que ela contém, ou fluindo da parte mais positiva de um circuito para a parte mais negativa. A corrente definida dessa maneira é chamada de corrente convencional. O movimento de elétrons carregados negativamente em torno de um circuito elétrico, uma das formas mais conhecidas de corrente, é considerado positivo na direção oposta à dos elétrons. No entanto, dependendo das condições, uma corrente elétrica pode consistir em um fluxo de partículas carregadas em qualquer direção ou mesmo em ambas as direções ao mesmo tempo. A convenção de positivo para negativo é amplamente utilizada para simplificar esta situação.

O processo pelo qual a corrente elétrica passa através de um material é denominado condução elétrica, e sua natureza varia de acordo com as partículas carregadas e o material através do qual elas estão viajando. Exemplos de correntes elétricas incluem condução metálica, onde os elétrons fluem através de um condutor, como metal, e eletrólise, onde os íons (átomos carregados) fluem através de líquidos ou plasmas, como faíscas elétricas. Embora as próprias partículas possam se mover bem devagar, às vezes com uma velocidade média de deriva de apenas frações de milímetro por segundo, o campo elétrico que as impulsiona se propaga próximo à velocidade da luz, permitindo que os sinais elétricos passem rapidamente pelos fios.

A corrente causa vários efeitos observáveis, que historicamente foram os meios de reconhecer sua presença. Que a água poderia ser decomposta pela corrente de uma pilha voltaica foi descoberta por Nicholson e Carlisle em 1800, um processo agora conhecido como eletrólise. Seu trabalho foi amplamente expandido por Michael Faraday em 1833. A corrente através de uma resistência causa aquecimento localizado, um efeito que James Prescott Joule estudou matematicamente em 1840. Uma das descobertas mais importantes relacionadas à corrente foi feita acidentalmente por Hans Christian Ørsted em 1820, quando, enquanto preparava uma palestra, presenciou a corrente em um fio perturbando a agulha de uma bússola magnética. Ele havia descoberto o eletromagnetismo, uma interação fundamental entre eletricidade e magnetismo. O nível de emissões eletromagnéticas geradas pelo arco elétrico é alto o suficiente para produzir interferência eletromagnética, que pode prejudicar o funcionamento de equipamentos adjacentes.

Em aplicações domésticas ou de engenharia, a corrente é frequentemente descrita como sendo corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA). Esses termos se referem a como a corrente varia no tempo. A corrente contínua, produzida por exemplo a partir de uma bateria e exigida pela maioria dos dispositivos eletrônicos, é um fluxo unidirecional da parte positiva de um circuito para a negativa. Se, como é mais comum, esse fluxo for carregado por elétrons, eles estarão viajando na direção oposta. A corrente alternada é qualquer corrente que inverte a direção repetidamente; quase sempre isso assume a forma de uma onda senoidal. A corrente alternada, portanto, pulsa para frente e para trás dentro de um condutor sem que a carga se mova em qualquer distância líquida ao longo do tempo. O valor médio de tempo de uma corrente alternada é zero, mas fornece energia primeiro em uma direção e depois na direção oposta. A corrente alternada é afetada por propriedades elétricas que não são observadas sob corrente contínua de estado estacionário, como indutância e capacitância. Essas propriedades, no entanto, podem se tornar importantes quando os circuitos são submetidos a transientes, como quando energizados pela primeira vez.

Campo elétrico

O conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday. Um campo elétrico é criado por um corpo carregado no espaço que o cerca e resulta em uma força exercida sobre quaisquer outras cargas colocadas dentro do campo. O campo elétrico atua entre duas cargas de maneira semelhante à forma como o campo gravitacional atua entre duas massas e, como ele, se estende até o infinito e mostra uma relação inversa do quadrado com a distância. No entanto, há uma diferença importante. A gravidade sempre atua na atração, atraindo duas massas juntas, enquanto o campo elétrico pode resultar em atração ou repulsão. Como corpos grandes, como planetas, geralmente não carregam carga líquida, o campo elétrico à distância geralmente é zero. Assim, a gravidade é a força dominante à distância no universo, apesar de ser muito mais fraca.

Um campo elétrico geralmente varia no espaço, e sua força em qualquer ponto é definida como a força (por unidade de carga) que seria sentida por uma carga estacionária e desprezível se colocada naquele ponto. A carga conceitual, denominada 'carga de teste', deve ser extremamente pequena para evitar que seu próprio campo elétrico perturbe o campo principal e também deve ser estacionária para evitar o efeito de campos magnéticos. Como o campo elétrico é definido em termos de força, e a força é um vetor, tendo magnitude e direção, segue-se que um campo elétrico é um campo vetorial.

O estudo dos campos elétricos criados por cargas estacionárias é chamado de eletrostática. O campo pode ser visualizado por um conjunto de linhas imaginárias cuja direção em qualquer ponto é a mesma do campo. Este conceito foi introduzido por Faraday, cujo termo 'linhas de força' ainda às vezes vê uso. As linhas de campo são os caminhos que uma carga pontual positiva procuraria fazer ao ser forçada a se mover dentro do campo; eles são, no entanto, um conceito imaginário sem existência física, e o campo permeia todo o espaço intermediário entre as linhas. As linhas de campo que emanam de cargas estacionárias têm várias propriedades importantes: primeiro, elas se originam em cargas positivas e terminam em cargas negativas; segundo, que eles devem entrar em qualquer bom condutor em ângulos retos, e terceiro, que eles nunca podem se cruzar ou fechar sobre si mesmos.

Um corpo condutor oco carrega toda a sua carga em sua superfície externa. O campo é, portanto, 0 em todos os lugares dentro do corpo. Este é o princípio operacional da gaiola de Faraday, um invólucro de metal condutor que isola seu interior dos efeitos elétricos externos.

Os princípios da eletrostática são importantes ao projetar itens de equipamentos de alta tensão. Existe um limite finito para a intensidade do campo elétrico que pode ser suportado por qualquer meio. Além desse ponto, ocorre uma falha elétrica e um arco elétrico causa flashover entre as partes carregadas. O ar, por exemplo, tende a formar um arco através de pequenas lacunas em intensidades de campo elétrico que excedem 30 kV por centímetro. Em lacunas maiores, sua resistência à ruptura é mais fraca, talvez 1 kV por centímetro. A ocorrência natural mais visível disso é o raio, causado quando a carga se separa nas nuvens por colunas de ar ascendentes e aumenta o campo elétrico no ar para mais do que pode suportar. A voltagem de uma grande nuvem de raios pode chegar a 100 MV e ter energias de descarga de até 250 kWh.

A intensidade do campo é muito afetada por objetos condutores próximos e é particularmente intensa quando é forçada a se curvar em torno de objetos pontiagudos. Este princípio é explorado no pára-raios, cujo pico agudo atua para encorajar o relâmpago a se desenvolver ali, ao invés do edifício que ele serve para proteger.

Potencial elétrico

O conceito de potencial elétrico está intimamente ligado ao de campo elétrico. Uma pequena carga colocada dentro de um campo elétrico experimenta uma força, e trazer essa carga a esse ponto contra a força requer trabalho. O potencial elétrico em qualquer ponto é definido como a energia necessária para trazer uma carga de teste unitária de uma distância infinita lentamente até aquele ponto. Geralmente é medido em volts, e um volt é o potencial para o qual um joule de trabalho deve ser gasto para trazer uma carga de um coulomb do infinito. Esta definição de potencial, embora formal, tem pouca aplicação prática, e um conceito mais útil é o da diferença de potencial elétrico, e é a energia necessária para mover uma unidade de carga entre dois pontos especificados. Um campo elétrico tem a propriedade especial de ser conservativo, o que significa que o caminho percorrido pela carga de teste é irrelevante: todos os caminhos entre dois pontos especificados gastam a mesma energia e, portanto, um valor único para o potencial diferença pode ser declarada. O volt é tão fortemente identificado como a unidade de escolha para medição e descrição da diferença de potencial elétrico que o termo tensão tem maior uso diário.

Para fins práticos, é útil definir um ponto de referência comum para o qual os potenciais podem ser expressos e comparados. Embora isso possa estar no infinito, uma referência muito mais útil é a própria Terra, que se supõe estar no mesmo potencial em todos os lugares. Este ponto de referência leva naturalmente o nome de terra ou chão. A Terra é considerada uma fonte infinita de quantidades iguais de carga positiva e negativa e, portanto, não tem carga elétrica - e não pode ser carregada.

O potencial elétrico é uma grandeza escalar, ou seja, possui apenas magnitude e não direção. Pode ser visto como análogo à altura: assim como um objeto lançado cairá por uma diferença de altura causada por um campo gravitacional, uma carga "cairá" através da tensão causada por um campo elétrico. Como os mapas de relevo mostram linhas de contorno marcando pontos de igual altura, um conjunto de linhas marcando pontos de igual potencial (conhecidos como equipotenciais) pode ser desenhado em torno de um objeto carregado eletrostaticamente. As equipotenciais cruzam todas as linhas de força em ângulos retos. Eles também devem estar paralelos à superfície de um condutor, caso contrário, isso produziria uma força que moveria os portadores de carga para igualar o potencial da superfície.

O campo elétrico foi formalmente definido como a força exercida por unidade de carga, mas o conceito de potencial permite uma definição mais útil e equivalente: o campo elétrico é o gradiente local do potencial elétrico. Normalmente expressa em volts por metro, a direção do vetor do campo é a linha de maior inclinação do potencial e onde os equipotenciais estão mais próximos.

Eletroímãs

A descoberta de Ørsted em 1821 de que existia um campo magnético em torno de todos os lados de um fio que transportava uma corrente elétrica indicou que havia uma relação direta entre eletricidade e magnetismo. Além disso, a interação parecia diferente das forças gravitacional e eletrostática, as duas forças da natureza então conhecidas. A força na agulha da bússola não a direcionou para ou longe do fio condutor de corrente, mas agiu em ângulos retos com ele. As palavras de Ørsted foram que "o conflito elétrico age de maneira rotativa." A força também dependia da direção da corrente, pois se o fluxo fosse reverso, a força também.

Ørsted não entendeu completamente sua descoberta, mas observou que o efeito era recíproco: uma corrente exerce uma força sobre um ímã e um campo magnético exerce uma força sobre uma corrente. O fenômeno foi investigado posteriormente por Ampère, que descobriu que dois fios condutores de corrente paralelos exerciam uma força um sobre o outro: dois fios conduzindo correntes na mesma direção são atraídos um pelo outro, enquanto fios contendo correntes em direções opostas são forçados a se separar. A interação é mediada pelo campo magnético que cada corrente produz e forma a base para a definição internacional do ampère.

Essa relação entre campos magnéticos e correntes é extremamente importante, pois levou à invenção do motor elétrico por Michael Faraday em 1821. O motor homopolar de Faraday consistia em um ímã permanente em uma poça de mercúrio. Uma corrente foi permitida através de um fio suspenso de um pivô acima do ímã e mergulhado no mercúrio. O imã exerceu uma força tangencial no fio, fazendo-o girar em torno do imã enquanto a corrente fosse mantida.

As experiências de Faraday em 1831 revelaram que um fio movendo-se perpendicularmente a um campo magnético desenvolveu uma diferença de potencial entre suas extremidades. Uma análise mais aprofundada desse processo, conhecido como indução eletromagnética, permitiu que ele estabelecesse o princípio, agora conhecido como lei da indução de Faraday, de que a diferença de potencial induzida em um circuito fechado é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético através dele. o laço. A exploração dessa descoberta permitiu-lhe inventar o primeiro gerador elétrico em 1831, no qual converteu a energia mecânica de um disco de cobre em rotação em energia elétrica. O disco de Faraday era ineficiente e inútil como gerador prático, mas mostrava a possibilidade de gerar energia elétrica por meio do magnetismo, possibilidade que seria aventada pelos que se seguiram ao seu trabalho.

Circuitos elétricos

Um circuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos de modo que a carga elétrica flua ao longo de um caminho fechado (um circuito), geralmente para realizar alguma tarefa útil.

Os componentes de um circuito elétrico podem assumir várias formas, que podem incluir elementos como resistores, capacitores, interruptores, transformadores e eletrônicos. Os circuitos eletrônicos contêm componentes ativos, geralmente semicondutores, e geralmente exibem comportamento não linear, exigindo análises complexas. Os componentes elétricos mais simples são aqueles denominados passivos e lineares: embora possam armazenar energia temporariamente, eles não contêm fontes dela e exibem respostas lineares a estímulos.

O resistor é talvez o mais simples dos elementos passivos do circuito: como o próprio nome sugere, ele resiste à corrente através dele, dissipando sua energia na forma de calor. A resistência é consequência do movimento da carga através de um condutor: em metais, por exemplo, a resistência se deve principalmente a colisões entre elétrons e íons. A lei de Ohm é uma lei básica da teoria do circuito, afirmando que a corrente que passa por uma resistência é diretamente proporcional à diferença de potencial através dela. A resistência da maioria dos materiais é relativamente constante em uma faixa de temperaturas e correntes; materiais nessas condições são conhecidos como 'ohmico'. O ohm, a unidade de resistência, foi nomeado em homenagem a Georg Ohm e é simbolizado pela letra grega Ω. 1 Ω é a resistência que produzirá uma diferença de potencial de um volt em resposta a uma corrente de um ampère.

O capacitor é um desenvolvimento da jarra de Leyden e é um dispositivo que pode armazenar carga e, assim, armazenar energia elétrica no campo resultante. Consiste em duas placas condutoras separadas por uma fina camada dielétrica isolante; na prática, folhas finas de metal são enroladas juntas, aumentando a área de superfície por unidade de volume e, portanto, a capacitância. A unidade de capacitância é o farad, em homenagem a Michael Faraday, e recebe o símbolo F: um farad é a capacitância que desenvolve uma diferença de potencial de um volt quando armazena uma carga de um coulomb. Um capacitor conectado a uma fonte de tensão inicialmente causa uma corrente à medida que acumula carga; essa corrente, no entanto, decairá com o tempo à medida que o capacitor for preenchido, eventualmente caindo para zero. Um capacitor, portanto, não permitirá uma corrente de estado estacionário, mas a bloqueará.

O indutor é um condutor, geralmente uma bobina de fio, que armazena energia em um campo magnético em resposta à corrente que passa por ele. Quando a corrente muda, o campo magnético também muda, induzindo uma tensão entre as extremidades do condutor. A tensão induzida é proporcional à taxa de tempo de mudança da corrente. A constante de proporcionalidade é chamada de indutância. A unidade de indutância é o henry, em homenagem a Joseph Henry, um contemporâneo de Faraday. Um henry é a indutância que induzirá uma diferença de potencial de um volt se a corrente através dela mudar a uma taxa de um ampère por segundo. O comportamento do indutor é, em alguns aspectos, inverso ao do capacitor: ele permite livremente uma corrente imutável, mas se opõe a uma corrente que muda rapidamente.

Energia elétrica

Potência elétrica é a taxa na qual a energia elétrica é transferida por um circuito elétrico. A unidade SI de potência é o watt, um joule por segundo.

A energia elétrica, assim como a energia mecânica, é a taxa de execução do trabalho, medida em watts e representada pela letra P. O termo potência é usado coloquialmente para significar "potência elétrica em watts" A potência elétrica em watts produzida por uma corrente elétrica I consistindo de uma carga de Q coulombs a cada t segundos passando por um potencial elétrico (tensão) diferença de V é

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Eu... é corrente elétrica em amperes

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A energia elétrica é geralmente fornecida para empresas e residências pela indústria de energia elétrica. A eletricidade é geralmente vendida por quilowatt-hora (3,6 MJ), que é o produto da potência em quilowatts multiplicado pelo tempo de funcionamento em horas. As concessionárias de energia elétrica medem a energia usando medidores de eletricidade, que mantêm um total atualizado da energia elétrica entregue a um cliente. Ao contrário dos combustíveis fósseis, a eletricidade é uma forma de energia de baixa entropia e pode ser convertida em movimento ou em muitas outras formas de energia com alta eficiência.

Eletrônicos

Eletrônica lida com circuitos elétricos que envolvem componentes elétricos ativos, como tubos de vácuo, transistores, diodos, optoeletrônica, sensores e circuitos integrados e tecnologias de interconexão passiva associadas. O comportamento não linear dos componentes ativos e sua capacidade de controlar fluxos de elétrons torna possível a amplificação de sinais fracos e a eletrônica é amplamente utilizada no processamento de informações, telecomunicações e processamento de sinais. A capacidade dos dispositivos eletrônicos de atuar como interruptores possibilita o processamento de informações digitais. As tecnologias de interconexão, como placas de circuito, tecnologia de empacotamento eletrônico e outras formas variadas de infra-estrutura de comunicação, completam a funcionalidade do circuito e transformam os componentes mistos em um sistema de trabalho regular.

Atualmente, a maioria dos dispositivos eletrônicos usa componentes semicondutores para executar o controle de elétrons. O estudo de dispositivos semicondutores e tecnologia relacionada é considerado um ramo da física do estado sólido, enquanto o projeto e a construção de circuitos eletrônicos para resolver problemas práticos são da engenharia eletrônica.

Onda eletromagnética

O trabalho de Faraday e Ampère mostrou que um campo magnético variável no tempo criava um campo elétrico, e um campo elétrico variável no tempo criava um campo magnético. Assim, quando um dos campos está mudando no tempo, um campo do outro é sempre induzido. Essas variações são uma onda eletromagnética. Ondas eletromagnéticas foram analisadas teoricamente por James Clerk Maxwell em 1864. Maxwell desenvolveu um conjunto de equações que poderiam descrever inequivocamente a inter-relação entre campo elétrico, campo magnético, carga elétrica e corrente elétrica. Além disso, ele poderia provar que no vácuo tal onda viajaria na velocidade da luz e, portanto, a própria luz era uma forma de radiação eletromagnética. As Leis de Maxwell, que unificam luz, campos e carga, são um dos grandes marcos da física teórica.

O trabalho de muitos pesquisadores permitiu o uso da eletrônica para converter sinais em correntes oscilantes de alta frequência e, por meio de condutores de formato adequado, a eletricidade permite a transmissão e recepção desses sinais por meio de ondas de rádio a distâncias muito longas.

Produção, armazenamento e usos

Geração e transmissão

No século VI aC, o filósofo grego Tales de Mileto fez experiências com varetas de âmbar: foram os primeiros estudos sobre a produção de eletricidade. Embora esse método, agora conhecido como efeito triboelétrico, possa erguer objetos leves e gerar faíscas, ele é extremamente ineficiente. Não foi até a invenção da pilha voltaica no século XVIII que uma fonte viável de eletricidade se tornou disponível. A pilha voltaica e sua descendente moderna, a bateria elétrica, armazenam energia quimicamente e a disponibilizam sob demanda na forma de eletricidade.

A energia elétrica é geralmente gerada por geradores eletromecânicos. Eles podem ser movidos pelo vapor produzido pela combustão de combustíveis fósseis ou pelo calor liberado pelas reações nucleares, mas também mais diretamente pela energia cinética do vento ou da água corrente. A turbina a vapor inventada por Sir Charles Parsons em 1884 ainda é usada para converter a energia térmica do vapor em um movimento rotativo que pode ser usado por geradores eletromecânicos. Esses geradores não têm nenhuma semelhança com o gerador de discos homopolares de Faraday de 1831, mas ainda dependem de seu princípio eletromagnético de que um condutor ligando um campo magnético variável induz uma diferença de potencial em suas extremidades. A eletricidade gerada por painéis solares depende de um mecanismo diferente: a radiação solar é convertida diretamente em eletricidade usando o efeito fotovoltaico.

A demanda por eletricidade cresce com grande rapidez à medida que uma nação se moderniza e sua economia se desenvolve. Os Estados Unidos apresentaram um aumento de 12% na demanda durante cada ano das três primeiras décadas do século XX, uma taxa de crescimento que agora está sendo experimentada por economias emergentes como as da Índia ou da China.

As preocupações ambientais com a geração de eletricidade, em particular o contributo da queima de combustíveis fósseis para as alterações climáticas, têm levado a uma maior aposta na produção a partir de fontes renováveis. No setor de energia, a energia eólica e a solar tornaram-se econômicas, acelerando a transição energética para longe dos combustíveis fósseis.

Transmissão e armazenamento

A invenção do transformador no final do século XIX significava que a energia elétrica poderia ser transmitida de forma mais eficiente a uma tensão mais alta, mas com uma corrente mais baixa. A transmissão elétrica eficiente significava, por sua vez, que a eletricidade poderia ser gerada em centrais elétricas centralizadas, onde se beneficiava de economias de escala, e depois ser despachada a distâncias relativamente longas para onde era necessária.

Normalmente, a demanda de eletricidade deve corresponder à oferta, pois o armazenamento de eletricidade é difícil. Uma certa quantidade de geração deve sempre ser mantida em reserva para amortecer uma rede elétrica contra perturbações e perdas inevitáveis. Com níveis crescentes de energia renovável variável (energia eólica e solar) na rede, tornou-se mais desafiador combinar oferta e demanda. O armazenamento desempenha um papel cada vez maior em preencher essa lacuna. Existem quatro tipos de tecnologias de armazenamento de energia, cada uma em vários estados de prontidão tecnológica: baterias (armazenamento eletroquímico), armazenamento químico, como hidrogênio, térmico ou mecânico (como energia hidrelétrica bombeada).

Aplicativos

A eletricidade é uma forma muito cómoda de transferir energia, tendo-se vindo a adaptar a um enorme e crescente número de utilizações. A invenção de uma lâmpada incandescente prática na década de 1870 levou a iluminação a se tornar uma das primeiras aplicações de energia elétrica disponíveis publicamente. Embora a eletrificação trouxesse consigo seus próprios perigos, substituir as chamas nuas da iluminação a gás reduziu muito os riscos de incêndio em residências e fábricas. Serviços públicos foram criados em muitas cidades visando o crescente mercado de iluminação elétrica. No final do século 20 e nos tempos modernos, a tendência começou a fluir na direção da desregulamentação do setor de energia elétrica.

O efeito de aquecimento Joule resistivo empregado em lâmpadas de filamento também tem uso mais direto em aquecimento elétrico. Embora isso seja versátil e controlável, pode ser visto como um desperdício, uma vez que a maior parte da geração elétrica já exigiu a produção de calor em uma estação de energia. Vários países, como a Dinamarca, emitiram legislação restringindo ou proibindo o uso de aquecimento elétrico resistivo em novos edifícios. No entanto, a eletricidade ainda é uma fonte de energia altamente prática para aquecimento e refrigeração, com ar condicionado/bombas de calor representando um setor crescente de demanda de eletricidade para aquecimento e refrigeração, cujos efeitos as concessionárias de eletricidade são cada vez mais obrigadas a acomodar. Espera-se que a eletrificação desempenhe um papel importante na descarbonização de setores que dependem da queima direta de combustíveis fósseis, como transporte (com veículos elétricos) e aquecimento (com bombas de calor).

Os efeitos do eletromagnetismo são empregados de forma mais visível no motor elétrico, que fornece um meio limpo e eficiente de força motriz. Um motor estacionário, como um guincho, é facilmente fornecido com um suprimento de energia, mas um motor que se move com sua aplicação, como um veículo elétrico, é obrigado a carregar uma fonte de energia, como uma bateria, ou coletar corrente de um contato deslizante, como um pantógrafo. Veículos movidos a eletricidade são usados no transporte público, como ônibus e trens elétricos, e um número crescente de carros elétricos movidos a bateria de propriedade privada.

A eletricidade é usada nas telecomunicações e, de fato, o telégrafo elétrico, demonstrado comercialmente em 1837 por Cooke e Wheatstone, foi uma de suas primeiras aplicações. Com a construção dos primeiros sistemas telegráficos transcontinentais e depois transatlânticos na década de 1860, a eletricidade permitiu comunicações em minutos em todo o mundo. A fibra ótica e a comunicação via satélite conquistaram uma fatia do mercado de sistemas de comunicação, mas a eletricidade deve continuar sendo uma parte essencial do processo.

Dispositivos eletrônicos fazem uso do transistor, talvez uma das invenções mais importantes do século XX, e um bloco de construção fundamental de todos os circuitos modernos. Um circuito integrado moderno pode conter muitos bilhões de transistores miniaturizados em uma região de apenas alguns centímetros quadrados.

Eletricidade e o mundo natural

Efeitos fisiológicos

Uma voltagem aplicada a um corpo humano causa uma corrente elétrica através dos tecidos e, embora a relação não seja linear, quanto maior a voltagem, maior a corrente. O limiar de percepção varia com a frequência de alimentação e com o caminho da corrente, mas é de cerca de 0,1 mA a 1 mA para eletricidade de frequência principal, embora uma corrente tão baixa quanto um microampere possa ser detectada como um efeito de eletrovibração sob certas condições. Se a corrente for suficientemente alta, causará contração muscular, fibrilação do coração e queimaduras nos tecidos. A falta de qualquer sinal visível de que um condutor está eletrificado torna a eletricidade um perigo particular. A dor causada por um choque elétrico pode ser intensa, levando às vezes a eletricidade a ser empregada como método de tortura. A morte por choque elétrico - eletrocussão - ainda é utilizada para execução judicial em alguns estados norte-americanos, embora seu uso tenha se tornado muito raro no final do século XX.

Fenômenos elétricos na natureza

A eletricidade não é uma invenção humana, podendo ser observada de diversas formas na natureza, notadamente o raio. Muitas interações conhecidas no nível macroscópico, como toque, fricção ou ligação química, são devidas a interações entre campos elétricos na escala atômica. O campo magnético da Terra se deve ao dínamo natural das correntes circulantes no núcleo do planeta. Certos cristais, como o quartzo ou mesmo o açúcar, geram uma diferença de potencial em suas faces quando pressionados. Esse fenômeno é conhecido como piezoeletricidade, do grego piezein (πιέζειν), que significa pressionar, e foi descoberto em 1880 por Pierre e Jacques Curie. O efeito é recíproco: quando um material piezoelétrico é submetido a um campo elétrico, ele muda ligeiramente de tamanho.

Alguns organismos, como os tubarões, são capazes de detectar e responder a mudanças nos campos elétricos, uma habilidade conhecida como eletrorrecepção, enquanto outros, denominados eletrogênicos, são capazes de gerar voltagens próprias para servir como uma arma predatória ou defensiva; estes são peixes elétricos em ordens diferentes. A ordem Gymnotiformes, da qual o exemplo mais conhecido é a enguia elétrica, detecta ou atordoa suas presas por meio de altas voltagens geradas a partir de células musculares modificadas chamadas eletrócitos. Todos os animais transmitem informações ao longo de suas membranas celulares com pulsos de voltagem chamados potenciais de ação, cujas funções incluem a comunicação pelo sistema nervoso entre neurônios e músculos. Um choque elétrico estimula esse sistema e faz com que os músculos se contraiam. Os potenciais de ação também são responsáveis pela coordenação de atividades em certas plantas.

Percepção cultural

Em 1850, o político britânico William Gladstone perguntou ao cientista Michael Faraday por que a eletricidade era valiosa. Faraday respondeu: "Um dia, senhor, você pode tributá-lo".

No século 19 e início do século 20, a eletricidade não fazia parte do cotidiano de muitas pessoas, mesmo no mundo ocidental industrializado. A cultura popular da época frequentemente o retratava como uma força misteriosa e quase mágica que pode matar os vivos, reviver os mortos ou dobrar as leis da natureza. Essa atitude começou com os experimentos de Luigi Galvani, em 1771, nos quais as pernas de rãs mortas se contorciam sob a aplicação de eletricidade animal. "Revitalização" ou ressuscitação de pessoas aparentemente mortas ou afogadas foi relatada na literatura médica logo após o trabalho de Galvani. Esses resultados eram conhecidos por Mary Shelley quando ela escreveu Frankenstein (1819), embora ela não mencione o método de revitalização do monstro. A revitalização de monstros com eletricidade mais tarde se tornou um tema comum em filmes de terror.

À medida que crescia a familiaridade do público com a eletricidade como a força vital da Segunda Revolução Industrial, seus manejadores eram mais frequentemente vistos de forma positiva, como os trabalhadores que "dedo a morte em suas luvas' terminam à medida que remendam e recolocam os fios vivos" no poema de Rudyard Kipling de 1907 Filhos de Martha. Veículos movidos a eletricidade de todos os tipos aparecem em histórias de aventura como as de Júlio Verne e os livros de Tom Swift. Os mestres da eletricidade, sejam fictícios ou reais – incluindo cientistas como Thomas Edison, Charles Steinmetz ou Nikola Tesla – foram popularmente concebidos como tendo poderes de feiticeiro.

Com a eletricidade deixando de ser uma novidade e se tornando uma necessidade da vida cotidiana na segunda metade do século XX, ela passou a exigir atenção especial da cultura popular apenas quando pára de fluir, evento que geralmente sinaliza desastre. As pessoas que mantêm o fluxo, como o herói sem nome da música de Jimmy Webb, "Wichita Lineman" (1968), ainda são frequentemente escalados como figuras heróicas, semelhantes a feiticeiros.