Eletricidade: Conheça as Utilidades da Principal Energia da Atualidade

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A eletricidade é o movimento de elétrons, produzidos a partir de dois pontos de um condutor. É também a área da física que estuda os fenômenos causados pelo trabalho das cargas elétricas. Além disso, é o principal tipo de energia da atualidade.

A eletricidade abrange um conjunto de fenômenos físicos resultantes da presença e do movimento da carga elétrica. Muitos destes fenômenos são facilmente reconhecíveis como relâmpagos, eletricidade estática e correntes elétricas em fios condutores. No entanto, a eletricidade também engloba conceitos menos conhecidos como campo eletromagnético e indução eletromagnética.

Uma carga elétrica pode ser positiva ou negativa, produzindo um campo elétrico. As cargas elétricas em movimento formam uma corrente elétrica e produz um campo magnético.

Colocando a carga em um local com campo elétrico diferente de zero, uma força irá atuar sobre ela. Esta força tem uma magnitude que é dada pela lei de Coulomb. O campo elétrico trabalha numa carga elétrica que se move.

Então podemos falar do potencial elétrico em determinado ponto do espaço, que é igual ao trabalho feito por um agente externo, transportando a carga positiva de um ponto de referência arbitrariamente escolhido, para esse ponto sem nenhuma aceleração, o que é geralmente medido em volts.

Neste artigo falarei sobre eletricidade, continue lendo e saiba mais sobre:

Conheça Sua História

Descargas Elétricas e Raios Catódicos

Alguns de Seus Conceitos

Produção e Uso

Fenômenos Elétricos na Natureza

Conheça Sua História

Benjamin Franklin e as pesquisas sobre eletricidade
Benjamin Franklin Joseph Duplessis [Public domain], via Wikimedia Commons
As pessoas já tinham o conhecimento de choques de peixes elétricos, muito antes de saber que a eletricidade existia. Antigos textos do Egito que datam de 2750 ac. referiam se a esses peixes como “Trovão do Nilo” descrevendo-o como protetor de todos os outros peixes. Milênios mais tarde, o peixe elétrico voltou a ser retratado em documentos e estudos realizados por naturalistas, médicos ou simples interessados que viveram na Grécia antiga, no império romano e na região da civilização Islâmica.

Escritores antigos como Caio Plínio Segundo e Scribonius Largus atestaram o efeito anestesiante dos choques elétricos do peixe gato e da arraia elétrica e também que os choques elétricos podem viajar por certos objetos condutores. Pacientes que sofriam de gota e dor de cabeça eram aconselhados a tocar o peixe elétrico; na esperança de que os choques elétricos pudessem curá-los.

Culturas antigas do Mediterrâneo sabiam que determinados objetos como o âmbar; ganham a propriedade de atrair objetos pequenos e leves, depois de serem esfregados com pelo de gato.

Uma serie de observações sobre a eletricidade estática foram feitas por Thales de Mileto, por volta de 600 ac. Estas observações o levaram a acreditar que o atrito era necessário para produzir o magnetismo no âmbar; em contraste com o que se observa em minerais como magnetita que não precisam de fricção. Thales equivocou-se por acreditar que a atração era devida a um efeito magnético e não elétrico. Somente milênios mais tarde, é que a ciência evidenciou de forma correta, a ligação que Thales tentou estabelecer entre eletricidade e magnetismo.

A Eletricidade na Ciência Moderna

Pelo menos até 1600, quando o cientista inglês William Gilbert fez um estudo cuidadoso da eletricidade e do magnetismo, o “De Magnetic”; a eletricidade era um pouco mais que uma curiosidade intelectual.

No século XVIII, Benjamin Franklin realizou uma ampla pesquisa sobre a eletricidade. A ele é atribuído um ato ocorrido em julho de 1752; onde prendendo uma chave de metal próximo a borboleta de uma pipa e com a chave atada a uma linha umedecida, a fez voar em uma tempestade.

Luigi Galvani publicou sua descoberta da bioeletricidade em 1791; onde demonstrou que as células nervosas passam sinais para os músculos por meio da eletricidade.

A pilha voltaica ou bateria foi criada por Alessandro Volta em 1800. Feita a partir de camadas alternadas de zinco e cobre; forneceu aos cientistas uma fonte mais confiável de energia que as antigas máquinas eletrostáticas.

O motor elétrico foi inventado em 1821 por Michael Faraday. Em 1827, Georg Ohm analisou matematicamente o circuito elétrico. A eletricidade passou de uma curiosidade cientifica, a uma ferramenta essencial para a vida moderna, ao tornar-se a força motriz da segunda revolução industrial.

Heinrich Hertz descobriu em 1887, que os eletrodos iluminados com luz ultravioleta, criam faíscas elétricas com mais facilidade. Em um artigo que publicou em 1905; Albert Einstein explicava dados experimentais do efeito fotoelétrico como resultado da energia de luz transportada em pacotes quantizados discretos, elétrons energizantes.

Descargas Elétricas e Raios Catódicos

Raios catódicos e a eletricidade
By Kurzon (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons
Depois da descoberta da eletricidade, um enigma pairou sobre os tipos de radiação existentes. Uma delas chamada de radiação de raios catódicos é emitida por superfícies metálicas quando se aplica uma voltagem entre o catodo e o anodo.

Surgiram duas correntes de pensamento sobre a natureza dos raios catódicos: uma delas dizia que se tratava de partículas; a outra dizia que fosse um fenômeno ondulatório que dependia do meio. O que apoiava a interferência ondulatória era a observação de que os raios catódicos podiam atravessar folhas de metal sem serem defletidos.

Em 1885, H. Geissler criou uma bomba que permitia extrair o ar de um tubo de vidro até uma pressão de 104 vezes a pressão atmosférica. Ela também foi usada entre 1858 e 1859, numa série de experimentos realizados por J. Plucker; para estudar a condução de eletricidade, em gases de pressões muito baixas. No entanto, esse vácuo não era perfeito, levando os cientistas a hipóteses equivocadas sobre os raios catódicos.

O desenvolvimento de bombas a vácuo, 10 vezes mais eficientes que as anteriores permitiu a J. J. Thomson descobrir a natureza dos raios catódicos.

A Natureza dos Raios Catódicos

Uma luminescência esverdeada aparece na parede do tubo de Crookes sempre no lado oposto ao catodo, em frente a este. Mesmo mudando a posição do catodo e do anodo, de todas as maneiras possíveis, ela sempre aparece em frente ao catodo. Concluindo então que a luminescência é produzida por alguma coisa que sai do catodo, atravessa o tubo e se choca com a parede de vidro. Na época em que este fenômeno foi descoberto, essa coisa que saía do catodo recebeu o nome vago de raios catódicos, pois sua natureza era inteiramente desconhecida.

Depois de alguns anos estudando as propriedades dos raios catódicos, percebeu-se claramente que eles são constituídos de partículas que possuem carga elétrica e massa mecânica muito pequena. Também foi observado que essas partículas são todas iguais, independente do metal de que é feito o catodo ou o anodo. A partir do que foi concluído, que essas partículas emitidas pelo catodo entram na constituição de todos os corpos; sendo chamadas de elétrons.

Resumidamente, os raios catódicos são elétrons arrancados do catodo, devido à diferença de potencial existente entre o catodo e o anodo, sendo atraídos pelo anodo.

Alguns de Seus Conceitos

Relâmpagos uma forma de eletricidade natural
By U.S. Air Force photo by Edward Aspera Jr. [Public domain], via Wikimedia Commons
A eletricidade é um fenômeno físico. Seu propulsor são as cargas elétricas e a energia promovida podendo ser manifestadas, por expressões dentro da área física e luminosa; assim como contemplando a área mecânica ou térmica.

Carga Elétrica

A carga elétrica é a propriedade dos entes físicos fundamentais das partículas subatômicas que dão origem e interagem através de forças eletromagnéticas; uma das quatro forças fundamentais da natureza. O átomo é a origem de carga na matéria extensa e os portadores de carga mais conhecidos são o elétron e o próton.

A carga elétrica obedece a uma lei de conservação; isso significa, que a quantidade liquida total de carga no interior de um sistema isolado, sempre permanece constante; a carga total é independente de qualquer mudança que ocorra no interior do sistema.

A carga pode ser transferida entre corpos, no interior do sistema. O que pode ser tanto pelo contato direto, quanto passando através de um material condutor como um fio, ou através de portadores de carga, movendo-se livremente no vácuo.

A presença de carga dá origem a uma força eletrostática; a força que estas cargas exercem uma sobre a outra era um efeito conhecido, mas não compreendido na antiguidade. Esses fenômenos foram estudados no final do século XVIII; por Charles Augustin de Coulomb, que chegou a conclusão que a carga se manifesta de duas maneiras opostas.

A força atua sobre as cargas propriamente ditas, que tem a tendência de se distribuir de forma mais uniforme sobre superfícies condutoras. A magnitude da força eletrostática quer atrativa quer repulsiva é dada pela lei de Coulomb.

As cargas do próton e do elétron são opostas em sinal. Por convenção e razões históricas, a carga associada ao elétron é considerada negativa e a carga associada ao próton, positiva.

Campos Elétricos

Faraday e os conceitos da eletricidade
By Thomas Phillips (Thomas Phillips, 1842) [Public domain], via Wikimedia Commons
O conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday; sua adoção como ferramenta matemática para o tratamento dos problemas correlatos, tornou-se tão frutífera, que hoje é praticamente impossível, conceber-se um tratamento mais aprofundado em eletricidade, magnetismo ou eletromagnetismo, sem que se lance mão do mesmo.

Os campos elétricos são uma ferramenta importante para entender como a eletricidade começa e continua a fluir. Eles descrevem a força de puxar ou empurrar em um espaço entre cargas. Comparando com o campo gravitacional da Terra, os campos elétricos têm uma grande diferença; enquanto o campo terrestre geralmente só atrai outros objetos de massa, os campos elétricos empurram as acusações sempre que as atraem.

A direção dos campos elétricos é sempre definida como a direção em que uma carga de teste positiva se moveria, se fosse descartada no campo. A carga de teste deve ser muito pequena, para evitar que sua carga influencie o campo.

Os campos elétricos nos fornecem a força de pressão que precisamos para induzir o fluxo de corrente. Um campo elétrico em um circuito é como uma bomba de elétrons; uma fonte de cargas negativas que podem impulsionar os elétrons, que fluirão através do circuito em direção ao nódulo de carga positivo.

Corrente Elétrica

O movimento da carga elétrica é conhecido como corrente elétrica, sua intensidade costuma ser medida em amperes. Esta corrente pode consistir em partículas carregadas de movimento; comumente são elétrons, mas qualquer carga em movimento constitui uma corrente. Ela pode fluir através de algumas coisas, condutores elétricos, mas não através de um isolador elétrico.

Uma corrente de carga positiva é definida como tendo a mesma direção de fluxo de qualquer carga positiva que contem ou para fluir da parte mais positiva de um circuito para a parte mais negativa. A corrente definida dessa maneira é chamada de corrente convencional.

Uma das formas mais conhecidas de corrente é o movimento de elétrons carregados negativamente ao redor de um circuito elétrico e considerado positivo na direção oposta a dos elétrons. Dependendo das condições, a corrente elétrica pode consistir em um fluxo de partículas carregadas em qualquer direção ou em ambos os sentidos ao mesmo tempo.

O processo em que a corrente elétrica passa através de um material é denominado condução elétrica. Sua natureza vária com a das partículas carregadas e o material através do qual estão viajando. Exemplos de correntes elétricas pode ser a condução metálica; onde os elétrons fluem através de um condutor como o metal e eletrólise; onde os íons fluem através de líquidos ou plasmas como faíscas elétricas.

Em engenharia ou aplicações domésticas, a corrente é geralmente descrita como continua ou alternada. São termos que se referem a como a corrente vária no tempo. A corrente contínua como a produzida pelas baterias e exigida pela maioria dos dispositivos eletrônicos é um fluxo unidirecional da parte positiva de um circuito para o negativo. Corrente alternada é qualquer corrente que inverte a direção rapidamente; quase sempre assumindo a forma de uma onda senoidal.

Circuito Elétrico

A eletricidade em circuitos eletrônicos
By DustyDingo (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons
Um circuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos, de forma que a carga elétrica flua ao longo de um caminho fechado, para executar uma tarefa útil.

Existem componentes elétricos de várias formas, em um circuito elétrico encontram-se peças como resistores, capacitores, indutores, transformadores e interruptores. Os circuitos eletrônicos geralmente contêm componentes ativos, normalmente semicondutores que caracterizam se pelo funcionamento não linear e demandam analises mais avançadas. Componentes elétricos mais simples são chamados passivos lineares; enquanto eles podem armazenar energia temporariamente, não contem fontes dela e apresentam respostas lineares aos estímulos.

A lei de Ohm é uma lei básica da teoria do circuito. Afirma que a corrente que passa por um resistor é diretamente proporcional à diferença de potencial entre os terminais do mesmo. A resistência de muitos materiais é relativamente constante em uma variedade de temperaturas correntes. Os materiais sob tais condições são conhecidos como ôhmicos. A unidade de resistência ohm foi nomeada em homenagem a Georg Ohm; é a resistência que produzirá uma diferença de potencial de um volt, em resposta a corrente de um amplificador.

Condutores e Isolantes Térmicos

O fluxo de cargas elétricas pode gerar-se no vácuo ou em meio material adequado, caracterizado como um condutor elétrico; mas não existe ou mostra-se completamente desprezível nos materiais ditos isolantes. Em um fio há a presença dos dois tipos de materiais; a capa do fio encerra em seu interior os metais que são bons condutores, ao passo que a capa em si é feita de material pertencente à classe dos bons isolantes térmicos.

É preciso ressalvar que não há isolante térmico perfeito. Os materiais isolantes são aqueles cujas estruturas químicas implicam todos os portadores de carga fortemente presos em suas posições, de maneira que os portadores de carga não possam mover-se livremente através das estruturas desses materiais.

Eletrônicos

A eletrônica lida com circuitos elétricos envolvendo componentes elétricos ativos como; tubos de vácuo, transistores, diodos, optoeletrônicos, sensores e circuitos integrados e tecnologias de interconexão passiva associadas. O comportamento não linear dos componentes ativos e sua capacidade de controlar os fluxos de elétrons permitem a amplificação de sinais fracos e a eletrônica é muito utilizada no processamento de informações, telecomunicações e processamento de sinal. A capacidade dos dispositivos eletrônicos atuarem como indutores torna possível o processamento de informações digitais.

Produção e Uso

Alternador de eletricidade
Sergei Prokudin-Gorskii [Public domain or Public domain], via Wikimedia Commons
No século VI ac. Thales de Mileto fez experimentos com hastes de âmbar que foram os primeiros estudos sobre a produção de energia elétrica. Este método agora é conhecido como efeito tribo elétrico e através dele é possível levantar objetos leves e gerar faíscas, mas ele é extremamente ineficiente. Apenas depois da invenção da pilha voltaica no século XVIII, uma fonte viável de eletricidade estava disponível. A pilha voltaica e a moderna bateria elétrica armazenam energia quimicamente, tornando-a disponível sob demanda, sob a forma de energia elétrica. Para grandes demandas, a energia elétrica deve ser gerada e transmitida continuamente em linhas de transmissão condutoras.

Geração e Transmissão

A energia elétrica comumente é gerada por geradores eletromecânicos, acionados pelo vapor produzido pela combustão de combustíveis fósseis ou pelo calor liberado de reações nucleares; entre outras fontes como energia cinética extraída do vento ou da água corrente. A turbina a vapor foi inventada por Sir Charles Parsons em 1884; cerca de 80% da energia do mundo é gerada por ela, usando várias fontes de calor. Diferentes do gerador de disco homopolar de Faraday de 1831; ainda dependem de seu principio eletromagnético, um condutor que liga um campo magnético em mudança induzindo uma diferença de potencial em suas extremidades.

Quando o transformador foi inventado no final do século XIX, a energia pode ser transmitida de forma mais eficiente a uma tensão mais alta e corrente menor. Uma transmissão elétrica eficiente possibilitava que a eletricidade fosse gerada em centrais centralizadas. Beneficiando-se de economias de escala para depois passar por longas distâncias até onde seria necessário.

Não é possível armazenar energia elétrica numa escala grande o suficiente para atender uma demanda nacional. Ela sempre precisa ser produzida exatamente como é necessária. Por isso, os serviços de eletricidade precisam fazer previsões cuidadosas de suas cargas elétricas, mantendo uma coordenação constante com as suas centrais elétricas. É necessário que sempre haja uma quantidade de energia mantida em reserva para amortecer a rede elétrica contra distúrbios e perdas inevitáveis. Algumas formas de produzir energia elétrica são:

Usinas Hidrelétricas

As usinas hidrelétricas usam a força de uma queda d’água para gerar energia elétrica. Possuem enormes turbinas que rodam impulsionadas pela pressão da água de um rio represado. Cada turbina é acoplada a um gerador. Ao girar estas turbinas acionam geradores que transformas a energia mecânica do movimento das pás da turbina em energia elétrica.

Usinas Nucleares

O reator de uma usina nuclear usa a energia contida no interior do átomo para ferver a água. Depois disso, o processo é semelhante a uma usina a vapor movida a carvão ou petróleo. O vapor da água gira uma turbina, que movimenta um gerador, produzindo energia elétrica.

A grande desvantagem deste tipo de produção de energia é o lixo nuclear que ele produz. Ele precisa ser cuidadosamente armazenado, pois oferece riscos de contaminação durante centenas de anos. Outro problema são os acidentes.

Energia Solar Fotovoltaica

A energia solar residencial é gerada por painéis solares instalados sobre o telhado de uma residência. Estes painéis solares são conectados uns aos outros e também a um inversor solar. O inversor solar converte a energia solar dos painéis fotovoltaicos em energia elétrica. A energia sai do inversor solar e vai para o quadro de luz e é distribuída para a casa ou empresa reduzindo a quantidade de energia comprada da distribuidora. O excesso de eletricidade volta para a rede elétrica através do relógio de luz.

Existem cinco tipos de sistemas fotovoltaicos, sendo eles; residencial, comercial, industrial, isolados autônomos e híbridos.

Energia Eólica

A energia eólica funciona com a força do vento girando as três pás da turbina que propulsionam um rotor conectado com o eixo principal que move um gerador. Um multiplicador de velocidade dentro da turbina gira o rotor a 1.500 giros por minuto, permitindo que o gerador produza eletricidade. Cabos que descem pelo interior da torre são conectados a uma rede para a qual enviam a energia.

Aplicações da Energia Elétrica

Lâmpadas para eletricidade

A eletricidade foi adaptada a uma crescente variedade de usos. Depois da invenção da lâmpada ocorrida na década de 1870, a iluminação se tornou uma das primeiras aplicações publicamente disponíveis de energia elétrica. Em muitas cidades os serviços públicos foram criados visando o crescente mercado da iluminação elétrica.

O efeito resistivo de aquecimento joule empregado em lâmpadas de filamento também vê uso mais direto no aquecimento elétrico. A eletricidade é uma fonte de energia extremamente prática para aquecimento e refrigeração; com ar condicionado representando um crescente setor para a demanda de eletricidade.

O telegrafo elétrico demonstrado comercialmente em 1837, pela Cooke e Eheatstone foi uma das primeiras aplicações da eletricidade. Com os primeiros sistemas de telegrafo intercontinentais e depois transatlânticos na década de 1860, permitindo a comunicação em minutos em todo o mundo. A fibra óptica e a comunicação por satélite ocuparam parte do mercado de telecomunicação; mas a eletricidade deve continuar sendo parte essencial do processo.

Os efeitos do eletromagnetismo também são empregados no motor elétrico, proporcionando um meio limpo e eficiente de força motriz. Mas um motor que se move como um veículo elétrico é obrigado a transportar uma fonte de energia como uma bateria ou cobrar corrente de um contato deslizante como um pontógrafo.

Dispositivos eletrônicos utilizam o transistor, uma das invenções mais importantes do século XX, fundamental bloco de construção de todos os circuito modernos. O circuito integrado pode conter bilhões de transistores miniaturizados em alguns centímetros quadrados.

Em transportes públicos como ônibus elétrico e trens a eletricidade também é utilizada.

Fenômenos Elétricos na Natureza

Enguias elétricas podem gerar eletricidade
By Steven G. Johnson (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY-SA 2.5-2.0-1.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5-2.0-1.0)], via Wikimedia Commons
A eletricidade não é uma invenção humana. Ela pode ser observada de várias formas na natureza, onde a manifestação proeminente é o raio. Muitas interações familiares ao nível macroscópico são devidas a interações entre campos elétricos na escala atômica. Acredita-se que o campo magnético da Terra, surge como um dínamo natural de correntes circulantes no núcleo da Terra. Alguns cristais como o quartzo, geram uma diferença de potencial em suas faces quando submetidos à pressão extrema.

Alguns organismos como os tubarões, são capazes de detectar e responder a mudanças nos campos elétricos, esta habilidade é conhecida como eletrorrecepção. Já outros chamados de eletrogênicos, podem gerar tensões que lhes sirva tanto como arma predatória como defensiva. A ordem Gymnotiformes cujo exemplo mais conhecido é a enguia elétrica; detecta ou atordoa suas presas através de altas tensões geradas a partir de células musculares modificadas chamadas eletrocitos. Todos os animais transmitem informações ao longo de suas membranas celulares com pulsos de tensão chamados potenciais de ação; estas informações incluem comunicação pelo sistema nervoso entre neurônios e músculos.

Referências

  1. Wikipédia, Eletricity, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity>.
  2. Wikipédia, Eletricidade, disponível neste link.
  3. Toda Matéria, Eletricidade, disponível, neste link.
  4. E-Física, Raios Catódicos, disponível em: <http://efisica.if.usp.br/moderna/conducao-gas/cap1_08/>.
  5. Mundo Estranho, Redação, disponível em: <https://mundoestranho.abril.com.br/tecnologia/como-funciona-uma-usina-hidreletrica/>.
  6. Mundo Estranho, disponível em: <https://mundoestranho.abril.com.br/tecnologia/como-funciona-uma-usina-nuclear/>.
  7. Portal Solar, Sistema Fotovoltaico: Como Funciona a Energia Solar, disponível em: <https://www.portalsolar.com.br/sistema-fotovoltaico–como-funciona.html>.
  8. Palpite Digital, Como Funcionam as Turbinas Eólicas de Geração de Energia, disponível em: <https://www.palpitedigital.com/como-funcionam-turbinas-eolicas-geracao-energia/>.
  9. Sparkun, What is Electricity, disponível em: <https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-electricity>.
  10. Aliança, Como Funciona a Usina Hidrelétrica, disponível em: <http://aliancaenergia.com.br/br/como-funciona-uma-usina-hidreletrica/>.

Imagens Pixabay e Wikimedia Commons.

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