Angelo Luis Ferreira | 31/10/2024 Acessos: 435

3. A Natureza da Eletricidade

3.1. O Que é Eletricidade?

Eletricidade é uma forma de energia resultante da movimentação de partículas carregadas eletricamente, como elétrons e íons. Essa energia pode se manifestar de várias formas, incluindo corrente elétrica, campos elétricos, e cargas estáticas.

A Eletricidade pode ser descrita em termos de várias propriedades e conceitos fundamentais, como carga elétrica, corrente elétrica, campo elétrico, potencial elétrico e resistência elétrica.

3.2. A Matéria e o Átomo

Para compreender a natureza da eletricidade, é essencial primeiro entender a natureza da própria matéria.

Todos os objetos ao nosso redor são constituídos por minúsculas partículas chamadas átomos. Os átomos, por sua vez, são compostos por partículas ainda menores, organizadas de maneira específica.

3.2.1. Matéria

Do ponto de vista da eletricidade, a matéria é composta por átomos e moléculas que contêm partículas carregadas eletricamente, as quais são fundamentais para a geração e transmissão de corrente elétrica.

A matéria, no campo da eletricidade, pode ser dividida com base em sua capacidade de conduzir corrente elétrica. Essa divisão ajuda a entender como diferentes materiais interagem com cargas elétricas e se comportam em circuitos elétricos. As principais categorias são: condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores.

3.2.2. Átomos

Os átomos, por sua vez, são compostos principalmente por três tipos de partículas: prótons, nêutrons e elétrons. Os elétrons têm carga negativa e estão localizados em órbita ao redor do núcleo, que contém prótons (carga positiva) e nêutrons (sem carga elétrica). Veja a seguir uma representação gráfica de um átomo:

Observação: Hoje sabemos que a representação gráfica acima não reflete a realidade, pois as partículas que compõem os átomos não possuem formas definidas. No entanto, essa representação simplificada pode ser utilizada devido ao seu valor didático.

As partículas que constituem os átomos, elétrons, prótons e nêutrons, possuem propriedades elétricas. São dotadas de cargas elétricas e, por convenção, os elétrons têm carga negativa (-), os prótons têm carga positiva (+) e os nêutrons são neutros, ou seja, não possuem carga elétrica:

 Núcleo: é formado basicamente por partículas carregadas positivamente (os prótons) e por partículas sem carga relevante, também chamadas neutras (os nêutrons):

Prótons: Partículas carregadas positivamente. O número de prótons define o elemento químico (número atômico).

Nêutrons: Partículas neutras (sem carga elétrica). Eles contribuem para a massa do átomo e influenciam a estabilidade nuclear.

Nuvem de elétrons, orbital de elétrons ou simplesmente eletrosfera:  é composta pelos elétrons que são partículas carregadas negativamente:

Elétrons: Partículas carregadas negativamente que orbitam o núcleo em regiões chamadas orbitais. Os elétrons são responsáveis pelas interações químicas e pela condução de eletricidade.

Os elétrons, partículas carregadas negativamente, giram em torno do núcleo distribuindo-se em até sete camadas na eletrosfera.

Cada camada tem um número máximo de elétrons. Veja os valores na tabela abaixo:

A camada mais externa é denominada de valência, e geralmente é a camada responsável pelas reações químicas.

Todos os materiais encontrados na natureza são formados por diferentes tipos de átomos, diferenciados entre si pelo seu número de prótons, elétrons e nêutrons.

3.2.3. Átomo Estável e Instável

No estado natural, um átomo encontra-se em equilíbrio, possuindo a mesma quantidade de prótons e elétrons. Como as cargas opostas se neutralizam e os prótons e elétrons têm valores absolutos idênticos de carga elétrica, o átomo, em sua forma natural, é considerado neutro.

Um átomo é considerado estável quando a quantidade de energia dos elétrons (carga negativa) e dos prótons (carga positiva) está em equilíbrio. Os elétrons não estão simplesmente localizados ao redor do núcleo de forma aleatória; eles se organizam em camadas ou níveis de energia, que se encontram a distâncias específicas do núcleo. Quanto mais distante um elétron está do núcleo, menor é a força que o mantém ligado ao átomo. Essa força de atração, que liga o elétron ao núcleo, é o que denominamos "nível de energia."

O nível de energia de um elétron está diretamente relacionado à sua distância do núcleo: quanto maior a distância, maior o nível de energia do elétron. Os elétrons que ocupam a camada mais externa do átomo são conhecidos como elétrons de valência. Esses elétrons têm a capacidade de interagir com o ambiente externo.

Quando um elétron de valência recebe energia suficiente do ambiente (como através de calor, luz, ou uma corrente elétrica), ele pode absorver essa energia e saltar para um nível de energia mais alto, mais distante do núcleo. Esse processo é chamado de "excitação" do átomo, e o átomo que possui um ou mais elétrons em níveis de energia mais elevados é dito estar em um estado excitado. Nesse estado, o átomo é instável, pois o elétron está propenso a retornar ao seu nível de energia original, liberando a energia absorvida no processo.

Os níveis de energia atômica descrevem o nível de energia dos elétrons quando eles ocupam um orbital específico dentro do átomo. Um elétron pode absorver energia para se mover em direção a um orbital mais distante do núcleo ou emitir (liberar) energia para se mover em direção a um orbital mais próximo do núcleo.

- Estado fundamental

Quando todos os elétrons (e) de um átomo estão em seu nível de energia mais baixo, eles ocupam orbitais. Os elétrons não podem emitir mais energia e diz-se que o átomo está em seu estado estável.

- Estado excitado

Se aplicarmos energia externa ao elétron (e), (por exemplo, a de um fóton que colide com ele, ou uma corrente elétrica), seu potencial elétrico aumenta e o elétron “salta” para um orbital mais distante do núcleo. Se continuarmos a fornecer energia ao elétron, ele eventualmente terá energia suficiente para deixar o átomo e o átomo se tornará um íon.

Observação: Um "íon" é um átomo ou molécula que perdeu ou ganhou um ou mais elétrons, resultando em uma carga elétrica.

3.2.4. Corrente elétrica

A corrente elétrica em um condutor metálico ocorre justamente devido ao movimento desses elétrons livres. Quando um átomo em um material condutor é excitado, seus elétrons de valência podem adquirir energia suficiente para escapar da atração do núcleo, tornando-se elétrons livres. Esses elétrons livres se movem através do material, resultando no fluxo de carga elétrica que conhecemos como corrente elétrica.

3.3. Carga elétrica

Alguns átomos têm a capacidade de doar elétrons, enquanto outros podem receber elétrons. Quando essa transferência de elétrons ocorre, o equilíbrio entre as cargas positivas e negativas, que inicialmente era igual, é rompido. Como resultado, um dos corpos passa a ter um excesso de elétrons, enquanto o outro fica com uma deficiência de elétrons.

O corpo que ganha elétrons adquire uma carga com polaridade negativa, pois agora possui mais elétrons do que prótons. Por outro lado, o corpo que perde elétrons fica com uma carga com polaridade positiva, devido à ausência de elétrons suficientes para neutralizar a carga positiva dos prótons. Essa diferença de cargas entre os dois corpos cria uma tensão elétrica, que é a base para muitos fenômenos elétricos e é fundamental para o funcionamento de circuitos elétricos.

3.3.1. Carga elétrica

É uma propriedade fundamental da matéria que causa forças de atração e repulsão entre partículas subatômicas, como elétrons e prótons. Essa propriedade está associada à força que as partículas exercem umas sobre as outras, sendo a base para os fenômenos elétricos e magnéticos observados no universo.

3.3.2. Tipos de Carga Elétrica

Existem dois tipos de carga elétrica:

Carga Positiva: Associada aos prótons, que são partículas encontradas no núcleo dos átomos.

Carga Negativa: Associada aos elétrons, que orbitam ao redor do núcleo dos átomos.

3.3.3. Princípios Fundamentais da Carga Elétrica

Lei da Conservação da Carga: A carga elétrica total em um sistema isolado permanece constante. Ela não pode ser criada nem destruída, apenas transferida de um corpo para outro.

Força de Interação: Cargas elétricas de sinais opostos (positiva e negativa) se atraem, enquanto cargas de mesmo sinal se repelem.

Unidade de Medida: A carga elétrica é medida em coulombs (C) no Sistema Internacional de Unidades (SI). Um coulomb é a quantidade de carga transportada por uma corrente de um ampère durante um segundo.

3.3.4. Exemplos de Carga Elétrica

Elétrons: Cada elétron possui uma carga negativa de aproximadamente -1,6×10⁻¹⁹ coulombs.

Prótons: Cada próton possui uma carga positiva de +1,6×10⁻¹⁹ coulombs.

3.3.5. Importância da Carga Elétrica

Em circuitos elétricos, a corrente elétrica é o fluxo ordenado de cargas elétricas (geralmente elétrons) através de um condutor, como um fio de cobre, por exemplo.

A interação entre cargas elétricas também é responsável pela geração de campos elétricos e magnéticos, que são fundamentais para o funcionamento de motores, geradores, e a transmissão de sinais em telecomunicações.

3.4. Materiais Condutores, isolantes e semicondutores

Em eletrônica, cada material tem um comportamento à passagem de corrente elétrica, que pode ser dividido em três tipos principais: Materiais Condutores, Materiais Isolantes e Materiais Semicondutores:

3.4.1. Materiais condutores

São aqueles que permitem a livre movimentação de elétrons em seu interior. Devido à sua estrutura atômica, os elétrons de condução nestes materiais estão fracamente ligados aos átomos, permitindo que eles se movam facilmente quando uma diferença de potencial (voltagem) é aplicada.

Características dos condutores:

. Baixa Resistividade: Condutores têm uma baixa resistividade, o que significa que eles opõem pouca resistência ao fluxo de corrente elétrica.

. Exemplos: Os metais são os melhores condutores. O cobre e o alumínio são amplamente utilizados em fios e cabos elétricos devido à sua excelente condutividade. Outros exemplos incluem ouro, prata e ferro.

. Aplicações: Usados em fiações elétricas, componentes de circuitos eletrônicos, e em qualquer situação onde seja necessário transportar corrente elétrica com eficiência. 

3.4.2. Materiais isolantes

São aqueles que não permitem a movimentação livre de elétrons. Em um isolante, os elétrons estão fortemente ligados aos átomos e não se movem facilmente, o que impede o fluxo de corrente elétrica. Os materiais semicondutores permitem o controle preciso da corrente em dispositivos eletrônicos.

Características:

. Alta Resistividade: Isolantes possuem alta resistividade, o que significa que eles opõem grande resistência ao fluxo de corrente elétrica.

. Exemplos: Plástico, vidro, borracha, madeira, e cerâmica são exemplos de materiais isolantes. O ar também pode atuar como um isolante em condições normais.

. Aplicações: Isolantes são usados para revestir fios elétricos (evitando curtos-circuitos), em equipamentos de proteção pessoal (como luvas e botas isolantes), e em componentes eletrônicos para prevenir o fluxo indesejado de corrente elétrica.

3.4.2. Materiais semicondutores

São aqueles que têm propriedades intermediárias entre condutores e isolantes. A condutividade elétrica desses materiais pode ser alterada por meio de dopagem, variação de temperatura, ou aplicação de campos elétricos. Os materiais semicondutores permitem o controle preciso da corrente em dispositivos eletrônicos. 

Nota: Dopagem é o processo de introdução de pequenas quantidades de impurezas em um material semicondutor puro, como silício ou germânio, para alterar suas propriedades elétricas. O objetivo da dopagem é aumentar a condutividade elétrica do semicondutor, permitindo que ele conduza eletricidade de maneira controlada.

Características:

. Resistividade Moderada: Semicondutores possuem resistividade que não é tão baixa quanto a dos condutores, nem tão alta quanto a dos isolantes. Sua condutividade pode ser ajustada conforme a necessidade.

. Exemplos: Silício e germânio são os semicondutores mais comuns. Outros materiais, como o arsênio de gálio e carbono, também são utilizados em aplicações específicas.

. Aplicações: Semicondutores são a base da eletrônica moderna. Eles são usados em transistores, diodos, circuitos integrados (chips), e uma variedade de outros componentes eletrônicos essenciais para o funcionamento de dispositivos como computadores, smartphones, e sistemas de comunicação.

3.5. Energia

3.5.1. O Conceito de Energia

Energia é uma propriedade fundamental da matéria que permite a realização de trabalho ou a produção de mudanças em um sistema. Em termos simples, é a capacidade de um sistema para realizar trabalho. A energia existe em várias formas, incluindo energia cinética, potencial, térmica, química, nuclear e elétrica.

A energia é uma grandeza física fundamental que pode ser medida. A energia é medida em unidades chamadas joules (J) no Sistema Internacional de Unidades (SI).

3.5.2. Trabalho

Na física, trabalho é definido como a medida da energia transferida quando uma força é aplicada a um objeto e este se move na direção da força. Em termos simples, o trabalho é realizado sempre que uma força provoca o deslocamento de um objeto.

No contexto da eletrônica, o conceito de trabalho está relacionado à energia necessária para mover uma carga elétrica contra uma diferença de potencial (ou tensão) em um circuito elétrico. O trabalho realizado é uma medida da energia transferida à carga elétrica enquanto ela se move sob a influência de uma força elétrica.

3.5.3. Formas de Energia

. Energia Cinética: Energia associada ao movimento de um corpo.

. Energia Potencial: Energia armazenada devido à posição ou configuração de um corpo.

. Energia Térmica: Energia relacionada à temperatura de um sistema.

. Energia Química: Energia armazenada nas ligações químicas entre átomos e moléculas.

. Energia Nuclear: Energia armazenada no núcleo dos átomos.

. Energia Elétrica: Energia associada ao movimento e à interação de cargas elétricas.

3.5.4. Energia Elétrica

A energia elétrica é uma forma de energia resultante do movimento de elétrons através de um condutor. Ela é uma das formas mais versáteis e amplamente utilizadas de energia, permitindo a realização de trabalho em várias aplicações cotidianas e industriais.

3.6. Princípio da Conservação da Energia

3.6.1. Conceito

O princípio da conservação da energia é um dos pilares fundamentais da física. Ele afirma que a energia em um sistema isolado não pode ser criada nem destruída; ela pode apenas ser transformada de uma forma para outra. Este princípio é aplicável a todas as formas de energia, sejam elas cinética, potencial, térmica, elétrica, química, nuclear, entre outras.

3.6.2. Enunciado do Princípio

O enunciado do princípio da conservação da energia pode ser resumido como:

“Em um sistema isolado, a energia total permanece constante, independentemente dos processos internos que ocorram dentro do sistema. A energia pode ser transformada de uma forma em outra, mas a quantidade total de energia não se altera.”

3.6.3. Exemplo de Conservação de Energia

Observe na figura abaixo que a energia química liberada dentro da pilha é transformada em energia elétrica, que posteriormente alimenta uma lâmpada, resultando na transformação dessa energia em luz e calor (a lâmpada se aquece). Se medirmos a quantidade de luz e calor gerados pela lâmpada, verificaremos que ela corresponde exatamente à quantidade de energia liberada durante o processo químico no interior da pilha.

3.7. Equivalência entre energia e matéria

3.7.1. Equação de Albert Einstein:

A equivalência entre energia e massa é um princípio fundamental da física, descrito pela famosa equação de Albert Einstein:

E = mc²

Essa equação indica que a energia (E) e a massa (m) são duas formas diferentes de uma mesma coisa e podem ser convertidas uma na outra.

Na equação:

• E representa a energia.
• m é a massa.
• c é a velocidade da luz no vácuo (aproximadamente 300.000Km/s ou 3×10⁸ metros por segundo).

Essa equivalência significa que mesmo uma pequena quantidade de massa pode ser convertida em uma enorme quantidade de energia, como ocorre nas reações nucleares, onde a perda de uma pequena quantidade de massa resulta na liberação de uma grande quantidade de energia. Este princípio é fundamental na física nuclear e astrofísica, explicando fenômenos como a fusão nuclear no interior das estrelas.

3.8. A natureza da eletricidade

O funcionamento de qualquer dispositivo elétrico, desde uma lâmpada até um aparelho mais complexo, depende do movimento de um "fluído" chamado corrente elétrica. Este "fluído" é, na verdade, um fluxo de partículas minúsculas, conhecidas como elétrons, que transportam a energia necessária para o funcionamento do aparelho.

A corrente elétrica é o fluxo desses elétrons através dos fios e circuitos dos dispositivos. Os elétrons são partículas muito pequenas com carga elétrica negativa, que se movem através dos materiais. A natureza desses elétrons é crucial para a eletricidade e a eletrônica, pois são eles que permitem a transmissão de energia.

Os materiais que permitem a fácil movimentação dos elétrons são chamados de condutores, como os metais, que são usados para conduzir corrente elétrica. Em contraste, materiais como vidro, papel, mica e borracha são isolantes e dificultam a movimentação dos elétrons.

Além disso, podemos carregar corpos com eletricidade ao remover ou adicionar elétrons, criando uma carga estática. Esta área da eletricidade é conhecida como eletrostática.

Embora a carga negativa dos elétrons seja uma convenção, sua existência e propriedades são fundamentais para o funcionamento dos equipamentos elétricos e eletrônicos que usamos.