Eletrodinâmica – O que é? Corrente Elétrica, Potência, Fluxo, Semicondutores e Supercondutores

A corrente elétrica nos condutores elétricos é o movimento ordenado dos portadores de carga elétrica. A eletrodinâmica é a área da física responsável pelo estudo das cargas elétricas em movimento.

Geralmente, a eletricidade é produzida a muitas centenas de quilômetros dos locais de consumo. Apesar disso, ela chega quase instantaneamente até os aparelhos elétricos, transmitida por condutores elétricos.

Fluxo de portadores de carga

Vimos que, para um material ser condutor de eletricidade, é necessário que ele possua portadores de carga elétrica (elétrons, íons positivos ou negativos) e que estes apresentem mobilidades no interior do material.

Os materiais condutores podem ser classificados em três grupos, que veremos a seguir.

Primeira classe: condutores metálicos

Nesses condutores, temos a ligação metálica, que se caracteriza pela formação de uma rede cristalina e de uma nuvem eletrônica constituída por elétrons quase livres – são os elétrons mais afastados do núcleo que apresentam fraca energia de ligação com o átomo.

Esses elétrons, que se espalham, formam uma verdadeira nuvem pelo retículo cristalino, como um gás. São esses elétrons quase livres os portadores de carga nos metais em geral, como é o caso do ferro, do níquel, do cromo, do alumínio, da prata, do cobre etc.

Segunda classe: condutores eletrolíticos

As soluções eletrolíticas têm os íons positivos e os negativos como portadores livres de carga elétrica. Íons podem ser provenientes da dissociação iônica (compostos iônicos), como é o caso da solução aquosa de NaCl, e provenientes da ionização (compostos moleculares) de compostos ácidos, básicos ou salinos em um solvente, que é normalmente a água, como é o exemplo da solução aquosa de ácido clorídrico.

Terceira classe: condutores gasosos

Normalmente, um gás é isolante, no entanto, a ação de um forte campo elétrico pode ionizá-lo, formando, como portadores livres, íons positivos e elétrons.

Semicondutores e supercondutores

Além dos três tipos de materiais condutores descritos anteriormente, temos as substâncias semicondutoras e as supercondutoras.

Como exemplo de semicondutores temos o silício e o germânio. Em altíssimos graus de pureza, esses elementos são praticamente isolantes, mas a inserção de pequenas quantidades de gálio ou arsênio, por exemplo (processo comumente chamado de “dopagem”), cria lacunas não-preenchidas por elétrons ou elétrons livres, tornando o conjunto condutor.

Modernamente, fundindo-se diferentes materiais em proporções adequadas, obtêm-se “cerâmicas” supercondutoras a temperaturas bem acima do zero absoluto, mas ainda muito baixas em relação à temperatura ambiente.

Corrente elétrica

Suponhamos um pedaço de fio de cobre isolado. Nesse metal, os elétrons livres não estão em repouso: eles descrevem um movimento caótico, sem nenhuma direção preferencial. No entanto, quando aplicamos uma diferença de potencial nos extremos desse fio, estabelecemos um movimento de elétrons numa direção preferencial, do menor para o maior potencial elétrico, constituindo o que chamamos de corrente elétrica – corrente elétrica é o movimento ordenado de portadores de carga elétrica.

O sentido escolhido para a corrente elétrica e o sentido do movimento dos portadores de carga positivos.

A intensidade da corrente elétrica (i) fornece o fluxo de portadores de carga por unidade de tempo, que é dada por:Sendo |ΔQ| a quantidade de carga e Δt o intervalo de tempo.

Ao analisarmos um gráfico de uma corrente elétrica que varia com o tempo, a área abaixo da curva indica a quantidade de carga ΔQ conduzida durante um intervalo Δt de tempo.No SI, a unidade para intensidade de corrente elétrica é o ampère (A).

É comum utilizarmos os submúltiplos da corrente elétrica:

Efeitos da corrente elétrica

Efeito Magnético

Como veremos oportunamente, toda corrente elétrica de um condutor, no espaço ao seu redor, tem um campo magnético que é proporcional à intensidade de corrente.

Efeito Joule

Nos condutores se processa a transformação da energia elétrica em energia térmica. Esse é o princípio de funcionamento do chuveiro e do ferro elétrico. O efeito Joule pode ser entendido como o resultado da colisão entre os elétrons e os átomos da estrutura do material.

Efeito fisiológico

Nossos impulsos nervosos são transmitidos por estímulos elétricos. Desse modo, a corrente elétrica, por ínfima que seja (microampères), provoca contrações musculares – dependendo da intensidade, pode causar até uma parada cardíaca.

Entretanto, embora pareçamos tão vulneráveis, a tensão necessária para produzir a situação descrita deve ser de centenas de volts, pois o corpo humano é péssimo condutor quando comparado aos metais, por exemplo.

Efeito químico

Corresponde aos fenômenos elétricos nas estruturas moleculares, objeto de estudo da Eletroquímica. A exploração desse efeito é utilizada nas pilhas e na eletrólise, bem como na cromação e niquelação de objetos.

Efeito luminoso

Também é um fenômeno elétrico de nível molecular. A excitação eletrônica pode dar margem à emissão de radiação visível, tal como observamos nas lâmpadas fluorescentes.

Potência elétrica

Para qualquer máquina e, em particular, os aparelhos eletrônicos, definimos Potencia (P) como a razão entre a quantidade de carga transformada ou transferida (ΔE) e o intervalo de tempo correspondente (Δt):A energia é medida em J (joule); já o intervalo de tempo é medido em s (segundo). Portanto, a potência elétrica é medida por joule/segundo.

Também podemos escrever a potência em função da diferença de potencial U e da corrente elétrica i:Porém, no SI, a unidade de medida da potência, ao invés de ser joule/segundo, é o watt (W). Para facilitar a medida do consumo de energia, começou a ser utilizado o quilowatt-hora, cuja relação com a unidade joule é: 1kwh = 3,6 . 10⁶ J.