Grandezas elétricas básicas: corrente, tensão, potência

Tensão e corrente são os conceitos mais básicos em eletricidade. Vamos criar nossos primeiros modelos mentais para estas grandezas elétricas básicas. Também falamos sobre potência, que é o que acontece quando a tensão e a corrente agem juntas.

O conceito de eletricidade tem origem de uma observação da natureza, nós observamos a força entre objetos que, como a gravidade, atua à distância. A fonte dessa força recebeu o nome de carga. Uma coisa notável sobre força elétrica é que é grande, bem maior que a força da gravidade. Ao contrário da gravidade, no entanto, há dois tipos de cargas elétricas. Tipos opostos de carga se atraem, e tipos iguais de cargas se repelem. Gravidade só tem um tipo: sempre atrai, nunca repele.

Condutores são feitos de átomos cujos os elétrons exteriores, ou de valência, têm ligações relativamente fracas com seus núcleos, como mostrado nessa ilustração de um átomo de cobre. Quando um grupo de átomos de metal estão juntos, eles alegremente compartilham seus elétrons da valência uns com os outros, criando um "enxame" de elétrons não associados com um determinado núcleo. Uma força elétrica bem pequena pode fazer o enxame de elétrons se mover. Cobre, ouro, prata, e alumínio são bons condutores. A água salgada também.

Há também maus condutores. Tungstênio—um metal usado para filamentos de lâmpadas—e carbono—em forma de diamante—são relativamente maus condutores porque seus elétrons estão menos propensos a ser mover.

Isolantes são materiais cujos os elétrons externos são firmemente ligados aos seus núcleos. Forças elétricas modestas não são capazes de livrá-los. Quando uma força elétrica é aplicada, as nuvens de elétrons ao redor do átomo se estendem e se deformam em respostas a força, mas os elétrons não se separam. Vidro, plástico, pedra e ar são isolantes. Mesmo para isolantes, no entanto, a força elétrica pode ser grande o suficiente para mandar elétrons para longe—isso é chamado de ruptura. É isso que está acontecendo com moléculas de ar quando você vê uma faísca.

Materiais Semicondutores estão entre isolantes e condutores. Eles geralmente atuam como isolantes, mas nós podemos fazê-los agir como condutores sob certas circunstâncias. O material semicondutor mais conhecido é o silício (número atômico $14$‍). Nossa habilidade de controlar finamente as propriedades isolantes e condutivas do silício nos permite criar maravilhas modernas como computadores e celulares. Os detalhes no nível atômico de como os dispositivos semicondutores funcionam são governados pelas teorias da mecânica quântica.

Corrente é o fluxo de carga.

Carga flui em uma corrente.

Corrente é relatada como o número de cargas por unidade de tempo passando através de uma seção. Imagine dividir em seções todo o caminho através de um fio. Fique perto de uma seção e conte o número de cargas passando através dela. Anote quantas cargas passaram através da seção em um segundo. Nós designamos um sinal positivo para corrente correspondente à direção que a carga positiva estaria se movendo.

Já que corrente é a quantidade de carga passando por um certo limite em uma quantidade de tempo fixa, ela pode ser expressa matematicamente usando a seguinte equação:

Em poucas palavras, isso é corrente.

O que carrega corrente em um metal? Visto que elétrons são livres para se mover em metais, o movimento dos elétrons compõe a corrente em metais. Os núcleos positivos em átomos de metal são fixados no lugar e não contribuem para a corrente. Apesar de elétrons terem uma carga negativa e fazerem quase todo o trabalho na maioria dos circuitos elétricos, nós ainda definimos a corrente positiva como a direção que uma carga positiva se moveria. Essa é uma convenção histórica bem velha.

A corrente pode ser carregada por cargas positivas? Sim. Há muitos exemplos. Corrente é carregada por ambas cargas positivas e negativas em água salgada: Se nós colocarmos sal de cozinha comum na água, ele se transforma em um bom condutor. Sal de cozinha é cloreto de sódio, NaCl. O sal dissolve na água, em íons flutuantes Na${}^{+}$‍ e Cl${}^{-}$‍. Ambos íons respondem a uma força elétrica e se movem através da solução de água salgada, em direções opostas. Nesse caso, a corrente é composta de átomos que se movem, íons positivos e íons negativos, não só elétrons soltos. Dentro de nossos corpos, correntes elétricas são íons, tanto positivos quanto negativos, que se movem. A mesma definição de corrente funciona: conte o número de cargas passando em uma quantidade de tempo determinada.

O que causa a corrente? Objetos carregados se movem em resposta à forças elétricas e magnéticas. Essas forças vem de campos elétricos e magnéticos, que por sua vez, vem da posição e movimento de outras cargas.

Qual é a velocidade da corrente? Nós geralmente não falamos sobre a velocidade da corrente. Responder a pergunta "Quão rápida é a corrente fluindo?" requer um entendimento de um complexo fenômeno físico e muitas vezes não é relevante. Corrente normalmente não é sobre metros por segundo, é sobre carga por segundo. Mais frequentemente, nós respondemos a questão "Qual a quantidade de corrente que está fluindo?" o tempo todo.

Como falamos sobre corrente? Quando se discute corrente, termos como através de e em fazem muito sentido. Corrente flui através de um resistor; corrente flui em um fio. Se você ouve, "corrente sobre ...", isso deverá soar estranho.

Para obter nosso apoio em conceitos de tensão, vamos dar uma olhada na analogia:

Para uma massa $m$‍, uma mudança de altura $h$‍ corresponde a uma mudança de energia potencial, $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

Para uma partícula carregada $q$‍, a tensão $V$‍ corresponde a uma mudança em energia potencial, $\mathrm{\Delta }U=qV$‍.

Tensão em um circuito elétrico é análoga ao produto de $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍. Onde $g$‍ é a aceleração devido a gravidade e $\mathrm{\Delta }h$‍ é a mudança de altura.

Uma bola no topo da colina está descendo. Quando está na metade do caminho, perdeu metade da sua energia potencial.

Um elétron no topo de uma "colina" de tensão viaja "colina abaixo" através de fios e elementos de um circuito. Ele perde sua energia potencial, realizando trabalho ao longo do caminho. Quando o elétron está na metade da descida, ele perdeu, ou "soltou", metade de sua energia potencial.

Para a bola e o elétron, a viagem de descida da colina acontece espontaneamente. A bola e o elétron se movem em direção a um estado de energia mais baixa por si mesmos. Na viagem de descida, podem haver coisas no caminho da bola, como árvores ou ursos para ricocheteá-la. Para os elétrons, nós podemos guiá-los usando fios e fazendo-os fluir através de componentes eletrônicos—projetos de circuito— e fazer coisas interessantes ao longo do caminho.

Nós podemos expressar a tensão entre dois pontos matematicamente como a mudança de energia experimentada por uma carga:

Em poucas palavras, é uma descrição intuitiva de tensão.

Potência é definida como a taxa de energia ($\text{U}$‍) que é transformada ou transferida pelo tempo. Medimos a potência em unidades de joules/second, também conhecido como watts.

($1\text{watt}=1\text{joule}/\text{second}$‍)

Um circuito elétrico é capaz de transferir potência. Corrente é a taxa de fluxo de carga, e tensão mede a energia transferida por unidade de carga. Nós podemos inserir essas definições na equação para potência:

Potência elétrica é o produto de tensão pela corrente, em unidades de watts.

Esse modelos mentais para corrente e tensão nos permitirão começar a trabalhar em todos os tipos interessantes de circuitos elétricos.

Se você quer ir além dessa intuição descritiva de tensão, você pode ler mais disso em uma descrição matemática mais formal de potêncial elétrico e tensão.