Tensão e corrente

Como foi mencionado anteriormente, precisamos de mais do que apenas um caminho contínuo (ou seja, um circuito) antes que ocorra um fluxo contínuo de carga:também precisamos de alguns meios para empurrar esses portadores de carga ao redor do circuito. Assim como bolinhas de gude em um tubo ou água em um cano, é necessário algum tipo de força de influência para iniciar o fluxo. Com os elétrons, essa força é a mesma que atua na eletricidade estática:a força produzida por um desequilíbrio da carga elétrica. Se tomarmos os exemplos de cera e lã que foram esfregados, descobriremos que o excesso de elétrons na cera (carga negativa) e o déficit de elétrons na lã (carga positiva) cria um desequilíbrio de carga entre eles. Esse desequilíbrio se manifesta como uma força atrativa entre os dois objetos:



Se um fio condutor for colocado entre a cera carregada e a lã, os elétrons irão fluir através dele, pois alguns dos elétrons em excesso na cera correm através do fio para voltar à lã, preenchendo a deficiência de elétrons lá:



O desequilíbrio de elétrons entre os átomos na cera e os átomos na lã cria uma força entre os dois materiais. Sem nenhum caminho para que os elétrons fluam da cera para a lã, tudo o que essa força pode fazer é atrair os dois objetos um ao outro. Agora que um condutor preenche a lacuna isolante, entretanto, a força fará com que os elétrons fluam em uma direção uniforme através do fio, mesmo que apenas momentaneamente, até que a carga naquela área seja neutralizada e a força entre a cera e a lã diminua. A carga elétrica formada entre esses dois materiais ao esfregá-los serve para armazenar uma certa quantidade de energia. Esta energia não é diferente da energia armazenada em um reservatório alto de água que foi bombeado de uma lagoa de nível inferior:



A influência da gravidade na água do reservatório cria uma força que tenta mover a água para o nível inferior novamente. Se um tubo adequado for executado do reservatório de volta para a lagoa, a água fluirá sob a influência da gravidade para baixo do reservatório, através do tubo:



É preciso energia para bombear a água do tanque de baixo nível para o reservatório de alto, e o movimento da água através da tubulação de volta ao seu nível original constitui uma liberação de energia armazenada do bombeamento anterior. Se a água for bombeada para um nível ainda mais alto, será necessário ainda mais energia para fazê-lo, portanto, mais energia será armazenada e mais energia liberada se a água puder fluir através de um tubo de volta para baixo novamente:



Os elétrons não são muito diferentes. Se esfregarmos cera e lã, "bombearemos" elétrons para longe de seus "níveis" normais, criando uma condição em que existe uma força entre a cera e a lã, à medida que os elétrons procuram restabelecer suas posições anteriores (e se equilibrar dentro de seus respectivos átomos). A força que atrai os elétrons de volta às suas posições originais em torno dos núcleos positivos de seus átomos é análoga à força que a gravidade exerce sobre a água no reservatório, tentando puxá-la para baixo ao seu nível anterior. Assim como o bombeamento de água para um nível mais alto resulta no armazenamento de energia, “bombear” elétrons para criar um desequilíbrio de carga elétrica resulta no armazenamento de certa quantidade de energia nesse desequilíbrio. E, assim como fornecer uma maneira para que a água flua de volta das alturas do reservatório resulta em uma liberação dessa energia armazenada, fornecer uma maneira para que os elétrons voltem aos seus “níveis” originais resulta em uma liberação de energia armazenada. Quando os portadores de carga estão posicionados nessa condição estática (assim como a água parada, no alto de um reservatório), a energia armazenada lá é chamada de energia potencial , porque tem a possibilidade (potencial) de liberação que ainda não foi totalmente realizada.

Compreendendo o conceito de tensão

Quando os portadores de carga estão posicionados nessa condição estática (assim como a água parada, no alto de um reservatório), a energia armazenada ali é chamada de energia potencial, porque tem a possibilidade (potencial) de liberação que ainda não foi totalmente realizada. Quando você esfrega seus sapatos com sola de borracha em um tapete de tecido em um dia seco, cria um desequilíbrio de carga elétrica entre você e o tapete. A ação de arrastar os pés armazena energia na forma de um desequilíbrio de cargas forçadas de seus locais originais. Esta carga (eletricidade estática) é estacionária, e você nem perceberá que a energia está sendo armazenada. No entanto, quando você coloca sua mão contra uma maçaneta de metal (com muita mobilidade de elétrons para neutralizar sua carga elétrica), essa energia armazenada será liberada na forma de um fluxo repentino de carga através de sua mão, e você vai perceber isso como um choque elétrico! Essa energia potencial, armazenada na forma de um desequilíbrio de carga elétrica e capaz de fazer com que os portadores de carga fluam por um condutor, pode ser expressa como um termo denominado tensão, que tecnicamente é uma medida de energia potencial por unidade de carga ou algo que um físico faria chame energia potencial específica.

A definição de voltagem

Definida no contexto da eletricidade estática, a tensão é a medida de trabalho necessária para mover uma carga unitária de um local para outro, contra a força que tenta manter as cargas elétricas equilibradas. No contexto de fontes de energia elétrica, tensão é a quantidade de energia potencial disponível (trabalho a ser feito) por unidade de carga, para mover cargas através de um condutor. Porque a tensão é uma expressão de energia potencial, representando a possibilidade ou potencial de liberação de energia conforme a carga se move de um “nível” para outro, é sempre referenciada entre dois pontos. Considere a analogia do reservatório de água:



Por causa da diferença na altura da queda, há potencial para muito mais energia ser liberada do reservatório através da tubulação para o local 2 do que para o local 1. O princípio pode ser intuitivamente entendido no lançamento de uma rocha:o que resulta em mais impacto violento, uma pedra caiu de uma altura de um pé, ou a mesma pedra caiu de uma altura de uma milha? Obviamente, a queda de maior altura resulta em maior energia liberada (um impacto mais violento). Não podemos avaliar a quantidade de energia armazenada em um reservatório de água simplesmente medindo o volume de água mais do que podemos prever a gravidade do impacto de uma rocha caindo simplesmente por saber o peso da rocha:em ambos os casos, devemos também considerar como longe essas massas cairão de sua altura inicial. A quantidade de energia liberada permitindo que uma massa caia é relativa à distância entre seus pontos inicial e final. Da mesma forma, a energia potencial disponível para mover os portadores de carga de um ponto a outro é relativa a esses dois pontos. Portanto, a tensão é sempre expressa como uma quantidade entre dois pontos. Curiosamente, a analogia de uma massa potencialmente "caindo" de uma altura para outra é um modelo tão adequado que a tensão entre dois pontos é às vezes chamada de queda de tensão .

Gerando tensão

A voltagem pode ser gerada por meios diferentes da fricção de certos tipos de materiais uns contra os outros. Reações químicas, energia radiante e a influência do magnetismo nos condutores são algumas das maneiras pelas quais a voltagem pode ser produzida. Os respectivos exemplos dessas três fontes de voltagem são baterias, células solares e geradores (como a unidade de “alternador” sob o capô do seu automóvel). Por enquanto, não entraremos em detalhes sobre como cada uma dessas fontes de tensão funciona - o mais importante é que entendamos como as fontes de tensão podem ser aplicadas para criar fluxo de carga em um circuito elétrico. Vamos pegar o símbolo de uma bateria química e construir um circuito passo a passo:

Como funcionam as fontes de tensão?

Qualquer fonte de tensão, incluindo baterias, possui dois pontos de contato elétrico. Neste caso, temos o ponto 1 e o ponto 2 no diagrama acima. As linhas horizontais de comprimento variável indicam que se trata de uma bateria e ainda indicam a direção em que a tensão dessa bateria tentará empurrar os portadores de carga através de um circuito. O fato de as linhas horizontais no símbolo da bateria aparecerem separadas (e, portanto, incapazes de servir como um caminho para o fluxo de carga) não é motivo de preocupação:na vida real, essas linhas horizontais representam placas metálicas imersas em um material líquido ou semissólido que não apenas conduz cargas, mas também gera a voltagem para empurrá-los ao interagir com as placas. Observe os pequenos sinais “+” e “-” imediatamente à esquerda do símbolo da bateria. A extremidade negativa (-) da bateria é sempre a extremidade com o traço mais curto, e a extremidade positiva (+) da bateria é sempre a extremidade com o traço mais longo. A extremidade positiva de uma bateria é aquela que tenta empurrar os portadores de carga para fora dela (lembre-se de que, por convenção, pensamos nos portadores de carga como sendo carregados positivamente, embora os elétrons sejam carregados negativamente). Da mesma forma, a extremidade negativa é aquela que tenta atrair os portadores de carga. Com as extremidades “+” e “-” da bateria não conectadas a nada, haverá tensão entre esses dois pontos, mas não haverá fluxo de carga através da bateria porque não há um caminho contínuo através do qual os portadores de carga possam se mover.



O mesmo princípio é válido para o reservatório de água e a analogia da bomba:sem um tubo de retorno de volta ao tanque, a energia armazenada no reservatório não pode ser liberada na forma de fluxo de água. Uma vez que o reservatório esteja completamente cheio, nenhum fluxo pode ocorrer, não importa quanta pressão a bomba possa gerar. É necessário que haja um caminho (circuito) completo para que a água flua do tanque para o reservatório e de volta para o tanque para que ocorra um fluxo contínuo. Podemos fornecer esse caminho para a bateria conectando um pedaço de fio de uma extremidade da bateria à outra. Formando um circuito com uma alça de arame, iniciaremos um fluxo contínuo de carga no sentido horário:

Compreendendo o conceito de corrente elétrica

Enquanto a bateria continuar a produzir tensão e a continuidade do caminho elétrico não for interrompida, os portadores de carga continuarão a fluir no circuito. Seguindo a metáfora da água movendo-se por um tubo, este fluxo contínuo e uniforme de carga através do circuito é chamado de corrente . Enquanto a fonte de tensão continuar “empurrando” na mesma direção, os portadores de carga continuarão a se mover na mesma direção no circuito. Este fluxo de corrente de direção única é chamado de Corrente Contínua ou DC. No segundo volume desta série de livros, os circuitos elétricos são explorados onde a direção da corrente muda para frente e para trás: Corrente Alternada ou AC. Mas, por enquanto, vamos nos preocupar apenas com os circuitos DC. Como a corrente elétrica é composta de portadores de carga individuais fluindo em uníssono através de um condutor, movendo-se e empurrando os portadores de carga à frente, assim como bolas de gude por um tubo ou água por um cano, a quantidade de fluxo em um único circuito será a mesma em qualquer ponto. Se fôssemos monitorar uma seção transversal do fio em um único circuito, contando os portadores de carga fluindo, notaríamos exatamente a mesma quantidade por unidade de tempo que em qualquer outra parte do circuito, independentemente do comprimento do condutor ou condutor diâmetro. Se quebrarmos a continuidade do circuito em qualquer ponto , a corrente elétrica cessará em todo o loop, e a voltagem total produzida pela bateria se manifestará ao longo do intervalo, entre as pontas do fio que costumavam ser conectadas:

Qual é a polaridade de uma queda de tensão?

Observe os sinais “+” e “-” desenhados nas extremidades do intervalo no circuito e como eles correspondem aos sinais “+” e “-” próximos aos terminais da bateria. Esses marcadores indicam a direção em que a tensão tenta empurrar a corrente, essa direção potencial comumente referida como polaridade . Lembre-se de que a tensão é sempre relativa entre dois pontos. Por causa disso, a polaridade de uma queda de tensão também é relativa entre dois pontos:se um ponto em um circuito é rotulado com um “+” ou um “-” depende do outro ponto ao qual ele está referenciado. Dê uma olhada no seguinte circuito, onde cada canto do loop é marcado com um número para referência:



Com a continuidade do circuito interrompida entre os pontos 2 e 3, a polaridade da tensão caiu entre os pontos 2 e 3 é “+” para o ponto 2 e “-” para o ponto 3. A polaridade da bateria (1 “+” e 4 “-” ) está tentando empurrar a corrente através do loop no sentido horário de 1 para 2 para 3 para 4 e de volta para 1 novamente. Agora vamos ver o que acontece se conectarmos os pontos 2 e 3 novamente, mas colocarmos uma interrupção no circuito entre os pontos 3 e 4:



Com o intervalo entre 3 e 4, a polaridade da queda de tensão entre esses dois pontos é “-” para 4 e “+” para 3. Observe especialmente o fato de que o “sinal” do ponto 3 é oposto ao do primeiro exemplo, onde a quebra foi entre os pontos 2 e 3 (onde o ponto 3 foi identificado como “-”). É impossível para nós dizer que o ponto 3 neste circuito será sempre “+” ou “-”, porque a polaridade, como a própria tensão, não é específica para um único ponto, mas é sempre relativa entre dois pontos!

REVER:

• Os portadores de carga podem ser motivados a fluir através de um condutor pela mesma força manifestada na eletricidade estática.
• Tensão é a medida da energia potencial específica (energia potencial por unidade de carga) entre dois locais. Em termos leigos, é a medida de "impulso" disponível para motivar a cobrança.
• A tensão, como uma expressão de energia potencial, é sempre relativa entre dois locais ou pontos. Às vezes, é chamado de “queda” de tensão.
• Quando uma fonte de tensão é conectada a um circuito, a tensão irá causar um fluxo uniforme de portadores de carga através desse circuito chamado de corrente .
• Em um único circuito (um circuito), a quantidade de corrente em qualquer ponto é a mesma que a quantidade de corrente em qualquer outro ponto.
• Se um circuito contendo uma fonte de tensão for interrompido, a tensão total dessa fonte aparecerá nos pontos de interrupção.
• A orientação +/- de uma queda de tensão é chamada de polaridade . Também é relativo entre dois pontos.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de tensão, corrente e resistência