Mandar

O que é eletricidade?

A eletricidade é um conjunto de fenômenos físicos associados à presença de uma carga elétrica. Embora inicialmente a eletricidade fosse considerada um fenômeno separado do magnetismo, mas com o desenvolvimento das equações de Maxwell, ambos os fenômenos foram reconhecidos como parte de um único fenômeno: o eletromagnetismo. Vários fenômenos comuns estão associados à eletricidade, como raios, eletricidade estática, aquecimento elétrico, descargas elétricas e muitos outros. Além disso, a eletricidade está no centro de muitas tecnologias modernas.

A presença de uma carga elétrica, que pode ser positiva ou negativa, gera um campo elétrico. Por outro lado, o movimento de cargas elétricas, que é chamado de corrente elétrica, cria um campo magnético.

Quando uma carga é colocada em um ponto com um campo elétrico diferente de zero, uma força atua sobre ela. A magnitude dessa força é determinada pela lei de Coulomb. Assim, se essa carga fosse movida, o campo elétrico faria o trabalho de mover (frear) a carga elétrica. Assim, podemos falar sobre o potencial elétrico em um determinado ponto no espaço, igual ao trabalho realizado por um agente externo ao transferir uma unidade de carga positiva de um ponto de referência arbitrariamente escolhido para este ponto sem qualquer aceleração e, via de regra, medido em volts.

Na engenharia elétrica, a eletricidade é usada para:

• fornecer eletricidade para onde a corrente elétrica é usada para alimentar equipamentos;
• em eletrônica lidando com circuitos elétricos que incluem componentes elétricos ativos, como tubos de vácuo, transistores, diodos e circuitos integrados, e seus elementos passivos associados.

Os fenômenos elétricos são estudados desde a antiguidade, embora o progresso na compreensão teórica tenha começado nos séculos XVII e XVIII. Mesmo assim, a aplicação prática da eletricidade era rara, e os engenheiros só puderam usá-la para fins industriais e residenciais no final do século XIX. A rápida expansão da tecnologia elétrica neste momento transformou a indústria e a sociedade. A versatilidade da eletricidade reside no fato de que ela pode ser usada em um número quase ilimitado de indústrias, como transporte, aquecimento, iluminação, comunicações e computação. A eletricidade é agora a espinha dorsal da sociedade industrial moderna.

História da eletricidade

Muito antes de haver qualquer conhecimento sobre eletricidade, as pessoas já sabiam sobre choques elétricos em peixes elétricos. Textos egípcios antigos que datam de 2750 aC. BC, eles chamavam esses peixes de "Trovão do Nilo" e os descreviam como "protetores" de todos os outros peixes. Evidências de peixes elétricos aparecem novamente milhares de anos depois de antigos naturalistas e médicos gregos, romanos e árabes. Vários escritores antigos, como Plínio, o Velho e Scribonius Largus, testemunham a dormência como efeito de choques elétricos produzidos por bagres e raios elétricos, e eles também sabiam que tais choques poderiam ser transmitidos através de objetos condutores. Pacientes que sofrem de doenças como gota ou dor de cabeça foram prescritos para tocar esses peixes na esperança de que um poderoso choque elétrico pudesse curá-los. É possível que a aproximação mais antiga e mais próxima da descoberta da identidade de relâmpago e eletricidade de qualquer outra fonte tenha sido feita pelos árabes, que até o século XV na língua aplicavam a palavra relâmpago (raad) aos raios elétricos.

As culturas antigas do Mediterrâneo sabiam que se certos objetos, como bastões de âmbar, fossem esfregados com pele de gato, atrairiam objetos mais leves, como penas. Tales de Mileto fez uma série de observações de eletricidade estática por volta de 600 aC, das quais deduziu que o atrito era necessário para tornar o âmbar capaz de atrair objetos, ao contrário de minerais como a magnetita, que não precisavam de atrito. . Tales estava errado ao acreditar que a atração do âmbar era devido ao efeito magnético, mas a ciência posterior provou a conexão entre magnetismo e eletricidade. De acordo com uma teoria controversa baseada na descoberta da bateria de Bagdá em 1936 que se assemelha a uma célula galvânica, embora não esteja claro se o artefato era de natureza elétrica, os partos podem ter conhecimento da galvanoplastia.

A eletricidade continuou a despertar nada mais do que a curiosidade intelectual por milênios até 1600, quando o cientista inglês William Gilbert fez um estudo aprofundado da eletricidade e do magnetismo e distinguiu o efeito "magnetita" da eletricidade estática produzida pela fricção do âmbar. Ele cunhou a nova palavra latina electricus ("âmbar" ou "como âmbar", de ἤλεκτρον, Elektron, do grego: "âmbar") para denotar a propriedade dos objetos de atrair pequenos objetos após a fricção. Essa associação linguística deu origem às palavras inglesas "electric" e "electricity", que apareceram pela primeira vez em "Pseudodoxia Epidemica" de Thomas Browne em 1646.

Outros trabalhos foram realizados por Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray e Charles Francois Dufay. No século 18, Benjamin Franklin fez uma extensa pesquisa sobre eletricidade, vendendo suas propriedades para financiar seu trabalho. Em junho de 1752, ele prendeu uma chave de metal no fundo de uma linha de pipa e lançou a pipa em um céu tempestuoso. A sequência de faíscas saltando da chave para as costas da mão mostrou que o relâmpago era de fato elétrico por natureza. Ele também explicou o comportamento aparentemente paradoxal do frasco de Leyden como um dispositivo para armazenar uma grande quantidade de carga elétrica em termos de eletricidade, consistindo em cargas positivas e negativas.

Em 1791, Luigi Galvani anunciou sua descoberta do bioeletromagnetismo, demonstrando que a eletricidade é o meio pelo qual os neurônios transmitem sinais aos músculos. A bateria Alessandro Volta ou poste galvânico do século XIX era feita de camadas alternadas de zinco e cobre. Para os cientistas, era uma fonte de energia elétrica mais confiável do que as máquinas eletrostáticas usadas no passado. A compreensão do eletromagnetismo como a unidade dos fenômenos elétricos e magnéticos deve-se a Oersted e André-Marie Ampère em 1819-1820. Michael Faraday inventou o motor elétrico em 1821 e Georg Ohm analisou matematicamente o circuito elétrico em 1827. Eletricidade e magnetismo (e luz) foram definitivamente conectados por James Maxwell, em particular em seu trabalho "On Physical Lines of Force" em 1861 e 1862.

Enquanto no início do século XIX o mundo assistia a um rápido progresso na ciência da eletricidade, no final do século XIX o maior progresso ocorreu no campo da engenharia elétrica. Com a ajuda de pessoas como Alexander Graham Bell, Otto Titus Blaty, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Anjos Istvan Jedlik, William Thomson, 1st Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Wilson Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla e George Westinghouse, a eletricidade evoluiu de uma curiosidade científica para uma ferramenta indispensável para a vida moderna, tornando-se a força motriz por trás da segunda revolução industrial.

Em 1887, Heinrich Hertz descobriu que eletrodos iluminados com luz ultravioleta produziam faíscas elétricas com mais facilidade do que os não iluminados. Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo explicando a evidência experimental do efeito fotoelétrico como resultado da transferência de energia da luz em pacotes quantizados discretos que excitam elétrons. Essa descoberta levou à revolução quântica. Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921 por sua "descoberta da lei do efeito fotoelétrico". O efeito fotovoltaico também é usado em células fotovoltaicas, como as encontradas em painéis solares, e isso é frequentemente usado para gerar eletricidade para fins comerciais.

O primeiro dispositivo semicondutor foi o detector "bigode de gato", que foi usado pela primeira vez em receptores de rádio em 1900. O fio semelhante a um bigode é colocado em contato leve com um cristal sólido (por exemplo, um cristal de germânio) para detectar um sinal de rádio por meio de um efeito de transição de contato. Em um nó semicondutor, a corrente é aplicada a elementos semicondutores e conexões projetadas especificamente para comutação e amplificação de corrente. A corrente elétrica pode ser representada de duas formas: na forma de elétrons carregados negativamente, bem como vacâncias de elétrons carregados positivamente (elétrons não preenchidos em lugares em um átomo semicondutor), chamados buracos. Essas cargas e buracos são entendidos do ponto de vista da física quântica. O material de construção é mais frequentemente um semicondutor cristalino.

O desenvolvimento de dispositivos semicondutores começou com a invenção do transistor em 1947. Dispositivos semicondutores comuns são transistores, chips de microprocessadores e chips de RAM. Um tipo especializado de memória chamado memória flash é usado em unidades flash USB e, mais recentemente, unidades de disco rígido rotativas mecanicamente também foram substituídas por unidades de estado sólido. Dispositivos semicondutores tornaram-se comuns nas décadas de 1950 e 1960, durante a transição de válvulas de vácuo para diodos semicondutores, transistores, circuitos integrados (ICs) e diodos emissores de luz (LEDs).

Conceitos básicos de eletricidade

Carga elétrica

A presença de uma carga gera uma força eletrostática: as cargas exercem uma força umas sobre as outras, esse efeito era conhecido na antiguidade, embora não fosse então compreendido. Uma bola leve suspensa em uma corda pode ser carregada ao tocá-la com uma vareta de vidro, que foi previamente carregada por fricção contra um pano. Uma bola semelhante carregada pelo mesmo bastão de vidro repelirá a primeira: a carga faz com que as duas bolas se separem. Duas bolas que são carregadas por uma haste âmbar atritada também se repelem. No entanto, se uma bola é carregada de uma haste de vidro e a outra de uma haste de âmbar, ambas as bolas começam a se atrair. Esses fenômenos foram investigados no final do século XVIII por Charles Augustin de Coulomb, que concluiu que a carga aparece em duas formas opostas. Essa descoberta levou a um axioma bem conhecido: objetos com cargas semelhantes se repelem e objetos com cargas opostas se atraem.

A força atua sobre as próprias partículas carregadas, portanto, a carga tende a se espalhar o mais uniformemente possível sobre a superfície condutora. A magnitude da força eletromagnética, seja atrativa ou repulsiva, é determinada pela lei de Coulomb, que afirma que a força eletrostática é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A interação eletromagnética é muito forte, é inferior em força apenas à interação forte, mas ao contrário desta última, atua a qualquer distância. Comparada com a força gravitacional muito mais fraca, a força eletromagnética empurra dois elétrons 1042 vezes mais do que a força gravitacional os puxa.

O estudo mostrou que a fonte da carga são certos tipos de partículas subatômicas que possuem a propriedade de uma carga elétrica. A carga elétrica gera e interage com a força eletromagnética, que é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Os portadores de carga elétrica mais conhecidos são o elétron e o próton. O experimento mostrou que a carga é uma quantidade conservada, ou seja, a carga total dentro de um sistema isolado sempre permanecerá constante independente de quaisquer mudanças que ocorram dentro deste sistema. Em um sistema, a carga pode ser transferida entre corpos por contato direto ou por transferência através de um material condutor, como um fio. O termo informal "eletricidade estática" significa a presença líquida de uma carga (ou "desequilíbrio" de cargas) em um corpo, geralmente causada por materiais diferentes sendo esfregados para transferir carga um do outro.

As cargas dos elétrons e prótons têm sinais opostos, portanto, a carga total pode ser positiva ou negativa. Por convenção, a carga transportada pelos elétrons é considerada negativa e a carregada pelos prótons é positiva, seguindo a tradição estabelecida pelo trabalho de Benjamin Franklin. A quantidade de carga (a quantidade de eletricidade) é geralmente indicada pelo símbolo Q e é expressa em coulombs; cada elétron carrega a mesma carga, aproximadamente -1,6022 × 10-19 coulombs. O próton tem uma carga igual em valor e de sinal oposto e, portanto, +1,6022 × 10-19 Coulomb. Não só a matéria tem uma carga, mas também a antimatéria, cada antipartícula carrega uma carga igual, mas de sinal oposto à carga de sua partícula correspondente.

A carga pode ser medida de várias maneiras: um instrumento antigo, o eletroscópio de folha de ouro, que, embora ainda usado para demonstrações de treinamento, agora é substituído por um eletrômetro eletrônico.

Eletricidade

O movimento das cargas elétricas é chamado de corrente elétrica, sua intensidade geralmente é medida em amperes. A corrente pode ser criada por quaisquer partículas carregadas em movimento; na maioria das vezes são elétrons, mas em princípio qualquer carga colocada em movimento é uma corrente.

Por convenção histórica, a corrente positiva é determinada pela direção do movimento das cargas positivas que fluem da parte mais positiva do circuito para a parte mais negativa. A corrente definida desta forma é chamada de corrente condicional. Uma das formas mais conhecidas de corrente é o movimento de elétrons carregados negativamente através de um circuito e, portanto, a direção positiva da corrente é orientada na direção oposta ao movimento dos elétrons. No entanto, dependendo das condições, uma corrente elétrica pode consistir em um fluxo de partículas carregadas movendo-se em qualquer direção e até mesmo em ambas as direções ao mesmo tempo. A convenção de que a direção positiva da corrente é a direção do movimento de cargas positivas é amplamente utilizada para simplificar esta situação.

O processo pelo qual uma corrente elétrica passa através de um material é chamado de condução elétrica, e sua natureza varia dependendo de quais partículas carregadas a conduzem e do material através do qual elas se movem. Exemplos de correntes elétricas incluem a condução metálica, realizada pelo fluxo de elétrons através de um condutor como o metal, e a eletrólise, realizada pelo fluxo de íons (átomos carregados) através de um líquido ou plasma, como em faíscas elétricas. Embora as próprias partículas possam se mover muito lentamente, às vezes com uma velocidade média de deriva de apenas uma fração de milímetro por segundo, o campo elétrico que as impulsiona viaja próximo à velocidade da luz, permitindo que os sinais elétricos viajem rapidamente pelos fios.

A corrente causa uma série de efeitos observáveis ​​que historicamente têm sido um sinal de sua presença. A possibilidade de decomposição da água sob a influência da corrente de uma coluna galvânica foi descoberta por Nicholson e Carlisle em 1800. Este processo é agora chamado eletrólise. Seu trabalho foi grandemente expandido por Michael Faraday em 1833. A corrente que flui através da resistência causa aquecimento localizado. Este efeito foi descrito matematicamente por James Joule em 1840. Uma das descobertas mais importantes sobre a corrente foi feita acidentalmente por Oersted em 1820, quando, enquanto preparava uma palestra, descobriu que a corrente fluindo através de um fio fazia girar a agulha de uma bússola magnética. Então ele descobriu o eletromagnetismo, a interação fundamental entre eletricidade e magnetismo. O nível de emissões eletromagnéticas geradas por um arco elétrico é alto o suficiente para produzir interferência eletromagnética que pode prejudicar o funcionamento de equipamentos adjacentes.Ele descobriu o eletromagnetismo, a interação fundamental entre eletricidade e magnetismo. O nível de emissões eletromagnéticas geradas por um arco elétrico é alto o suficiente para produzir interferência eletromagnética que pode interferir em equipamentos próximos.

Para aplicações técnicas ou domésticas, a corrente é frequentemente caracterizada como direta (DC) ou alternada (AC). Esses termos referem-se a como a corrente muda ao longo do tempo. A corrente contínua produzida por uma bateria, por exemplo, e exigida pela maioria dos dispositivos eletrônicos, é um fluxo unidirecional do potencial positivo do circuito para o negativo. Se esse fluxo, que acontece com mais frequência, for carregado por elétrons, eles se moverão na direção oposta. Corrente alternada é qualquer corrente que muda continuamente de direção, quase sempre na forma de uma senóide. A corrente alternada pulsa para frente e para trás dentro do condutor sem mover a carga em qualquer distância finita em um longo período de tempo. O valor médio do tempo da corrente alternada é zero, mas fornece energia primeiro em uma direção e depois na direção oposta. A corrente alternada depende de propriedades elétricas que não se manifestam em um modo estacionário de corrente contínua, por exemplo, na indutância e na capacitância. Essas propriedades, no entanto, podem entrar em jogo quando o circuito é submetido a transientes, como durante a energização inicial.

Campo elétrico

O conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday. Um campo elétrico é criado por um corpo carregado no espaço que circunda o corpo e resulta em uma força agindo sobre quaisquer outras cargas localizadas no campo. Um campo elétrico atua entre duas cargas semelhante a um campo gravitacional entre duas massas, e também se estende ao infinito e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os corpos. No entanto, há uma diferença significativa. A gravidade sempre atrai, fazendo com que duas massas se unam, enquanto um campo elétrico pode resultar em atração ou repulsão. Como corpos grandes, como planetas como um todo, têm carga líquida zero, seu campo elétrico à distância é geralmente zero. Assim, a gravidade é a força dominante em grandes distâncias no universo, apesar do fato de que ela mesma é muito mais fraca.

O campo elétrico, como regra, difere em diferentes pontos no espaço, e sua intensidade em qualquer ponto é definida como a força (por unidade de carga) que uma carga imóvel e desprezível experimentará se for colocada naquele ponto. A carga abstrata, chamada de "carga de teste", deve ser de valor muito pequeno para que seu próprio campo elétrico perturbando o campo principal possa ser desprezado, e também deve ser estacionária (imóvel) para evitar a influência de campos magnéticos. Como um campo elétrico é definido em termos de força, e a força é um vetor, então um campo elétrico também é um vetor, tendo magnitude e direção. Mais especificamente, o campo elétrico é um campo vetorial.

A doutrina dos campos elétricos criados por cargas estacionárias é chamada de eletrostática. O campo pode ser visualizado usando um conjunto de linhas imaginárias, cuja direção em qualquer ponto do espaço coincide com a direção do campo. Este conceito foi introduzido por Faraday, e o termo "linhas de força" ainda é encontrado ocasionalmente. As linhas de campo são os caminhos ao longo dos quais uma carga pontual positiva se move sob a influência de um campo. Eles são, no entanto, um objeto abstrato, não físico, e o campo permeia todo o espaço intermediário entre as linhas. As linhas de campo que emanam de cargas estacionárias têm várias propriedades importantes: primeiro, elas começam em cargas positivas e terminam em cargas negativas; em segundo lugar, eles devem entrar em qualquer condutor ideal em ângulos retos (normais), e em terceiro lugar, eles nunca se cruzam e se fecham.

Um corpo condutor oco contém toda a sua carga em sua superfície externa. Portanto, o campo é igual a zero em todos os lugares dentro do corpo. A gaiola de Faraday funciona com este princípio - uma concha de metal que isola seu espaço interno de influências elétricas externas.

Os princípios da eletrostática são importantes no projeto de elementos de equipamentos de alta tensão. Existe um limite finito para a força do campo elétrico que pode ser sustentado por qualquer material. Acima deste valor, ocorre uma avaria elétrica, que provoca um arco elétrico entre as partes carregadas. Por exemplo, no ar, a ruptura elétrica ocorre em pequenos intervalos com uma força de campo elétrico superior a 30 kV por centímetro. Com um aumento na folga, a resistência à ruptura final diminui para aproximadamente 1 kV por centímetro. O fenômeno natural mais notável é o relâmpago. Ocorre quando as cargas são separadas nas nuvens por colunas ascendentes de ar, e o campo elétrico no ar começa a exceder o valor de ruptura. A tensão de uma grande nuvem de tempestade pode chegar a 100 MV e ter um valor de energia de descarga de 250 kWh.

A magnitude da força do campo é fortemente influenciada por objetos condutores próximos, e a força é especialmente alta quando o campo tem que se curvar em torno de objetos pontiagudos. Este princípio é usado em pára-raios, cujas torres afiadas forçam os raios a descarregar neles e não nos edifícios que protegem.

Potencial elétrico

O conceito de potencial elétrico está intimamente relacionado ao campo elétrico. Uma pequena carga colocada em um campo elétrico sofre uma força e, para mover a carga contra essa força, é necessário trabalho. O potencial elétrico em qualquer ponto é definido como a energia necessária para mover uma carga unitária de teste extremamente lentamente do infinito até aquele ponto. O potencial é geralmente medido em volts, e um potencial de um volt é o potencial no qual um joule de trabalho deve ser gasto para mover um coulomb de carga do infinito. Esta definição formal de potencial é de pouca utilidade prática, e mais útil é o conceito de diferença de potencial elétrico, ou seja, a energia necessária para mover uma unidade de carga entre dois pontos dados. O campo elétrico tem uma característica, é conservativo, o que significa que o caminho percorrido pela carga de teste não importa: a passagem de todos os caminhos possíveis entre dois pontos dados sempre terá a mesma energia e, portanto, há um único valor de a diferença de potencial entre duas posições. O volt tornou-se tão firmemente estabelecido como uma unidade de medida e descrição da diferença de potencial elétrico que o termo tensão é usado amplamente e todos os dias.

Para fins práticos, é útil definir um ponto de referência comum contra o qual os potenciais podem ser expressos e comparados. Embora possa estar no infinito, é muito mais prático usar a própria Terra como potencial zero, que se supõe ter o mesmo potencial em todos os lugares. Este ponto de referência, é claro, é referido como "terra" (terra). A terra é uma fonte infinita de quantidades iguais de cargas positivas e negativas e, portanto, é eletricamente neutra e não carregável.

O potencial elétrico é uma grandeza escalar, ou seja, tem apenas um valor e não tem direção. Pode ser pensado como análogo à altura: assim como um objeto lançado cairá devido à diferença de altura causada pelo campo gravitacional, a carga "cairá" devido à tensão causada pelo campo elétrico. Assim como os mapas representam o terreno por meio de linhas de contorno conectando pontos de igual altura, um conjunto de linhas conectando pontos de igual potencial (conhecidos como equipotenciais) pode ser desenhado em torno de um objeto carregado eletrostaticamente. Equipotenciais interceptam todas as linhas de força em ângulos retos. Eles também devem estar paralelos à superfície do condutor, caso contrário será produzida uma força que move os portadores de carga ao longo da superfície equipotencial do condutor.

Um campo elétrico é formalmente definido como a força exercida por unidade de carga, mas o conceito de potencial fornece uma definição mais útil e equivalente: um campo elétrico é um gradiente de potencial elétrico local. Via de regra, é expresso em volts por metro, e a direção do vetor campo é a linha de maior variação de potencial, ou seja, na direção da localização mais próxima de outro equipotencial.

Eletroímãs

A descoberta de Oersted em 1821 do fato de que existe um campo magnético em torno de todos os lados de um fio que transporta uma corrente elétrica mostrou que havia uma relação direta entre eletricidade e magnetismo. Além disso, a interação parecia diferente das forças gravitacionais e eletrostáticas, duas forças da natureza então conhecidas. A força agiu na agulha da bússola, não em direção ou longe do fio atual, mas em ângulos retos com ele. Em palavras um pouco obscuras "o conflito elétrico tem um comportamento rotativo" Oersted expressou sua observação. Essa força também dependia da direção da corrente, pois se a corrente mudasse de direção, a força magnética também a mudaria.

Oersted não entendeu completamente sua descoberta, mas o efeito que observou foi mútuo: a corrente exerce uma força sobre o ímã e o campo magnético exerce uma força sobre a corrente. O fenômeno foi estudado por Ampère, que descobriu que dois fios paralelos que transportam corrente exercem uma força um sobre o outro: dois fios que transportam correntes na mesma direção se atraem, enquanto os fios contendo correntes em direções opostas se repelem. . Essa interação ocorre através do campo magnético que cada corrente cria e, com base nesse fenômeno, é determinada a unidade de corrente - Ampere no sistema internacional de unidades.

Essa relação entre campos magnéticos e correntes é extremamente importante porque levou à invenção do motor elétrico por Michael Faraday em 1821. Seu motor unipolar consistia em um ímã permanente colocado em um recipiente de mercúrio. A corrente foi passada através de um fio suspenso em uma suspensão articulada acima de um ímã e imerso em mercúrio. O ímã exerceu uma força tangencial no fio, o que fez com que este girasse em torno do ímã enquanto a corrente fosse mantida no fio.

Um experimento feito por Faraday em 1831 mostrou que um fio se movendo perpendicularmente a um campo magnético criava uma diferença de potencial nas extremidades. Uma análise mais aprofundada desse processo, conhecido como indução eletromagnética, permitiu-lhe formular o princípio, agora conhecido como lei de indução de Faraday, de que a diferença de potencial induzida em um circuito fechado é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético que penetra no circuito. O desenvolvimento desta descoberta permitiu a Faraday inventar o primeiro gerador elétrico, em 1831, que converte a energia mecânica de um disco de cobre rotativo em energia elétrica. O disco de Faraday era ineficiente e não era usado como gerador prático, mas mostrava a possibilidade de gerar eletricidade usando magnetismo, e essa possibilidade foi adotada por aqueles que acompanharam seus desenvolvimentos.

A capacidade das reações químicas de produzir eletricidade e, inversamente, a capacidade da eletricidade de produzir reações químicas tem uma ampla gama de aplicações.

A eletroquímica sempre foi uma parte importante do estudo da eletricidade. Desde a invenção original da coluna voltaica, as células galvânicas evoluíram para uma ampla variedade de tipos de baterias, células galvânicas e eletrolíticas. O alumínio é produzido em grandes quantidades por eletrólise, e muitos dispositivos eletrônicos portáteis usam fontes de energia recarregáveis.

Circuitos elétricos

Um circuito elétrico é uma conexão de componentes elétricos de tal forma que uma carga elétrica forçada a passar ao longo de um caminho fechado (circuito) geralmente executa várias tarefas úteis.

Os componentes de um circuito elétrico podem assumir muitas formas, atuando como elementos como resistores, capacitores, interruptores, transformadores e componentes eletrônicos. Os circuitos eletrônicos contêm componentes ativos, como semicondutores, que normalmente operam de maneira não linear e exigem que uma análise complexa seja aplicada a eles. Os componentes elétricos mais simples são os chamados passivos e lineares: embora possam armazenar energia temporariamente, eles não contêm nenhuma fonte de energia e operam de forma linear.

Um resistor é talvez o mais simples dos elementos passivos do circuito: como o próprio nome sugere, ele resiste à corrente que flui através dele, dissipando energia elétrica na forma de calor. A resistência é uma consequência do movimento da carga através de um condutor: em metais, por exemplo, a resistência é principalmente devido a colisões de elétrons e íons. A lei de Ohm é a lei básica da teoria dos circuitos e afirma que a corrente que passa por uma resistência é diretamente proporcional à diferença de potencial através dela. A resistência da maioria dos materiais é relativamente constante em uma ampla faixa de temperaturas e correntes; materiais que atendem a essas condições são conhecidos como "ôhmicos". O ohm é uma unidade de resistência com o nome de Georg Ohm e é denotada pela letra grega Ω. 1 ohm é uma resistência que cria uma diferença de potencial de um volt quando uma corrente de um ampere passa por ela.

O capacitor é uma atualização do frasco de Leyden e é um dispositivo que pode armazenar carga e, assim, acumular energia elétrica no campo gerado. Consiste em duas placas condutoras separadas por uma fina camada dielétrica isolante; na prática, é um par de tiras finas de folha de metal enroladas juntas para aumentar a área de superfície por unidade de volume e, portanto, a capacitância. A unidade de capacitância é o farad, em homenagem a Michael Faraday e denotado pelo símbolo F: um farad é a capacitância que cria uma diferença de potencial de um volt ao armazenar uma carga de um coulomb. Uma corrente flui primeiro através de um capacitor conectado a uma fonte de energia, uma vez que a carga se acumula no capacitor; esta corrente, no entanto, diminuirá à medida que o capacitor for carregado e, eventualmente, tornar-se-á zero. O capacitor, portanto, não passa corrente contínua, mas a bloqueia.

Uma indutância é um condutor, geralmente uma bobina de fio, que armazena energia em um campo magnético gerado quando uma corrente passa por ele. Quando a corrente muda, o campo magnético também muda, criando uma tensão entre as extremidades do condutor. A tensão induzida é proporcional à taxa de variação da corrente. O coeficiente de proporcionalidade é chamado de indutância. A unidade de indutância é o Henry, em homenagem a Joseph Henry, um contemporâneo de Faraday. Uma indutância de um henry é uma indutância que causa uma diferença de potencial de um volt a uma taxa de variação de corrente através dela de um ampere por segundo. O comportamento de um indutor é o oposto do de um capacitor: ele passará livremente a corrente contínua e bloqueará a corrente que muda rapidamente.

Energia elétrica

Potência elétrica é a taxa na qual a energia elétrica é transferida por um circuito elétrico. A unidade SI de potência é o watt, igual a um joule por segundo.

A energia elétrica, como a energia mecânica, é a taxa na qual o trabalho é realizado, medido em watts e indicado pela letra P. O termo consumo de energia, usado coloquialmente, significa "potência elétrica em watts". A potência elétrica em watts produzida por uma corrente elétrica I igual à passagem de uma carga Q coulomb a cada t segundos através de uma diferença de potencial elétrico (tensão) V é

P = QV/t = IV

• Q - carga elétrica em coulombs
• t - tempo em segundos
• I - corrente elétrica em amperes
• V - potencial elétrico ou tensão em volts

A geração de eletricidade é frequentemente produzida por geradores elétricos, mas também pode ser gerada por fontes químicas, como baterias elétricas ou por outros meios, usando uma ampla variedade de fontes de energia. A energia elétrica é normalmente fornecida a empresas e residências por concessionárias de energia elétrica. A eletricidade geralmente é faturada por quilowatt-hora (3,6 MJ), que é a energia gerada em quilowatts multiplicada pelo tempo de funcionamento em horas. No setor de energia elétrica, as medições de energia são feitas por meio de medidores de energia elétrica, que lembram a quantidade total de energia elétrica fornecida ao cliente. Ao contrário dos combustíveis fósseis, a eletricidade é uma forma de energia de baixa entropia e pode ser convertida em energia de movimento ou muitos outros tipos de energia com alta eficiência.

Eletrônicos

A eletrônica lida com circuitos elétricos, que incluem componentes elétricos ativos, como tubos de vácuo, transistores, diodos e circuitos integrados, e seus elementos passivos e de comutação associados. O comportamento não linear dos componentes ativos e sua capacidade de controlar o fluxo de elétrons permite a amplificação de sinais fracos e o amplo uso da eletrônica no processamento de informações, telecomunicações e processamento de sinais. A capacidade dos dispositivos eletrônicos de atuar como interruptores permite o processamento digital de informações. Elementos de comutação, como placas de circuito impresso, tecnologias de embalagem e várias outras formas de infraestrutura de comunicação, complementam a funcionalidade do circuito e transformam componentes diferentes em um sistema de trabalho normal.

Hoje, a maioria dos dispositivos eletrônicos usa componentes semicondutores para implementar o controle eletrônico. O estudo de dispositivos semicondutores e tecnologias relacionadas é considerado um ramo da física do estado sólido, enquanto o projeto e construção de circuitos eletrônicos para resolver problemas práticos pertence ao campo da eletrônica.

Ondas eletromagnéticas

O trabalho de Faraday e Ampère mostrou que um campo magnético variável no tempo gerava um campo elétrico, e um campo elétrico variável no tempo era a fonte do campo magnético. Assim, quando um campo muda ao longo do tempo, outro campo é sempre induzido. Tal fenômeno tem propriedades ondulatórias e é naturalmente chamado de onda eletromagnética. As ondas eletromagnéticas foram teoricamente analisadas por James Maxwell em 1864. Maxwell desenvolveu um conjunto de equações que poderiam descrever inequivocamente a relação entre um campo elétrico, um campo magnético, uma carga elétrica e uma corrente elétrica. Ele também foi capaz de provar que tal onda necessariamente se propaga na velocidade da luz e, portanto, a própria luz é uma forma de radiação eletromagnética. O desenvolvimento das leis de Maxwell, que combinam luz, campos e carga, é uma das etapas mais importantes da história da física teórica.

Assim, o trabalho de muitos pesquisadores tornou possível usar a eletrônica para converter sinais em correntes oscilatórias de alta frequência e, por meio de condutores de formato adequado, a eletricidade permite que esses sinais sejam transmitidos e recebidos por ondas de rádio em distâncias muito longas.

Produção e uso de energia elétrica

Geração e transmissão de corrente elétrica

No século 6 aC e. O filósofo grego Tales de Mileto experimentou com hastes de âmbar, e esses experimentos foram os primeiros estudos no campo da produção de energia elétrica. Embora esse método, agora conhecido como efeito triboelétrico, pudesse apenas levantar objetos leves e gerar faíscas, era extremamente ineficiente. Com a invenção do pólo voltaico no século XVIII, tornou-se disponível uma fonte viável de eletricidade. A coluna voltaica e sua descendente moderna, a bateria elétrica, armazena energia na forma química e a libera como energia elétrica sob demanda. A bateria é uma fonte de energia versátil e muito comum, ideal para muitas aplicações, mas a energia armazenada nela é finita e, uma vez esgotada, a bateria deve ser descartada ou recarregada. Para grandes necessidades, a energia elétrica deve ser gerada e transmitida continuamente através de linhas de energia condutivas.

A eletricidade é tipicamente gerada por geradores eletromecânicos acionados por vapor da queima de combustíveis fósseis ou calor de reações nucleares; ou de outras fontes, como energia cinética extraída do vento ou da água corrente. A moderna turbina a vapor, desenvolvida por Sir Charles Parsons em 1884, hoje produz cerca de 80% da eletricidade do mundo usando várias fontes de calor. Esses osciladores não têm nenhuma semelhança com o oscilador de disco unipolar de Faraday de 1831, mas ainda se baseiam em seu princípio eletromagnético, segundo o qual um condutor, ao se interligar com um campo magnético variável, induz uma diferença de potencial em suas extremidades. A invenção do transformador no final do século 19 significou que a energia elétrica poderia ser transferida de forma mais eficiente em alta tensão, mas corrente mais baixa. A transmissão elétrica eficiente significa, por sua vez, que a eletricidade pode ser gerada em usinas centralizadas, beneficiando-se de economias de escala, e então transmitida por distâncias relativamente longas para onde é necessária.

Como a energia elétrica não pode ser facilmente armazenada em quantidades suficientes para atender às necessidades em escala nacional, ela deve ser produzida a qualquer momento na quantidade necessária atualmente. Isso obriga as concessionárias a prever cuidadosamente suas cargas elétricas e coordenar constantemente esses dados com as usinas de energia. Alguma quantidade de capacidade de geração deve sempre ser mantida em reserva como uma rede de segurança para a rede elétrica em caso de aumento acentuado na demanda por eletricidade.

A demanda por eletricidade está crescendo rapidamente à medida que o país se moderniza e desenvolve sua economia. Os Estados Unidos experimentaram um crescimento de 12% na demanda durante as três primeiras décadas do século 20 a cada ano. Essa taxa de crescimento está sendo observada atualmente em economias emergentes como a Índia ou a China. Historicamente, a taxa de crescimento da demanda por eletricidade superou a taxa de crescimento da demanda por outros tipos de energia.

As preocupações ambientais relacionadas com a geração de eletricidade levaram a uma maior atenção à geração de eletricidade a partir de fontes renováveis, em particular as centrais eólicas e hidroelétricas. Embora se possa esperar um debate contínuo sobre o impacto ambiental dos vários meios de geração de eletricidade, sua forma final é relativamente limpa.

Maneiras de usar a eletricidade

A transmissão de eletricidade é uma forma muito conveniente de transmissão de energia, e tem sido adaptada a um grande e crescente número de aplicações. A invenção da lâmpada incandescente prática na década de 1870 levou a iluminação a ser um dos primeiros usos de eletricidade disponíveis em massa. Embora a eletrificação tenha seus próprios riscos, a substituição da iluminação a gás de chama aberta reduziu bastante o risco de incêndio dentro de residências e fábricas. Os serviços públicos foram estabelecidos em muitas cidades para atender ao crescente mercado de iluminação elétrica.

O efeito resistivo de aquecimento Joule é utilizado nos filamentos de lâmpadas incandescentes e também encontra aplicação mais direta em sistemas de aquecimento elétrico. Embora esse método de aquecimento seja versátil e controlável, pode ser considerado um desperdício, pois a maioria dos métodos de geração de eletricidade já exige a produção de energia térmica em uma usina. Vários países, como a Dinamarca, emitiram leis restringindo ou proibindo o uso de aquecimento elétrico resistivo em novos edifícios. A eletricidade, no entanto, ainda é uma fonte de energia muito prática para aquecimento e resfriamento, com condicionadores de ar ou bombas de calor representando um setor de demanda crescente de eletricidade para aquecimento e resfriamento, cujas consequências são cada vez mais obrigadas a considerar as concessionárias.

A eletricidade é usada em telecomunicações e, de fato, o telégrafo elétrico, que foi demonstrado comercialmente em 1837 por Cook e Wheatstone, foi uma das primeiras aplicações de telecomunicações elétricas. Com a construção dos primeiros sistemas telegráficos intercontinentais e depois transatlânticos na década de 1860, a eletricidade tornou possível a comunicação em poucos minutos com todo o globo. A fibra ótica e as comunicações por satélite fizeram parte do mercado de comunicações, mas a eletricidade deverá continuar a ser uma parte importante deste processo.

O uso mais óbvio dos efeitos do eletromagnetismo ocorre no motor elétrico, que é um meio de propulsão limpo e eficiente. Um motor estacionário, como um guincho, é fácil de fornecer energia, mas um motor para um aplicativo móvel, como um veículo elétrico, precisa mover fontes de energia, como baterias, ou coletar corrente com um contato deslizante conhecido como pantógrafo.

Dispositivos eletrônicos usam o transistor, talvez uma das invenções mais importantes do século 20, que é o bloco de construção fundamental de todos os circuitos modernos. Um circuito integrado moderno pode conter vários bilhões de transistores miniaturizados em uma área de apenas alguns centímetros quadrados.

A eletricidade também é usada como fonte de combustível para o transporte público, incluindo ônibus e trens elétricos.

O efeito da eletricidade nos organismos vivos

O efeito da corrente elétrica no corpo humano

A tensão aplicada ao corpo humano faz com que uma corrente elétrica flua pelos tecidos e, embora essa relação seja não linear, quanto maior a tensão aplicada, maior a corrente. O limite de detecção varia com a frequência de alimentação e a localização do fluxo de corrente e é de aproximadamente 0,1 mA a 1 mA para eletricidade de frequência de rede, embora correntes tão pequenas quanto um microampere possam ser detectadas como um efeito de eletrovibração sob certas condições. Se a corrente for grande o suficiente, pode causar contração muscular, arritmia cardíaca e queimaduras nos tecidos. A ausência de qualquer indicação visível de que um condutor está energizado torna a eletricidade especialmente perigosa. A dor causada pelo choque elétrico pode ser intensa, fazendo com que a eletricidade seja usada algumas vezes como método de tortura. A pena de morte realizada por choque elétrico é chamada de execução na cadeira elétrica (eletrocussão). A eletrocussão ainda é uma forma de punição judicial em alguns países, embora seu uso tenha se tornado mais raro nos últimos tempos.

Fenômenos elétricos na natureza

A eletricidade não é uma invenção humana, ela pode ser observada de várias formas na natureza, sendo uma manifestação notável o relâmpago. Muitas interações familiares no nível macroscópico, como toque, fricção ou ligação química, são devidas a interações entre campos elétricos no nível atômico. Acredita-se que o campo magnético da Terra seja devido à produção natural de correntes circulantes no núcleo do planeta. Alguns cristais, como o quartzo, ou mesmo o açúcar, são capazes de criar uma diferença de potencial em suas superfícies quando submetidos a pressões externas. Este fenômeno, conhecido como piezoeletricidade, do grego piezein (πιέζειν), que significa "pressionar", foi descoberto em 1880 por Pierre e Jacques Curie. Este efeito é reversível, e quando um material piezoelétrico é submetido a um campo elétrico, ocorre uma pequena alteração em suas dimensões físicas.

Alguns organismos, como os tubarões, são capazes de detectar e responder a mudanças nos campos elétricos, uma habilidade conhecida como eletrorrecepção. Ao mesmo tempo, outros organismos, chamados eletrogênicos, são capazes de gerar eles próprios tensões, o que lhes serve de arma defensiva ou predatória. Peixes da ordem dos hiniformes, dos quais a enguia elétrica é o membro mais famoso, podem detectar ou atordoar suas presas usando alta voltagem gerada por células musculares mutantes chamadas eletrócitos. Todos os animais transmitem informações através das membranas celulares com impulsos de voltagem chamados potenciais de ação, cuja função é fornecer ao sistema nervoso uma conexão entre neurônios e músculos. O choque elétrico estimula esse sistema e causa a contração muscular. Os potenciais de ação também são responsáveis ​​por coordenar as atividades de certas plantas.

Em 1850, William Gladstone perguntou ao cientista Michael Faraday qual era o valor da eletricidade. Faraday respondeu: "Um dia, senhor, você poderá tributá-lo".

Durante o século 19 e início do século 20, a eletricidade não fazia parte do cotidiano de muitas pessoas, mesmo no mundo ocidental industrializado. A cultura popular da época, portanto, muitas vezes o retratou como uma força misteriosa e quase mágica que poderia matar os vivos, ressuscitar os mortos ou mudar as leis da natureza. Essa visão começou a reinar com os experimentos de Galvani em 1771, nos quais as pernas de rãs mortas se contraíam quando a eletricidade animal era aplicada. O "revival" ou ressuscitação de pessoas aparentemente mortas ou afogadas foi relatado na literatura médica logo após o trabalho de Galvani. Esses relatos tornaram-se conhecidos por Mary Shelley quando ela começou a escrever Frankenstein (1819), embora ela não indique tal método de dar vida ao monstro. Reviver monstros com eletricidade tornou-se um tema quente em filmes de terror mais tarde.

À medida que a familiaridade pública com a eletricidade como a força vital da segunda revolução industrial se aprofundou, seus proprietários foram mais frequentemente mostrados sob uma luz positiva, como eletricistas, sobre os quais se diz "a morte por luvas arrepia seus dedos tecendo fios" em um poema de Rudyard Kipling 1907 ano "Filhos de Marta". Uma variedade de veículos movidos a eletricidade figurou com destaque nas histórias de aventura de Júlio Verne e Tom Swift. Profissionais de eletricidade, fictícios ou reais - incluindo cientistas como Thomas Edison, Charles Steinmetz ou Nikola Tesla - eram amplamente percebidos como mágicos com poderes mágicos.

Como a eletricidade deixou de ser uma novidade e passou a ser uma necessidade no cotidiano na segunda metade do século 20, ela recebeu atenção especial da cultura popular apenas quando deixou de fluir, evento que costuma sinalizar um desastre. . As pessoas que apoiaram sua entrada, como o herói sem nome de Wichita Fixer (1968), de Jimmy Webb, foram cada vez mais apresentadas como personagens heróicos e mágicos.

Antes de prosseguir com os trabalhos relacionados à eletricidade, é necessário “saber” um pouco teoricamente neste assunto. Simplificando, a eletricidade geralmente se refere ao movimento de elétrons sob a influência de um campo eletromagnético. O principal é entender que a eletricidade é a energia das menores partículas carregadas que se movem dentro dos condutores em uma determinada direção.

DC praticamente não muda sua direção e magnitude no tempo. Digamos que em uma bateria convencional exista corrente contínua. Então a carga fluirá de menos para mais, não mudando até que se esgote.

Corrente alternada- esta é uma corrente que muda de direção e magnitude com uma certa periodicidade.

Pense na corrente como um fluxo de água fluindo através de um cano. Após um certo período de tempo (por exemplo, 5 s), a água correrá em uma direção e depois na outra. Com a corrente, isso acontece muito mais rápido - 50 vezes por segundo (frequência de 50 Hz). Durante um período de oscilação, a corrente sobe ao máximo, depois passa por zero, e então ocorre o processo inverso, mas com um sinal diferente. Quando perguntado por que isso acontece e por que tal corrente é necessária, pode-se responder que receber e transmitir corrente alternada é muito mais fácil do que corrente contínua.

Receber e transmitir corrente alternada está intimamente relacionado a um dispositivo como um transformador. Um gerador que produz corrente alternada é muito mais simples em design do que um gerador de corrente contínua. Além disso, a corrente alternada é mais adequada para transmissão de energia em longas distâncias. Com ele, menos energia é desperdiçada.

Com a ajuda de um transformador (um dispositivo especial em forma de bobinas), a corrente alternada é convertida de baixa tensão para alta tensão e vice-versa, conforme mostrado na ilustração. É por esse motivo que a maioria dos dispositivos opera em uma rede na qual a corrente é alternada. No entanto, a corrente contínua também é amplamente utilizada - em todos os tipos de baterias, na indústria química e em algumas outras áreas.

Muitos já ouviram palavras misteriosas como uma fase, três fases, zero, terra ou terra, e sabem que esses são conceitos importantes no mundo da eletricidade. No entanto, nem todos compreendem o que significam e que relação têm com a realidade envolvente. No entanto, é preciso saber. Sem entrar em detalhes técnicos que um mestre doméstico não precisa, podemos dizer que uma rede trifásica é um método de transmissão de corrente elétrica quando a corrente alternada flui por três fios e retorna um de cada vez. O acima precisa de alguns esclarecimentos. Qualquer circuito elétrico consiste em dois fios. Uma a uma, a corrente vai para o consumidor (por exemplo, para uma chaleira), e pela outra volta. Se esse circuito for aberto, a corrente não fluirá. Essa é toda a descrição de um circuito monofásico.

O fio através do qual a corrente flui é chamado de fase, ou simplesmente fase, e através do qual ela retorna - zero ou zero. Um circuito trifásico consiste em três fios de fase e um retorno. Isso é possível porque a fase da corrente alternada em cada um dos três fios é deslocada em relação ao vizinho em 120 ° C. Um livro-texto sobre eletromecânica ajudará a responder a essa pergunta com mais detalhes. A transmissão de corrente alternada ocorre precisamente com a ajuda de redes trifásicas. Isso é economicamente benéfico - não são necessários mais dois fios neutros.

Aproximando-se do consumidor, a corrente é dividida em três fases, e cada uma delas recebe zero. Então ele entra em apartamentos e casas. Embora às vezes uma rede trifásica seja trazida diretamente para a casa. Via de regra, estamos falando do setor privado, e esse estado de coisas tem seus prós e contras. Isso será discutido mais tarde. Terra, ou, mais corretamente, aterramento, é o terceiro fio em uma rede monofásica. Em essência, não carrega uma carga de trabalho, mas serve como uma espécie de fusível. Isso pode ser explicado com um exemplo. Caso a eletricidade fique fora de controle (por exemplo, um curto-circuito), existe o risco de incêndio ou choque elétrico. Para evitar que isso aconteça (ou seja, o valor atual não deve exceder um nível seguro para humanos e dispositivos), o aterramento é introduzido. Através deste fio, o excesso de eletricidade literalmente vai para o solo.

Mais um exemplo. Digamos que ocorreu uma pequena avaria no funcionamento do motor elétrico da máquina de lavar e parte da corrente elétrica caia na carcaça metálica externa do dispositivo. Se não houver chão, essa carga vagará pela máquina de lavar. Quando uma pessoa a toca, ela se torna instantaneamente a saída mais conveniente para essa energia, ou seja, ela recebe um choque elétrico. Se houver um fio terra nessa situação, o excesso de carga será drenado sem prejudicar ninguém. Além disso, podemos dizer que o condutor neutro também pode ser aterrado e, em princípio, é, mas apenas em uma usina. A situação em que não há aterramento na casa é insegura. Como lidar com isso sem alterar toda a fiação da casa será descrito mais adiante.

Atenção!

Alguns artesãos, contando com conhecimentos básicos de engenharia elétrica, instalam o fio neutro como fio terra. Nunca faça isso. Em caso de ruptura do fio neutro, as carcaças dos dispositivos aterrados serão energizadas com 220 V.

Adicionar site aos favoritos

O que os iniciantes precisam saber sobre eletricidade?

Muitas vezes somos abordados por leitores que não encontraram trabalhos sobre eletricidade anteriormente, mas querem entender isso. Para esta categoria é criado o título "Eletricidade para iniciantes".

Figura 1. Movimento de elétrons em um condutor.

Antes de prosseguir com os trabalhos relacionados à eletricidade, é necessário “saber” um pouco teoricamente neste assunto.

O termo "eletricidade" refere-se ao movimento de elétrons sob a influência de um campo eletromagnético.

O principal é entender que a eletricidade é a energia das menores partículas carregadas que se movem dentro dos condutores em uma determinada direção (Fig. 1).

A corrente contínua praticamente não muda sua direção e magnitude ao longo do tempo. Digamos que em uma bateria convencional exista corrente contínua. Então a carga fluirá de menos para mais, não mudando até que se esgote.

A corrente alternada é uma corrente que muda de direção e magnitude com uma certa periodicidade. Pense na corrente como um fluxo de água fluindo através de um cano. Após um certo período de tempo (por exemplo, 5 s), a água correrá em uma direção e depois na outra.

Figura 2. Diagrama do dispositivo transformador.

Com corrente, isso acontece muito mais rápido, 50 vezes por segundo (frequência 50 Hz). Durante um período de oscilação, a corrente sobe ao máximo, depois passa por zero, e então ocorre o processo inverso, mas com um sinal diferente. Quando perguntado por que isso acontece e por que tal corrente é necessária, pode-se responder que receber e transmitir corrente alternada é muito mais fácil do que corrente contínua. Receber e transmitir corrente alternada estão intimamente relacionados a um dispositivo como um transformador (Fig. 2).

Um gerador que produz corrente alternada é muito mais simples em design do que um gerador de corrente contínua. Além disso, a corrente alternada é mais adequada para transmissão de energia em longas distâncias. Com ele, menos energia é desperdiçada.

Com a ajuda de um transformador (dispositivo especial em forma de bobinas), a corrente alternada é convertida de baixa tensão para alta tensão e vice-versa, conforme mostra a ilustração (Fig. 3).

É por esse motivo que a maioria dos dispositivos opera em uma rede na qual a corrente é alternada. No entanto, a corrente contínua também é amplamente utilizada: em todos os tipos de baterias, na indústria química e em algumas outras áreas.

Figura 3. Diagrama de transmissão AC.

Muitos já ouviram palavras misteriosas como uma fase, três fases, zero, terra ou terra, e sabem que esses são conceitos importantes no mundo da eletricidade. No entanto, nem todos compreendem o que significam e que relação têm com a realidade envolvente. No entanto, você precisa saber disso.

Sem entrar em detalhes técnicos que um mestre doméstico não precisa, podemos dizer que uma rede trifásica é um método de transmissão de corrente elétrica quando a corrente alternada flui por três fios e retorna um de cada vez. O acima precisa de alguns esclarecimentos. Qualquer circuito elétrico consiste em dois fios. Uma a uma, a corrente vai para o consumidor (por exemplo, para a chaleira), e pela outra volta. Se esse circuito for aberto, a corrente não fluirá. Essa é toda a descrição de um circuito monofásico (Fig. 4 A).

O fio através do qual a corrente flui é chamado de fase, ou simplesmente fase, e através do qual ela retorna - zero ou zero. Um circuito trifásico consiste em três fios de fase e um retorno. Isso é possível porque a fase da corrente alternada em cada um dos três fios é deslocada em relação ao vizinho em 120° (Fig. 4 B). Um livro-texto sobre eletromecânica ajudará a responder a essa pergunta com mais detalhes.

Figura 4. Esquema de circuitos elétricos.

A transmissão de corrente alternada ocorre precisamente com a ajuda de redes trifásicas. Isso é economicamente vantajoso: não são necessários mais dois fios neutros. Aproximando-se do consumidor, a corrente é dividida em três fases, e cada uma delas recebe zero. Então ele entra em apartamentos e casas. Embora às vezes uma rede trifásica seja trazida diretamente para a casa. Via de regra, estamos falando do setor privado, e esse estado de coisas tem seus prós e contras.

Terra, ou, mais corretamente, aterramento, é o terceiro fio em uma rede monofásica. Em essência, não carrega uma carga de trabalho, mas serve como uma espécie de fusível.

Por exemplo, quando a eletricidade fica fora de controle (por exemplo, um curto-circuito), existe o risco de incêndio ou choque elétrico. Para evitar que isso aconteça (ou seja, o valor atual não deve exceder um nível seguro para humanos e dispositivos), o aterramento é introduzido. Através deste fio, o excesso de eletricidade vai literalmente para o solo (Fig. 5).

Figura 5. O esquema de aterramento mais simples.

Mais um exemplo. Digamos que ocorreu uma pequena avaria no funcionamento do motor elétrico da máquina de lavar e parte da corrente elétrica caia na carcaça metálica externa do dispositivo.

Se não houver chão, essa carga vagará pela máquina de lavar. Quando uma pessoa a toca, ela se torna instantaneamente a saída mais conveniente para essa energia, ou seja, ela recebe um choque elétrico.

Se houver um fio terra nessa situação, o excesso de carga será drenado sem prejudicar ninguém. Além disso, podemos dizer que o condutor neutro também pode ser aterrado e, em princípio, é, mas apenas em uma usina.

A situação em que não há aterramento na casa é insegura. Como lidar com isso sem alterar toda a fiação da casa será descrito mais adiante.

ATENÇÃO!

Alguns artesãos, contando com conhecimentos básicos de engenharia elétrica, instalam o fio neutro como fio terra. Nunca faça isso.

Em caso de ruptura do fio neutro, as carcaças dos dispositivos aterrados serão energizadas com 220 V.

A eletricidade é conhecida pelas pessoas desde os tempos antigos. É verdade que as pessoas aprenderam a medir praticamente a eletricidade apenas no início do século 19. Depois, foram necessários mais 70 anos até o momento em que, em 1872, o cientista russo A.N. Lodygin inventou a primeira lâmpada elétrica incandescente do mundo. Mas as pessoas tinham conhecimento sobre um fenômeno como a eletricidade há muitos milhares de anos. Afinal, até mesmo uma pessoa antiga notou a incrível propriedade da lã esfregada com âmbar para atrair fios, poeira e outros pequenos objetos. Muito mais tarde, essa propriedade foi notada para outras substâncias, como enxofre, cera de vedação e vidro. E devido ao fato de que "âmbar" em grego soava como "elétron", essas propriedades começaram a ser chamadas de elétricas.

E a razão para o surgimento da eletricidade é que durante o atrito, a carga é dividida em cargas positivas e negativas. Assim, cargas com o mesmo sinal se repelem e cargas com sinais diferentes se atraem. Movendo-se ao longo de um fio de metal, que é um condutor, essas cargas criam eletricidade.
Sem eletricidade em nosso tempo é simplesmente impossível imaginar uma vida civilizada normal. Ele brilha, aquece, nos dá a oportunidade de nos comunicarmos a grandes distâncias uns dos outros, etc. A corrente elétrica aciona uma variedade de unidades e dispositivos - de um pequeno despertador a um enorme laminador. Então, se você imaginar que um dia a eletricidade pode desaparecer simultaneamente em todo o planeta, a vida humana mudará drasticamente sua direção. Não podemos mais prescindir da corrente elétrica, porque ela alimenta e faz funcionar quase todos os mecanismos e dispositivos inventados pelo homem. E se você olhar ao seu redor, verá que em qualquer apartamento, pelo menos uma das tomadas estará conectada a um plugue, de onde o fio vai para um gravador, TV, forno de micro-ondas ou outros aparelhos que usamos diariamente em casa ou no trabalho.
Hoje, nenhum país civilizado pode viver sem eletricidade. Como é produzida uma quantidade tão grande de eletricidade que pode atender às necessidades de bilhões de pessoas que vivem na Terra?
Para estes fins, foram criadas centrais eléctricas. A eletricidade é gerada neles com a ajuda de geradores, que é então transmitida por longas distâncias através de linhas de energia. As usinas de energia são de diferentes tipos. Algumas usam a energia da água para gerar eletricidade, são chamadas de usinas hidrelétricas. Outros obtêm energia da combustão de combustível (gás, diesel ou carvão). São usinas termelétricas que produzem não apenas corrente elétrica, mas também podem aquecer simultaneamente água, que então entra nos tubos de aquecimento que aquecem as instalações das casas ou fábricas. E há usinas nucleares, eólicas, maremotrizes, solares e muitas outras.
Em uma usina hidrelétrica (UHE), o fluxo de água aciona as turbinas de um gerador que gera eletricidade. Nas usinas termelétricas (UTEs), essa função é atribuída ao vapor d'água, que é formado como resultado do aquecimento da água proveniente da queima do combustível. O vapor d'água sob pressão muito alta irrompe nas turbinas do gerador, onde há muitas peças giratórias equipadas com pétalas especiais, que lembram as hélices dos aviões. O vapor, passando pelas pétalas, gira as unidades de trabalho do gerador, devido ao qual uma corrente elétrica é gerada.
Um princípio semelhante é usado em uma usina nuclear (NPP), apenas materiais radioativos - urânio e plutônio - servem como combustível. Devido às propriedades especiais do urânio e do plutônio, eles liberam uma quantidade muito grande de calor, que é usado para aquecer água e produzir vapor. Em seguida, o vapor aquecido entra na turbina e a corrente elétrica é gerada. É interessante que apenas dez gramas desse combustível substituem um carro inteiro de carvão.

Basicamente, as usinas de energia não funcionam sozinhas. Eles são interligados por linhas de energia. Com a ajuda deles, a eletricidade é direcionada para onde é mais necessária. As linhas de energia se estendiam por todo o nosso vasto país, de modo que a corrente que usamos em casa pode ser gerada muito longe, a centenas de quilômetros do nosso apartamento. Mas não importa onde a usina esteja localizada, graças às linhas de energia, cada pessoa poderá conectar o plugue e a tomada e ligar qualquer dispositivo ou dispositivo que precisar.

Este é o movimento ordenado de certas partículas carregadas. Para usar com competência todo o potencial da eletricidade, é necessário entender claramente todos os princípios do dispositivo e o funcionamento da corrente elétrica. Então, vamos descobrir o que são trabalho e potência atual.

De onde vem a corrente elétrica?

Apesar da aparente simplicidade da pergunta, poucos são capazes de lhe dar uma resposta inteligível. Claro, hoje em dia, quando a tecnologia está se desenvolvendo a uma velocidade incrível, uma pessoa não pensa particularmente em coisas elementares como o princípio de operação de uma corrente elétrica. De onde vem a eletricidade? Certamente muitos responderão "Bem, da tomada, é claro" ou simplesmente encolherão os ombros. Entretanto, é muito importante entender como funciona a corrente. Isso deve ser conhecido não apenas pelos cientistas, mas também por pessoas que não estão de forma alguma conectadas com o mundo das ciências, por seu desenvolvimento geral versátil. Mas ser capaz de usar corretamente o princípio de operação atual não é para todos.

Portanto, para começar, você deve entender que a eletricidade não surge do nada: é produzida por geradores especiais localizados em várias usinas. Graças ao trabalho de rotação das pás das turbinas, o vapor obtido como resultado do aquecimento da água com carvão ou óleo gera energia, que é posteriormente convertida em eletricidade com a ajuda de um gerador. O gerador é muito simples: no centro do aparelho há um imã enorme e muito forte, que faz com que cargas elétricas se movam ao longo de fios de cobre.

Como a eletricidade chega às nossas casas?

Após uma certa quantidade de corrente elétrica ter sido obtida com a ajuda de energia (térmica ou nuclear), ela pode ser fornecida às pessoas. Esse fornecimento de eletricidade funciona da seguinte forma: para que a eletricidade chegue com sucesso a todos os apartamentos e empreendimentos, ela deve ser “empurrada”. E para isso você precisa aumentar a força que o fará. É chamado de tensão da corrente elétrica. O princípio de operação é o seguinte: a corrente passa pelo transformador, o que aumenta sua tensão. Além disso, a corrente elétrica flui através de cabos instalados no subsolo ou em altura (porque a tensão às vezes atinge 10.000 volts, o que é mortal para os seres humanos). Quando a corrente chega ao seu destino, ela deve passar novamente pelo transformador, que agora reduzirá sua tensão. Em seguida, passa por fios para blindagens instaladas em prédios de apartamentos ou outros prédios.

A eletricidade transportada pelos fios pode ser usada graças ao sistema de tomadas, conectando os eletrodomésticos a eles. Fios adicionais são transportados nas paredes, através dos quais a corrente elétrica flui e, graças a isso, a iluminação e todos os aparelhos da casa funcionam.

O que é trabalho atual?

A energia que uma corrente elétrica carrega em si mesma é convertida ao longo do tempo em luz ou calor. Por exemplo, quando acendemos uma lâmpada, a forma elétrica de energia é convertida em luz.

Falando em uma linguagem acessível, o trabalho da corrente é a ação que a própria eletricidade produziu. Além disso, pode ser facilmente calculado pela fórmula. Com base na lei da conservação da energia, podemos concluir que a energia elétrica não desapareceu, mudou total ou parcialmente para outra forma, enquanto emitia uma certa quantidade de calor. Esse calor é o trabalho da corrente quando ela passa pelo condutor e o aquece (ocorre a troca de calor). É assim que a fórmula de Joule-Lenz se parece: A \u003d Q \u003d U * I * t (o trabalho é igual à quantidade de calor ou ao produto da potência atual e o tempo durante o qual fluiu pelo condutor).

O que significa corrente contínua?

A corrente elétrica é de dois tipos: alternada e direta. Eles diferem em que este último não muda sua direção, possui dois grampos (positivo "+" e negativo "-") e sempre inicia seu movimento a partir de "+". E a corrente alternada tem dois terminais - fase e zero. É por causa da presença de uma fase na extremidade do condutor que também é chamado de monofásico.

Os princípios do dispositivo de corrente elétrica alternada e contínua monofásica são completamente diferentes: ao contrário da direta, a corrente alternada muda tanto sua direção (formando um fluxo tanto da fase para zero quanto de zero para a fase) e sua magnitude . Assim, por exemplo, a corrente alternada altera periodicamente o valor de sua carga. Acontece que a uma frequência de 50 Hz (50 oscilações por segundo), os elétrons mudam a direção de seu movimento exatamente 100 vezes.

Onde a corrente contínua é usada?

A corrente elétrica direta tem algumas características. Devido ao fato de fluir estritamente em uma direção, é mais difícil transformá-lo. Os seguintes elementos podem ser considerados como fontes de corrente contínua:

• baterias (alcalinas e ácidas);
• baterias convencionais usadas em pequenos eletrodomésticos;
• bem como vários dispositivos, como conversores.

operação DC

Quais são suas principais características? Estes são o trabalho e o poder atual, e ambos os conceitos estão intimamente relacionados um com o outro. Potência significa a velocidade do trabalho por unidade de tempo (por 1 s). De acordo com a lei de Joule-Lenz, descobrimos que o trabalho de uma corrente elétrica contínua é igual ao produto da força da própria corrente, a tensão e o tempo durante o qual o trabalho do campo elétrico foi concluído para transferir cargas ao longo o condutor.

É assim que a fórmula para encontrar o trabalho da corrente, levando em consideração a lei de resistência de Ohm nos condutores, se parece com: A \u003d I 2 * R * t (trabalho é igual ao quadrado da força da corrente multiplicado pelo valor da resistência do condutor e mais uma vez multiplicado pelo valor do tempo para o qual o trabalho foi realizado).