Eletrodinâmica II - Força eletromotriz do gerador

Para relacionarmos a energia que o gerador fornece aos íons com a carga elétrica que atravessa uma secção transversal do circuito definimos uma grandeza característica do gerador, chamada força eletromotriz.

A energia que o gerador fornece aos íons ou aos elétrons na prática chamamos energia fornecida ao circuito.

Definição

Chama-se força eletromotriz de um gerador ao quociente da energia que o gerador fornece ao circuito durante certo tempo pela carga elétrica que atravessa uma secção transversal do circuito durante o mesmo tempo.

Em geral se representa a força eletromotriz pela letra E (ou e), ou pelas iniciais f.e.m.. Sendo W a energia que o gerador fornece ao circuito durante o tempo t, e Q a carga elétrica que passa por qualquer secção transversal durante-o mesmo tempo, temos, por definição:



Estudaremos o caso de geradores de força eletromotriz constante. É claro que quando E é constante, a energia W fornecida pelo gerador é proporcional à carga Q que ele fornece durante o mesmo tempo.

Energia fornecida pelo gerador

A f.e.m. é uma grandeza característica do gerador. Conhecendo a f.e.m. do gerador podemos calcular a energia que ele fornece ao circuito durante certo tempo. Da fórmula anterior tiramos:



Substituindo Q por resulta:



Essa é a energia fornecida durante o tempo t por um gerador de f.e.m. E a um circuito que absorve a corrente I.

Potência fornecida pelo gerador

Sendo W a energia fornecida pelo gerador durante o tempo t, a potência do gerador por definição é:

ou seja

Unidades de f.e.m.

Pela definição, a força eletromotriz é o quociente de uma energia por uma carga elétrica. Já vimos, na fórmula , que a diferença de potencial também é o quociente de uma energia por uma carga elétrica. Logo, força eletromotriz e diferença de potencial são grandezas físicas da mesma espécie. Por causa disso avaliamos força eletromotriz e diferença de potencial nas mesmas unidades. No sistema MKS, em volts. No sistema CGSES, em ues CGSV (ou statvolt).

Circuito interno e circuito externo

Já vimos, no tópico "O circuito elétrico", que para que haja corrente elétrica é necessário que o gerador e os condutores ligados a ele formem um caminho fechado para os íons. Êsse caminho fechado é chamado circuito. Os íons, além de se deslocarem nos condutores que estão ligados ao gerador também se deslocam no próprio gerador.

Chamamos circuito interno do gerador ao conjunto dos condutores do próprio gerador por onde passa a corrente. À resistência desse circuito chamamos resistência interna do gerador; representaremos por ou . Chamamos circuito externo ao conjunto dos condutores ligados ao gerador. A sua resistência é chamada resistência externa e representaremos por ou .

Pólos do gerador

Chamamos polos do gerador aos pontos por onde o gerador é ligado ao circuito externo. Convencionamos chamar polo positivo ao polo por onde a corrente sai do gerador; negativo ao polo por onde a corrente entra no gerador.

Esses nomes, polo positivo e polo negativo já eram usados em Eletricidade antes de se descobrir que nos metais a corrente é constituída por elétrons em movimento. Naquela época os físicos admitiam que a corrente elétrica fosse constituída de partículas positivas que se deslocassem do polo positivo para o negativo do gerador. Atualmente sabemos que nos metais acontece exatamente o contrário: a corrente é formada por elétrons, que são partículas com carga negativa e que se deslocam do polo negativo para o positivo. Mas apesar de sabermos que êsse é o sentido verdadeiro da corrente, ainda hoje adotamos como convenção que a corrente seja constituída por partículas positivas que se desloquem do polo positivo para o negativo. Pois, para efeito de raciocínio é indiferente considerar-se uma carga positiva deslocando-se num sentido ou uma negativa deslocando-se em sentido oposto

Fonte: http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/gerador/forca_eletromotriz_gerador/

Eletrodinâmica I - Geradores

O gerador

Para comprendermos como os íons formam a corrente elétrica, o significado de um gerador e o conceito de força eletromotriz de um gerador, façamos a seguinte analogia:

Suponhamos um conjunto de esferas encostadas umas nas outras de maneira a formar um colar fechado (fig. 163). Se nenhuma força atuar nessas esferas, isto é, se não for cedida energia a essas esferas, elas permanecerão indefinidamente em repouso. Suponhamos que um dispositivo qualquer forneça energia ao conjunto de esferas de maneira tal que o colar gire como está indicado na figura: todas as esferas se deslocam de maneira que cada uma vá passando sucessivamente pelas posições de todas as outras.

Consideremos uma secção transversal S qualquer do colar. Se contarmos o número de esferas que passam por essa secção durante certo tempo t, chegaremos a duas conclusões:

1ª – o número de esferas que passam pela secção S durante certo tempo é igual ao número de esferas que passam por qualquer outra secção transversal durante o mesmo tempo; sendo assim, tudo o que falarmos sôbre a secção S valerá também para qualquer outra secção transversal do colar.

2ª – o número de esferas que passam pela secção S durante certo tempo depende da energia comunicada às esferas durante o mesmo tempo. Assim, se for cedida às esferas uma energia grande, elas se deslocarão com grande velocidade, e o número de esferas que passarão por S será grande. Se for cedida uma energia pequena, as esferas se deslocarão com pequena velocidade, e o número de esferas que passar por S será pequeno.

Observemos bem que sempre nos referimos à energia fornecida às esferas durante certo tempo, e ao número de esferas que passam por S durante o mesmo tempo.

Suponhamos agora uma corrente elétrica circulando por um circuito fechado. Já vimos que essa corrente elétrica é formada por íons ou por elétrons em movimento. Êsses íons ou elétrons, quando se deslocam, comportam-se como as esferas do colar, isto é, cada íon vai ocupando sucessivamente a posição dos outros íons. Mas, com as diferenças seguintes:

1ª – os íons ou os elétrons não ficam encostados uns nos outros;

2ª – há duas correntes de íons; a de íons positivos num sentido, e a de íons negativos em sentido oposto (fig. 164)(com excessão do caso dos metais em que há movimento só de elétrons e num só sentido).

Do mesmo modo que no caso do colar, esses íons não entrariam em movimento se nenhuma força atuasse neles, isto é, se não fosse cedida energia a eles. De onde vem essa energia fornecida aos íons? Vem de um dispositivo chamado gerador, e do qual falaremos logo mais.

Se considerarmos no circuito uma secção transversal S qualquer, e o número de íons que passam por essa secção durante certo tempo, chegaremos a duas conclusões análogas àquelas duas do caso do colar:

1ª – o número de íons que atravessam essa secção durante certo tempo é igual ao número de íons que atravessa qualquer outra secção durante o mesmo tempo. A carga elétrica que atravessa a secção é igual a soma das cargas dos íons que atravessam-na. Como, em um mesmo tempo, o número de íons que atravessam qualquer secção é o mesmo, concluímos que a carga elétrica que atravessa qualquer secção transversal do circuito é a mesma, durante o mesmo tempo. Para nós é mais importante considerarmos a carga elétrica do que considerarmos o número de íons.

2ª – o número de íons que passa pela secção durante certo tempo, isto é, a carga elétrica que passa pela secção durante certo tempo, depende da energia fornecida aos íons durante o mesmo tempo. Assim, se o gerador fornecer muita energia, o número de íons, isto é, a carga elétrica que passará pela secção transversal será grande.

Como é que o gerador fornece energia aos íons? O gerador fornece energia aos íons por meio de um campo elétrico; ele provoca o aparecimento de um campo elétrico no interior dos condutores que formam o circuito. As cargas elétricas dos íons, estando em um campo elétrico, ficam sujeitas a forças que põem os íons em movimento (veja a figura 116).

Evidentemente o gerador não pode criar essa energia a partir do nada. O que ele faz é uma transformação de energia. Ele recebe energia de certo tipo e depois a transforma em energia elétrica; em outras palavras: ele recebe certa quantidade de energia que permite que ele provoque o aparecimento do campo elétrico.

Quando o gerador transforma energia mecânica em elétrica ele é chamado gerador mecânico ou dínamo; quando transforma energia química é chamado pilha hidroelétrica; quando transforma energia térmica é chamado pilha termoelétrica, etc..

Fonte: http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/gerador/intro/

Circuitos Elétricos I

A corrente elétrica é formada por elétrons livres em movimento organizado. A energia elétrica transportada pela corrente nada mais é do que a energia cinética dos elétrons. Assim, nos circuitos elétricos, a energia cinética dos elétrons livres pode transformar-se em energia luminosa ou em energia cinética dos motores, por exemplo.



Ao percorrer o circuito, do pólo negativo da pilha até o pólo positivo, os elétrons livres perdem totalmente a energia que transportavam. E sem a reposição dessa energia não seria possível a permanência de uma corrente elétrica.

A função de uma pilha é, portanto, fornecer a energia necessária aos elétrons livres do fio, para que eles permaneçam em movimento.

Dentro da pilha, os elétrons adquirem energia ao serem levados do pólo positivo ao negativo. Ao chegarem ao pólo negativo, movimentam-se novamente pela parte externa do circuito até alcançarem o pólo positivo, e assim sucessivamente.



Ao levar um certo número de elétrons do pólo positivo para o negativo, a pilha cede a eles uma certa quantidade de energia. O valor da energia que esses elétrons recebem, dividido pela quantidade de carga que eles têm, é a tensão elétrica existente entre os pólos da pilha. Nas pilhas comuns, esse valor é 1,5 volt.



Em geral, um circuito elétrico é constituído por um conjunto de componentes ligados uns aos outros e conectados aos pólos de um gerador. Uma bateria de carro ou uma pilha, pode funcionar como gerador

Fonte: geocities.yahoo.com.br

Eletricidade na Atmosfera da Terra

O potencial elétrico da Terra

A Terra é um grande condutor esférico eletrizado negativamente tom carga avaliada em 580kC (-580 quilocoulombs = -580.000 C). Seu raio é de aproximadamente 6.400 km. Se a considerarmos isolada no universo e calcularmos o seu potencial próprio V, obteremos:


(em relação a um referencial no infinito).

No entanto, o potencial resultante na Terra sofre influência das car­gas elétricas dos corpos celestes vizinhos. As cargas elétricas separa­das por fatores humanos praticamente não produzem efeitos sensíveis sobre o potencial da Terra.

Para o homem, a Terra se comporta como um padrão invariável de potencial elétrico e, por isso, pode ser adotada como referencial de potencial.

Comumente, costuma se adotar o potencial da Terra igual a ZERO.

No interior de um Laboratório, quando um corpo possui potencial de +2kV em relação à Terra, eqüivale a dizer que ele tem 2kV acima do potencial da Terra.

Se ligarmos um corpo condutor eletrizado negativamente à Terra, haverá escoamento de elétrons deste para ela , até que a sua car­ga elétrica se anule.



A explicação é simples: o corpo eletrizado negativamente tem potencial negativo em relação à Terra. Devido à ddp, elétrons fluirão pelo fio terra, no sentido do menor para o major potencial. Quando o condutor se neutralizar, o seu potencial se igualará ao da Terra.

Por outro lado, se ligarmos à Terra um corpo eletrizado positivamente, haverá subida de elétrons desta para ele, até que se neutralize o corpo.



As ligações à Terra são muito usadas para proteger o homem con­tra o perigo de um choque elétrico ou mesmo uma descarga elétrica Por exemplo: um pára-raios é sempre aterrado, assim como um chuveiro elétrico, uma torneira elétrica, uma máquina de lavar roupas. Toda vez que ligamos à Terra uma armadura metálica garantimos que o seu potencial elétrico se anula.

Eletricidade na atmosfera

Num dia comum, de atmosfera calma, a partir da superfície terres­tre, nas proximidades desta e no sentido ascendente, o potencial elétrico aumenta na razão de aproximadamente 100 V por metro. Este fato nos permite concluir que existe um campo elétrico produzido pela Terra de intensidade E=100 V/m, orientado para baixo. 0 vetor campo elétrico voltado para a superfície ter­restre significa que nesta se distri­buem cargas elétricas negativas.



A presença de uma pessoa modifica a distribuição das superfícies eqüipotenciais conforme mostra a figura. 0 corpo humano é um condutor relativamente bom de tal modo que ele e a superfície terrestre formam uma superfície eqüipotencial. Assim, se a altura da pessoa for 1,80 m entre seus cabelos a seus pés, não existirá uma ddp de 180 V como se poderia imaginar.



Devido a existência de radiações de materiais radioativos, radiações ultravioleta a raios cósmicos, a atmosfera apresenta íons positivos e negativos.

O campo elétrico terrestre movimenta estes íons. Os íons positivos deslocam se no sentido do campo a atingem a superfície terrestre, na razão aproximadamente de 1.800 C por segundo. A carga da Terra, sendo negativa a avaliada em 580 000 C, com a chegada de 1.800 C/s (1800 A) , se neutralizaria em poucos minutos. Mas existe uma outra fonte de cargas negativas que atingem a Terra, mantendo sua carga negativa: são os tem­porais violentos com seus raios.

Estimativas mostram que caem cerca de 100 raios por segundo no planeta, transportando aproximadamente 1.800 C/s.

Experiências realizadas com na­ves e balões mostram que as nuvens de tempestades (responsáveis pelos raios) apresentam, geralmente, car­gas elétricas positivas na parte supe­rior e negativas na inferior.

Formação dos raios

As cargas positivas estão entre 6 e 7 km de altura, enquanto que as negativas, entre 3 e 4 km. A diferença de potencial entre a parte negativa da nuvem e a Terra varia entre 10 MV e 1 GV.

Para que uma descarga elétrica (raio) tenha início não há neces­sidade que o campo elétrico atinja a rigidez dielétrica do ar (3 MV/m), mas se aproxime dela (10 kV/m são suficientes).

0 fenômeno inicia se com uma primeira etapa: uma descarga piloto, de pouca luminosidade, na forma de árvore invertida, da nuvem para a Terra . Ela vai ionizando o ar.



Uma vez que a descarga piloto atinja o solo, tem início uma segun­da etapa: a descarga principal. Ela é de grande luminosidade, dirigida da Terra para a nuvem, tem velocidade da ordem de 30 000 km/s e a ela está associada uma corrente elétrica de intensidade variando entre 10 kA e 200kA. A descarga principal segue, aproximadamente, o caminho da descarga piloto que ionizou o ar. Normalmente, quando se menciona um raio, referimo nos à descarga principal. A ação destruidora dos raios deve se à elevada corrente da descarga principal. Ela provoca aquecimento (chegando às vezes ter conseqüência explosiva ou incen­diária) e efeitos dinâmicos devido à rápida expansão da massa de ar.

0 efeito luminoso do raio é denominado relâmpago e o efeito so­noro, que resulta do forte aquecimento do ar originando sua rápida expansão, é denominado trovão.

Há raios não só entre uma nuvem e a Terra, mas entre nuvens e entre as partes de uma mesma nuvem.

O pára-raios
0 objetivo principal de um pára raios é proteger uma certa região ou edifício ou residência, ou semelhante, da ação danosa de um raio. Estabelece se com ele um percurso seguro, da descarga principal, entre a Terra e a nuvem.

Um pára raios consta essencialmente de uma haste rnetálica dispos­ta verticalmente na parte mais alta do edifício a proteger. A extremidade superior da haste termina em várias pontas e a inferior é ligada à Terra através de um cabo metálico que é introduzido profundamente no terreno.

Quando uma nuvem eletrizada passa nas proximidades do pára-raios, ela induz neste cargas de sinal contrário. 0 campo elétrico nas vi­zinhanças das pontas torna se tão intenso que ioniza o ar e força a descarga elétrica através do pára-raios, que proporciona ao raio um caminho seguro até a Terra.

Fonte:

http://www.fisica.net/eletricidade/eletricidadenaatmosfera.php