Se um meio contém portadores de carga gratuita (por exemplo, electrões num metal), estes não estão em repouso, mas movem-se caóticamente. Mas é possível fazer com que os electrões se movam de uma forma ordenada numa dada direcção. Este movimento direccional de partículas carregadas é chamado corrente eléctrica.
Conteúdos
Como é criada uma corrente eléctrica
Se retirarmos dois condutores, e um deles estiver carregado negativamente (adicionando-lhe electrões) e o outro estiver carregado positivamente (retirando-lhe alguns electrões), surgirá um campo eléctrico. Se ligar ambos os eléctrodos a um condutor, o campo fará com que os electrões se movam na direcção oposta à direcção do vector de força do campo eléctrico, de acordo com a direcção do vector de força eléctrica. As partículas carregadas negativamente deslocar-se-ão do eléctrodo, onde estão em excesso, para o eléctrodo, onde estão em deficiência.
Não é necessário dar ao segundo eléctrodo uma carga positiva para que o movimento dos electrões ocorra. O principal é que a carga negativa do primeiro eléctrodo deve ser mais elevada. É mesmo possível carregar negativamente ambos os condutores, mas um condutor deve ter uma carga maior do que o outro. Neste caso, diz-se que uma diferença potencial causa uma corrente eléctrica.
Semelhante à analogia da água - se ligar dois recipientes cheios de água a níveis diferentes, haverá um fluxo de água. A sua cabeça dependerá da diferença de níveis.
É interessante que o movimento caótico dos electrões sob a acção do campo eléctrico é, em geral, retido, mas o vector de movimento global da massa dos portadores de carga torna-se direccional. Enquanto a componente "caótica" do movimento tem uma velocidade de várias dezenas ou mesmo centenas de quilómetros por segundo, a componente direccional tem uma velocidade de vários milímetros por minuto. Mas o impacto (quando os electrões ao longo do comprimento do condutor entram em movimento) propaga-se à velocidade da luz, por isso diz-se que uma corrente eléctrica se move à velocidade de 3*108 m/segundo.
Na experiência acima referida, a corrente no condutor existirá por um curto período de tempo, até o condutor carregado negativamente ficar sem excesso de electrões e equilibrar o número de electrões em ambos os pólos. Este tempo é curto - uma fracção minúscula de um segundo.
O regresso ao eléctrodo originalmente carregado negativamente e a criação de um excesso de carga para os portadores é impedido pelo mesmo campo eléctrico que moveu os electrões do menos para o mais. Portanto, deve haver uma força externa que actue contra e superior à do campo eléctrico. Na analogia da água, deve haver uma bomba a bombear água de volta ao nível superior para criar um fluxo contínuo de água.
Sentido da corrente
A direcção da corrente é tomada para ser de mais para menos, ou seja, a direcção das partículas com carga positiva é oposta à dos electrões. Isto deve-se ao facto de o fenómeno da corrente eléctrica ter sido descoberto muito antes de a sua natureza ter sido explicada, e acreditou-se que a corrente flui nessa direcção. Nessa altura, muitos artigos e outra literatura sobre o assunto tinham acumulado e conceitos, definições e leis tinham surgido. Para evitar rever a vasta quantidade de material já publicado, simplesmente tomámos a direcção da corrente contra o fluxo de electrões.
Se uma corrente flui sempre na mesma direcção (mesmo que varie em força) é chamada corrente constante. Se a sua direcção mudar, é chamada corrente alternada. Na aplicação prática, a direcção muda de acordo com uma lei, por exemplo, uma lei sinusoidal. Se a direcção do fluxo de corrente permanece inalterada, mas a corrente cai periodicamente a zero e sobe ao seu valor máximo, estamos a falar de corrente pulsada (de várias formas).
Pré-requisitos para manter a corrente eléctrica num circuito
As três condições para a existência de corrente eléctrica num circuito fechado foram derivadas acima. Devem ser examinados em pormenor.
Portadoras gratuitas
A primeira condição necessária para a existência de uma corrente eléctrica é a existência de portadores gratuitos. As cargas não existem separadamente dos seus portadores, pelo que devemos considerar as partículas que podem transportar uma carga.
Nos metais e outras substâncias com uma condutividade semelhante (grafite, etc.) estes são electrões livres. Interagem de forma fraca com o núcleo e podem deixar o átomo e mover-se relativamente livremente dentro do condutor.
Além disso, os electrões livres servem como portadores de carga em semicondutores, mas em alguns casos falamos de condutividade de 'buracos' nesta classe de sólidos (em oposição a 'electrões'). Este conceito só é necessário para descrever processos físicos; de facto, a corrente nos semicondutores continua a ser o mesmo movimento de electrões. Materiais nos quais os electrões não podem deixar o átomo são dieléctricos. Não é gerada corrente neles.
Nos líquidos, os iões positivos e negativos transportam uma carga. Isto significa líquidos, que são electrólitos. Por exemplo, água na qual o sal é dissolvido. A própria água é electricamente bastante neutra, mas quando entra nela, os sólidos e líquidos dissolvem-se e dissociam-se (desintegram-se) para formar iões positivos e negativos. E nos metais fundidos (por exemplo, mercúrio), os mesmos electrões são os portadores de carga.
Os gases são basicamente dieléctricos. Não há electrões livres neles - os gases são constituídos por átomos e moléculas neutras. Mas se o gás for ionizado, diz-se que um quarto estado agregado da matéria é plasma. A corrente eléctrica também pode fluir nela; ela surge do movimento direccional de electrões e iões.
A corrente também pode fluir no vácuo (este é o princípio em que se baseiam, por exemplo, os tubos de electrões). Isto requer electrões ou iões.
Campo eléctrico
Apesar da presença de portadores de carga gratuita, a maioria dos ambientes são electricamente neutros. Isto porque as partículas negativas (electrões) e positivas (prótons) estão uniformemente espaçadas e os seus campos anulam-se mutuamente. Para que um campo possa surgir, as cargas devem concentrar-se numa área. Se os electrões estiverem concentrados na área de um eléctrodo (negativo), o eléctrodo oposto (positivo) carecerá deles e surgirá um campo, criando uma força que actua sobre os portadores da carga e os obriga a mover-se.
Uma terceira força para transferir as cargas
E a terceira condição - deve haver uma força que transfira as cargas na direcção oposta à direcção do campo electrostático, caso contrário, as cargas dentro do sistema fechado tornar-se-ão rapidamente equilibradas. Esta força externa é chamada força electromotriz. A sua origem pode ser diferente.
Electroquímica na natureza
Neste caso, os campos electromagnéticos resultam de reacções electroquímicas. As reacções podem ser irreversíveis. A conhecida bateria é um exemplo de uma célula galvânica. Quando os reagentes estão esgotados, o FME é reduzido a zero, e a bateria "desliga-se".
Em outros casos, as reacções podem ser reversíveis. Por exemplo, numa bateria, os campos electromagnéticos também surgem como resultado de reacções electroquímicas. Mas quando estiverem concluídas, o processo pode ser retomado - sob a influência de uma corrente eléctrica externa, as reacções inverter-se-ão e a bateria estará pronta para emitir novamente corrente.
Fotovoltaico na natureza
Neste caso, os CEM são causados pela influência de radiação visível, ultravioleta ou infravermelha nos processos em estruturas semicondutoras. Tais forças ocorrem em células fotovoltaicas ("células solares"). A luz provoca o fluxo de uma corrente eléctrica num circuito externo.
Natureza termoeléctrica
Se pegar em dois condutores diferentes, soldá-los juntos e aquecer a junção, surgirá um CEM no circuito devido à diferença de temperatura entre a junção quente (a junção dos condutores) e a junção fria - as extremidades opostas dos condutores. Desta forma, pode não só gerar corrente, mas também medir a temperatura medindo os campos electromagnéticos emergentes.
Carácter piezoeléctrico
Ocorre quando certos sólidos são espremidos ou deformados. O isqueiro eléctrico funciona com base neste princípio.
Natureza electromagnética
A forma mais comum de produzir electricidade industrialmente é com um gerador CC ou CA. Numa máquina de corrente contínua, uma armadura sob a forma de um quadro gira num campo magnético, atravessando as suas linhas de força. Isto produz um CEM que depende da velocidade do rotor e do fluxo magnético. Na prática é utilizada uma armadura constituída por um grande número de bobinas, formando muitos quadros ligados em série. Os campos electromagnéticos resultantes são adicionados em conjunto.
В alternador é utilizado o mesmo princípio, mas um íman (eléctrico ou permanente) gira dentro de uma estrutura estacionária. Os mesmos processos também resultam num FME no estator. FMEque tem uma forma sinusoidal. A geração de corrente alternada é quase sempre utilizada industrialmente - é mais fácil de converter para o transporte e para fins práticos.
Uma propriedade interessante de um alternador é que ele é reversível. Se a tensão for aplicada aos terminais do alternador a partir de uma fonte externa, o seu rotor começará a rodar. Isto significa que, dependendo do diagrama de ligação, uma máquina eléctrica pode ser ou um gerador ou um motor eléctrico.
Estes são apenas os conceitos básicos do fenómeno da corrente eléctrica. Na realidade, os processos envolvidos no movimento direccional dos electrões são muito mais complexos. A sua compreensão exigiria um estudo mais profundo da electrodinâmica.
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