Eletricidade

A eletricidade é um ramo da Física que investiga todas as consequências geradas na matéria pelas cargas elétricas, se subdividindo em eletrostática, eletrodinâmica e eletromagnetismo. A eletrecidade em si influencia diretamente a vida terrestre, já que permite a transferência e utilização da energia elétrica para o funcionamento dos aparelhos elétricos, eletrônicos, médicos e industriais.

Leia também: Efeito Joule — o fenômeno do aquecimento de materiais quando percorridos por uma corrente elétrica

Resumo sobre eletricidade

• A eletricidade é dividida em eletrostática, eletrodinâmica e eletromagnetismo.

• Está relacionada à carga elétrica, corrente elétrica, energia elétrica, campo elétrico, força elétrica, potência elétrica, potencial elétrico, entre outros conceitos.

• É gerada pela indução eletromagnética, que cria uma força eletromotriz que movimenta os elétrons e produz uma corrente elétrica.

• O descobrimento da eletricidade é atribuído ao matemático e filósofo Tales de Mileto.

• A eletricidade no Enem pode ser cobrada de forma teórica ou prática.

Qual o conceito de eletricidade?

A eletricidade pode ser conceituada como o conjunto de fenômenos ocorridos pelo repouso das cargas elétricas ou seu movimento quando se aplica uma diferença de potencial elétrico em um condutor elétrico.

Ela pode ser produzida naturalmente, por meio dos elementos da natureza como os relâmpagos, ou artificalmente, por geradores elétricos como pilhas e painéis solares.

Conceitos importantes relacionados à eletricidade

Existem diversos conceitos relacionados à eletricidade, entretanto, devido à extensão do conteúdo, abaixo estão descritos somente os mais importantes.

• Carga elétrica: é uma propriedade física das partículas subatômicas, prótons e elétrons que é conservada e quantizada, o que significa dizer que ela é sempre um múltiplo inteiro do valor da carga elementar. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, ela é medida em Coulomb.

• Corrente elétrica: é o fluxo de cargas elétricas no interior de um corpo ligado a uma diferença de potencial elétrico. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, ela é medida em Ampere.

• Energia elétrica: é uma forma de energia gerada pela diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um condutor. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, ela é medida em Joule.

• Campo elétrico: é uma propriedade física intrínseca às cargas elétricas, estando sempre em volta de uma superfície ou corpo eletrizado. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, ele é medido em Newton por Coulomb.

• Força elétrica: é uma força que se origina da interação entre cargas elétricas, podendo ser atrativa, quando as cargas elétricas tiverem sinais diferentes, ou repulsiva, quando as cargas elétricas tiverem sinais iguais. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, ela é medida em Newton.

• Potência elétrica: é uma grandeza física relacionada ao consumo de energia elétrica por um circuito elétrico durante determinado tempo. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, ela é medida em Watt.

• Potencial elétrico: é uma grandeza física relacionada à quantidade de energia necessária para mover uma carga elétrica de um ponto a outro ponto, em uma região dotada de campo elétrico. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, ele é medido em Volt.

Leia também: Tensão elétrica — o resultado do movimento da carga elétrica em um campo elétrico

Principais fórmulas da eletricidade

Existem várias fórmulas utilizadas na eletricidade. Abaixo, estão descritas as principais delas.

• Fórmula da carga elétrica

\(Q=n\cdot e=i\cdot ∆t\)

• • Q é a carga elétrica total de um corpo, medida em Coulomb \([C] \).

  • n é a quantidade de elétrons ou prótons em falta ou em excesso, medida em Coulomb \([C] \).

  • e é a carga elementar ou carga do elétron, que vale \(1,6\cdot 10^{-19}\ C\).

  • i é a corrente elétrica, medida em Ampere \([A ]\).

  • \(∆t\) é a variação de tempo, medida em horas \([h ]\).

• Fórmula da corrente elétrica

\(U=R\cdot i\)

• • U é a tensão elétrica, medida em Volt \([V] \).

  • R é a resistência equivalente, medida em Ohm \([Ω] \).

  • i é a corrente elétrica, medida em Ampere \([A] \).

• Fórmula do consumo de energia

\(E=P\cdot ∆t\)

• E é a energia, medida em kilo-Watt por hora \([kWh ]\)

• P é a potência elétrica, medida em kilo-Watt \([kW ]\).

• \(∆t \) é a variação de tempo, medida em horas \([h ]\).

• Fórmula do campo elétrico

\(E=k\cdot \frac{|Q|}{d^2} \)

• E é o campo elétrico, medido em Newton \([N]\).

• Q é o módulo da carga da partícula geradora do campo, medido em Coulomb \([C]\).

• d é a distância entre as cargas, medida em metros \([m]\).

• k é a constante eletrostática do meio, medida em \((N\cdot m)^2/C^2\).

• Fórmula da força elétrica

\(F=k\cdot \frac{|Q_1 |\cdot |Q_2 | }{d^2} \)

• F é a força de interação entre as partículas eletricamente carregadas, medida em Newton \([N]\).

• \(|Q_1 |\) e \( |Q_2 |\) são os módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb \([C] \).

• d é a distância entre as cargas, medida em metros \([m]\).

• k é a constante eletrostática do meio, medida em \((N\cdot m)^2/C^2\).

• Fórmula da potência elétrica

\(P=R\cdot i^2=\frac{U^2}R=i\cdot ∆U\)

• P é a potência elétrica, medida em Watt \([W ]\).

• R é a resistência elétrica, medida em Ohm \([Ω ]\).

• i é a corrente elétrica, medida em Ampere \([A ]\).

• U é a tensão elétrica, medida em Volt \([V ]\).

• \(∆U\) é a variação de tensão elétrica, também chamada de diferença de potencial elétrico, medida em Volt \([V ]\).

• Fórmula do potencial elétrico

\(U=k\cdot \frac{Q}d\)

• U é o potencial elétrico, medido em Volts \([V] \).

• k é a constante eletrostática do meio, medida em \((N\cdot m)^2/C^2\).

• Q é a carga elétrica geradora, medida em Coulomb \([C] \).

• d é a distância, medida em metros \([m] \).

• Fórmula do potencial elétrico relacionado ao campo elétrico e à carga elétrica

\(U=E\cdot q\)

• U é o potencial elétrico, medido em Volts \([V] \).

• E é o campo elétrico, medido em \([N/C] \).

• q é a carga elétrica, medida em Coulomb \([C] \).

Divisões de eletricidade

A eletricidade é dividida em três áreas de estudo: a eletrostática, a eletrodinâmica e o eletromagnetismo.

• Eletrostática: investiga os fenômenos relacionados às cargas elétricas em repouso, como a força elétrica e o campo elétrico.

• Eletrodinâmica: investiga os fenômenos relacionados às cargas elétricas em movimento, como a corrente elétrica e tensão elétrica.

• Eletromagnetismo: investiga os fenômenos comuns à eletricidade e ao magnetismo, como o campo magnético e o fluxo magnético.

Eletricidade e magnetismo

A eletricidade e o magnetismo são partes da Física relacionadas ao estudo das cargas elétricas e suas consequências. Enquanto a eletricidade estuda as cargas elétricas paradas ou em deslocamento, o magnetismo estuda os campos magnéticos criados pelo movimento das cargas elétricas.

Leia também: Como ocorre a transformação de energia em aparelhos elétricos

Como a eletricidade é produzida?

A eletricidade é produzida, na maioria das vezes, por meio do fenômeno da indução eletromagnética, que gera, através do movimento do campo magnético de um imã perto de uma bobina, uma força eletromotriz (também chamada de diferença de potencial elétrico) capaz de movimentar os elétrons e criar uma corrente elétrica.

História da eletricidade

• Desde 2750 a.C., no Antigo Egito, já se sabia da existência da eletricidade, por meio da descrição e observação do peixe-elétrico, mas nada de cunho científico.  

• Os primeiros relatos a respeito da eletricidade foram atribuídos ao filósofo e matemático Tales de Mileto (625 a.C. - 547 a.C), que  observou a atração entre pedras magnetitas e o ferro.

• Em 1660, o físico Otto von Guericke (1602-1686) construiu a primeira máquina capaz de gerar cargas elétricas por meio do atrito.

• Em 1730, o químico Charles Francis Dufay (1698-1739) descobriu as cargas elétricas positivas e cargas elétricas negativas, assim como os seus fenômenos de atração e repulsão.

• Em 1744, o polímata Benjamin Franklin (1706-1790) descobriu, por intermédio de uma pipa, que os raios são um fenômeno elétrico natural, inventando assim o para-raios.

• Em 1786, o físico e médico Luigi Galvani (1737-1798) desenvolveu estudos e acidentalmente produziu corrente elétrica.

• Em 1791, a partir dos estudos de Luigi Galvani, o físico e químico Alessando Volta (1745-1827) construiu a primeira pilha voltaica.

• Em 1820, o físico e químico Hans Christin Oersted (1777-1851) descobriu que a corrente elétrica gera campo magnético, encontrando a relação entre a eletricidade e o magnetismo.

• A partir de 1827, o físico e matemático George Simon Ohm (1789-1854) formulou as leis de Ohm, que tratam da relação entre a resistência elétrica, resistividade elétrica, tensão elétrica e corrente elétrica.

• A partir de 1831, o físico e químico Michael Faraday (1791-1867) realizou experimentos que propiciaram o desenvolvimento dos geradores elétricos. Associado ao cientista Joseph Henry (1797-1878), descobriu a indução eletromagnética.

• Em 1865, o inventor Ernst Werner Von Siemens (1816-1892), utilizando a teoria da indução eletromagnética de Faraday, inventou o dínamo, equipamento que gera energia elétrica por meio da energia cinética.

• A partir 1873, James Maxwell (1831-1879) organizou e agrupou as leis de Gauss para a eletricidade e para o magnetismo, e uniu a lei de indução de Faraday a uma outra equação que ele formulou, avaliando-as como as equações fundamentais do eletromagnetismo e nomeando-as de equações de Maxwell.

• Em 1875, o cientista Alexander Graham Bell (1847-1922) inventou o telefone.

• Em 1880, o empresário Thomas Edison (1847-1931) inventou a lâmpada incandescente.

• Por volta de 1886, o inventor Nikola Tesla (1856-1943) passou a desenvolver o motor elétrico de corrente alternada e a bobina de Tesla, aparelho capaz de gerar correntes elétricas.

• Em 1905, o físico Albert Einstein (1879-1955) explicou o efeito fotoelétrico, o que possibilitou o desenvolvimento dos painéis solares e das portas elétricas.

• Em 1911, o físico Kamerlingh Onnes (1853-1926) descobriu o fenômeno da supercondutividade.

Eletricidade no Enem

A eletricidade pode ser cobrada no Enem de forma teórica ou prática. Na forma teórica, pode haver questões relacionadas aos conceitos estudados em eletricidade, assim como gráficos, com ou sem a necessidade da realização de cálculos. Já na forma prática podemos ter questões relacionadas a situações do cotidiano, com charges ou histórias fictícias. O Enem costuma cobrar a eletricidade na prática, e para resolver as questões é fundamental compreender os conceitos e as fórmulas.

• Exemplo de questão prática sobre eletricidade no Enem

(Enem) A figura mostra a bateria de um computador portátil, a qual necessita de uma corrente elétrica de 2 A para funcionar corretamente.

Quando a bateria está completamente carregada, o tempo máximo, em minuto, que esse notebook pode ser usado antes que ela “descarregue” completamente é

a) 24,4.

b) 36,7.

c) 132.

d) 333.

e) 528.

Alternativa C.

Neste exercício, é necessário converter a carga elétrica de Ampere por hora para Ampere por minuto:

\(Q = 4400mA\cdot 1\ hora\)

No lugar do símbolo mili (m), colocaremos seu valor de \(10^{-3}\), então:

\(Q = 4400\cdot 10^{-3} A \cdot 60\ min\)

\(Q = 264\ Amin\)

Calcularemos o tempo máximo por meio da fórmula da carga elétrica:

\(Q=i\cdot ∆t\)

\(264 =2\cdot ∆t\)

\(∆t=\frac{264}2\)

\(∆t=132\ min\)

• Exemplo de questão teórica sobre eletricidade no Enem

(Enem) Por qual motivo ocorre a eletrização ilustrada na tirinha?

a) Troca de átomos entre a calça e os pelos do gato.

b) Diminuição do número de prótons nos pelos do gato.

c) Criação de novas partículas eletrizadas nos pelos do gato.

d) Movimentação de elétrons entre a calça e os pelos do gato.

e) Repulsão entre partículas elétricas da calça e dos pelos do gato.

Alternativa D.

A eletrização ocorre por meio da movimentação de elétrons entre a calça e os pelos do gato em razão da eletrização por atrito.

Para saber mais sobre como esse conteúdo pode ser cobrado no Enem, leia: Eletricidade no Enem.

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[1] spatuletail / Shutterstock