A eletricidade é invisível, mas pode produzir fenômenos visualmente observáveis, mostrados aqui com orelâmpago e várias formas deluz elétrica nos edifícios
A presença de uma carga elétrica positiva ou negativa produz umcampo elétrico. O movimento de cargas elétricas é umacorrente elétrica e produz umcampo magnético. Na maioria das aplicações, alei de Coulomb determina aforça que atua sobre uma carga elétrica. Opotencial elétrico é otrabalho realizado para mover uma carga elétrica de um ponto a outro dentro de um campo elétrico, normalmente medido emvolts.
O estudo dos fenômenos elétricos remonta à antiguidade, com a compreensão teórica progredindo lentamente até os séculos XVII e XVIII. O desenvolvimento da teoria do eletromagnetismo no século XIX marcou um progresso significativo, levando à aplicação industrial e residencial da eletricidade porengenheiros eletricistas no final do século. Essa rápida expansão da tecnologia elétrica na época foi a força motriz por trás daSegunda Revolução Industrial, com a versatilidade da eletricidade impulsionando transformações na indústria e na sociedade. A eletricidade é parte integrante de aplicações que abrangemtransporte,climatização,iluminação,telecomunicações ecomputação, tornando-se a base da sociedade industrial moderna.[1]
Tales, o primeiro pesquisador conhecido em eletricidade
Muito antes de qualquer conhecimento sobre eletricidade existir, as pessoas já conheciam os choques causados porpeixes elétricos. Textosegípcios antigos datados de2750 a.C. os descreviam como os "protetores" de todos os outros peixes. Peixes elétricos foram novamente relatados milênios depois por naturalistas e médicosgregos,romanos eárabes antigos.[2] Vários escritores antigos, comoPlínio, o Velho, eEscribônio Largo, atestaram o efeito entorpecente doschoques elétricos aplicados porbagres elétricos earraias elétricas, e sabiam que tais choques podiam se propagar por objetos condutores.[3] Pacientes com doenças comogota oudor de cabeça eram orientados a tocar peixes elétricos na esperança de que o poderoso choque pudesse curá-los.[4]
Culturas antigas ao redor doMediterrâneo sabiam que certos objetos, como barras deâmbar, podiam ser esfregados com pelo de gato para atrair objetos leves comopenas.Tales de Mileto fez uma série de observações sobreeletricidade estática por volta de 600 a.C., a partir das quais ele acreditava que o atrito tornava o âmbarmagnético, em contraste com minerais como amagnetita, que não precisavam de fricção.[5][6][7][8] Tales estava incorreto ao acreditar que a atração era devido a um efeito magnético, mas a ciência posterior provaria uma ligação entre magnetismo e eletricidade. De acordo com uma teoria controversa, ospartas podem ter tido conhecimento degalvanoplastia, com base na descoberta de 1936 daBateria de Bagdá, que se assemelha a umacélula galvânica, embora seja incerto se o artefato era de natureza elétrica.[9]
Benjamin Franklin conduziu uma extensa pesquisa sobre eletricidade no século XVIII, conforme documentado porJoseph Priestley (1767)History and Present Status of Electricity, com quem Franklin manteve longa correspondência
A eletricidade permaneceria pouco mais do que uma curiosidade intelectual por milênios até 1600, quando o cientista inglêsWilliam Gilbert escreveuDe Magnete, no qual fez um estudo cuidadoso da eletricidade e do magnetismo, distinguindo o efeito magnetita da eletricidade estática produzida pela fricção do âmbar.[5] Ele cunhou a palavraneolatinaelectricus ("de âmbar" ou "como âmbar", de ἤλεκτρον, elektron, a palavragrega para "âmbar") para se referir à propriedade de atrair pequenos objetos após serem friccionados.[10] Essa associação deu origem às palavras inglesas "elétrico" e "eletricidade", que fizeram sua primeira aparição impressa naPseudodoxia Epidemica deThomas Browne de 1646.[11]Isaac Newton fez as primeiras investigações sobre eletricidade,[12] com uma ideia sua escrita em seu livroOpticks, sem dúvida o início dateoria de campo da força elétrica.[13]
Trabalhos posteriores foram conduzidos no século XVII e início do século XVIII porOtto von Guericke,Robert Boyle,Stephen Gray eCharles Du Fay.[14] Mais tarde, no século XVIII,Benjamin Franklin conduziu extensas pesquisas em eletricidade, vendendo seus bens para financiar seu trabalho. Em junho de 1752, ele teria prendido uma chave de metal na ponta de uma linha de pipa úmida eempinado a pipa em um céu ameaçado por tempestade.[15] Uma sucessão de faíscas saltando da chave para o dorso de sua mão mostrou que orelâmpago era de fato elétrico por natureza.[16] Ele também explicou o comportamento aparentemente paradoxal[17] daGarrafa de Leiden como um dispositivo para armazenar grandes quantidades de carga elétrica em termos de eletricidade consistindo em cargas positivas e negativas.[14]
As descobertas deMichael Faraday formaram a base da tecnologia de motores elétricos
O primeirodispositivo de estado sólido foi o "detector de bigodes de gato", usado pela primeira vez na década de 1900 em receptores de rádio. Um fio em forma de bigode é colocado levemente em contato com um cristal sólido (como um cristal degermânio) para detectar um sinal derádio pelo efeito de junção de contato.[28] Em um componente de estado sólido, acorrente elétrica é confinada a elementos sólidos e compostos projetados especificamente para comutá-la e amplificá-la. O fluxo de corrente pode ser entendido de duas formas: como elétrons carregados negativamente e como deficiências de elétrons carregadas positivamente, chamadas deburacos. Essas cargas e lacunas são entendidas em termos de física quântica. O material de construção é, na maioria das vezes, umsemicondutor cristalino.[29][30]
Por convenção moderna, a carga transportada peloselétrons é definida como negativa, e a dosprótons como positiva.[33] Antes da descoberta dessas partículas,Benjamin Franklin definiu uma carga positiva como sendo a carga adquirida por uma vareta de vidro quando esfregada com um pano de seda.[34] Um próton, por definição, carrega uma carga de exatamente1,602176634×10−19 coulombs. Esse valor também é definido como acarga elementar. Nenhum objeto pode ter uma carga menor do que a carga elementar, e qualquer quantidade de carga que um objeto possa carregar é um múltiplo da carga elementar. Um elétron possui uma carga negativa igual, ou seja,−1,602176634×10−19 coulombs. A carga é possuída não apenas pelamatéria, mas também pelaantimatéria, sendo que cadaantipartícula possui uma carga igual e oposta à de sua partícula correspondente.[35]
A presença decarga elétrica dá origem a uma força eletrostática: as cargas exercemforça umas sobre as outras, um efeito que era conhecido, embora não compreendido, na antiguidade.[25]:457 Uma esfera leve suspensa por um fio fino pode ser carregada eletricamente tocando-a com uma vareta de vidro que, por sua vez, foi carregada por atrito com um pano. Se uma esfera semelhante for carregada pela mesma vareta de vidro, observa-se que ela repele a primeira: a carga atua forçando as duas esferas a se afastarem. Duas esferas carregadas com uma vareta de âmbar atritada também se repelem. No entanto, se uma esfera for carregada pela vareta de vidro e a outra por uma vareta de âmbar, observa-se que as duas esferas se atraem. Esses fenômenos foram investigados no final do século XVIII porCharles-Augustin de Coulomb, que deduziu que a carga se manifesta em duas formas opostas. Essa descoberta levou ao conhecido axioma:objetos com cargas iguais se repelem e objetos com cargas opostas se atraem.[25]
A força atua sobre as próprias partículas carregadas, portanto, a carga tende a se distribuir da maneira mais uniforme possível sobre uma superfície condutora. A magnitude da força eletromagnética, seja ela atrativa ou repulsiva, é dada pelalei de Coulomb, que relaciona a força ao produto das cargas e tem uma relaçãoinversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.[36][37]:35 A força eletromagnética é muito forte, sendo a segunda mais forte, perdendo apenas para ainteração forte,[38] mas, ao contrário desta, atua em todas as distâncias.[39] Em comparação com aforça gravitacional, muito mais fraca, a força eletromagnética que repele dois elétrons é 1042 vezes maior do que a atração gravitacional que os une.[40]
A carga elétrica origina-se de certos tipos departículas subatômicas, sendo os portadores mais conhecidos o elétron e o próton. A carga elétrica dá origem àforça eletromagnética e interage com ela, sendo esta uma das quatroforças fundamentais da natureza. Experimentos demonstraram que a carga é umaquantidade conservada, ou seja, a carga líquida dentro de um sistema eletricamente isolado permanece sempre constante, independentemente de quaisquer mudanças que ocorram dentro desse sistema.[41] Dentro do sistema, a carga pode ser transferida entre corpos, seja por contato direto ou através de um material condutor, como um fio.[37]:2–5 O termo informaleletricidade estática refere-se à presença líquida (ou "desequilíbrio") de carga em um corpo, geralmente causada quando materiais diferentes são esfregados uns contra os outros, transferindo carga de um para o outro.
A carga elétrica pode ser medida por diversos meios, sendo um dos primeiros instrumentos oeletroscópio de folha de ouro, que, embora ainda seja utilizado em demonstrações em sala de aula, foi substituído peloeletrômetro eletrônico.[37]:2–5
O movimento de carga elétrica é conhecido comocorrente elétrica, cuja intensidade é geralmente medida emamperes. A corrente pode consistir em quaisquer partículas carregadas em movimento; na maioria das vezes, sãoelétrons, mas qualquer carga em movimento constitui uma corrente. A corrente elétrica pode fluir através de alguns materiais, oscondutores elétricos, mas não fluirá através de umisolante elétrico.[42]
Por convenção histórica, uma corrente positiva é definida como tendo a mesma direção de fluxo que qualquer carga positiva que ela contenha, ou seja, fluindo da parte mais positiva de um circuito para a parte mais negativa. A corrente definida dessa maneira é chamada decorrente convencional. O movimento de elétrons carregados negativamente em torno de umcircuito elétrico, uma das formas mais comuns de corrente, é, portanto, considerado positivo na direção oposta à do movimento dos elétrons.[43] No entanto, dependendo das condições, uma corrente elétrica pode consistir em um fluxo de partículas carregadas em qualquer direção ou mesmo em ambas as direções simultaneamente. A convenção de positivo para negativo é amplamente utilizada para simplificar essa situação.
Umarco elétrico proporciona uma demonstração energética da corrente elétrica
O processo pelo qual a corrente elétrica passa através de um material é denominadocondução elétrica, e sua natureza varia de acordo com as partículas carregadas e o material através do qual elas se movem. Exemplos de correntes elétricas incluem a condução metálica, onde elétrons fluem através de umcondutor como um metal, e aeletrólise, ondeíons (átomos carregados) fluem através de líquidos ou através deplasmas, como em faíscas elétricas. Embora as próprias partículas possam se mover muito lentamente, às vezes com umavelocidade de deriva média de apenas frações de milímetro por segundo,[37]:17 ocampo elétrico que as impulsiona se propaga a uma velocidade próxima à da luz, permitindo que os sinais elétricos se transmitam rapidamente ao longo dos fios.[44]
A corrente elétrica causa diversos efeitos observáveis, que historicamente foram os meios de reconhecer sua presença. A decomposição da água pela corrente de umapilha voltaica foi descoberta porWilliam Nicholson eAntony Carlisle em 1800, um processo agora conhecido como eletrólise. O trabalho deles foi amplamente desenvolvido porMichael Faraday em 1833. A passagem de corrente por umaresistência causa aquecimento localizado, um efeito queJames Prescott Joule estudou matematicamente em 1840.[37]:23–24 Uma das descobertas mais importantes relacionadas à corrente elétrica foi feita acidentalmente porHans Christian Ørsted em 1820, quando, ao preparar uma palestra, ele observou a corrente em um fio perturbando a agulha de uma bússola magnética.[23]:[a] Ele havia descoberto oeletromagnetismo, uma interação fundamental entre eletricidade e magnetismo. O nível de emissões eletromagnéticas geradas por umarco elétrico é alto o suficiente para produzirinterferência eletromagnética, que pode ser prejudicial ao funcionamento de equipamentos próximos.[45]
Em aplicações de engenharia ou domésticas, a corrente elétrica é frequentemente descrita comocorrente contínua (CC) oucorrente alternada (CA). Esses termos referem-se à forma como a corrente varia ao longo do tempo. A corrente contínua, produzida, por exemplo, por umabateria e necessária para a maioria dosdispositivos eletrônicos, é um fluxo unidirecional da parte positiva de um circuito para a negativa.[46]:11 Se, como é mais comum, esse fluxo for transportado por elétrons, eles estarão se movendo na direção oposta. A corrente alternada é qualquer corrente que inverte sua direção repetidamente; quase sempre isso assume a forma de umaonda senoidal.[46]:206–07 A corrente alternada, portanto, pulsa para frente e para trás dentro de um condutor sem que a carga se desloque em qualquer distância líquida ao longo do tempo. O valor médio da corrente alternada ao longo do tempo é zero, mas ela fornece energia primeiro em uma direção e depois na direção oposta. A corrente alternada é afetada por propriedades elétricas que não são observadas em corrente contínua emestado estacionário, comoindutância ecapacitância.[46]:223–25 Essas propriedades, no entanto, podem se tornar importantes quando os circuitos são submetidos atransientes, como quando são energizados pela primeira vez.
O conceito decampo elétrico foi introduzido porMichael Faraday. Um campo elétrico é criado por um corpo carregado no espaço que o circunda e resulta em uma força exercida sobre quaisquer outras cargas colocadas dentro desse campo. O campo elétrico atua entre duas cargas de maneira semelhante à forma como o campo gravitacional atua entre duasmassas e, assim como este, estende-se até o infinito e apresenta uma relação inversamente proporcional ao quadrado da distância.[39] No entanto, existe uma diferença importante. A gravidade sempre atua como força de atração, aproximando duas massas, enquanto o campo elétrico pode resultar em atração ou repulsão. Como corpos grandes, comoplanetas, geralmente não possuem carga líquida, o campo elétrico a uma certa distância geralmente é zero. Assim, a gravidade é a força dominante a grandes distâncias nouniverso, apesar de ser muito mais fraca.[40]
Linhas de campo que emanam de uma carga positiva acima de um condutor plano
Um campo elétrico geralmente varia no espaço,[b] e sua intensidade em qualquer ponto é definida como a força (por unidade de carga) que seria sentida por uma carga estacionária e desprezível se colocada naquele ponto.[25]:469–70 A carga conceitual, denominada "carga de teste", deve ser infinitesimalmente pequena para evitar que seu próprio campo elétrico perturbe o campo principal e também deve estar estacionária para evitar o efeito decampos magnéticos. Como o campo elétrico é definido em termos deforça, e a força é umvetor, possuindomagnitude edireção, conclui-se que um campo elétrico é umcampo vetorial.[25]:469–70
O estudo dos campos elétricos criados por cargas estacionárias é chamado deeletrostática. O campo pode ser visualizado por um conjunto de linhas imaginárias cuja direção em qualquer ponto é a mesma que a do campo. Esse conceito foi introduzido por Faraday,[47] cujo termo "linhas de força" ainda é ocasionalmente utilizado. As linhas de campo representam os caminhos que uma carga positiva pontual percorreria se fosse forçada a se mover dentro do campo; são, no entanto, um conceito imaginário sem existência física, e o campo permeia todo o espaço entre as linhas.[47] As linhas de campo que emanam de cargas estacionárias possuem várias propriedades importantes: primeiro, elas se originam em cargas positivas e terminam em cargas negativas; segundo, elas devem entrar em qualquer bom condutor em ângulo reto; e terceiro, elas nunca podem se cruzar nem formar circuitos fechados.[25]:479
Um corpo condutor oco armazena toda a sua carga na superfície externa. O campo elétrico é, portanto, zero em todos os pontos dentro do corpo.[37]:88 Este é o princípio de funcionamento dagaiola de Faraday, uma estrutura metálica condutora que isola seu interior de efeitos elétricos externos.
Os princípios da eletrostática são importantes no projeto de equipamentos dealta tensão. Existe um limite finito para a intensidade do campo elétrico que qualquer meio pode suportar. Acima desse limite, ocorre apane dielétrica e umarco elétrico causa uma descarga disruptiva entre as partes carregadas. O ar, por exemplo, tende a formar arcos elétricos em pequenas distâncias quando a intensidade do campo elétrico excede 30 kV por centímetro. Em distâncias maiores, sua rigidez dielétrica é menor, talvez 1 kV por centímetro.[48]: A ocorrência natural mais visível desse fenômeno é orelâmpago, causado quando a carga se separa nas nuvens por colunas ascendentes de ar, elevando o campo elétrico no ar a um nível superior ao que ele pode suportar. A tensão de uma grande nuvem de tempestade pode atingir até 100 MV e ter energias de descarga de até 250 kWh.[48]:
A intensidade do campo elétrico é fortemente afetada por objetos condutores próximos, e é particularmente intensa quando é forçada a curvar-se em torno de objetos pontiagudos. Este princípio é explorado nopara-raios, cuja ponta afiada atua para incentivar a descarga elétrica a ocorrer ali, em vez de atingir o edifício que ele protege.[49]:155
Um par depilhas AA. O sinal de + indica a polaridade da diferença de potencial entre os terminais da pilha
O conceito depotencial elétrico está intimamente ligado ao docampo elétrico. Uma pequena carga colocada dentro de um campo elétrico experimenta umaforça, e para trazer essa carga até aquele ponto contra a força é necessário realizartrabalho. O potencial elétrico em qualquer ponto é definido como a energia necessária para trazer uma carga de teste unitária de uma distância infinita lentamente até aquele ponto. Geralmente é medido emvolts, e um volt é o potencial para o qual umjoule de trabalho deve ser gasto para trazer uma carga de umcoulomb do infinito.[25]:494–98 Essa definição de potencial, embora formal, tem pouca aplicação prática, e um conceito mais útil é o dediferença de potencial elétrico, que é a energia necessária para mover uma carga unitária entre dois pontos especificados. O campo elétrico éconservativo, o que significa que o caminho percorrido pela carga de teste é irrelevante: todos os caminhos entre dois pontos especificados exigem a mesma energia, e, portanto, um valor único para a diferença de potencial pode ser estabelecido.[25]:494–98 O volt é tão fortemente identificado como a unidade de escolha para a medição e descrição da diferença de potencial elétrico que o termo tensão elétrica (ou voltagem) é mais utilizado no dia a dia.
Para fins práticos, é útil definir um ponto de referência comum em relação ao qual os potenciais possam ser expressos e comparados. Embora esse ponto pudesse ser o infinito, uma referência muito mais útil é a própriaTerra, que se presume estar no mesmo potencial em todos os lugares. Esse ponto de referência recebe naturalmente o nome deterra ouaterramento. A Terra é considerada uma fonte infinita de quantidades iguais de carga positiva e negativa e, portanto, é eletricamente neutra, e inalterável em termos de carga elétrica.[50]
O potencial elétrico é umaquantidade escalar. Ou seja, possui apenas magnitude e não direção. Pode ser visto como análogo à altura: assim como um objeto liberado cairá devido à diferença de altura causada por umcampo gravitacional, umacarga elétrica "cairá" através da diferença de potencial causada por um campo elétrico.[51] Assim como os mapas topográficos mostramlinhas de contorno que marcam pontos de igual altitude, um conjunto de linhas que marcam pontos de igual potencial (conhecidas comoequipotenciais) pode ser desenhado em torno de um objeto eletrostaticamente carregado. As equipotenciais cruzam todas as linhas de força em ângulos retos. Elas também devem ser paralelas à superfície de um condutor, pois, caso contrário, haveria uma força ao longo da superfície docondutor que moveria os portadores de carga para igualar o potencial em toda a superfície.
O campo elétrico foi formalmente definido como a força exercida por unidade de carga, mas o conceito de potencial permite uma definição mais útil e equivalente: o campo elétrico é o gradiente local do potencial elétrico. Geralmente expresso em volts por metro, a direção vetorial do campo é a linha de maior inclinação do potencial, e onde as equipotenciais estão mais próximas umas das outras.[37]:60
A descoberta deHans Christian Ørsted em 1821 de que existia umcampo magnético ao redor de um fio condutor decorrente elétrica indicava que havia uma relação direta entre eletricidade emagnetismo. Além disso, a interação parecia diferente das forças gravitacionais eeletrostáticas, as duas forças da natureza então conhecidas. A força sobre a agulha dabússola não a direcionava para perto ou para longe do fio condutor de corrente, mas agia perpendicularmente a ele.[23]: As palavras de Ørsted foram que "o conflito elétrico age de maneira rotacional". A força também dependia da direção da corrente, pois se o fluxo fosse invertido, a força também se invertia.[52]
Ørsted não compreendeu completamente sua descoberta, mas observou que o efeito era recíproco: uma corrente elétrica exerce uma força sobre um ímã, e um campo magnético exerce uma força sobre uma corrente elétrica. O fenômeno foi posteriormente investigado porAndré-Marie Ampère, que descobriu que dois fios paralelos percorridos por corrente elétrica exerciam uma força um sobre o outro: dois fios conduzindo correntes na mesma direção são atraídos um pelo outro, enquanto fios com correntes em direções opostas são repelidos.[53] Essa interação é mediada pelo campo magnético que cada corrente produz e constitui a base para a definição internacional doampere.[53]
Essa relação entre campos magnéticos e correntes elétricas é extremamente importante, pois levou à invenção domotor elétrico porMichael Faraday em 1821. Omotor homopolar de Faraday consistia em umímã permanente imerso em um recipiente commercúrio. Uma corrente elétrica era aplicada a um fio suspenso por um pivô acima do ímã e mergulhado no mercúrio. O ímã exercia uma força tangencial sobre o fio, fazendo-o girar em torno do ímã enquanto a corrente elétrica fosse mantida.[54]
As experiências realizadas de Faraday em 1831 revelaram que um fio condutor movendo-se perpendicularmente a um campo magnético desenvolvia uma diferença de potencial entre suas extremidades. Uma análise mais aprofundada desse processo, conhecido comoindução eletromagnética, permitiu-lhe enunciar o princípio, hoje conhecido comoLei de indução de Faraday, que afirma que a diferença de potencial induzida em um circuito fechado é proporcional à taxa de variação dofluxo magnético através do circuito. A exploração dessa descoberta permitiu-lhe inventar o primeirogerador elétrico em 1831, no qual ele convertia a energia mecânica de um disco de cobre em rotação emenergia elétrica.[54] Odisco de Faraday era ineficiente e não tinha utilidade como gerador prático, mas demonstrou a possibilidade de gerar energia elétrica usando magnetismo, uma possibilidade que seria aproveitada por aqueles que deram continuidade ao seu trabalho.[55]
Umcircuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos de tal forma que acarga elétrica flua ao longo de um caminho fechado (um circuito), geralmente para realizar alguma tarefa útil.[56]
Os componentes de um circuito elétrico podem assumir diversas formas, incluindo elementos comoresistores,capacitores,interruptores,transformadores e componenteseletrônicos. Oscircuitos eletrônicos contêm componentes ativos, geralmentesemicondutores, e tipicamente exibem comportamentonão linear, exigindo análises complexas. Os componentes elétricos mais simples são aqueles denominadospassivos elineares: embora possam armazenar energia temporariamente, não contêm fontes de energia e exibem respostas lineares aos estímulos.[57]:15–16
Oresistor é talvez o mais simples dos elementos de circuitos passivos: como o próprio nome sugere, eleresiste à passagem dacorrente elétrica, dissipando sua energia na forma de calor. Aresistência é uma consequência do movimento de cargas através de um condutor: em metais, por exemplo, a resistência se deve principalmente às colisões entreelétrons eíons. Alei de Ohm é uma lei fundamental dateoria de circuitos, que afirma que a corrente que passa por uma resistência é diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada a ela. A resistência da maioria dos materiais é relativamente constante em uma faixa de temperaturas e correntes; materiais nessas condições são conhecidos como "ôhmicos". Oohm, a unidade de resistência, recebeu esse nome em homenagem aGeorg S. Ohm e é simbolizado pela letra grega Ω. 1 Ω é a resistência que produzirá uma diferença de potencial de umvolt em resposta a uma corrente de umampere.[57]:30–35
Ocapacitor é uma evolução dagarrafa de Leiden e é um dispositivo capaz de armazenar carga, e, consequentemente,energia elétrica no campo resultante. Ele consiste em duas placas condutoras separadas por uma fina camadaisolantedielétrica; na prática, finas folhas de metal são enroladas juntas, aumentando a área da superfície por unidade de volume e, portanto, a capacitância. A unidade de capacitância é ofarad, nomeada em homenagem aMichael Faraday e representada pelo símboloF: um farad é a capacitância que desenvolve uma diferença de potencial de um volt quando armazena uma carga de umcoulomb. Um capacitor conectado a uma fonte de tensão inicialmente gera uma corrente à medida que acumula carga; essa corrente, no entanto, diminui com o tempo à medida que o capacitor se carrega, eventualmente caindo a zero. Portanto, um capacitor não permite uma corrente emestado estacionário, mas sim a bloqueia.[57]:216–20
Oindutor é um condutor, geralmente uma bobina de fio, que armazena energia em umcampo magnético em resposta à corrente que o atravessa. Quando a corrente varia, o campo magnético também varia,induzindo uma tensão entre as extremidades do condutor. A tensão induzida é proporcional à taxa de variação da corrente no tempo. A constante de proporcionalidade é denominadaindutância. A unidade de indutância é ohenry, nomeada em homenagem aJoseph Henry, contemporâneo de Faraday. Um henry é a indutância que induzirá uma diferença de potencial de um volt se a corrente que o atravessa variar a uma taxa de um ampere por segundo. O comportamento do indutor é, em alguns aspectos, o inverso do comportamento do capacitor: ele permite a passagem livre de uma corrente constante, mas se opõe a uma corrente que varia rapidamente.[57]:226–29
A potência elétrica, assim como apotência mecânica, é a taxa de realização detrabalho, medida em watts e representada pela letraP. O termo "potência em watts" é usado coloquialmente para se referir à potência elétrica em watts. A potência elétrica em watts produzida por uma corrente elétricaI, que consiste em uma carga deQ coulombs a cadat segundos, passando por uma diferença depotencial elétrico (tensão) deV, é dada por:
A energia elétrica é geralmente fornecida a empresas e residências pelaindústria de energia elétrica. A eletricidade é normalmente vendida porquilowatt-hora (3.6 MJ), que é o produto da potência em quilowatts multiplicada pelo tempo de funcionamento em horas. As concessionárias de energia elétrica medem o consumo de energia usandomedidores de energia elétrica, que registram o total de energia elétrica fornecida a um cliente. Ao contrário doscombustíveis fósseis, a eletricidade é uma forma de energia de baixaentropia e pode ser convertida em movimento ou em muitas outras formas de energia com alta eficiência.[58]
Aeletrônica lida comcircuitos elétricos que envolvem componentes elétricos ativos, comoválvulas termiônicas,transistores,diodos,sensores ecircuitos integrados, e tecnologias de interconexão passivas associadas.[59]:1–5,71 O comportamentonão linear dos componentes ativos e sua capacidade de controlar o fluxo deelétrons possibilitam a comutação digital,[59]:75 e a eletrônica é amplamente utilizada no processamento de informações, telecomunicações e processamento de sinais. Tecnologias de interconexão, como placas de circuito impresso, tecnologia de encapsulamento eletrônico e outras formas variadas de infraestrutura de comunicação, complementam a funcionalidade do circuito e transformam os componentes em um sistema funcional completo.[59]
Atualmente, a maioria dos dispositivos eletrônicos utiliza componentessemicondutores para controlar o fluxo de elétrons. Os princípios subjacentes que explicam o funcionamento dos semicondutores são estudados nafísica do estado sólido,[60] enquanto o projeto e a construção de circuitos eletrônicos para resolver problemas práticos fazem parte daengenharia eletrônica.[61]
Os dispositivos eletrônicos utilizam o transistor, talvez uma das invenções mais importantes do século XX,[62] e um componente fundamental de todos os circuitos modernos. Um circuito integrado moderno pode conter bilhões de transistores miniaturizados em uma área de apenas alguns centímetros quadrados.[63]
O trabalho deMichael Faraday eAndré-Marie Ampère demonstrou que umcampo magnético variável no tempo cria um campo elétrico, e um campo elétrico variável no tempo cria um campo magnético. Assim, quando qualquer um dos campos varia no tempo, um campo do outro tipo é sempre induzido.[25]:696–700 Essas variações constituem umaonda eletromagnética. As ondas eletromagnéticas foram analisadas teoricamente porJames Clerk Maxwell em 1864. Maxwell desenvolveu um conjunto de equações que podiam descrever de forma inequívoca a inter-relação entre campo elétrico, campo magnético,carga elétrica ecorrente elétrica. Ele pôde, além disso, provar que, no vácuo, tal onda viajaria àvelocidade da luz, e que, portanto, a própria luz era uma forma de radiação eletromagnética. Asequações de Maxwell, que unificam luz, campos e carga, são um dos grandes marcos da física teórica.[25]:696–700
O trabalho de muitos pesquisadores possibilitou o uso da eletrônica para converter sinais em correntes oscilantes dealta frequência e, por meio de condutores com formato adequado, a eletricidade permite a transmissão e recepção desses sinais por meio de ondas de rádio a longas distâncias.[64]
No século VI a.C., o filósofo gregoTales de Mileto realizou experimentos com bastões de âmbar: esses foram os primeiros estudos sobre a produção de eletricidade. Embora esse método, hoje conhecido comoefeito triboelétrico, possa levantar objetos leves e gerar faíscas, é extremamente ineficiente.[65] Somente com a invenção dapilha voltaica no século XVIII é que uma fonte viável de eletricidade se tornou disponível. A pilha voltaica, e sua descendente moderna, abateria elétrica, armazenam energia quimicamente e a disponibilizam sob demanda na forma de eletricidade.[65]
Aenergia elétrica é geralmente gerada por geradores eletromecânicos. Estes podem ser acionados por vapor produzido pela combustão decombustíveis fósseis ou pelo calor liberado porreações nucleares, mas também, de forma mais direta, pelaenergia cinética do vento ou da água em movimento. Aturbina a vapor inventada porCharles Algernon Parsons em 1884 ainda é utilizada para converter aenergia térmica do vapor em movimento rotativo, que pode ser aproveitado por geradores eletromecânicos. Esses geradores não se assemelham ao gerador de disco homopolar de Faraday, de 1831, mas ainda se baseiam em seu princípio eletromagnético de que um condutor que atravessa um campo magnético variável induz uma diferença de potencial em suas extremidades.[66] A eletricidade gerada porpainéis solares utiliza um mecanismo diferente: aradiação solar é convertida diretamente em eletricidade por meio doefeito fotovoltaico.[67]
Aenergia eólica está a tornar-se cada vez mais importante em muitos países
A procura por eletricidade cresce com grande rapidez à medida que uma nação se moderniza e sua economia se desenvolve.[68] OsEstados Unidos apresentaram um aumento de 12% na procura a cada ano durante as três primeiras décadas do século XX,[69] uma taxa de crescimento que agora está sendo observada em economias emergentes como as daÍndia ou daChina.[70][71]
A invenção dotransformador no final do século XIX significou que a energia elétrica poderia ser transmitida de forma mais eficiente em uma tensão mais alta, porém com uma corrente mais baixa. A transmissão eficiente de eletricidade, por sua vez, permitiu que a eletricidade fosse gerada emcentrais elétricas centralizadas, onde se beneficiava deeconomias de escala, e depois distribuída a distâncias relativamente longas para onde fosse necessária.[73][74]
Normalmente, a demanda por eletricidade deve corresponder à oferta, visto que o armazenamento de eletricidade é difícil.[73] Uma certa quantidade de geração deve ser sempre mantida em reserva para proteger a rede elétrica contra perturbações e perdas inevitáveis.[75] Com o aumento dos níveis deenergia renovável variável (energia eólica e solar) na rede, tornou-se mais desafiador equilibrar a oferta e a demanda. O armazenamento desempenha um papel cada vez mais importante para preencher essa lacuna. Existem quatro tipos de tecnologias de armazenamento de energia, cada uma em diferentes estágios dedesenvolvimento tecnológico: baterias (armazenamento eletroquímico), armazenamento químico, como ohidrogênio, armazenamento térmico ou mecânico (como aenergia hidrelétrica bombeada).[76]
A eletricidade é uma forma muito conveniente de transferir energia e tem sido adaptada a um número enorme e crescente de usos.[77] A invenção dalâmpada incandescente prática na década de 1870 fez com que a iluminação se tornasse uma das primeiras aplicações deenergia elétrica disponíveis ao público. Embora a eletrificação tenha trazido consigo seus próprios perigos, a substituição das chamas expostas da iluminação a gás reduziu consideravelmente os riscos de incêndio em residências e fábricas.[78] Empresas de serviços públicos foram criadas em muitas cidades para atender ao crescente mercado de iluminação elétrica. No final do século XX e nos tempos modernos, a tendência começou a se direcionar para a desregulamentação no setor de energia elétrica.[79]
O efeito deaquecimento Joule por resistência, empregado em lâmpadas incandescentes, também é utilizado de forma mais direta noaquecimento elétrico. Embora seja versátil e controlável, pode ser considerado um desperdício, visto que a maior parte da geração de eletricidade já envolveu a produção de calor em uma usina termelétrica.[80] Diversos países, como aDinamarca, promulgaram leis que restringem ou proíbem o uso de aquecimento elétrico por resistência em novas construções.[81] A eletricidade, no entanto, ainda é uma fonte de energia altamente prática para aquecimento erefrigeração,[82] com os sistemas dear condicionado/bomba de calor representando um setor em crescimento na demanda de eletricidade para aquecimento e resfriamento, cujos efeitos as concessionárias de energia elétrica são cada vez mais obrigadas a acomodar.[83][84] Espera-se que a eletrificação desempenhe um papel importante na descarbonização de setores que dependem da queima direta decombustíveis fósseis, como o transporte (comveículos elétricos) e o aquecimento (com bomba de calor).[85][86]
Os efeitos do eletromagnetismo são mais visivelmente empregados nomotor elétrico, que fornece um meio limpo e eficiente de força motriz. Um motor estacionário, como umguincho, é facilmente alimentado por uma fonte de energia, mas um motor que se move juntamente com sua aplicação, como em um veículo elétrico, é obrigado a transportar uma fonte de energia, como uma bateria, ou a coletar corrente elétrica por meio de um contato deslizante, como umpantógrafo. Veículos movidos a eletricidade são usados no transporte público, como ônibus e trens elétricos,[87] e emcarros elétricos.[88]
Uma tensão aplicada ao corpo humano causa umacorrente elétrica através dos tecidos e, embora a relação não seja linear, quanto maior a tensão, maior a corrente.[89] O limiar de percepção varia com a frequência da corrente e com o caminho percorrido por ela, mas é de cerca de 0.1 mA a 1 mA para eletricidade de frequência da rede elétrica, embora uma corrente tão baixa quanto um microampere possa ser detectada como um efeito deeletrovibração em certas condições.[90] Se a corrente for suficientemente alta, causará contração muscular,fibrilação cardíaca equeimaduras nos tecidos.[89] A falta de qualquer sinal visível de que um condutor esteja eletrificado torna a eletricidade um perigo particular. A dor causada por um choque elétrico pode ser intensa, levando a eletricidade a ser, por vezes, empregada como método de tortura.[91] A morte causada por um choque elétrico,eletrocussão, ainda é usada parapena de morte em alguns estados dosEstados Unidos, embora seu uso tenha se tornado muito raro no final do século XX.[92]
A eletricidade não é uma invenção humana e pode ser observada em diversas formas na natureza, notavelmente nosrelâmpagos. Muitas interações familiares em nível macroscópico, como otoque, oatrito ou asligações químicas, são devidas a interações entre campos elétricos em escala atômica. Ocampo magnético da Terra é resultado dodínamo natural de correntes circulantes no núcleo do planeta.[93] Certos cristais, como oquartzo, ou mesmo oaçúcar, geram uma diferença de potencial em suas faces quando pressionados.[94] Esse fenômeno é conhecido comopiezoeletricidade, dogregopiezein (πιέζειν), que significa pressionar, e foi descoberto em 1880 porPierre Curie eJacques Curie. O efeito é recíproco: quando um material piezoelétrico é submetido a um campo elétrico, ele sofre uma pequena alteração em seu tamanho.[94]
Alguns organismos, como ostubarões, são capazes de detectar e responder a mudanças em campos elétricos, uma habilidade conhecida comoeletrorrecepção,[95] enquanto outros, denominadoseletrogênicos, são capazes de gerar voltagens por si mesmos para servir como arma de caça ou defesa; estes são ospeixes elétricos de diferentes ordens.[3] A ordemGymnotiformes, cujo exemplo mais conhecido é aenguia elétrica, detecta ou atordoa suas presas por meio de altas voltagens geradas a partir de células musculares modificadas chamadaseletrocitos.[3][4] Todos os animais transmitem informações ao longo de suas membranas celulares com pulsos de voltagem chamados potenciais de ação, cujas funções incluem a comunicação do sistema nervoso entreneurônios emúsculos.[96] Umchoque elétrico estimula esse sistema e causa a contração muscular.[97] Os potenciais de ação também são responsáveis por coordenar atividades em certas plantas.[96]
Diz-se que, na década de 1850, o político britânicoWilliam Ewart Gladstone perguntou ao cientistaMichael Faraday por que a eletricidade era valiosa. Faraday respondeu: "Um dia, senhor, o senhor poderá cobrar impostos sobre ela."[98][99][100] No entanto, de acordo com o site Snopes.com, "a anedota deve ser considerada apócrifa, pois não é mencionada em nenhum relato de Faraday ou de seus contemporâneos (cartas, jornais ou biografias) e só surgiu muito depois da morte de Faraday."[101]
Nos séculos XIX e início do XX, a eletricidade não fazia parte do cotidiano de muitas pessoas, mesmo nomundo ocidental industrializado. Acultura popular da época, consequentemente, frequentemente a retratava como uma força misteriosa e quase mágica, capaz de matar os vivos, reviver os mortos ou, de alguma forma, desafiar as leis da natureza.[102]: Essa percepção começou com os experimentos deLuigi Galvani em 1771, nos quais as pernas de rãs mortas se contraíam com a aplicação deeletricidade animal. A "revitalização" ou ressuscitação de pessoas aparentemente mortas ou afogadas foi relatada na literatura médica logo após o trabalho de Galvani. Esses resultados eram conhecidos porMary Shelley quando ela escreveuFrankenstein (1819), embora ela não mencione o método de revitalização do monstro. A revitalização de monstros com eletricidade tornou-se posteriormente um tema recorrente em filmes de terror.
À medida que o público se familiarizava com a eletricidade como a força vital daSegunda Revolução Industrial, aqueles que a dominavam eram frequentemente retratados sob uma luz positiva,[102]: como os trabalhadores que "desafiam a morte com as pontas dos dedos, enquanto conectam e reconectam os fios energizados" no poema deRudyard Kipling de 1907,The Sons of Martha.[102]: Veículos movidos a eletricidade de todos os tipos figuravam com destaque em histórias de aventura, como as deJúlio Verne e os livros deTom Swift.[102]: Os mestres da eletricidade, sejam fictícios ou reais, incluindo cientistas comoThomas Edison,Charles Steinmetz ouNikola Tesla, eram popularmente concebidos como possuidores de poderes semelhantes aos de um mago.[102]:
Com a eletricidade deixando de ser uma novidade e se tornando uma necessidade da vida cotidiana na segunda metade do século XX, ela só passou a receber atenção especial na cultura popular quando sua distribuição é interrompida,[102]: um evento que geralmente sinaliza um desastre.[102]: As pessoas que garantem o seu fornecimento, como o herói anônimo da canção "Wichita Lineman" (1968) deJimmy Webb,[102]: ainda são frequentemente retratadas como figuras heroicas e quase mágicas.[102]:
↑Os relatos divergem quanto a se isso ocorreu antes, durante ou depois de uma palestra.
↑Quase todos os campos elétricos variam no espaço. Uma exceção é o campo elétrico que envolve um condutor plano de extensão infinita, cujo campo é uniforme.
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