Como foi mencionado anteriormente, precisamos mais do que apenas um caminho contínuo (isto é, um circuito) antes de ocorrer um fluxo contínuo de carga: também precisamos de alguns meios para empurrar estes portadores de carga ao redor do circuito. Assim como os mármores em um tubo ou a água em um tubo, é necessário algum tipo de força influenciadora para iniciar o fluxo. Com elétrons, esta força é a mesma força em funcionamento na eletricidade estática: a força produzida por um desequilíbrio de carga elétrica. Se tomarmos os exemplos da cera e da lã que foram esfregadas juntas, verificamos que o excesso de elétrons na cera (carga negativa) e o déficit de elétrons na lã (carga positiva) cria um desequilíbrio de carga entre eles. Este desequilíbrio manifesta-se como uma força atractiva entre os dois objectos:
Se for colocado um fio condutor entre a cera carregada e a lã, os electrões fluirão através dela, pois alguns dos electrões em excesso no fio de cera correm pelo fio para voltarem à lã, preenchendo a deficiência de electrões ali existente:
O desequilíbrio de elétrons entre os átomos da cera e os átomos da lã cria uma força entre os dois materiais. Sem caminho para que os elétrons fluam da cera para a lã, tudo que essa força pode fazer é atrair os dois objetos juntos. Agora que um condutor faz a ponte entre a fenda isolante, porém, a força provocará o fluxo de elétrons em uma direção uniforme através do fio, nem que seja momentaneamente, até que a carga naquela área neutralize e a força entre a cera e a lã diminua. A carga elétrica formada entre estes dois materiais, esfregando-os juntos, serve para armazenar uma certa quantidade de energia. Esta energia não é diferente da energia armazenada num reservatório elevado de água que foi bombeada de um tanque de nível inferior:
A influência da gravidade sobre a água do reservatório cria uma força que tenta mover a água novamente para o nível inferior. Se um cano adequado é conduzido do reservatório de volta ao tanque, a água fluirá sob a influência da gravidade do reservatório, através do cano:
Leva energia para bombear essa água do tanque de baixo nível para o reservatório de alto nível, e o movimento da água através do cano de volta ao seu nível original constitui uma liberação de energia armazenada a partir do bombeamento anterior. Se a água for bombeada para um nível ainda mais alto, será necessária ainda mais energia para fazê-lo, portanto mais energia será armazenada, e mais energia será liberada se a água for permitida a fluir através de uma tubulação novamente para baixo:
Elétrons não são muito diferentes. Se esfregarmos cera e lã juntos, “bombeamos” elétrons para longe de seus “níveis” normais, criando uma condição onde existe uma força entre a cera e a lã, pois os elétrons procuram restabelecer suas posições anteriores (e equilibrar dentro de seus respectivos átomos). A força que atrai os elétrons de volta às suas posições originais em torno dos núcleos positivos de seus átomos é análoga à força que a gravidade exerce sobre a água no reservatório, tentando puxá-la para baixo até o seu nível anterior. Assim como o bombeamento da água para um nível superior resulta no armazenamento de energia, “bombear” elétrons para criar um desequilíbrio de carga elétrica resulta no armazenamento de uma certa quantidade de energia nesse desequilíbrio. E, da mesma forma que proporcionar uma forma de a água voltar a fluir para baixo a partir das alturas do reservatório resulta numa libertação dessa energia armazenada, proporcionar uma forma de os electrões voltarem aos seus “níveis” originais resulta numa libertação da energia armazenada. Quando os portadores de carga estão posicionados naquela condição estática (assim como água parada, alta em um reservatório), a energia armazenada ali é chamada de energia potencial, porque tem a possibilidade (potencial) de liberação que ainda não foi totalmente realizada.
Entendendo o Conceito de Voltagem
Quando os portadores de carga estão posicionados naquela condição estática (assim como água parada, alta em um reservatório), a energia armazenada ali é chamada de energia potencial, porque tem a possibilidade (potencial) de liberação que ainda não foi totalmente realizada. Quando você arranha seus sapatos com sola de borracha contra um tapete de tecido em um dia seco, você cria um desequilíbrio de carga elétrica entre você e o tapete. A acção de arranhar os seus pés armazena energia sob a forma de um desequilíbrio de cargas forçadas a partir dos seus locais de origem. Esta carga (eletricidade estática) é estacionária e você não vai perceber que a energia está sendo armazenada de forma alguma. No entanto, uma vez colocada a sua mão contra uma maçaneta metálica (com muita mobilidade dos electrões para neutralizar a sua carga eléctrica), essa energia armazenada será libertada sob a forma de um fluxo repentino de carga através da sua mão, e irá percebê-la como um choque eléctrico! Essa energia potencial, armazenada na forma de um desequilíbrio de carga elétrica e capaz de provocar o fluxo de portadores de carga através de um condutor, pode ser expressa como um termo chamado tensão, que tecnicamente é uma medida de energia potencial por unidade de carga ou algo que um físico chamaria de energia potencial específica.
A definição de tensão
Definida no contexto da eletricidade estática, tensão é a medida do trabalho necessário para mover uma carga unitária de um local para outro, contra a força que tenta manter as cargas elétricas equilibradas. No contexto de fontes de energia elétrica, tensão é a quantidade de energia potencial disponível (trabalho a ser feito) por unidade de carga, para mover cargas através de um condutor. Como a tensão é uma expressão da energia potencial, representando a possibilidade ou potencial de liberação de energia à medida que a carga se move de um “nível” para outro, ela é sempre referenciada entre dois pontos. Considere a analogia do reservatório de água:
Por causa da diferença na altura da queda, há potencial para muito mais energia ser liberada do reservatório através da tubulação para o local 2 do que para o local 1. O princípio pode ser intuitivamente compreendido na queda de uma rocha: o que resulta num impacto mais violento, uma rocha caída de uma altura de um pé, ou a mesma rocha caída de uma altura de uma milha? Obviamente, a queda de maior altura resulta em maior energia liberada (um impacto mais violento). Não podemos avaliar a quantidade de energia armazenada em um reservatório de água simplesmente medindo o volume de água, assim como não podemos prever a gravidade do impacto da queda de uma rocha simplesmente por conhecer o peso da rocha: em ambos os casos, devemos também considerar a distância que essas massas cairão de sua altura inicial. A quantidade de energia libertada ao permitir a queda de uma massa é relativa à distância entre os seus pontos de partida e de chegada. Da mesma forma, a energia potencial disponível para mover portadores de carga de um ponto para outro é relativa a esses dois pontos. Portanto, a tensão é sempre expressa como uma quantidade entre dois pontos. Curiosamente, a analogia de uma massa que pode “cair” de uma altura para outra é um modelo tão apto que a tensão entre dois pontos é às vezes chamada de queda de tensão.
Tensão de geração
Tensão pode ser gerada por outros meios que não seja esfregar certos tipos de materiais uns contra os outros. As reacções químicas, a energia radiante e a influência do magnetismo nos condutores são algumas das formas em que a tensão pode ser produzida. Respectivamente exemplos destas três fontes de tensão são as baterias, as células solares e os geradores (como a unidade “alternador” sob a capota do seu automóvel). Por enquanto, não entraremos em detalhes sobre o funcionamento de cada uma destas fontes de tensão – o mais importante é compreender como as fontes de tensão podem ser aplicadas para criar fluxo de carga em um circuito elétrico. Vamos pegar no símbolo de uma bateria química e construir um circuito passo a passo:
Como funcionam as fontes de voltagem?
Ainda fonte de voltagem, incluindo as baterias, tem dois pontos para o contacto eléctrico. Neste caso, temos o ponto 1 e o ponto 2 no diagrama acima. As linhas horizontais de comprimento variável indicam que se trata de uma bateria, e indicam ainda a direcção em que a voltagem desta bateria tentará empurrar portadores de carga através de um circuito. O fato de que as linhas horizontais no símbolo da bateria aparecem separadas (e, portanto, incapazes de servir como um caminho para o fluxo de carga) não é motivo de preocupação: na vida real, essas linhas horizontais representam placas metálicas imersas em um material líquido ou semi-sólido que não só conduz cargas, mas também gera a voltagem para empurrá-las através da interação com as placas. Observe os pequenos sinais “+” e “-” à esquerda imediata do símbolo da bateria. O final negativo (-) da bateria é sempre o final com o traço mais curto, e o final positivo (+) da bateria é sempre o final com o traço mais longo. A ponta positiva de uma bateria é a ponta que tenta empurrar portadores de carga para fora dela (lembre-se que por convenção pensamos em portadores de carga como estando carregados positivamente, mesmo que os elétrons estejam carregados negativamente). Da mesma forma, a ponta negativa é a ponta que tenta atrair os portadores de carga. Com as extremidades “+” e “-” da bateria não ligadas a nada, haverá tensão entre esses dois pontos, mas não haverá fluxo de carga através da bateria porque não há um caminho contínuo através do qual os portadores de carga possam se mover.
O mesmo princípio se aplica ao reservatório de água e à analogia da bomba: sem um tubo de retorno para o reservatório, a energia armazenada no reservatório não pode ser liberada sob a forma de fluxo de água. Uma vez que o reservatório esteja completamente cheio, nenhum fluxo pode ocorrer, não importa quanta pressão a bomba possa gerar. Deve haver um caminho completo (circuito) para a água fluir do tanque para o reservatório, e de volta ao tanque para que o fluxo contínuo possa ocorrer. Podemos fornecer tal caminho para a bateria ligando um pedaço de fio de uma extremidade da bateria à outra. Formando um circuito com um laço de fio, iniciaremos um fluxo contínuo de carga no sentido horário:
Conceito de corrente elétrica
Enquanto a bateria continuar a produzir tensão e a continuidade do caminho elétrico não for interrompida, os portadores de carga continuarão a fluir no circuito. Seguindo a metáfora da água em movimento através de um tubo, este fluxo contínuo e uniforme de carga através do circuito é chamado de corrente. Enquanto a fonte de tensão continuar “empurrando” na mesma direção, os portadores de carga continuarão a se mover na mesma direção no circuito. Este fluxo de corrente unidirecional é chamado de Corrente Contínua, ou CC. No segundo volume desta série de livros, os circuitos eléctricos são explorados onde a direcção da corrente muda para trás e para a frente: Corrente Alternada, ou CA. Mas por enquanto, vamos nos preocupar apenas com os circuitos DC. Como a corrente elétrica é composta de portadores de carga individuais que fluem em uníssono através de um condutor, movendo-se e empurrando os portadores de carga à frente, assim como os berlindes através de um tubo ou a água através de um tubo, a quantidade de fluxo através de um único circuito será a mesma em qualquer ponto. Se tivéssemos que monitorar uma seção transversal do fio em um único circuito, contando os portadores de carga passando, notaríamos exatamente a mesma quantidade por unidade de tempo que em qualquer outra parte do circuito, independentemente do comprimento do condutor ou do diâmetro do condutor. Se interrompermos a continuidade do circuito em qualquer ponto, a corrente eléctrica cessará em todo o circuito, e a tensão total produzida pela bateria será manifestada através da interrupção, entre as extremidades do fio que costumava ser ligado:
Qual é a polaridade de uma queda de tensão?
Note os sinais “+” e “-” desenhados nas extremidades da interrupção no circuito, e como correspondem aos sinais “+” e “-” ao lado dos terminais da bateria. Estes sinais indicam a direcção em que a tensão tenta empurrar a corrente, aquela direcção potencial vulgarmente designada por polaridade. Lembre-se que a voltagem é sempre relativa entre dois pontos. Devido a este facto, a polaridade de uma queda de tensão é também relativa entre dois pontos: se um ponto de um circuito é rotulado com um “+” ou um “-” depende do outro ponto ao qual é referenciado. Veja o seguinte circuito, onde cada canto do circuito é marcado com um número para referência:
Com a continuidade do circuito quebrada entre os pontos 2 e 3, a polaridade da queda de tensão entre os pontos 2 e 3 é “+” para o ponto 2 e “-” para o ponto 3. A polaridade da bateria (1 “+” e 4 “-“) está tentando empurrar a corrente através do loop no sentido horário de 1 para 2 para 3 para 4 e de volta para 1 novamente. Agora vamos ver o que acontece se voltarmos a ligar os pontos 2 e 3, mas colocar uma interrupção no circuito entre os pontos 3 e 4:
Com a interrupção entre 3 e 4, a polaridade da queda de tensão entre esses dois pontos é “-” para 4 e “+” para 3. Note em especial que o “sinal” do ponto 3 é oposto ao do primeiro exemplo, onde a quebra foi entre os pontos 2 e 3 (onde o ponto 3 foi rotulado como “-“). É impossível para nós dizer que o ponto 3 neste circuito será sempre ou “+” ou “-“, porque a polaridade, tal como a própria tensão, não é específica de um único ponto, mas é sempre relativa entre dois pontos!
REVISÃO:
- Os portadores de carga podem ser motivados a fluir através de um condutor pela mesma força manifestada na electricidade estática.
- Tensão é a medida da energia potencial específica (energia potencial por unidade de carga) entre duas localizações. Em termos leigos, é a medida do “empurrão” disponível para motivar a carga.
- Tensão, como expressão da energia potencial, é sempre relativa entre duas localizações, ou pontos. Às vezes é chamada de “queda” de tensão.
- Quando uma fonte de tensão está conectada a um circuito, a tensão causará um fluxo uniforme de portadores de carga através desse circuito chamado corrente.
- Em um único circuito (um loop), a quantidade de corrente em qualquer ponto é igual à quantidade de corrente em qualquer outro ponto.
- Se um circuito contendo uma fonte de tensão for interrompido, a tensão total dessa fonte aparecerá nos pontos de interrupção.
- A orientação +/- de uma queda de tensão é chamada de polaridade. Também é relativa entre dois pontos.
FOLHAS DE TRABALHO RELACIONADAS:
- Folha de trabalho de tensão, corrente e resistência