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terça-feira, 29 de novembro de 2016

Eletricidade e o magnetismo

Eletricidade e o magnetismo
Você faz bastante uso da eletricidade em seu dia-a-dia, não é mesmo? Mas já parou para pensar na falta que ela faria na sua vida, se não existisse?
Se faltar energia elétrica à noite, ficamos sem luz elétrica e tudo pára: a televisão, o chuveiro elétrico, o ventilador, alguns aparelhos de telefone, o aparelho de som, o computador, o microondas, os elevadores etc.

Alguns aparelhos funcionam com a energia recebida das estações distribuidoras de energia elétrica; basta ligá-los na tomada. Mas há muitos outros aparelhos que funcionam utilizando energia elétrica sem termos de ligá-los diretamente na tomada, como o celular, o rádio, os walkmans ou iPODs e as calculadoras; eles recebem energia de pilhas e baterias.
Outro tipo de energia muito usada em nosso cotidiano é a energia magnética. Graças ao magnetismo, podemos ter registros armazenados em fitas cassetes e fitas de vídeo, podemos usar as bússolas para nos localizarmos etc.
A revolução que a humanidade experimentou advinda das aplicações da eletricidade e do magnetismo se intensificou quando os cientistas perceberam a relação entre ambos.
Cargas elétricas
Cargas elétricas são de dois tipos: positivas e negativas
Uma matéria é constituída de átomos. Os átomos, por sua vez, são constituídos de partículas ainda menores: prótons, nêutrons e elétrons.
Os prótons e os nêutrons situam-se no núcleo do átomo. Os elétrons giram e torno do núcleo, numa região chamada eletrosfera. Os prótons e os elétrons possuem uma propriedade denominada carga elétrica, que aparece na natureza em dois tipos. Por isso a do próton foi convencionada como positiva e a do elétron como negativa.

Corpos carregados
Quando um corpo ganha elétrons dizemos que ele está positivamente carregado. Quando ganha elétrons dizemos que ele está negativamente carregado. Quando o número de elétrons em um corpo é igual ao número de prótons, dizemos que o corpo está neutro.
Um experimento relacionado aos primórdios do estudo da eletricidade pode ser realizado com um bastão de vidro pendurado por um barbante. Se atritarmos esse bastão em um pedaço de lã, notaremos que ambos se atrairão mutuamente. Agora se atritarmos o bastão de vidro no tecido de lã e o deixarmos pendurado, aproximando dele outro bastão de vidro que tenha sido friccionado em outro pedaço de lã, notaremos que os bastões se repelem.

Essas observações demonstraram a ocorrência de fenômenos elétricos. Os cientistas consideram que, ao atritarmos os materiais vidro e lã, o bastão de vidro passa a ser portador de carga elétrica positiva e o pedaço de lã passa a ser portador de carga elétrica negativa. Os sinais de positivo e negativo atribuídos a essas cargas são uma convenção científica.
Cargas elétricas interagem
Muito materiais adquirem carga elétrica quando atritados em outros. Nesse processo um dos materiais adquire carga elétrica positiva, e o outro, carga elétrica negativa.
Por meio de experimentos semelhantes aos descritos anteriormente com o vidro e a lã, os cientistas concluíram que cargas elétricas de sinais diferentes se atraem e que cargas elétricas de sinais iguais se repelem. Quando vidro e lã são friccionados, passam a ter cargas elétricas de sinais diferentes e, portanto, passam a se atrair. Já os dois bastões de vidro, quando adquirem cargas elétricas de mesmo sinal, passam a se repelir.
A interação elétrica obedece o princípio da ação e reação
A interação entre dois corpos portadores de cargas elétricas obedece à Terceira Lei de Newton (Princípio da ação e reação). Sobre cada um dos dois corpos atua uma força que se deve a presença do outro. As duas forças tem a mesma intensidade (mesmo módulo) e a mesma direção (mesma linha de atuação), mas diferentes sentidos.

Se os dois corpos apresentam cargas de sinais opostos, as forças tendem a fazê-los de aproximar. Por outro lado, se os dois corpos possuem carga de mesmo sinal, as forças tendem a fazê-los se afastar.
Eletrização por atrito
Diferentes materiais têm diferentes tendências à eletrização. Quando vidro de lã são atritados, dizemos que ambos materiais adquirem carga elétrica pelo processo de eletrização por atrito.
Com base em muitos experimentos similares, foi possível aos cientistas determinarem a tendência dos materiais a adquirir carga elétrica positiva ou negativa, quando atritados uns com os outros. Essa tendência pode ser expressa por meio de uma seqüência como a mostrada abaixo.
<--------- data-blogger-escaped-a="" data-blogger-escaped-adquirir="" data-blogger-escaped-aumenta="" data-blogger-escaped-carga="" data-blogger-escaped-ncia="" data-blogger-escaped-para="" data-blogger-escaped-positiva="" data-blogger-escaped-tend="" data-blogger-escaped-th="">
Vidro
seda
algodão
borracha rígida
Aumenta a tendência para adquirir carga negativa -------->
Condutores elétricos
Imagine duas esferas de metal, um pouco afastadas entre si, uma delas eletrizada com carga positiva e a outra não-eletrizada. Se um bastão de metal tocar as duas esferas simultaneamente, verifica-se que parte da carga elétrica é transferida para a outra esfera. Porém, se utilizarmos um bastão de madeira, a carga permaneceria na esfera eletrizada, e a outra não receberia nem um pouco dessa carga.


Esse experimento evidencia que o metal é o material condutor elétrico e a madeira é um material isolante elétrico.
De fato, os condutores elétricos mais conhecidos são os metais como o cobre, o ferro o alumínio, o ouro e a prata. Entre eles, o cobre, metal de aspecto marrom-avermelhado, é usado na fiação elétrica das casas. Entre os isolantes elétricos podemos citar, além da madeira, os plásticos em geral, o ar (a temperatura e pressão ambientes), as borrachas e o isopor (que na verdade, é um tipo de plástico).
A grande maioria dos metais conhecidos se encaixa em um desses dois grupos: condutor elétrico e isolantes elétrico. Há, contudo, certos materiais que não se enquadram bem em nenhuma dessas duas categorias, mas sim em um grupo intermediário, conhecidos como semi-condutores. Dois exemplos são o silício e o germânio, empregados na indústria para elaborar alguns componentes usados em aparelhos eletrônicos.
Eletrização por contato
Quando um corpo eletrizado toca um corpo eletricamente neutro (isto é, sem carga elétrica), parte de sua carga é transferida para ele, que também passa a ficar eletrizado. Esse processo é a eletrização por contato.
Corrente elétrica
Vimos que os elétrons se deslocam com facilidade em corpos condutores. O deslocamento dessas cargas elétricas é chamado de corrente elétrica.
A corrente elétrica é responsável pelo funcionamento dos aparelhos elétricos; estes somente funcionam quando a corrente passa por eles.
Somente é possível a passagem de corrente por um aparelho se este pertencer a um circuito fechado.

Um circuito constituído de lâmpada, pilha e fios, quando ligados corretamente, formam um circuito fechado. Quando ligamos os aparelhos elétricos em nossa casa e eles funcionam, podemos garantir que fazem parte de um circuito fechado quando passa corrente elétrica através de seus fios.
Entendendo a corrente elétrica
Antes de definirmos corrente elétrica, vamos imaginar a seguinte situação: você está em uma estação de trem urbano ou de metrô, no qual o passageiro passa por roletas para ter acesso aos trens. Sua finalidade ali é avaliar a quantidade de pessoas que passam por minuto.
Obter essa informação é simples: basta contar quantas pessoas passam em um minuto. Por exemplo, se contou 100 pessoas, você responderá que passam 100 pessoas por minuto. Para atingir uma média melhor, você pode contar por mais tempo. Digamos que tenha contado 900 pessoas em 10 minutos.
Portanto, sua média agora será 900/10 = 90 pessoas por minuto.
Então alguém lhe pede que avalie a massa média das pessoas que passam por minuto pelas roletas. Você aceita o desafio.
Se a massa médias das pessoas no Brasil é 70 Kg (podemos ver isso ao ler placas de elevadores de prédios, que sempre consideram a massa de uma pessoa igual a 70 kg. Essas placas de advertência fixadas nas cabines afirmam: “Capacidade máxima: 10 pessoas ou 700 kg”).
Massa média
Essa idéia é similar à usada para definir a intensidade de corrente elétrica (i). Sabe-se que a carga de um elétron é igual a 1,6.10- 19 C .
Se você conseguisse contar a quantidade de elétrons (n) que atravessa uma região plana de um fio em 1 segundo poderia afirmar que a intensidade da corrente elétrica é:

Se contasse por um período qualquer, e representando a carga do elétron (1,6.10- 19 C) pela letra e, poderia afirmar:

Esta é a expressão matemática associada à intensidade da corrente elétrica.
A unidade de intensidade de corrente elétrica é o Coulomb por segundo, denominada ampère (A). A corrente elétrica pode ser contínua ou alterada.
Na corrente contínua, observada nas pilhas e baterias, o fluxo dos elétrons ocorre sempre em um único sentido.
Na corrente alternada, os elétrons alternam o sentido do seu movimento, oscilando para um lado e para o outro. É esse tipo de corrente que se estabelece ao ligarmos os aparelhos na nossa rede doméstica. A razão de a corrente ser alternada está relacionada a forma como a energia elétrica é produzida e distribuída para nossas casas.
Diferença de potencial
Ao abandonarmos um corpo a certa altura, ele sempre cai. Isso ocorre porque existe uma diferença de energia potencial entre o local em que o corpo estava e o solo.
Em uma pilha comum ocorre algo semelhante. A pilha assim como a tomada de nossa casa, a bateria do carro ou do celular, enfim, qualquer gerador de energia elétrica, é um dispositivo no qual se conseguiu estabelecer dois de seus pontos: um que precisa de elétrons e o outro que os tem sobrando.
Em uma pilha, no ponto denominado pólo negativo há elétrons sobrando, e no pólo positivo há falta de elétrons. Se ligássemos esses pontos por meio de um fio condutor, os elétrons entrariam em movimento e uma corrente surgiria no fio.

Por isso, nessa situação há energia potencial armazenada na pilha, de modo muito parecido com o que possui um objeto situado a uma altura h do chão: é só soltá-lo, que ele entra em movimento. Da mesma forma, ao ligar um fio à pilha, uma corrente surge no fio.
A unidade de tensão no Sistema Internacional é indicada pelo volt (V).
A pilha mais usada é a de 1,5 V. Uma bateria de carro fornece 12 V.
O computador trabalha com uma fonte de 5 V. As tomadas de nossa casa fornecem tensão de 110V ou 220 V, dependendo da região do País. É muito prudente observar a tensão local antes de ligar os aparelhos às tomadas. Se ligarmos aparelhos programados para funcionar a 110 V em uma tomada de 220V, eles podem queimar e até provocar acidentes graves.
Em geral, basta ajustar nos aparelhos uma chave para que essa situação se resolva; mas nem sempre essa chave existe, por isso tome cuidado!

Devido a diferença de potencial, podemos levar choques. Como o nosso corpo é bom condutor de eletricidade, se tocarmos em dois pontos que existe diferença de potencial, uma corrente atravessará o nosso corpo. Dependendo da intensidade dessa corrente e do caminho que ela percorrer no corpo um choque pode até mesmo levar à morte.

Devemos tomar muito cuidado com fios de alta tensão. A tensão nesses cabos chega a milhares de volts! Por isso, não brinque próximo a postes de energia elétrica.
E por que, você deve se perguntar, os pássaros que pousam nesses cabos não são eletrocutados?

Isso não ocorre porque suas patinhas são muito próximas uma das outras, sendo muito pequena a diferença de potencial entre elas.
Com as pessoas, a situação é diferente. Nunca toque em fios de alta tensão, pois se tocar em um cabo e, ao mesmo tempo, tocar em outro ponto do cabo ou em outro objeto, você poderá levar um choque elétrico intenso, possivelmente fatal, se houver diferença de potencial significativa entre os pontos tocados.
Resistência elétrica
Sabemos que os materiais apresentam graus de dificuldade para a passagem da corrente elétrica. Esse grau de dificuldade é denominado resistência elétrica. Mesmo os metais, que em geral são bons condutores, apresentam resistência. A unidade de medida da resistência é o ohm ().
Os dispositivos que são usados em um circuito elétrico são denominados resistores. Os resistores são usados em um circuito para aumentar ou diminuir a intensidade da corrente elétrica que o percorre.
Podemos comparara a resistência elétrica àquelas barreiras que encontramos nas pistas de atletismo para a corrida com obstáculos. Quanto mais obstáculos mais lenta é a velocidade média dos corredores. Em um circuito acontece da mesma forma: quanto mais resistência elétrica, menor é a corrente que atravessa o fio condutor.
A aplicação mais comum dos resistores é converter energia elétrica em energia térmica. Isso ocorre porque os elétrons que se movem no resistor colidem com a rede cristalina que o forma, gerando calor. Esse fenômeno é denominado efeito joule em nosso dia-a-dia: em chuveiros elétricos, ferros de passar roupa, em fogões elétricos, etc. Observem que todos esses aparelhos “fornecem calor”.

A própria lâmpada incandescente converte mais energia elétrica em energia térmica do que em energia luminosa, sendo essa última a sua grande finalidade: 85 % da energia que consome é transformada em calor. Ao contrário, as lâmpadas fluorescentes, consideradas “lâmpadas frias”, têm uma parte bem menor da energia elétrica convertida em calor e por isso são econômicas.
Primeira lei de Ohm
Observou-se experimentalmente em alguns resistores, que a corrente estabelecida em um circuito é diretamente proporcional à tensão aplicada e inversamente proporcional à resistência dos dispositivos do circuito e dos fios que os conectavam. Ou seja: quanto maior a tensão do gerador, maior a corrente e quanto maior a resistência, menor a corrente. Essa relação é expressa matematicamente por:

em que: U é a tensão
R é a resistência
i é a corrente
Vejamos um exemplo:
Uma pequena lâmpada está submetida a uma tensão de 12 V. Sabendo que a sua resistência, é de determine a corrente que percorre a lâmpada.
Sabemos que .
Como ,
Temos que:

Potência elétrica
Talvez você tenha reparado, nas etiquetas dos aparelhos ou dispositivos elétricos que compramos que existe uma etiqueta especificando: 100 (Watt), 500 W, 1000 W etc. Mas, afinal, o que significa essa informação?

Vimos em mecânica o conceito de potência: energia/tempo. A energia elétrica que é convertida nesses aparelhos para várias finalidades e usos distintos, como gerar movimento (motores), gerar calor (resistores), gerar energia luminosa (lâmpadas), dividida pelo tempo que está em uso, é a potência elétrica, que, assim como na mecânica, medimos em Watts (joules/segundo).
A potência é diretamente proporcional à tensão e à corrente.
Matematicamente, temos:

Por exemplo, num chuveiro elétrico de 2200 W, ligado à rede de 110V, podemos calcular a corrente que o percorre:

Os ímãs
O magnetismo é conhecido há cerca de 2500 anos. Em uma região chamada Magnésia, na antiga Grécia (esta região hoje faz parte da Turquia), foi encontrada uma rocha com o poder de atrair pedaços de ferro. Os antigos gregos lhe deram o nome de magnetita (um tipo de minério de ferro).

A magnetita atualmente é mais conhecida como pedra-ímã ou simplesmente ímã.
Forças magnéticas
Por meio dos experimentos, constatou-se que o imã tem a propriedade de atrair certos materiais. Essa propriedade é denominada de magnetismo.
A força magnética do imã atua sobre certos metais como o ferro, o níquel e o cobalto, isto é, sobre os materiais denominados ferromagnéticos. Nem todos os metais são ferromagnéticos. Os metais das medalhas olímpicas, por exemplo, o ouro, a prata e o cobre não são atraídos pelos imãs.
Ao colocar a folha de papel com limalha de ferro sobre o imã, nela fica representada a área de influência desse imã.

As extremidades do imã – regiões onde as forças magnéticas agem mais intensamente – são denominadas pólos. A existência desses pólos é uma das importantes características dos imãs.
O imã apresenta sempre dois pólos.
Se o quebrarmos em duas partes, cada uma delas apresentará novamente dois pólos. Portanto, não conseguiremos nunca isolar um dos pólos do imã.

Podendo se movimentar livremente, um imã se alinha com a direção geográfica Norte-Sul.
Convencionou-se que a parte do imã que aponta para o Norte geográfico da Terra seria denominada pólo Norte do ímã. Normalmente, essa parte é pintada de vermelho. A outra parte é o pólo Sul do imã.

Com esse conhecimento básico, os chineses criaram a bússola, que, desde o século XI, tem sido usada para orientar navegadores e pilotos.
Nos séculos XV e XVI, época das grandes navegações, a bússola, desempenhou papel fundamental na orientação pelos mares até então desconhecidos.
Eletroímãs
Há um tipo muito interessante de imã chamado eletroímã. É um dispositivo no qual a eletricidade percorre um fio enrolado em um pedaço de ferro e que se comporta como um imã.
Você pode construir um eletroímã em casa: Um eletroímã começa com uma pilha ou bateria (ou alguma outra fonte de energia) e um fio. O que a pilha produz são os elétrons.

Se você olhar qualquer pilha D (uma pilha de lanterna, por exemplo), dá para ver que há duas extremidades, uma marcada com um sinal de mais (+) e outra marcada com o sinal de menos (-). Os elétrons estão agrupados na extremidade negativa da pilha e, podem fluir para a extremidade positiva, com o auxílio de um fio. Se você conectar um fio diretamente entre os terminais positivo e negativo de uma pilha, três coisas irão acontecer:
  1. os elétrons irão fluir do lado negativo da pilha até o lado positivo o mais rápido que puderem;
  2. a pilha irá descarregar bem rápido (em questão de minutos). Por esse motivo, não costuma ser uma boa idéia conectar os 2 terminais de uma pilha diretamente um ao outro, normalmente, você conecta algum tipo de carga no meio do fio. Essa carga pode ser um motor, uma lâmpada, um rádio;
  3. um pequeno campo magnético é gerado no fio. É esse pequeno campo magnético que é a base de um eletroímã.

Ímã bagunça informações

Por que os cartões de crédito são desmagnetizados quando ficam próximos a aparelhos de televisão?
Atenção para os lugares onde você deixa a carteira!
Vários eletrodomésticos, como a TV, o aparelho de som e o telefone celular, podem danificar os cartões de crédito. É que as informações do cliente são gravadas magneticamente, e qualquer ímã pode interferir nessa gravação. "Um aparelho de TV ligado produz um campo magnético que bagunça as informações gravadas em cartões, fitas de vídeo, disquetes de computador ou mesmo em bilhetes do metrô, que funcionam com o mesmo princípio".
A técnica de gravação nasceu na Dinamarca no final do século passado, quando o engenheiro Valdemar Poulsen demonstrou que uma corda de piano imantada poderia guardar a voz humana. O invento, batizado de telegrafone, ganhou um prêmio na exposição de Paris de 1900, mas não fez sucesso comercialmente. Em compensação, o método desenvolvido por Poulsen foi aperfeiçoado e hoje serve para armazenar qualquer tipo de informação — de um texto digitado em computador até a sua senha bancária.
1. A tarja magnética é coberta com uma camada de partículas de óxido de ferro.
2. Para gravar uma senha qualquer, é preciso passar um eletroímã sobre ela. Isso faz com que as partículas se transformem em pequenos ímãs, que ficam alinhados, codificando os dados.
3. Se há um outro campo magnético por perto, como o de uma TV ou um alto-falante, os ímãs alinhados da tarja são atraídos outra vez e perdem o rumo. A informação se apaga.
www.sobiologia.com.br

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