Eletricidade é uma forma de energia, um fenômeno que é um resultado da existência de cargas elétricas. A teoria de eletricidade e seu inseparável efeito, Magnetismo, é provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias científicas. O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invenção de motores, geradores, telefones, radio e televisão, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear. A eletricidade é uma necessidade para a civilização moderna.

Elétrons Livres

Quando um átomo apresenta energia interna acima do índice normal dizemos que ele está excitado. Este excesso de energia faz com que os elétrons que se encontram no exterior do átomo abandonem sua órbita.

Quando um átomo perde ou ganha elétrons passa a ser chamado de íons. Dizemos que ele se torna um íons positivo quando perde elétrons e se, ao contrário, ele ganhar elétrons, ficará carregado negativamente e passará a ser chamado íons negativo.

Alguns elétrons de certos átomos metálicos estão relativamente livres para transportar-se de um átomo a outro. Estes elétrons livres são quem constituem o fluxo de corrente elétrica nos condutores elétricos.

Condutores e Isolantes

Um bom condutor é aquele que oferece a menor resistência para o fluxo da corrente.A energia elétrica é transmitida através dos condutores por meio do movimento dos elétrons livres que passam de átomo a átomo dentro do condutor. O cobre é considerado um bom condutor pois possui uma grande quantidade de elétrons livres.

Cada elétron se move a uma pequena distância até o átomo vizinho retirando-se fora de sua órbita.

O corpo humano é um bom condutor de elétrons, uma vez que apresenta elevada porcentagem de água que conduz os íons, principalmente Na+ e Cl-. Os maus condutores, ou isolantes, são os corpos que necessitam de elétrons porque tem muito poucos elétrons livres. São exemplos de isolantes a madeira seca, a mica e o vidro.

Em eletricidade são utilizados os bons condutores na construção de cabos e fios metálicos e os maus condutores são empregados como isolantes.
Campos Elétricos O espaço entre os corpos carregados eletricamente e o que os rodeia e no qual se faz sentir a influencia dessas cargas se denomina campo elétrico de forças ou campo eletromagnético.

O campo elétrico não necessita de meios de união mecânicos ou físicos com os corpos.

Pode estar presente no ar, vidro, papel, sendo que em qualquer tipo de material os campos de força de projetam em todas direções no espaço. Partindo-se do ponto de origem, estes campos de força diminuem à medida que a distância deste ponto aumenta. Quando conectamos o polo negativo da fonte geradora ao local da aplicação observamos que os elétrons livres começam a mover-se em direção ao polo positivo.

Este fluxo de elétrons que é denominado corrente elétrica e que flui por um condutor pode ser medido em ampère que é representado pelo símbolo I.


A HISTÓRIA DA ELETRICIDADE

Carga Elétrica

Âmbar é um mineral translúcido, quase amarelo. Próximo do ano 600 AC., os gregos descobriram uma peculiar propriedade deste material: quando esfregado com um pedaço de pelo de animal, o âmbar desenvolve a habilidade para atrair pequenos pedaços de plumas. Por séculos essa estranha e inexplicável propriedade foi associada unicamente ao âmbar.

Dois mil anos depois, no século XVI, William Gilbert provou que muitas outras substâncias são "elétricas" (palavra originária do termo em grego para âmbar, elektron) e que elas podem apresentar dois efeitos elétricos. Quando friccionado com peles o âmbar adquire uma "eletricidade de resina", entretanto o vidro quando friccionado com a seda adquire o que eles chamaram de "eletricidade vítrea", o que eles descobriram foram as cargas positivas e negativas. Eletricidade repele o mesmo tipo e atrai o tipo oposto. Cientistas pensavam que a fricção realmente criava a eletricidade, porém eles não notavam que uma igual quantidade de eletricidade oposta ficava na pele ou na seda.

Em 1747, Benjamin Franklin na América e William Watson (1715-1787) na Inglaterra independentemente chegaram a mesma conclusão: todos os materiais possuem um tipo único de "fluido elétrico" que pode penetrar no material livremente, mas que não pode ser criado e nem destruído. A ação da fricção simplesmente transfere o fluido de um corpo para o outro, eletrificando ambos. Franklin e Watson introduziram o princípio da conservação de carga : a quantidade total de eletricidade em um sistema isolado é constante.

Franklin definiu o fluido, que correspondia a eletricidade vítrea, como positiva e a falta de fluido como negativo. Portanto, de acordo com Franklin, a direção do fluxo (corrente) era do positivo para o negativo, porém atualmente sabe-se que o oposto é vem a ser verdade. Uma segunda teoria com base no fluido foi desenvolvida, subseqüentemente, na qual amostras do mesmo tipo se atraem, enquanto aquelas de tipos opostos se repelem.
Relâmpago

Franklin ficou conhecido com a Garrafa de Leyden , uma garrafa recoberta por dentro e por fora com folhas de estanho.Foi o primeiro Capacitor, um dispositivo utilizado para estocar carga elétrica. A Garrafa de Leydem poderia ser descarregada tocando o seu interior e seu exterior recoberto de estanho simultaneamente, causando um choque elétrico na pessoa. Se um condutor de metal fosse usado, uma faísca poderia ser vista e ouvida. Franklin tinha dúvidas de que o raio e o trovão eram um resultado de uma descarga elétrica. Durante uma tempestade em 1752, Franklin empinou uma pipa que tinha uma extremidade de metal. No fim da chuva, na linha condutora de cânhamo da pipa empinada, ele atou uma chave de metal, na qual amarrou um barbante de seda não condutor que colocou em sua mão. O experimento foi extremamente arriscado, mas o resultado foi inconfundível: quando ele colocou os nós de seus dedos perto da chave, ele pode atrair faíscas para si. O outros dois que tentaram esse experimento extremamente perigoso morreram.

Força Elétrica

Já era conhecido em 1600 que a força repulsiva ou atrativa diminuía quando as cargas eram separadas. Essa relação foi primeiro abordada de uma forma numericamente exata, ou quantitativa, por Joseph Priestley, um amigo de Benjamin Franklin. Em 1767, Priestley indiretamente deduziu que quando a distância entre dois pequenos corpos carregados é aumentada por um fator, as forças entre os corpos são reduzidas pelo quadrado do fator. Por exemplo, se a distância cargas é triplicada, a força resultante diminui para um nono do valor anterior. Ainda que rigorosa, a prova de Priestley foi tão simples que ele mesmo não ficou plenamente convencido. O assunto não foi considerado encerrado até 18 anos depois, quando John Robinson da Escócia fez mais medidas diretas das força elétrica envolvida.
Lei de Coulomb

O fisicista francês Charles A . de Coulomb, cujo nome é usado para designar a unidade de carga elétrica. Este fato aconteceu depois deste realizar uma série de experimentos, que adicionou importantes detalhes (bastante precisos) à prova de Priestley. Ele também desenvolveu a teoria de dois fluidos para cargas elétricas, rejeitando tanto a idéia da criação de eletricidade pela fricção e o modelo de um único fluido de Franklin.

Hoje a lei da força eletrostática, também conhecida como Lei de Coulomb, é expressa da seguinte forma: se dois pequenos objetos, separados por uma distância "r", tem cargas "p" e "q" e estão em repouso, a magnitude da força F entre elas é dada por F=kpq/rr, onde "k" é uma constante. De acordo com o Sistema Internacional de Medidas, a força é medida em Newtons, a distância em metros, e a carga em Coulombs.

Também foi concluído que cargas de sinais opostos se atraem, enquanto aquelas que possuem o mesmo sinal se repelem.

Um Coulomb (C) representa uma grande quantidade. Para manter um Coulomb positivo (+C) 1m de distância de um Coulomb negativo (-C) seria necessário uma força de 9 bilhões de Newtons. Uma nuvem eletricamente carregada típica pode caudar um raio que possui uma carga de 30 Coulombs.
Potencial Elétrico

Por causa de um acidente, no século XVIII o cientista italiano Luigi Galvani começou uma cadeia de eventos que culminaram no desenvolvimento do conceito de voltagem e a invenção da bateria. Em 1780, um dos assistentes de Galvani noticiou que uma perna de rã dissecada se contraria, quando ele tocava seu nervo com um escalpelo. Outro assistente achou que tinha visto uma faísca saindo de um gerador elétrico carregado ao mesmo tempo. Galvani concluiu que a eletricidade era a causa da contração muscular da rã. Ele, erroneamente pensou, entretanto, que o efeito era devido à transferência de um fluido, ou "eletricidade animal", em vez da eletricidade convencional.
Bateria

Em experimentos com o que ele chamava de eletricidade atmosférica, Galvani descobriu que uma perna de rã poderia se contrair quando presa por um gancho bronze em uma treliça de aço. Outro italiano, Alessandro Volta, um professor da Universidade de Pavia, afirmou que o bronze e o aço, separados por um tecido úmido de rã, geravam eletricidade, e que a perna de rã era apenas um detector. Em 1800, Volta conseguiu amplificar o efeito pelo empilhamento de placas feitas de cobre, zinco e papelão úmido respectivamente e fazendo isto ele inventou a bateria.

Uma bateria separa cargas elétricas através de reações químicas. Se a carga é removida de alguma forma, a bateria separa mais cargas, transformando energia química em energia elétrica. Uma bateria pode produzir cargas, por exemplo, para forçá-las através do filamento de uma lâmpada incandescente. Sua capacidade para realizar trabalho por reações elétricas é medida em Volt, unidade nomeada por Volta. Um volt é igual a 1 joule de trabalho ou energia por cada Coulomb de carga. A capacidade elétrica de uma bateria para realizar trabalho é denominada Força Eletromotriz, ou fem.
Capacitor

Outro dispositivo capaz de trabalho elétrico é o Capacitor, um descendente da Garrafa de Leyden, que é usado para estocar carga. Se uma carga "Q" é deslocada entre placas de metal a voltagem sobe para uma quantidade V. A medida utilizada para medir o quanto de carga um capacitor pode estocar é a Capacitância "C", onde C=Q/V. Carga flui de um capacitor da mesma forma que na bateria, mas com uma diferença significante. Quando a carga deixa as placas do capacitor, não possível obter mais sem recarregar o dispositivo. Isso acontece devido o caráter conservativo da força elétrica. A energia liberada não pode exceder a energia estocada. Essa capacidade para realizar trabalho é denominada Potencial Elétrico.

Um tipo de conservação de energia é também associado com a fem. A energia elétrica obtida de uma bateria é limitada pela energia estocada nas ligações químicas das moléculas. Tanto a fem como o potencial elétrico são medidos em volts, e, infelizmente, os termos voltagem (também chamada tensão), potencial e fem são usados indistintamente. Por exemplo, no caso da bateria o termo potencial muitas vezes é utilizado em lugar de fem.
Tensão

Seja como uma fem ou um potencial elétrico, tensão é uma medida da capacidade de um sistema para realizar trabalho por meio de uma quantidade de carga elétrica unitária. Para exemplificar tensão tem-se: a voltagem medida em eletrocardiogramas, que fica em torno de 5milivolts, a tensão disponível nas tomadas das casa de 220V, e além disso tem-se o enorme potencial de 10 mil volts existente entre uma nuvem carregada e o chão, que é necessário para a produção de um relâmpago.

Dispositivos para o desenvolvimento de tensão inclui baterias, geradores, transformadores e geradores de Van de Graaff.

Algumas vezes altas tensões são necessárias. Por exemplo, os elétrons emitidos em tubos de televisão requer mais de 30.000 volts. Elétrons se movendo devido a essa tensão alcançam velocidades perto de um terço da velocidade da luz e tem energia suficiente para produzir um ponto na tela. Essas altas diferenças de potenciais podem ser produzidas por baixas tensões alternadas utilizando-se um Transformador.

Corrente Elétrica

Uma carga elétrica em movimento é denominada corrente elétrica. A magnitude de uma corrente é a quantidade de carga passado em um determinado ponto (seção de um fio) por segundo, ou I=Q/t, onde Q é a quantidade de carga em Coulombs que passa na seção do fio. A unidade utilizada para medir corrente é o Ampere, que é igual a 1 Coulomb/s.

Por ser a fonte do magnetismo também, a corrente é a ligação entre eletricidade e magnetismo. Em 1819 o fisicista dinamarquês Hans Christian Oersted descobriu que uma agulha de bússola era afetada pela passagem de corrente em um fio. Quase que imediatamente, Andre Ampere na França descobriu a lei da força magnética. Michael Faraday na Inglaterra e Joseph Henry nos Estados Unidos adicionaram a ideia da indução magnética, pelo qual uma variação do campo magnético produz um campo elétrico. Esse foi o início para a formulação da teoria eletromagnética de James Clerk Maxwell.

Atualmente, um moderno amperímetro pode detectar correntes muitos baixas da ordem de 1/ 100.000.000.000.000.000 amperes, que é apenas 63 elétrons por segundo. A corrente em um impulso nervoso é aproximadamente de 1/100.000 amperes, um relâmpago atinge uma corrente de 20.000 amperes,e uma bomba nuclear chega a 10.000.000 de amperes com 115V.

Muitos materiais são Isolantes. Neles todos os elétrons estão nos limites dos átomos e não permite um fluxo de cargas, menos quando submetidos a altos campos elétricos que proporcionam uma "quebra" dessas iterações dos elétrons. Então, em um processo denominado ionização, os elétrons mais "frouxos" são arrancados dos átomos, formando um fluxo de corrente. Essa condição existe durante uma tempestade elétrica. A separação de cargas entre as nuvens e o chão cria um grande campo elétrico que ioniza os átomos do ar, pelo qual é formado um caminho de condução elétrica entre as nuvens e o chão (relâmpago).
Resistência

Embora um condutor permita o fluxo de cargas, isso não ocorre sem uma perda de energia. Os elétrons são acelerados por um campo elétrico. Em geral, eles se movem a distâncias razoáveis, porém eles colidem com alguns dos átomos do condutor, diminuindo sua velocidade ou mudando sua direção. Como resultado, eles perdem energia para os átomos. Essa energia aparece como calor, e essa dispersão é uma resistência para a corrente.

Em 1827 um professor alemão de nome Georg Ohm demonstrou que a corrente em um fio aumenta em proporção direta com a tensão V e com área A da seção transversal do fio, e em proporção inversa ao comprimento L do fio. Dessa forma, a corrente também depende das propriedades do material, a Lei de Ohm é então escrita em dois passos, I=V/R e R=pI/A, onde p é a resistividade. A quantidade R é denominada Resistência. A Resistividade depende apenas do tipo de material. A unidade de resistência é o Ohm , onde 1 ohm é igual a 1volt/amp.

No chumbo, um condutor razoável, a resistividade é 22/100.000.000 ohm-metro; no cobre, um excelente condutor, é apenas 1,7/100.000.000 ohm-metro. Onde altas resistências entre 1 e 1 milhão ohms são necessárias, Resistores são feitos de materiais como o carbono, que tem uma resistividade de 1.400/100.000.000 ohm-metro.

Certos materiais perdem sua resistência quase que completamente quando submetido a uma temperatura de alguns graus acima do zero absoluto. Esses materiais são denominados de Supercondutores. Algumas substâncias recentemente encontradas mantêm a supercondutividade em temperaturas mais elevadas.

O calor resistivo causado pelo choque dos elétrons é um efeito muito importante e é usado em alguns dispositivos elétricos como a lâmpada incandescente. Em um resistor, a potência P, ou energia por segundo, é dada por P=(I ao quadrado).R.

Teoria Elétrica da Matéria

A possibilidade que a eletricidade não consista de um uniforme e contínuo fluido provavelmente ocorreu a muitos cientistas. Mesmo Franklin, uma vez, escreveu que o "fluido" consiste de "partículas extremamente sutis".

Todavia, uma grande quantidade de evidências tinham se acumulado antes da eletricidade ser aceita como formada por minúsculas partículas, quantidades discretas, e não mais como um fluido, quando vista microscopicamente. James Clerk Maxwell se opôs a teoria corpuscular. Por volta do fim do século XIX, entretanto, o trabalho de Sir Joseph John Thompson (1856-1940) e outros provaram a existência do elétron.
Elétron

Thompson tinha medido a proporção da carga do elétron para a sua massa. Então em 1899 ele deduziu um valor para a carga eletrônica pela observação do comportamento de uma nuvem de minúsculas partículas de água carregadas em um campo elétrico. Essa observação conduziu ao Experimento da Gota de Óleo de Millikan.

Robert Millikan, um fisicista da Universidade de Chicago, com a assistência de um estudante Harvey Fletcher, procuraram medir a carga de um único elétron, um objetivo ambicioso em 1906. Uma minúscula gotinha com um pequeno excesso de elétrons foi formada forçando o líquido através de um dispositivo especial. A gota foi então, em verdade, suspendida, com um campo elétrico atraindo para cima e a força gravitacional puxando para baixo. Para a determinação da massa da gota de óleo e do valor do campo elétrico, a carga na gota foi calculada. O resultado: a carga do elétron "e" é negativa e tem como magnitude 1,60/10.000.000.000.000.000.000 Coulombs.

Millikan também determinou que as cargas sempre aparecem com um valor de mais ou menos"e", em outras palavras, a carga é quantizada. Outras partículas elementares descobertas depois tiveram também suas cargas determinadas e foi possível notar que seguiam esta mesma característica. Por exemplo, o Positron, descoberto em 1932 por Carl David Anderson do Instituto de Tecnologia da Califórnia, é exatamente a mesma do elétron, exceto que esta é positiva.

Estrutura Atômica

A maior parte da matéria, em geral, é neutra. A tendência é que para cada próton (carga positiva) no átomo, para este ser eletricamente neutro, deve existir um elétron (carga negativa), e a soma das cargas deve ser nula. Em 1911, Ernest Rutherford propôs um modelo para o átomo. Ele sugeriu que os elétrons orbitavam um núcleo carregado, com um diâmetro de 1/100.000.000.000.000 metros, da mesma forma que os planetas orbitavam o Sol. Rutherford também sugeriu que o núcleo era formado por prótons, sendo que cada um teria uma carga de "+e".

Essa visão da matéria, ainda considerada correta em muitos casos, estabilizou a força elétrica que mantém um átomo unido. Depois que Rutherford apresentou seu modelo atômico, o fisicista dinamarquês Niels Bohr propôs que os elétrons ocupam apenas certas órbitas em torno do núcleo, e que outras órbitas são impossíveis.
Conclusões

Esta foi uma pequena introdução sobre a História da Eletricidade e sobre algumas das descobertas mais importantes deste ramo da ciência, que é fundamental atualmente para o desenvolvimento e sobrevivência da Humanidade.

Durante o curso de Engenharia Elétrica muitos dos conceitos citados acima no texto, e outros, são discutidos de uma forma mais aprofundada e aplicados na construção de equipamentos e dispositivos os quais são conhecidos do público, mas cujo o funcionamento é completamente ignorado, e às vezes "encarado" como se fosse pura magia.

Fonte: ene unb