Corrente contínua e Corrente Alternada

Corrente contínua (CC ou, em inglês, DC - direct current), também chamada de corrente galvânica é o fluxo constante e ordenado de elétrons sempre numa direção. Esse tipo de corrente é gerado por baterias de automóveis ou de motos (6, 12 ou 24V), pequenas baterias (geralmente de 9V), pilhas (1,2V e 1,5V), dínamos, células solares e fontes de alimentação de várias tecnologias, que retificam a corrente alternada para produzir corrente contínua. Normalmente é utilizada para alimentar aparelhos eletrônicos (entre 1,2V e 24V) e os circuitos digitais de equipamento de informática (computadores, modems, hubs, etc.).

Este tipo de circuito possui um polo negativo e outro positivo (é polarizado), cuja intensidade é mantida. Mais corretamente, a intensidade cresce no início até um ponto máximo, mantendo-se contínua, ou seja, sem se alterar. Quando desligada, diminui até zero e extingue-se.

 

Tipos de corrente contínua

História 

As primeiras investigações sobre a eletricidade estática aconteceram séculos atrás. A eletricidade estática é a transferência de elétrons produzida pela fricção, como quando a pessoa esfrega um balão de borracha na própria roupa. Uma faísca ou fluxo de corrente de duração muito curta pode ocorrer quando objetos portadores de carga entram em contato, mas não existe fluxo elétrico contínuo. Na ausência de uma corrente contínua, não pode existir aplicação útil da eletricidade. 

A invenção da bateria - capaz de produzir um fluxo contínuo de corrente - tornou possível o desenvolvimento dos primeiros circuitos elétricos. Alessandro Volta inventou a primeira bateria, a pilha voltaica, em 1800. Os primeiros circuitos utilizavam uma bateria e eletrodos imersos em um recipiente cheio de água. O fluxo da corrente pela água produzia hidrogênio e oxigênio.

A primeira aplicação ampla dos circuitos elétricos para uso prático foi a iluminação elétrica. Pouco depois que Thomas Edison inventou a lâmpada incandescente, ele procurou aplicações práticas para o produto por meio do desenvolvimento de um sistema completo de geração e distribuição de energia. O primeiro sistema desse tipo nos Estados Unidos foi a Pearl Street Station, no centro de Manhattan, que fornecia eletricidade para alguns quarteirões de Nova York, primordialmente para iluminação. 

Uma das classificações dos circuitos tem a ver com a natureza do fluxo da corrente. Os circuitos mais antigos eram acionados a bateria, ou seja, por uma corrente constante que fluía sempre na mesma direção. Esse é o sistema de corrente contínua, ou CC. O uso da corrente contínua se manteve no período inicial de desenvolvimento dos circuitos elétricos. Um grande problema do sistema CC é que as estações de energia só podiam servir a uma área de cerca de 2,5 km², devido à perda de energia na transmissão. 

Em 1883, engenheiros se propuseram a aproveitar o grande potencial de energia hidrelétrica das Cataratas de Niágara, a fim de atender às necessidades de energia da cidade de Buffalo, no Estado de Nova York. Ainda que a energia gerada no local posteriormente viesse a abastecer também a cidade de Nova York e pontos ainda mais distantes, inicialmente havia um problema de distância. Buffalo ficava a apenas 25 quilômetros das quedas d'água, mas a idéia não era praticável até que Nikola Tesla a viabilizasse.

A inovação de Tesla

O engenheiro Nikola Tesla, ajudado por trabalhos teóricos de Charles Proteus Steinmetz, desenvolveu a idéia da corrente alternada, ou CA. Ao contrário da corrente contínua, a CA está sempre mudando e reverte sua direção repetidamente.

Como a CA se tornou a resposta para o problema da transmissão de energia a distâncias maiores? Com a CA, é possível utilizar transformadores para modificar os níveis de voltagem em um circuito. Os transformadores operam sob o princípio da indução magnética, que requer um campo magnético produzido pela corrente alternada. Com os transformadores, as voltagens podem ser intensificadas para transmissão de energia em longa distância. Na ponta receptora, o nível de voltagem pode ser reduzido a patamares mais seguros, como 110 V ou 220 V, para uso residencial e empresarial. 

Precisamos de voltagens elevadas para que a energia percorra longas distâncias porque a resistência dos fios causa perda de energia. Os elétrons que colidem com átomos perdem energia em forma de calor à medida que viajam. Essa perda de energia é proporcional ao quadrado da corrente que se move pelo fio.

Para medir o volume de energia que uma linha transmite, multiplica-se a voltagem pela corrente. Essas duas idéias podem ser expressas por meio de uma equação na qual I representa corrente, V representa voltagem e P representa potência:

(P = V. I)

Consideremos como exemplo a transmissão de um megawatt. Caso elevemos a voltagem de 100 V para 10.000 V, podemos reduzir a corrente de 10.000 A para 100 A. Isso reduzirá a perda de potência por (100)², ou 10.000. Foi esse o conceito desenvolvido por Tesla e essa idéia tornou realidade a transmissão de energia das Cataratas de Niágara a Buffalo e, por fim, à cidade de Nova York. 

Antes da descoberta da CA, ou corrente alternada, a transmissão de energia em longa distância era impossível

Nos Estados Unidos e em muitos outros países, a freqüência padrão para a energia em CA é de 60 ciclos por segundo, ou 60 hertz (Hz). Isso significa que 60 vezes por segundo um ciclo completo da corrente flui em uma direção e então na direção oposta. A corrente flui em uma direção por 1/120 de segundo e depois na direção oposta por mais 1/120 de segundo. O tempo que um ciclo demora a ser completado é denominado período, no caso 1/60 de segundo. Na Europa e outras regiões, a freqüência padrão da CA é de 50 Hz.

 Edison x Tesla
Thomas Edison era um inventor brilhante e intuitivo. No entanto, sua educação formal limitada, especialmente em matemática, o impedia de compreender verdadeiramente a teoria da eletricidade em CA. Ele compreendia bem o sistema CC, mas a corrente alternada, estranhamente, parecia estar além de sua compreensão. Edison se opôs vigorosamente à idéia de usar CA na transmissão de energia a longa distância, mas a corrente alternada gradualmente substituiu a contínua como forma básica de transmissão de energia.

Tensão elétrica

Tensão elétrica é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Sua unidade de medida é o Volt, em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta. Por outras palavras, a tensão elétrica é a "força" responsável pela movimentação de elétrons. O potencial elétrico mede a força que uma carga elétrica experimenta no seio de um campo elétrico, expressa pela lei de Coulomb, portanto a tensão é a tendência que uma carga tem de ir de um ponto para o outro. Normalmente toma-se um ponto que se considera de tensão zero e mede-se a tensão do resto dos pontos relativos a este.

A tensão elétrica entre dois pontos, ou seja [(+) e (-)] é definida matematicamente como a integral de linhacampo elétrico: do 

Para facilitar o entendimento da tensão elétrica pode-se fazer um paralelo desta com a pressão hidráulica. Quanto maior a diferença de pressão hidráulica entre dois pontos, maior será o fluxo, caso haja comunicação entre estes dois pontos. O fluxo (que em eletrodinâmica seria a corrente elétrica) será assim uma função da pressão hidráulica (tensão elétrica) e da oposição à passagem do fluido (resistência elétrica). Este é o fundamento da lei de Ohm, para a corrente contínua:

onde:

• R = Resistência (Ohms)
• I = Intensidade da corrente (Ampères)
• U = Diferença de potencial ou tensão (Volts)

Em corrente alternada, substitui-se a resistência pela impedância:

onde:

• Z = Impedância (Ohms)

Pelo método fasorial, em corrente alternada, todas as variáveis da equação são complexas. A impedância representa, além da resistência a passagem de corrente elétrica, também o deslocamento angular na forma de onda produzido pelo equipamento (capacitores e bobinas ou indutores).

Resumindo: "tensão é a diferença de potencial elétrico, entre dois pontos, que gera uma força capaz de movimentar os elétrons entre esses pontos, e o seu valor em Volts, é o resultado da multiplicação entre o valor da resistência em Ohms e o valor da corrente em Ampéres".

Símbolo internacional de segurança: "Atenção, risco de choque elétrico" (ISO 3864).

Tensão ou voltagem ?

Assim como falar bitagem, amperagem, metragem ou kilogramagem, voltagem está tecnicamente incorrecto, embora tanto no Brasil quanto em Portugal tais palavras de uso coloquial estejam incorporadas aos Dicionários. A maioria dos engenheiros eletricistas repudiam o uso do termo voltagem por ser uma tradução direta do inglês (Voltage), o que é incorreto.

Eletromagnetismo - Parte II - Conceito

Eletromagnetismo - Eletricidade + Magnetismo

No estudo da Física, o eletromagnetismo (AO 1945: electromagnetismo) é o nome da teoria unificada desenvolvida por James Maxwell para explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo. Esta teoria baseia-se no conceito de campo eletromagnético.

O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força eletromagnética quando associada a ímãs.

A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão). Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.

Esta unificação foi terminada por James Clerk Maxwell, e escrita em fórmulas por Oliver Heaviside, no que foi uma das grandes descobertas da Física no século XIX. Essa descoberta posteriormente levou a um melhor entendimento da natureza da luz, ou seja, pôde-se entender que a luz é uma propagação de uma perturbação eletromagnética, ou melhor dizendo, a luz é uma onda eletromagnética. 

As diferentes frequências de oscilação estão associadas a diferentes tipos de radiação. Por exemplo, ondas de rádio tem frequências menores, a luz visível tem frequências intermediárias e a radiação gama tem as maiores frequências.

A teoria do eletromagnetismo foi o que permitiu o desenvolvimento da teoria da relatividade especial por Albert Einstein em 1905.

A força eletromagnética

A força que um campo eletromagnético exerce sobre cargas elétricas, chamada força eletromagnética, é uma das quatro forças fundamentais. As outras são: a força nuclear forte (que mantém o núcleo atômico coeso), a força nuclear fraca (que causa certas formas de decaimento radioativo), e a força gravitacional. Quaisquer outras forças provêm necessariamente dessas quatro forças fundamentais.

A força eletromagnética tem a ver com praticamente todos os fenômenos físicos que se encontram no cotidiano, com exceção da gravidade. Isso porque as interações entre os átomos são regidas pelo eletromagnetismo, já que são compostos por prótons, elétrons, ou seja, por cargas elétricas. Do mesmo modo as forças eletromagnéticas interferem nas relações intermoleculares, ou seja, entre nós e quaisquer outros objetos. Assim podem-se incluir fenômenos químicos e biológicos como consequência do eletromagnetismo.

Cabe ressaltar que, conforme a eletrodinâmica quântica, a força eletromagnética é resultado da interação de cargas elétricas com fótons.

O eletromagnetismo clássico

O cientista William Gilbert propôs que a eletricidade e o magnetismo, apesar de ambos causarem efeitos de atração e repulsão, seriam efeitos distintos. Entretanto marinheiros percebiam que raios causavam perturbações nas agulhas das bússolas, mas a ligação entre os raios e a eletricidade ainda não estava traçada até os experimentos que Benjamin Franklin propôs em 1752. Um dos primeiros a descobrir e publicar as relações entre corrente elétrica e o magnetismo foi Romagnosi, que em 1802 afirmou que um fio conectado a uma pilha provocava um desvio na agulha de uma bússola que estivesse próxima. No entanto essa notícia não recebeu o crédito que lhe era devido até que, em 1820, Hans Christian Ørsted montou um experimento similar.

A teoria do eletromagnetismo foi desenvolvida por vários físicos durante o século XIX, culminando finalmente no trabalho de James Clerk Maxwell, o qual unificou as pesquisas anteriores em uma única teoria e descobriu a natureza eletromagnética da luz. No eletromagnetismo clássico, o campo eletromagnético obedece a uma série de equações conhecidas como equações de Maxwell, e a força eletromagnética pela Lei de Lorentz.

Uma das características do eletromagnetismo clássico é a dificuldade em associar com a mecânica clássica, compatível porém com a relatividade especial. Conforme as equações de Maxwell, a velocidade da luz é uma constante, depende apenas da permissividade elétrica e permeabilidade magnética do vácuo. Isso porém viola a invariância de Galileu, a qual já era há muito tempo base da mecânica clássica. Um caminho para reconciliar as duas teorias era assumir a existência de éter luminífero através do qual a luz propagaria. No entanto, os experimentos seguintes falharam em detectar a presença do éter. Em 1905, Albert Einstein resolveu o problema com a teoria da relatividade especial, a qual abandonava as antigas leis da cinemática para seguir as transformações de Lorentz as quais eram compatíveis com o eletromagnetismo clássico.

A teoria da relatividade mostrou também que adotando-se um referencial em movimento em relação a um campo magnético, tem-se então um campo elétrico gerado. Assim como também o contrário era válido, então de fato foi confirmado a relação entre eletricidade e magnetismo. Portanto o termo "eletromagnetismo" estava consolidado.

O efeito fotoelétrico

Em outra publicação sua no mesmo ano, Einstein pôs em dúvida vários princípios do eletromagnetismo clássico. Sua teoria do efeito fotoelétrico (pelo qual ganhou o Prêmio Nobel em Física) afirmava que a luz tinha em certo momento um comportamento corpuscular, isso porque a luz demonstrava carregar corpos com quantidades discretas de energia, esses corpos posteriormente passaram a ser chamados de fótons. Através de sua pesquisa, Max Planck mostrou que qualquer objeto emite radiação eletromagnética discretamente em pacotes, ideia que leva a teoria de Radiação de Corpo Negro. Todos esses resultados estavam em contradição com a teoria clássica da luz como uma mera onda contínua. As teorias de Planck e Einstein foram as causadoras da teoria da mecânica quântica, a qual, quando formulada em 1925, necessitava ainda de uma teoria quântica para o Eletromagnetismo.

Essa teoria só veio a aparecer em 1940, conhecida hoje como eletrodinâmica quântica; essa é uma das teorias mais precisas da Física nos dias de hoje.

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James Clerk Maxwell - Pai da Teoria Moderna do Eletromagnetismo

James Clerk Maxwell (Edimburgo, 13 de Junho de 1831 — Cambridge, 5 de Novembro de 1879) foi um físico e matemático britânico. 

Ele é mais conhecido por ter dado a sua forma final à teoria moderna do eletromagnetismo, que une a eletricidade, o magnetismo e a óptica. Esta é a teoria que surge das equações de Maxwell, assim chamadas em sua honra e porque ele foi o primeiro a escrevê-las juntando a lei de Ampère, por ele próprio modificada, a lei de Gauss, e a lei da indução de Faraday. Maxwell demonstrou que os campos eléctricos e magnéticos se propagam com a velocidade da luz. 

Ele apresentou uma teoria detalhada da luz como um efeito electromagnético, isto é, que a luz corresponde à propagação de ondas eléctricas e magnéticas, hipótese que tinha sido posta por Faraday. Demonstrou em 1864 que as forças elétricas e magnéticas têm a mesma natureza: uma força elétrica em determinado referencial pode tornar-se magnética se analisada noutro, e vice-versa. Ele também desenvolveu um trabalho importante em mecânica estatística, tendo estudado a teoria cinética dos gases e descoberto a chamada distribuição de Maxwell-Boltzmann. 

Maxwell é considerado por muitos o mais importante físico do séc. XIX, o seu trabalho em electromagnetismo foi a base da relatividade restrita de Einstein e o seu trabalho em teoria cinética de gases fundamental ao desenvolvimento posterior da mecânica quântica.

Sua vida

James Clerk Maxwell nasceu em 13 de junho de 1831 na Rua India, 14, em Edimburgo, filho de John Clerk Maxwell, um advogado, e Frances Maxwell O pai de Maxwell era um homem com confortáveis meios financeiros, aparentado com a família Clerk de Penicuik, Midlothian, os titulares do baronato de Clerk de Penicuik, sendo seu irmão o sexto barão. Nascera John Clerk, adicionando o sobrenome Maxwell ao seu próprio depois de ter herdado uma propriedade rural em Middlebie, Kirkcudbrightshire, a partir das conexões com a família de Maxwell, eles próprios membros do pariato.

Os pais de Maxwell não se conheceram e se casaram, até que tivessem passado dos trinta anos, o que era incomum para a época, e Frances Maxwell tinha quase 40 quando James nasceu. Eles tinham tido anteriormente uma criança, uma filha, Elizabeth, que morreu na infância. Chamaram seu único filho sobrevivente de James, um nome que tinha sido usado não só pelo seu avô, mas também por muitos outros de seus ancestrais.

 

Os seus pais John Clerk Maxwell e Frances Maxwell possuíam extensas terras no campo escocês, onde ele cresceu. A sua mãe adoeceu, provavelmente com cancro, e morreu em 1839. Aos 10 anos de idade, Maxwell foi para escola em Edimburgo. Ele fez a universidade em Edimburgo, pensando que aí teria mais possibilidade de vir a ser cientista, do que em uma universidade mais prestigiosa como por exemplo Cambridge onde também tinha sido aceito. Na universidade de Edimburgo, graduou-se em Filosofia Natural (como era nessa época denominada a Física), Filosofia Moral e Filosofia Mental. Em 1850 ele vai estudar matemática na Universidade de Cambridge, mais precisamente no Trinity College. É nesta época que Maxwell inicia o seu estudo das equações de eletromagnetismo, que continuaria praticamente toda a sua vida. Em 1854, graduou-se, entre os melhores estudantes do seu ano, e imediatamente depois apresenta um brilhante artigo à Sociedade Filosófica de Cambridge com o título "On the Transformation of Surfaces by Bending", um dos poucos artigos puramente matemáticos que escreveu.

James e Katherine Maxwell em 1869

Em 1856 Maxwell se tornou professor em Aberdeen, e casa-se aos 27 anos com Katherine Mary Dewar, com quem nunca teve filhos. De 1855 a 1872 publicou com intervalos uma série de investigações sobre a percepção da cor e o daltonismo pela qual receberia a medalha Rumford da Royal Society em 1860. Em 1859 recebeu o prémio Adams por um artigo sobre a estabilidade dos anéis de Saturno, em que demonstra que estes não podem ser completamente sólidos nem fluidos. A estabilidade destes anéis implica que eles têm de ser constituídos por numerosas pequenas partículas sólidas. Do mesmo modo provou que o sistema solar não podia ser formado pela condensação de uma nébula puramente gasosa, mas que esta nébula tinha que conter também pequenas partículas sólidas. Foi também nesta época que Maxwell fez os seus trabalhos mais importantes em física estatística, tendo generalizado o trabalho iniciado por Clausius em que este punha a hipótese de que um gás era formado por moléculas que se movem a uma certa velocidade e que vão mudando de velocidade ao chocar entre si. Maxwell considerou que as partículas se tinham que mover a diferentes velocidades e estudou a distribuição da velocidade destas. Em 1868 a continuação deste trabalho feita por Boltzmann daria origem à chamada distribuição de Maxwell-Boltzmann e ao campo da mecânica estatística.

A primeira fotografia colorida, feita por Maxwell, em 1861.

Em 1860 foi nomeado professor no King's College de Londres e em 1861 foi eleito membro da Royal Society. Durante este período investigou temas em elasticidade e em geometria pura, mas também prosseguiu os seus estudos em visão e óptica, tendo por exemplo demonstrado que se pode produzir uma fotografia a cores utilizando filtros vermelho, verde e azul e sobrepondo as três imagens assim obtidas (ver ao lado imagem da primeira fotografia a cores na história, obtida por este método). 

Após a morte de seu pai, em 1865, Maxwell se aposentou para cuidar das terras da família. Nesta época faz importantes contribuições à física experimental, realizando com a sua esposa uma série de experiências sobre a viscosidade dos gases, em que demonstraram por exemplo que a viscosidade de um gás é independente da sua densidade.

Em 1870 ele publicou o livro "A teoria do calor", que dá a forma final à Termodinâmica moderna e será enormemente influente na física do século XX e em 1871 ele inventou o conceito de Demónio de Maxwell, para demonstrar que a segunda lei da termodinâmica, que diz que a entropia nunca decresce, tem um carácter estatístico. Neste ano ainda aceita dirigir o novo Laboratório Cavendish, em Cambridge. Ele mesmo supervisionou a construção do edifício e a compra de todos os aparelhos científicos. Ele tinha acabado de estabelecer o laboratório como centro de excelência científica quando morreu. 

Durante este período, Maxwell preparou zelosamente a publicação das investigações completas de Henry Cavendish, incluindo os seus estudos de electricidade, o que viria a ser a sua última importante contribuição para a ciência.

Em 1873 ele publicou o Tratado sobre Electricidade e Magnetismo, livro que continha todas as suas ideias sobre este tema e que condensa todo o trabalho que foi fazendo ao longo dos anos. Ele estava preparando uma revisão abrangente deste tratado com as suas novas descobertas neste tema quando morreu em Cambridge prematuramente de cancro do abdómen. Foi enterrado em Parton Kirk, na Escócia.

Referências bibliográficas

• Campbell, Lewis. The Life of James Clerk Maxwell. Edinburgh: MacMillan, 1882.
• Tolstoy, Ivan. James Clerk Maxwell: A Biography. [S.l.]: University of Chicago Press, 1982.