Como funciona a eletricidade

Autor: 
Marshall Brain

Selo HowStuffWorks

A eletricidade nos cerca por todos os lados. Para a maioria das pessoas, a vida moderna seria praticamente impossível sem ela. Veja aqui alguns exemplos:

  • Em todas as partes da casa, você provavelmente encontra tomadas onde pode ligar todo tipo de eletrodomésticos.
  • A maioria dos aparelhos portáteis precisa de baterias, que produzem uma quantidade variável de eletricidade, dependendo de seu tamanho.
  • Durante uma tempestade, gigantescos "deslocamentos" de eletricidade, normalmente chamados de relâmpagos, são disparados do céu.
  • Em uma escala muito menor, você pode levar choques de eletricidade estática em dias secos de inverno.
  • É fácil criar eletricidade com a luz do sol usando uma célula solar ou até mesmo criá-la a partir da energia química do hidrogênio e oxigênio usando uma célula de combustível.

Mas o que é a eletricidade? De onde ela vem e por que pode fazer tantas coisas diferentes?

A eletricidade que obtemos nas tomadas e baterias pode fornecer energia para diferentes tipos de aparelhos.

É difícil imaginar pessoas no mundo moderno vivendo sem eletricidade. Na falta de eletricidade, voltamos a usar lareiras para obter calor, fogões a lenha para cozinhar, velas para iluminar, réguas de cálculo para fazer contas mais complicadas e para falar a longa-distância só nos restam cartas e cartões postais.

A eletricidade começa com elétrons. Se você leu Como funcionam os átomos, sabe que cada átomo contém um ou mais elétrons. Sabe também que os elétrons têm uma carga negativa.


Um átomo em seu modelo mais simples

Em muitos materiais, os elétrons são fortemente ligados aos átomos: madeira, vidro, plástico, cerâmica, ar, algodão, todos são exemplos disso. Como os elétrons não se movem, esses materiais quase não conduzem eletricidade. São o que chamamos de isolantes elétricos.

Por outro lado, a maioria dos metais têm elétrons que podem se separar de seus átomos e se mover. Estes são chamados elétrons livres. Ouro, prata, cobre, alumínio e ferro, entre outros, contêm elétrons livres. Eles ajudam a eletricidade a fluir por esses materiais, que são conhecidos como condutores elétricos, por conduzirem eletricidade. Os elétrons em movimento transmitem energia elétrica de um ponto a outro.

Geradores

A eletricidade precisa de um condutor para se mover. Assim como é necessário algo para fazê-la fluir através do condutor. Uma maneira de fazer com que a eletricidade seja conduzida é usar um gerador. Os geradores usam um ímã para fazer os elétrons se moverem.

Há uma conexão explícita entre eletricidade e magnetismo. Se você deixar os elétrons se moverem por um fio, eles criam um campo magnético ao redor dele (veja Como funcionam os motores elétricos e Como funcionam os eletroímãs para mais detalhes). De maneira similar, se você mover um ímã perto de um fio, o campo magnético fará com que seus elétrons se movam.


Um gerador é um aparelho simples que move um ímã perto de um fio para criar um fluxo estável de elétrons.

Uma maneira simples de pensar em um gerador é imaginá-lo atuando como uma bomba d'água. Ao invés de água, o gerador usa o ímã para produzir elétrons. Isso é uma simplificação exagerada, mas uma analogia útil.

Há duas coisas que uma bomba d'água pode fazer com a água:

  1. Mover um certo número de moléculas de água.
  2. Aplicar uma certa pressão sobre as moléculas de água.

Da mesma maneira, o ímã em um gerador pode:

  1. Deslocar um certo número de elétrons.
  2. Aplicar uma certa "pressão" sobre os elétrons.

Em um circuito elétrico, o número de elétrons em movimento é chamado amperagem ou corrente, que é medida em ampères. A "pressão" sobre os elétrons é chamada voltagem e é medida em volts. Por isso, você pode ouvir alguém dizer: "se você girar o gerador a 1.000 rpm, pode produzir 1 ampère em uma tensão de 6 volts". Um ampere é o número de elétrons em movimento (fisicamente, 1 ampère significa que 6,24 x 1018 elétrons se movem por um fio a cada segundo). A voltagem, por sua vez, é a quantidade de pressão sobre esses elétrons.

Circuitos elétricos
Independentemente de estar usando uma bateria, uma célula de combustível ou uma célula solar para produzir eletricidade, há três coisas que permanecem as mesmas:


  • A fonte de eletricidade terá dois terminais: um positivo e um negativo.
  • A fonte de eletricidade (mesmo sendo um gerador, bateria, etc.) vai tentar deslocar elétrons para fora de seu terminal negativo com uma certa voltagem. Por exemplo, uma pilha AA desloca elétrons a 1,5 volts.
  • Os elétrons precisam fluir do terminal negativo para o terminal positivo através de um fio de cobre ou outro condutor. Quando há um caminho que vai do terminal negativo para o positivo, há um circuito e elétrons podem correr pelo fio.
  • Você pode conectar um dispositivo de qualquer tipo (uma lâmpada, um motor, uma TV, etc.) no meio do circuito. A fonte de eletricidade vai fornecer energia para o dispositivo e este, por sua vez, irá fazer seu trabalho (criar luz, girar um eixo, gerar imagens, etc.).

Circuitos elétricos podem ser bastante complexos. Mas você sempre terá uma fonte de eletricidade (uma bateria, etc.), um dispositivo (lâmpada, motor, etc.), e dois fios para carregar eletricidade entre a bateria e o dispositivo. Os elétrons se movem da fonte para o dispositivo, e novamente de volta à fonte.

Os elétrons em movimento possuem energia. E, movendo-se de um ponto a outro, podem fazer muitos trabalhos. Em uma lâmpada incandescente, por exemplo, a energia dos elétrons é usada para gerar calor e o calor cria luz. Em um motor elétrico, a energia nos elétrons cria um campo magnético e este campo pode interagir com outros ímãs (por atração e repulsão magnéticas) para criar movimento. Cada aparelho elétrico usa a energia dos elétrons de alguma maneira para criar um efeito colateral útil.

E os relâmpagos?


Imagem cedida pela NASA

Se o ar é um isolante, então como um relâmpago pode sair de uma nuvem para o solo através de um material não-condutor? No caso dos relâmpagos, há tanta energia elétrica armazenada entre a nuvem e o solo que, em algum momento, a energia consegue destacar elétrons dos átomos no ar. Assim que esse processo começa, o ar se torna um plasma (um estado separado de matéria onde há muitos elétrons livres criados por calor ou alta voltagem - veja Como funciona o cortador de plasma para saber mais sobre esse estado). Assim que se transforma em plasma, o ar pode facilmente conduzir eletricidade com os elétrons livres e o relâmpago acontece através desse condutor de plasma.

Esse mesmo processo permite que uma faísca passe pelos condutores de uma vela de ignição ou de um arma de choque e também carregue eletricidade através de um tubo fluorescente.