Definição de corrente elétrica
Em um condutor como o cobre, existem elétrons que se movem aleatoriamente em alta velocidade, livremente, mas não escapam do metal. Elétrons que podem se mover livremente são chamados de elétrons livres. Embora os elétrons se movam livremente em todas as direções, não há um fluxo total de elétrons em uma direção específica. Essa condição ocorre quando não há diferença de potencial entre as duas extremidades do fio de cobre.
Quando o fio é conectado a uma fonte elétrica, surge uma diferença de potencial entre as duas extremidades do fio de cobre, criando um campo elétrico em seu interior. A existência desse campo elétrico faz com que os elétrons livres sofram a força elétrica F = qE = eE, onde F = força elétrica , e = carga do elétron e E = campo elétrico . Essa força elétrica faz com que todos os elétrons que se movem livremente sejam acelerados juntos, na mesma direção da força elétrica.
Os elétrons livres que se movem juntos estão entre os átomos que permanecem no fio de cobre, de modo que todos os elétrons colidem com os átomos. A colisão faz com que a direção dos elétrons livres mude. Todos esses elétrons estão sempre sob a ação de uma força elétrica, de modo que todos são acelerados na mesma direção da força elétrica. Após um breve movimento, os elétrons livres colidem com os átomos no fio de cobre. Mas os elétrons livres estão sempre sob a ação de uma força elétrica, de modo que todos são acelerados novamente. Assim, além de se moverem aleatoriamente em várias direções, todos os elétrons livres também se movem lentamente juntos na direção da força elétrica e na direção oposta ao campo elétrico. A direção do campo elétrico é de um potencial elétrico alto para um potencial elétrico baixo, enquanto os elétrons se movem de um potencial baixo para um potencial alto. O movimento aleatório de cada elétron livre tem uma velocidade muito alta, enquanto o movimento dos elétrons livres na direção da força elétrica tem uma velocidade muito baixa. Esse movimento dos elétrons livres na direção da força elétrica também é chamado de velocidade de deriva.
A corrente elétrica é definida como o fluxo de carga elétrica através da seção transversal de um condutor durante um certo intervalo de tempo. De acordo com essa definição, a direção da corrente elétrica é a mesma que a direção da carga positiva. Essa definição foi estabelecida antes de se saber que o que realmente se move em um condutor são os elétrons livres, que possuem carga negativa. A direção do movimento dos elétrons no condutor é oposta à direção da corrente elétrica. Portanto, quando falamos da corrente que flui em um condutor, estamos nos referindo ao fluxo de carga positiva, também chamado de corrente convencional, pois é o resultado dessa definição.
A equação da corrente elétrica
Matematicamente, a corrente elétrica é expressa pela equação:
I = Δ Q / Δt
I = corrente elétrica, ΔQ = quantidade de carga elétrica, Δt = intervalo de tempo.
Unidade de corrente elétrica
A unidade de carga elétrica é o Coulomb, a unidade de tempo é o segundo, portanto a unidade de corrente elétrica é Coulomb/segundo. Coulomb/segundo também é chamado de Ampère, em homenagem ao físico francês André-Marie Ampère (1775-1836). 1 Ampère = 1 Coulomb/segundo (1 A = 1 C/s). Em outras palavras, uma corrente elétrica de 1 Ampère é igual a uma carga elétrica de 1 Coulomb que passa por uma área de seção transversal de um fio durante 1 segundo. Além de ser expressa em Ampères, a corrente elétrica também é expressa em miliamperes (1 mA = 10⁻³ A ), microampères (1 μA = 10⁻⁶ A ), nanoampères (1 nA = 10⁻⁹ A) ou picoampères (1 pA = 10⁻¹² A ).
Exemplo de problema 1:
Uma corrente de 2 amperes flui através do fio durante 8 segundos. Determine a quantidade de carga que passa por um ponto e o número de elétrons nessa carga!
Conhecido:
Corrente elétrica (I) = 1 Ampères
Intervalo de tempo (t) = 2 segundos
Procuram-se: carga (Q) e número de elétrons (e)
Solução:
Equação da corrente elétrica:
I = Q/t
I = corrente elétrica, Q = carga elétrica, t = intervalo de tempo
Carga elétrica:
Q = I t = (2 Ampères)(8 segundos) = 16 C.
A carga de um elétron é 1.6 x 10⁻¹⁹ Coulomb , portanto, a carga de 16 Coulombs tem tantos elétrons quanto 16 C / 1.6 x 10⁻¹⁹ Coulomb = 10 x 10¹⁹ elétrons.
Corrente elétrica, velocidade de deriva e densidade de corrente
Observe a carga positiva que se move para a direita com velocidade v, deslocando-se na direção do campo elétrico E.
Em um condutor com área de seção transversal A, uma carga positiva se desloca por uma distância s = vt durante o intervalo de tempo t.
Se o número de partículas carregadas por volume (densidade de partículas carregadas) for n e o volume do condutor for A s = A vt,
Então, o número de partículas carregadas no volume do condutor é n A v t. Se cada partícula carregada tem uma carga q, então a quantidade de carga que passa pela extremidade do condutor durante o intervalo t é Q = nq A v t. Portanto, a corrente elétrica que flui pela extremidade do condutor é I = Q / t = nq A v. Já a densidade de corrente, ou corrente por área da seção transversal A, é J = I / A = nq v.
Pode-se concluir que a corrente que flui no condutor é o produto da multiplicação da densidade das partículas carregadas (n),
a quantidade de carga de cada partícula (q), a área do condutor (A) e a velocidade das partículas carregadas (v).
Analise as seguintes questões de exemplo.
Exemplo de problema 2:
Uma corrente constante de 10 amperes flui em um fio de cobre com uma área de seção transversal de 3 x 10⁻⁶ m² . A densidade de elétrons livres é de 8.4 x 10²⁸ elétrons/m³ . Determine a velocidade de deriva dos elétrons livres!
Conhecido:
Corrente elétrica (I) = 10 Ampères
Área da seção transversal do fio (A) = 3 x 10⁻⁶ m²
Densidade de elétrons livres (n) = 8.4 x 10²⁸ m⁻³
Carga do elétron (q) = 1.6 x 10⁻¹⁹ C
Procura-se: Velocidade de deriva dos elétrons livres (v)
Solução:
A velocidade dos elétrons é calculada usando uma fórmula que já foi derivada anteriormente:
I = corrente elétrica, n = densidade de partículas carregadas = densidade eletrônica, q = carga de um elétron, A = área da seção transversal do condutor, v = velocidade de deriva dos elétrons.
A velocidade de deriva dos elétrons é de 0.248 x 10 -3 metros/segundo = 0.248 milímetros/segundo.
Elétrons livres se movem juntos em um fio a velocidades de 0.248 milímetros por segundo. Em outras palavras, a cada segundo, todos os elétrons livres percorrem uma distância de 0.248 milímetros. Essa é uma velocidade muito lenta. Se o movimento dos elétrons livres é muito lento, por que a lâmpada acende imediatamente após o interruptor ser acionado?
Para entender isso, imagine que os elétrons fluem no condutor como a água flui dentro de uma mangueira. Se a mangueira estiver cheia de água e uma de suas extremidades for conectada à torneira, a água imediatamente fluirá pela outra extremidade. Da mesma forma, existem elétrons livres no fio de cobre e no fio da lâmpada. Quando o interruptor é acionado, um campo elétrico surge com uma velocidade próxima à da luz (velocidade da luz = 3 x 10⁸ metros /segundo), o que faz com que os elétrons livres comecem a se mover juntos naquele instante. Já existem elétrons livres no fio da lâmpada, de modo que a luz acende naquele exato momento.
Problemas e soluções
1. Uma corrente constante de 10 A percorre um fio durante 2 minutos. Qual a quantidade de carga que passa pelo condutor em qualquer ponto?
Conhecido :
Corrente elétrica (I) = 10 A
Intervalo de tempo (t) = 2 minutos = 2 x 60 segundos = 120 segundos
Procura-se: Acusação (Q)
solução:
Equação da corrente elétrica:
I = q/t
I = corrente elétrica, q = carga elétrica, t = intervalo de tempo
A carga elétrica:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Uma carga de 60 C passa por um ponto do circuito durante 5 minutos. Qual é a corrente elétrica?
Conhecido :
O intervalo de tempo (t) = 5 minutos = 5 x 60 segundos = 300 segundos
A carga elétrica (Q) = 60 C
Procura-se: a corrente elétrica (I)
solução:
A corrente elétrica:
I = Q/t
Eu = 60/300
I = 0.2 Coulombs/segundo
I = 0.2 Ampère
3. A unidade de corrente elétrica no Sistema Internacional de Unidades (SI) é…
Solução
Coulombs/segundo
Coulombs por segundo, que recebeu um nome especial, o Ampère.
