Qual é a quantidade de cargas que atravessam a seção reta de um condutor em 1s para produzir corrente de 0 25 mA?

Considere um fio cilíndrico circular, sólido, de raio R e com altura infinita, como mostrado na figura abaixo. Através de tal fio, há uma densidade de corrente elétrica estacionária, mas não uniforme dada por J → = C s 2 z ^ , onde C é uma constante positiva, s é a distância até o eixo Z do fio e z ^ o seu correspondente unitário.(a) Determine a intensidade de corrente elétrica I t o t que passa através de uma seção transversal qualquer do fio. Sugestão: tome como elemento de superfície um anel de raio s e espessura infinitesimal d s. (b) Sendo P um ponto arbitrário com coordenadas cilíndricas ( s ,   ϕ ,   z ), informe qual(is) componente(s) do vetor campo magnético B → ( s ,   ϕ ,   z ) = B s s ,   ϕ ,   z s ^   +   B ϕ ( s ,   ϕ ,   z ) ϕ ^   +   B z ( s ,   ϕ ,   z ) z ^ é (são) nula(s), indicando ainda de que coordenada(s) ela(s), de fato, pode(m) depender. Justifique. (c) Com base no resultado do item (b), identifique uma curva fechada e orientada C apropriada para a dedução do campo magnético, e determine uma expressão para a circulação de tal campo ao longo dela: Γ B C = ∮ C B →   .   d l → (d) Aplicando a lei de Ampère, deduza expressões para o vetor campo magnético (i) fora ( R ≤ s < ∞ )e (ii) dentro ( 0 ≤ s ≤ R ) do fio. (e) Faça um esboço cuidadoso do gráfico do módulo de B → como funções de s, marcando explicitamentequaisquer pontos relevantes. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Definimos como Corrente Elétrica o fluxo de cargas elétricas que passam por uma seção de um condutor por unidade de tempo. Simbolizamos a corrente elétrica com a letra I maiúscula, e não com a letra C, que corresponde à unidade de carga elétrica Coulomb.

Em todo material condutor elétrico existem elétrons livres, distribuídos ao longo do material. Esses elétrons podem, em algumas circunstâncias, se deslocar ao longo do condutor, produzindo assim o fluxo de elétrons que chamamos de Corrente Elétrica.

Energia, de várias formas (calor, luz, magnetismo) pode fazer com que um elétron seja liberado da camada de valência de um átomo. Quando o átomo perde um elétron dessa forma, ele deixa de ser eletricamente neutro e passa a ser conhecido como um íon positivo, pois agora possui uma carga elétrica total positiva – possui mais prótons do que elétrons. Já os elétrons liberados tendem a se deslocar a átomos próximos, os quais acabam com mais elétrons do que prótons, transformando esses átomos em íons negativos.

Vamos entender melhor como esse fenômeno ocorre. Suponha dois corpos carregados eletricamente, um com excesso de cargas negativas (excesso de elétrons) e o outro com excesso de cargas positivas (falta de elétrons), como mostrado na figura a seguir:

Vamos conectar esses dois corpos usando um fio ou uma barra de um material condutor, como cobre, prata ou alumínio, conforme segue:

Ao conectarmos os dois corpos por meio de um condutor, criamos um caminho para que as cargas elétricas possam fluir. O corpo da esquerda possui mais elétrons que o corpo da direita – mais cargas elétricas negativas, ou íons negativos (com excesso de elétrons). O condutor em si é neutro, pois seus átomos possuem a mesma quantidade de elétrons e prótons.

Os elétrons extras na camada mais externa dos íons negativos (corpo da esquerda) são atraídos pelos íons positivos do corpo da direita, além de sofrerem repulsão dos elétrons em excesso dos próprios íons negativos. Isso faz com que um elétron em um dos íons negativos “salte” da órbita do átomo onde se encontra e acabe em um átomo adjacente mais à direita, no metal do condutor, conforme vemos na figura a seguir:

Agora o átomo do fio condutor possui um elétron extra, o que o transforma também em um íon negativo, e o átomo que cedeu esse elétron a ele se tornou neutro, recebendo um novo elétron proveniente de outro íon negativo próximo a ele no corpo carregado.

Os elétrons no fio condutor sentem a atração dos íons positivos no corpo da direita, além da repulsão dos elétrons em excesso no corpo da esquerda, e eventualmente o elétron extra adquirido pelo condutor salta para outro átomo adjacente, e então mais outro, e outro, provocando um movimento contínuo de elétrons fluindo da esquerda para a direita. Isso não ocorre com apenas um elétron por vez na realidade, mas sim com bilhões e bilhões deles em um movimento contínuo, como mostra a figura a seguir:

Este fluxo de elétrons é o que denominamos como Corrente Elétrica. Podemos resumir esse fenômeno dizendo que a partir do momento em que existe uma força ou “pressão” produzida pelas cargas positivas e negativas, ela fará com que os elétrons fluam do ponto mais negativo para o mais positivo. O corpo positivo possui uma deficiência de elétrons, e o lado negativo possui um excesso de elétrons, e um fluxo contínuo se dará entre esses pontos (desde que haja contato entre eles, por meio de um condutor). A quantidade de corrente elétrica que flui entre esses pontos é mensurável e calculável, como veremos a seguir.

Unidade de medida: Ampère

Para explorarmos mais a fundo esse conceito, definimos ΔQ como a quantidade de cargas que atravessam uma área S de um condutor em um intervalo de tempo Δt, de modo que a corrente média Imed é definida como:

Imed = ΔQ / Δt

Como a quantidade de carga elétrica é medida em Coulombs e a unidade de tempo adotada é o segundo, medimos a corrente elétrica em Coulombs por Segundo; porém, a unidade de medida de corrente elétrica padrão que usamos no dia a dia é chamada de Ampère, representado pela letra A. Desta forma,

O Ampère é uma unidade relativamente grande de corrente, por isso em eletrônica comumente usamos seus submúltiplos, como mostra a tabela a seguir:

Se uma corrente de 1A atravessa um condutor de cobre, o número de elétrons que passa por uma seção transversal do fio em um segundo é igual a  um Coulomb por segundo. Sabendo que um elétron possui uma carga de –1,602×10-19C, e calculando o número de cargas elétricas (elétrons) em um Coulomb temos que:

Portanto, 1 Ampère equivale ao fluxo de 6,242 x 1018 elétrons em um segundo passando por uma seção de um condutor.

No cálculo o número resultante é negativo porque os elétrons, na verdade, fluem na direção oposta da corrente definida convencionalmente, e lhes é atribuída carga negativa. Porém, todas as fórmulas usadas em eletrônica consideram que a corrente I é composta de cargas positivas. Seguiremos essa convenção normal – não fará diferença alguma nos resultados finais de nossos cálculos.

Vamos agora a um exemplo de cálculo:

Exemplo 01: Quantos elétrons passam por uma seção de um condutor em 3 segundos se uma corrente de 2A o atravessa?

R.: A carga que atravessa esse condutor é de:

ΔQ = I x Δt = 2A x 3s = 6C (6 Coulombs).

Um elétron possui uma carga em módulo (sem o sinal) de 1,602 x 10-19C, portanto:

número de elétrons = carga elétrica / carga de um elétron = 6 / 1,602 x 10-19C = 3,745 x 1019 elétrons.

Abaixo temos uma tabela que mostra, de forma aproximada, os valores de corrente elétrica que são consumidos por diversos dispositivos eletro-eletrônicos comuns:

Ao manipularmos circuitos eletrônicos onde haja fluxo de corrente elétrica (equipamentos ligados, portanto), devemos tomar muito cuidado pois uma corrente elétrica entre 100 mA e 1 A, dependendo da constituição física da pessoa, pode ser suficiente para causar uma parada cárdiorrespiratória em caso de choque elétrico, podendo levar à morte. Todo cuidado é pouco!

Na próxima lição vamos explorar outra grandeza elétrica fundamental: a Tensão Elétrica. Enquanto isso, assista a um vídeo da Bóson Treinamentos sobre o assunto:

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Qual a quantidade de carga elétrica que passa pela secção reta do condutor em 1 min?

Qual a quantidade de carga elétrica que atravessa uma seção reta?

Como calcular a carga elétrica de um condutor?

Qual a carga elétrica que passa por uma secção?