Pequena aula sobre unidades elétricas

Muitas vezes há equívocos na utilização das unidades de grandezas elétricas, o que causa confusão e falta de sentido na descrição de um problema, defeito ou projeto. Segue aqui uma pequena explicação e as relações das grandezas elétricas mais usadas.

A primeira grandeza, mais básica no meu entender é a de carga elétrica. Como sabemos, no átomo temos dois componentes que possuem carga elétrica: o próton e o elétron. Existe o neutron, mas ele não possui carga elétrica. O elétron tem carga elétrica negativa e o proton tem carga positiva.  A unidade de carga elétrica é o coulomb (símbolo C) em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb. Um elétron possui uma carga de 1,6 x 10^-19 coulombs e essa quantidade é chamada de carga elétrica elementar (a menor possível).  Um coulomb é uma carga elétrica correspondente à carga de muitos elétrons (6,25 x 10^18 elétrons).

Quando os elétrons se movimentam através de um condutor, eles carregam consigo a carga elétrica. Uma certa quantidade de carga elétrica passando numa secção do condutor forma o que chamamos de corrente elétrica. Se a quantidade de carga elétrica de 6,25 x 10^18 elétrons passar na secção do condutor durante 1 segundo, a intensidade de corrente será de 1 ampère. Logo 1 ampère é igual a passagem de 1 coulomb por segundo, e seu símbolo é A, e homenageia o físico francês André Marie Ampère.  A analogia com hidráulica é muito usada, então a corrente elétrica é análoga à vazão de água, que seria litros por segundo ou metros cúbicos por segundo, sendo a carga elétrica análoga a um volume ou quantidade de água.

A próxima unidade elétrica é a que mede a força necessária para fazer os elétrons se movimentarem. A força é causada pelos campos elétricos formados pelas cargas elétricas de sinal oposto. Como num imã, os pólos iguais se repelem e pólos diferentes se atraem, as cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas diferentes se atraem. Assim as cargas elétricas negativas tem uma atração pelas positivas, de forma que elas querem se mover em direção ao lugar que tem bastante cargas positivas (na verdade é porque faltam elétrons para compensarem com os prótons do local). Então se existe uma diferença de cargas elétricas entre dois pontos, os elétrons são atraídos ou chamados (venham, venham eletronzinhos) pelas cargas elétricas positivas.  Por isso essa diferença de potencial de cargas elétricas cria uma força eletromotriz (que faz movimentar os elétrons) que é chamada de tensão elétrica (ou também de força eletromotriz FEM, ou diferença de potencial DDP). A unidade da tensão elétrica é o volt (símbolo V) e homenageia o inventor da pilha, o italiano Alessandro Volta. Um volt é equivalente à energia necessária pra fazer uma carga de 1 coulomb se movimentar e vale 1 joule / 1 coulomb. O joule é uma unidade de energia ou trabalho, em homenagem ao físico britânico James Prescott Joule (pronúncia-se djuuli) .  Na analogia com a hidráulica, a tensão faz o papel de pressão da água, ou uma força para empurrar a água.

Obviamente, para haver a movimentação dos elétrons (e consequentemente da carga elétrica) precisa haver um caminho. Esse caminho pode ser um meio físico e material ou mesmo no vácuo. Mas esse caminho pode ser mais fácil ou mais difícil, mais curto ou mais longo, mais largo ou mais estreito. Essa dificuldade no caminho pode ser medida e guarda uma relação com duas grandezas vistas anteriormente: a tensão e a corrente elétrica. Se para haver uma movimentação de uma certa quantidade de cargas elétricas pelo caminho precisamos de mais força eletromotriz (tensão), então a dificuldade é maior do que se precisarmos de menos força para haver a mesma movimentação de cargas por outro caminho. Por outro lado pode acontecer de com uma mesma força, um caminho oferecer menos dificuldades e fazer com que por ele passem mais cargas elétricas do que outro caminho onde menos cargas elétricas são atraídas pela mesma força. A razão entre a força necessária (tensão) e a quantidade de cargas elétricas que passam pelo caminho (corrente) é chamada de resistência elétrica. Quanto menos força necessária e mais cargas passam, então teremos um caminho com baixa resistência. Se precisamos de muita força e mesmo assim passam poucas cargas, então a resistência elétrica é alta.  Essa resistência elétrica é medida em ohms (símbolo letra grega ômega maiúscula) e equivale a 1 volt por 1 ampère. Essa relação foi descoberta pelo alemão Georg Simon Ohm e é chamada primeira lei de Ohm. A analogia com a hidráulica seria a secção de um encanamento (cano mais grosso e mais curto = menos resistência, cano fino e longo = mais resistência à vazão e portanto passa menos água pelo cano).

Já definimos então  4 importantes medidas de grandezas elétricas. Agora há uma grandeza que tem importância elétrica, mas conceitua uma outra grandeza física: a capacidade de realizar trabalho ou de transformar energia. Como vimos a unidade de energia é o joule (símbolo J). Se algo consegue realizar um trabalho de 1 joule no tempo de 1 segundo, dizemos que ele tem uma capacidade de 1 joule por segundo que equivale a 1 watt (símbolo W) em homenagem ao inventor do motor a vapor, o escocês James Watt (pronúncia  uóti). Essa capacidade de realizar trabalho é chamada de potência. Quanto maior a potência de alguma coisa, maior é a capacidade dela de realizar trabalho num determinado período de tempo. Realizar trabalho e transformar ou usar energia, são equivalentes em física. De fato movimentar algo realiza trabalho e transforma energia. Ao movimentarmos os elétrons no condutor, realizamos trabalho e como esse trabalho é realizado num periodo de tempo, utilizou-se de uma capacidade de realizar esse trabalho, utilizamos potência. No caso, se usarmos 1 joule de energia para movimentar a carga de 1 coulomb (1 J/1 C = 1 volt) com uma corrente de 1 A (1 coulomb por segundo), teremos a potência de 1 watt. De fato 1 V x 1 A = 1 watt, como 1 V = 1 J/1 C e 1 A = 1 C / 1 s    1 J/1 C x 1 C/1 s = 1 J/1 s = 1 watt.
Então vejam que a corrente elétrica realiza um trabalho ou conversão de energia de uma forma para outra. Ela pode converter a energia cinética dos elétrons e suas cargas, em energia mecânica (movimentando motores), em energia térmica (esquentando algo), em energia magnética (num eletroima ou transformador), em energia química (carregando uma bateria), etc.
Veja que uma potência usada por um determinado tempo, realiza trabalho ou converte/usa energia.  Ao multiplicarmos potência por tempo, descobrimos quanta energia ou trabalho foi usado, realizado ou transformado. Assim temos como unidade de energia o joule (watt vezes segundos ou  w.s), e uma unidade muito usada nas nossas contas de energia elétrica: o quilowatt-hora (kWh). Um kWh (quilowatt hora e não quilowatt por hora) equivale a 1000 watts x 1 hora = 1000 watt x 3600 segundos = 3600000 watts segundos = 3600000 joules ou 3,6 MJ.

Assim uma lâmpada de 100 W, tem potência para transformar até 100 J de energia elétrica em energia térmica (calor) e luminosa (luz) em 1 segundo. Um chuveiro elétrico de 3000 W tem potência para transformar até 3000 J de energia elétrica em energia térmica (calor na água) por segundo. Um alto-falante de 100 W tem potência para transformar até 100 J de energia elétrica em energia mecânica-acústica  (movimentar o cone que vai movimentar o ar) e energia térmica (aquecimento da bobina) por segundo. Um amplificador de 100 W tem potência para fornecer até 100 J de energia elétrica por segundo a um alto-falante. Um transformador de 10 W tem potência para transformar até 10 J de energia elétrica por segundo em energia magnética no primário e de novo para energia elétrica no secundário (lógico que ocorrem perdas, uma parte vira calor nos fios, uma parte se perde no núcleo, etc). Um gerador de  1000 W consegue converter até 1000 J de energia mecânica por segundo em energia elétrica.
Vejam que eu usei a palavra "até", pois a potência de um equipamento não pode ser usada além desse limite, mas menos pode ser usada. Forçar o equipamento além da potência dele, pode causar danos ou falhas.
Assim uma fonte de alimentação de 12 V e 1 A, tem potência de 12 W. Como a tensão normalmente é fixa, podemos variar a corrente consumida, e portanto variamos a potência utilizada fornecida pela fonte. Se quisermos mais do que 1 A dessa fonte, pode acontecer dela: queimar um fusível, desligar o regulador (se tiver), simplesmente diminuir a tensão compensando a maior corrente e fazendo o produto V x I se manter constante (e limitado). Usando menos corrente (por ex. 0,5 A), usaremos menos potência da fonte (no caso 6W dos 12 W disponíveis) e não ocorre nenhum efeito colateral.

Uma bateria ou pilha também funciona como fonte de alimentação, mas ela normalmente não é especificada em termos de potência. Nunca vimos uma bateria dizer que é de tantos watts.  Agora a unidade é de capacidade de carga (qual era mesmo a unidade de carga ? Sim o coulomb). Mas vemos que também não se usa o coulomb pra definir a carga da bateria. Vemos A x h ou mAh. O que querem dizer essas medidas ? Uma bateria de carro de 45 A x h significa que ela consegue fornecer uma corrente de 45 A por 1 hora. Como 1h = 3600 segundos, a carga da bateria seria de 45A x 3600s = 45 C/s x 3600 s = 162000 coulombs que ficam armazenados na bateria quando ela estiver plenamente carregada. Uma dessas pilhas recarregáveis de 2000 mAh (2 A x 3600 s = 7200 C) consegue fornecer uma corrente de 2 A por 1 hora, desde que ela esteja plenamente carregada. Ou 4 A por 1/2 hora. Ou 200 mA por 10 horas. Quanto maior a corrente de descarga, menos tempo vai demorar pra descarregar a bateria. Quanto menor a corrente de descarga (ou de consumo), maior o tempo de duração da carga na bateria.

Tenho certeza de que essa série de tópicos não vão virar um único, e sim uma apostila, tanto virtual como impressa.
Além da clareza dos textos e da linguagem simples, um leve toque de humor pra quebrar o gelo "(venham, venham eletronzinhos)..."  :D (Eu parei pra não cair da cadeira).

Só mais uma palavra:

PERFEITO!!!  :tup

Abs

Parabens pela aula. A analogia facilita muito a compreensão. Eu mesmo demorei muito pra entender a relação tensão/corrente, ou então o fato de que quanto menor a tensão, maior a corrente necessaria e vice-versa. Até mesmo pra quem já conhece um pouco seu texto é maravilhoso. Sempre é bom estudar mais um pouco.

Mais uma vez parabéns e obrigado!

Valeu pelos comentários, Matec e Andrey.

De fato não é fácil um professor ensinar fundamentos da eletricidade. Todo mundo usa, todo mundo paga, mas nínguém vê e tampouco compreende inteiramente os fenômenos da eletricidade.  Até definir e dizer o que é eletricidade não é fácil (muita gente nem consegue conceituar o que é eletricidade). Tem que ter um senso de abstração muito grande pra entender o que ocorre no fenômeno eletricidade.  Quem estuda engenharia ou técnico ainda tem mais recursos como laboratórios e experimentos pra compreender as coisas, mas a imensa maioria que apenas estuda física na escola fica apenas na teoria e nos conceitos abstratos e muitas vezes vagos demais ou acadêmicos demais.  Se aprende muita lei e fórmula, mas sem saber o que elas significam e como representam os fenômenos da eletricidade.

Por isso tento escrever de forma que a gente consiga imaginar o que se passa num circuito, e a melhor forma é fazer analogias e a hidráulica é das mais usadas pra isso.

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Andrey.som, mas essas relações entre corrente e tensão só existem em relação com a resistência. Se devemos ter mais ou menos tensão depende da resistência à passagem da corrente, conforme explicado no próprio artigo. Pela 1ª Lei de Ohm I=V/R, tensão e resistência são diretamente proporcionais (quanto maior a resistência maior a tensão necessária para a passagem da corrente) e corrente e resistência são inversamente proporcionais ( se aumentarmos a resistência menos corrente passará pelo circuito). No entanto essas relações de proporcionalidade podem ser verificáveis se mantivermos uma das grandezas constantes. Acho que fiquei um pouco confuso.....hehe
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Esqueci de falar que achei o artigo muitíssimo didático. Valeu!!

A única coisa que posso dizer é: Muito obrigado Xformer  ;)

2º Muito obrigado Xformer   :tup