Eletricidade
Eletricidade é o conjunto de fenômenos físicos associados à presença e ao movimento de matéria com carga elétrica. A eletricidade está relacionada ao magnetismo, sendo ambos parte do fenômeno do eletromagnetismo, conforme descrito pelas equações de Maxwell. Fenômenos comuns estão relacionados à eletricidade, incluindo relâmpagos, eletricidade estática, aquecimento elétrico, descargas elétricas e muitos outros.
Muito antes de qualquer conhecimento sobre eletricidade existir, as pessoas já conheciam os choques causados por peixes elétricos (Bioeletricidade). Textos egípcios antigos datados de 2750 a.C. os descreviam como os "protetores" de todos os outros peixes. Peixes elétricos foram novamente relatados milênios depois por naturalistas e médicos gregos, romanos e árabes antigos. Vários escritores antigos, como Plínio, o Velho, e Escribônio Largo, atestaram o efeito entorpecente dos choques elétricos aplicados por bagres elétricos e arraias elétricas, e sabiam que tais choques podiam se propagar por objetos condutores. Pacientes com doenças como gota ou dor de cabeça eram orientados a tocar peixes elétricos na esperança de que o poderoso choque pudesse curá-los. Culturas antigas ao redor do Mediterrâneo sabiam que certos objetos, como barras de âmbar, podiam ser esfregados com pelo de gato para atrair objetos leves como penas. Tales de Mileto fez uma série de observações sobre eletricidade estática por volta de 600 a.C., a partir das quais ele acreditava que o atrito tornava o âmbar magnético, em contraste com minerais como a magnetita, que não precisavam de fricção. Tales estava incorreto ao acreditar que a atração era devido a um efeito magnético, mas a ciência posterior provaria uma ligação entre magnetismo e eletricidade. De acordo com uma teoria controversa, os partas podem ter tido conhecimento de galvanoplastia, com base na descoberta de 1936 da Bateria de Bagdá, que se assemelha a uma célula galvânica, embora seja incerto se o artefato era de natureza elétrica.
A potência elétrica é a taxa na qual a energia elétrica é transferida por um circuito elétrico. A unidade de potência no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o watt, que equivale a um joule por segundo. A potência elétrica, assim como a potência mecânica, é a taxa de realização de trabalho, medida em watts e representada pela letra P. O termo "potência em watts" é usado coloquialmente para se referir à potência elétrica em watts. A potência elétrica em watts produzida por uma corrente elétrica I, que consiste em uma carga de Q coulombs a cada t segundos, passando por uma diferença de potencial elétrico (tensão) de V, é dada por: A energia elétrica é geralmente fornecida a empresas e residências pela indústria de energia elétrica. A eletricidade é normalmente vendida por quilowatt-hora (3.6 MJ), que é o produto da potência em quilowatts multiplicada pelo tempo de funcionamento em horas. As concessionárias de energia elétrica medem o consumo de energia usando medidores de energia elétrica, que registram o total de energia elétrica fornecida a um cliente. Ao contrário dos combustíveis fósseis, a eletricidade é uma forma de energia de baixa entropia e pode ser convertida em movimento ou em muitas outras formas de energia com alta eficiência.
Carga elétrica
Por convenção moderna, a carga transportada pelos elétrons é definida como negativa, e a dos prótons como positiva. Antes da descoberta dessas partículas, Benjamin Franklin definiu uma carga positiva como sendo a carga adquirida por uma vareta de vidro quando esfregada com um pano de seda. Um próton, por definição, carrega uma carga de exatamente 1,602176634×10−19 coulombs. Esse valor também é definido como a carga elementar. Nenhum objeto pode ter uma carga menor do que a carga elementar, e qualquer quantidade de carga que um objeto possa carregar é um múltiplo da carga elementar. Um elétron possui uma carga negativa igual, ou seja, −1,602176634×10−19 coulombs. A carga é possuída não apenas pela matéria, mas também pela antimatéria, sendo que cada antipartícula possui uma carga igual e oposta à de sua partícula correspondente.
Corrente elétrica
O movimento de carga elétrica é conhecido como corrente elétrica, cuja intensidade é geralmente medida em amperes. A corrente pode consistir em quaisquer partículas carregadas em movimento; na maioria das vezes, são elétrons, mas qualquer carga em movimento constitui uma corrente. A corrente elétrica pode fluir através de alguns materiais, os condutores elétricos, mas não fluirá através de um isolante elétrico. Por convenção histórica, uma corrente positiva é definida como tendo a mesma direção de fluxo que qualquer carga positiva que ela contenha, ou seja, fluindo da parte mais positiva de um circuito para a parte mais negativa. A corrente definida dessa maneira é chamada de corrente convencional. O movimento de elétrons carregados negativamente em torno de um circuito elétrico, uma das formas mais comuns de corrente, é, portanto, considerado positivo na direção oposta à do movimento dos elétrons. No entanto, dependendo das condições, uma corrente elétrica pode consistir em um fluxo de partículas carregadas em qualquer direção ou mesmo em ambas as direções simultaneamente. A convenção de positivo para negativo é amplamente utilizada para simplificar essa situação.
Campo elétrico
O conceito de campo elétrico foi introduzido por Michael Faraday. Um campo elétrico é criado por um corpo carregado no espaço que o circunda e resulta em uma força exercida sobre quaisquer outras cargas colocadas dentro desse campo. O campo elétrico atua entre duas cargas de maneira semelhante à forma como o campo gravitacional atua entre duas massas e, assim como este, estende-se até o infinito e apresenta uma relação inversamente proporcional ao quadrado da distância. No entanto, existe uma diferença importante. A gravidade sempre atua como força de atração, aproximando duas massas, enquanto o campo elétrico pode resultar em atração ou repulsão. Como corpos grandes, como planetas, geralmente não possuem carga líquida, o campo elétrico a uma certa distância geralmente é zero. Assim, a gravidade é a força dominante a grandes distâncias no universo, apesar de ser muito mais fraca.
Potencial elétrico
O conceito de potencial elétrico está intimamente ligado ao do campo elétrico. Uma pequena carga colocada dentro de um campo elétrico experimenta uma força, e para trazer essa carga até aquele ponto contra a força é necessário realizar trabalho. O potencial elétrico em qualquer ponto é definido como a energia necessária para trazer uma carga de teste unitária de uma distância infinita lentamente até aquele ponto. Geralmente é medido em volts, e um volt é o potencial para o qual um joule de trabalho deve ser gasto para trazer uma carga de um coulomb do infinito.:494–98 Essa definição de potencial, embora formal, tem pouca aplicação prática, e um conceito mais útil é o de diferença de potencial elétrico, que é a energia necessária para mover uma carga unitária entre dois pontos especificados. O campo elétrico é conservativo, o que significa que o caminho percorrido pela carga de teste é irrelevante: todos os caminhos entre dois pontos especificados exigem a mesma energia, e, portanto, um valor único para a diferença de potencial pode ser estabelecido.:494–98 O volt é tão fortemente identificado como a unidade de escolha para a medição e descrição da diferença de potencial elétrico que o termo tensão elétrica (ou voltagem) é mais utilizado no dia a dia.
Eletroímãs
A descoberta de Hans Christian Ørsted em 1821 de que existia um campo magnético ao redor de um fio condutor de corrente elétrica indicava que havia uma relação direta entre eletricidade e magnetismo. Além disso, a interação parecia diferente das forças gravitacionais e eletrostáticas, as duas forças da natureza então conhecidas. A força sobre a agulha da bússola não a direcionava para perto ou para longe do fio condutor de corrente, mas agia perpendicularmente a ele.: As palavras de Ørsted foram que "o conflito elétrico age de maneira rotacional". A força também dependia da direção da corrente, pois se o fluxo fosse invertido, a força também se invertia.
Circuitos elétricos
Um circuito elétrico é uma interconexão de componentes elétricos de tal forma que a carga elétrica flua ao longo de um caminho fechado (um circuito), geralmente para realizar alguma tarefa útil. Os componentes de um circuito elétrico podem assumir diversas formas, incluindo elementos como resistores, capacitores, interruptores, transformadores e componentes eletrônicos. Os circuitos eletrônicos contêm componentes ativos, geralmente semicondutores, e tipicamente exibem comportamento não linear, exigindo análises complexas. Os componentes elétricos mais simples são aqueles denominados passivos e lineares: embora possam armazenar energia temporariamente, não contêm fontes de energia e exibem respostas lineares aos estímulos.:15–16
Geração e transmissão
No século VI a.C., o filósofo grego Tales de Mileto realizou experimentos com bastões de âmbar: esses foram os primeiros estudos sobre a produção de eletricidade. Embora esse método, hoje conhecido como efeito triboelétrico, possa levantar objetos leves e gerar faíscas, é extremamente ineficiente. Somente com a invenção da pilha voltaica no século XVIII é que uma fonte viável de eletricidade se tornou disponível. A pilha voltaica, e sua descendente moderna, a bateria elétrica, armazenam energia quimicamente e a disponibilizam sob demanda na forma de eletricidade. A energia elétrica é geralmente gerada por geradores eletromecânicos. Estes podem ser acionados pela pressão do vapor de água produzido pela combustão de combustíveis fósseis em motores de combustão externa (a vapor) ou pelo calor liberado por reações nucleares, mas também, de forma mais direta, pela energia cinética do vento ou da água em movimento. A turbina a vapor inventada por Charles Algernon Parsons em 1884 ainda é utilizada para converter a energia térmica do vapor em movimento rotativo, que pode ser aproveitado por geradores eletromecânicos. Esses geradores não se assemelham ao gerador de disco homopolar de Faraday, de 1831, mas ainda se baseiam em seu princípio eletromagnético de que um condutor que atravessa um campo magnético variável induz uma diferença de potencial em suas extremidades. A eletricidade gerada por painéis solares utiliza um mecanismo diferente: a radiação solar é convertida diretamente em eletricidade por meio do efeito fotovoltaico.
Transmissão e armazenamento
A invenção do transformador no final do século XIX significou que a energia elétrica poderia ser transmitida de forma mais eficiente em uma tensão mais alta, porém com uma corrente mais baixa. A transmissão eficiente de eletricidade, por sua vez, permitiu que a eletricidade fosse gerada em centrais elétricas centralizadas, onde se beneficiava de economias de escala, e depois distribuída a distâncias relativamente longas para onde fosse necessária. Normalmente, a demanda por eletricidade deve corresponder à oferta, visto que o armazenamento de eletricidade é difícil. Uma certa quantidade de geração deve ser sempre mantida em reserva para proteger a rede elétrica contra perturbações e perdas inevitáveis. Com o aumento dos níveis de energia renovável variável (energia eólica e solar) na rede, tornou-se mais desafiador equilibrar a oferta e a demanda. O armazenamento desempenha um papel cada vez mais importante para preencher essa lacuna. Existem quatro tipos de tecnologias de armazenamento de energia, cada uma em diferentes estágios de desenvolvimento tecnológico: baterias (armazenamento eletroquímico), armazenamento químico, como o hidrogênio, armazenamento térmico ou mecânico (como a energia hidrelétrica bombeada).
Aplicações
A eletricidade é uma forma muito conveniente de transferir energia e tem sido adaptada a um número enorme e crescente de usos. A invenção da lâmpada incandescente prática na década de 1870 fez com que a iluminação se tornasse uma das primeiras aplicações de energia elétrica disponíveis ao público. Embora a eletrificação tenha trazido consigo seus próprios perigos, a substituição das chamas expostas da iluminação a gás reduziu consideravelmente os riscos de incêndio em residências e fábricas. Empresas de serviços públicos foram criadas em muitas cidades para atender ao crescente mercado de iluminação elétrica. No final do século XX e nos tempos modernos, a tendência começou a se direcionar para a desregulamentação no setor de energia elétrica.
Efeitos fisiológicos
Uma tensão aplicada ao corpo humano causa uma corrente elétrica através dos tecidos e, embora a relação não seja linear, quanto maior a tensão, maior a corrente. O limiar de percepção varia com a frequência da corrente e com o caminho percorrido por ela, mas é de cerca de 0.1 mA a 1 mA para eletricidade de frequência da rede elétrica, embora uma corrente tão baixa quanto um microampere possa ser detectada como um efeito de eletrovibração em certas condições. Se a corrente for suficientemente alta, causará contração muscular, fibrilação cardíaca e queimaduras nos tecidos. A falta de qualquer sinal visível de que um condutor esteja eletrificado torna a eletricidade um perigo particular. A dor causada por um choque elétrico pode ser intensa, levando a eletricidade a ser, por vezes, empregada como método de tortura. A morte causada por um choque elétrico, eletrocussão, ainda é usada para pena de morte em alguns estados dos Estados Unidos, embora seu uso tenha se tornado muito raro no final do século XX.
Fenômenos elétricos na natureza
A eletricidade não é uma invenção humana e pode ser observada em diversas formas na natureza, notavelmente nos relâmpagos. Muitas interações familiares em nível macroscópico, como o toque, o atrito ou as ligações químicas, são devidas a interações entre campos elétricos em escala atômica. O campo magnético da Terra é resultado do dínamo natural de correntes circulantes no núcleo do planeta. Certos cristais, como o quartzo, ou mesmo o açúcar, geram uma diferença de potencial em suas faces quando pressionados. Esse fenômeno é conhecido como piezoeletricidade, do grego piezein (πιέζειν), que significa pressionar, e foi descoberto em 1880 por Pierre Curie e Jacques Curie. O efeito é recíproco: quando um material piezoelétrico é submetido a um campo elétrico, ele sofre uma pequena alteração em seu tamanho.
Diz-se que, na década de 1850, o político britânico William Ewart Gladstone perguntou ao cientista Michael Faraday por que a eletricidade era valiosa. Faraday respondeu: "Um dia, senhor, o senhor poderá cobrar impostos sobre ela." No entanto, de acordo com o site Snopes.com, "a anedota deve ser considerada apócrifa, pois não é mencionada em nenhum relato de Faraday ou de seus contemporâneos (cartas, jornais ou biografias) e só surgiu muito depois da morte de Faraday." Nos séculos XIX e início do XX, a eletricidade não fazia parte do cotidiano de muitas pessoas, mesmo no mundo ocidental industrializado. A cultura popular da época, consequentemente, frequentemente a retratava como uma força misteriosa e quase mágica, capaz de matar os vivos, reviver os mortos ou, de alguma forma, desafiar as leis da natureza.: Essa percepção começou com os experimentos de Luigi Galvani em 1771, nos quais as pernas de rãs mortas se contraíam com a aplicação de eletricidade animal. A "revitalização" ou ressuscitação de pessoas aparentemente mortas ou afogadas foi relatada na literatura médica logo após o trabalho de Galvani. Esses resultados eram conhecidos por Mary Shelley quando ela escreveu Frankenstein (1819), embora ela não mencione o método de revitalização do monstro. A revitalização de monstros com eletricidade tornou-se posteriormente um tema recorrente em filmes de terror.
