O interruptor desse abajur é mágico. Ou quase isso. Se eu apertar ele, algo dramático vai acontecer.
Isso é impressionante, não é? Tudo bem, pode não parecer impressionante no primeiro momento, mas a capacidade de criar luz com o apertar de um botão é incrível. Até uns 200 anos atrás, algo assim era inacreditável, basicamente mágico.
E pensando assim, a eletricidade é o mais próximo que nós temos de magia. É possível enviar informações invisíveis pelo ar com ondas de rádio. É possível transmitir energia por distâncias da escala do planeta Terra.
E é possível mudar a composição química da matéria usando a eletricidade. E todos esses efeitos mágicos começam aqui. Com o apertar de um interruptor.
Quando eu apertar esse interruptor de novo, eu vou conectar a lâmpada a um fluxo de partículas que tem carga elétrica, chamada elétrons. E esses elétrons vão começar a se mover através de um fio de cobre que conecta o interruptor até a lâmpada. E assim que eu apertar o interruptor de novo, a lâmpada acende imediatamente.
E eu não sei se vocês já se perguntaram o que eu vou perguntar agora, mas a resposta é bem mais interessante do que parece. Quando eu aperto o interruptor, em quanto tempo os elétrons chegam na lâmpada? Parece instantâneo, mas essa resposta seria a resposta errada.
Primeiro, o movimento dos elétrons no fio é muito lento, de aproximadamente 1 metro a cada 12 horas. Segundo, a corrente que alimenta a lâmpada é o que nós chamamos de corrente alternada. Então, o que isso significa?
Que os elétrons da corrente alternada não se movem em uma única direção. Eles vão para frente, e aí eles vão para trás, e aí eles vão para frente, e de volta para trás, em um vai e vem repetido. Ou seja, os elétrons que estão agora nesse interruptor nunca vão nem chegar na lâmpada.
E mesmo assim, a lâmpada acendeu muito rápido. Mais rápido do que dá para notar. Como?
Se você assistir esse vídeo até o final, você vai entender os fundamentos da eletricidade e vai conseguir responder as seguintes perguntas. O quão rápido as cargas elétricas se movem em um fio? O quão rápido a eletricidade se move em um fio?
E como as cargas elétricas se movem na corrente alternada? E como que tudo isso acende uma lâmpada? Então é melhor a gente começar do começo.
Durante décadas de experimentos, no fim do século XVIII e começo do século XIX, a humanidade descobriu como a força elétrica funcionava. A força elétrica é a força entre objetos que têm cargas elétricas. E existem dois tipos de cargas elétricas, chamadas de carga negativa e carga positiva.
Cargas opostas se atraem. No caso, positivo atrai negativo e negativo atrai positivo. E cargas iguais se repelem.
Positivo repele positivo e negativo repele negativo. No começo do século XX, nós entendemos que a matéria como conhecemos é formada de átomos, e que os átomos são formados de pedaços menores ligados pela força elétrica. Um átomo é um núcleo de carga elétrica positiva, com elétrons de carga elétrica negativo orbitando o núcleo, e tudo isso se mantém unido pela força elétrica.
Se o elétron recebe energia, ele pode se separar do átomo e se transformar em uma carga elétrica livre. Um elétron livre. Todo tipo de carga elétrica pode gerar correntes elétricas, mas o caso mais comum e de maior interesse é o caso em que elétrons livres formam a corrente elétrica através de condutores.
Condutores são definidos como materiais que permitem a passagem de cargas em movimento com facilidade. E eles são o oposto de resistores, que são materiais que resistem à passagem de cargas em movimento. O material que compõe o resistor muitas vezes esquenta quando uma corrente elétrica passa por ele.
E esse calor é gerado justamente pela resistência à passagem de correntes elétricas. Já os condutores, por definição, têm pouca resistência elétrica e para todos os efeitos práticos permitem que elétrons se movam livremente. Ou pelo menos quase isso, mas logo a gente vai entrar nos detalhes.
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Continuando. A corrente elétrica que está acendendo a minha lâmpada é o resultado do movimento dos elétrons através de um fio condutor de córporeo. E agora que nós sabemos do que eletricidade é feita, nós podemos aprender a criar eletricidade, que significa aprender a mover os elétrons.
E uma das formas de fazer isso é usando a força elétrica. Cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem. Se o nosso objetivo é mover elétrons através de um fio, nós podemos simplesmente colocar um monte de cargas negativas em uma das pontas do fio e um monte de cargas positivas do outro lado.
Os elétrons vão ser repelidos pelas cargas negativas e atraídos pelas positivas. Então eles vão se mover da ponta negativa em direção à ponta positiva. Essa é basicamente a lógica de como a bateria funciona.
Um dos lados da bateria está cheio de cargas negativas e o outro de cargas positivas. E aí quando você conecta as pontas com um fio, uma corrente elétrica surge. E aqui uma nota de cuidado.
A corrente elétrica, por definição, se move do lado positivo para o lado negativo, enquanto os elétrons se movem da carga negativa para a positiva. Então sim, a corrente elétrica se move de forma contrária aos elétrons. E sim, isso é bem chato de levar em conta.
A razão disso é porque, historicamente, nós primeiro aprendemos como a eletricidade funciona. E só um século depois, nós descobrimos que são cargas negativas que compõem a eletricidade. A descrição de elétrons fugindo de cargas negativas em direção a cargas positivas não é a forma mais completa de descrever como e por que elétrons se movem.
A presença de cargas negativas e positivas cria uma coisa chamada campo elétrico. O campo elétrico é o que, de fato, comunica a força elétrica das cargas. É a interação entre esse campo e uma partícula carregada que gera o movimento, que gera uma corrente elétrica.
Cargas elétricas geram campos elétricos naturalmente, mas cargas elétricas não são a forma mais conveniente de gerar eletricidade. A forma mais conveniente de gerar campos elétricos e eletricidade, por consequência, é usando imãs. Os imãs têm campos magnéticos.
Campos magnéticos e elétricos são expressões diferentes do mesmo fenômeno físico do eletromagnetismo. Por isso, é possível transformar campos magnéticos em campos elétricos usando o movimento. Quando um campo magnético se move, ele induz um campo elétrico.
E quando um ímã se move, o seu campo magnético se move junto e induz um campo elétrico, que pode mover elétrons e produzir eletricidade. É usando esse princípio que a eletricidade é produzida em usinas de energia elétrica de todos os tipos. Salvo a energia solar, que é diferente, né?
No caso de usinas hidrelétricas, como a usina de Itaipu, a água caindo de uma elevação gira turbinas com um ímã cercado de fios condutores. O giro da turbina faz um ímã girar, que gera um campo elétrico intenso. Isso inicia uma corrente elétrica nos fios condutores ao redor do ímã.
O movimento da água caindo é transformado em movimento de um ímã, que gera um campo elétrico, que então gera a corrente elétrica. E é essa corrente elétrica que pode transmitir a energia da água caindo em Itaipu por quase o Brasil inteiro de forma eficiente. Perfeito!
Então, agora nós temos todos os ingredientes para responder às três perguntas do começo do vídeo. A primeira, qual é a velocidade dos elétrons dentro de um fio com uma corrente elétrica? Para isso, vamos pensar no mundo microscópico dentro de um fio condutor.
O fio está de alguma forma conectado a uma fonte de energia elétrica, que pode ser cargas ou imãs em movimento, que geram um campo elétrico. Condutores são excelentes em transportar campos elétricos, da mesma forma que eles transportam cargas. Então, o campo elétrico permeia todo condutor.
O condutor está cheio de elétrons livres e o campo elétrico começa a mover esses elétrons. A velocidade média desses elétrons devido ao campo elétrico é chamada de velocidade de arraste, ou velocidade de deriva. A velocidade de arraste depende tanto da intensidade do campo elétrico quanto das propriedades do material condutor.
O caminho através do fio não é uma reta perfeita. O fio é cheio de átomos, e os átomos são formados por partículas de carga positiva e negativa. Esses átomos no caminho limitam o quão rápido um elétron pode se mover mesmo em um condutor.
Um condutor simplesmente permite que elétrons se movam com facilidade, mas ainda existe uma velocidade limite para esse movimento. Em um condutor usual, a velocidade de arraste dos elétrons é de 1 metro para cada 12 horas. Ou seja, demoraria 2 dias para um elétron sair de um interruptor e alcançar uma lâmpada a apenas 4 metros de distância.
E com isso nós respondemos à primeira pergunta, que era qual é a velocidade de elétrons dentro de um fio condutor. Mas não vá embora ainda, porque nós acabamos de começar. Quando eu aperto o interruptor, a lâmpada acende ou apaga imediatamente.
Mas eu acabei de falar que a velocidade dos elétrons dentro de um fio é extremamente baixa. Se os elétrons se movem tão devagar dentro de um fio, então deveria demorar dias para a lâmpada acender. Então, como é que o interruptor consegue acender uma lâmpada na hora?
Na hora. A resposta é que a velocidade dos elétrons no fio não é a velocidade da eletricidade. E mais, a eletricidade não é só os elétrons no fio.
A eletricidade é a combinação dos elétrons no fio mais o campo elétrico que move os elétrons. Inclusive, o fio está sempre cheio de elétrons em todas as partes, inclusive perto da lâmpada que você quer acender. O que faz a lâmpada acender é que ao apertar o interruptor você permite que o campo elétrico alcance os elétrons próximos à lâmpada e mova eles, e isso acende a lâmpada.
O que liga a lâmpada não são os elétrons que passam pelo interruptor, e sim o campo elétrico que agora atravessa todo o circuito que conecta a lâmpada, o interruptor e a fonte dessa energia. Uma boa maneira de visualizar isso é pensar em uma mangueira conectada a uma torneira. Se a mangueira está vazia e você liga a torneira, a água tem que sair da torneira, percorrer toda a mangueira e então sair do outro lado.
E isso demora. Mas se a mangueira já estiver cheia de água, quando você liga a torneira, a água saindo dela empurra a água que está logo na frente, que então passa esse empurrão para frente sucessivamente até chegar na água que já estava perto da saída da mangueira. E como resultado, você tem a impressão de que dessa vez a água saiu da mangueira quase que instantaneamente.
Esse segundo caso é o caso mais próximo de como fios elétricos funcionam. O fio sempre está preenchido de elétrons, e o campo elétrico empurra esses elétrons para frente. E com qual velocidade esse campo elétrico se espalha?
Com a velocidade da luz. Ou seja, a velocidade da eletricidade é a velocidade da luz. Segunda pergunta respondida.
Mas calma que ainda falta uma dúvida que eu tenho certeza que vai tirar o sono de muita gente. Agora nós entendemos o porquê de as lâmpadas acenderem e apagarem instantaneamente, mesmo com elétrons se movendo bem devagar dentro de um fio. Só tem mais um problema.
A corrente do fio da lâmpada é corrente alternada. Os elétrons são empurrados e puxados. Isso significa que, na média, os elétrons não saem do lugar.
Então, como que esse vai e vem da corrente alternada consegue produzir energia? Uma lâmpada é um resistor elétrico e não um condutor. Sempre que um elétron tenta cruzar um resistor, ele sofre uma resistência extrema, então ele perde a sua energia.
E essa energia geralmente é liberada na forma de calor, e normalmente o elétron pararia de se mover. Mas em um circuito elétrico, o elétron é forçado a continuar se movendo pelo campo elétrico. Então, o campo elétrico empurra o elétron para frente e o resistor rouba essa energia, dando calor para a lâmpada.
Quando o elétron é puxado de volta pelo campo elétrico alternado, ele novamente acelera, ganha energia do campo, mas novamente tem a sua energia roubada pelo resistor. E então o ciclo se repete. O movimento de vai e vem dos elétrons é tipo tentar fazer fogo girando um palito sobre galhos secos.
A verdade é que não importa se, na média, os elétrons vão saindo do lugar, porque a cada momento existe atrito roubando a energia do movimento e transformando-a em calor. E isso é verdade tanto no caso de uma fogueira, enquanto nós tentamos fazer fogo com palitos, quanto no caso de uma lâmpada aquecendo um filamento de tungstênio a milhares de graus para fazê-la brilhar. De certa forma, lâmpadas são fogueiras modernas em que, ao invés de girar palitos com a mão, usinas elétricas giram elétrons.
O que importa para transmitir energia como eletricidade é que exista algo no circuito elétrico tentando impedir o movimento do elétron. E isso vai gerar um gasto de energia, energia que pode ser utilizada de todas as formas. Inclusive, a analogia da fogueira é bem mais precisa do que parece.
O fogo é uma reação química, e reações químicas são determinadas pela troca e movimento de elétrons. Eletricidade é como a versão máxima do controle do fogo, e que nós abrimos mão de tudo, menos do movimento dos elétrons, que é onde a energia de verdade está. Eu espero que todos vocês tenham ficado fascinados, porque eu fiquei.
E se possível, deixem um gostei nesse vídeo e um comentário para ajudar o canal a crescer. Muito obrigado e até a próxima!
