Angelo Luis Ferreira | 12/04/2025 Acessos: 207

5. Fundamentos da Eletrodinâmica

5.1. O que é Eletrodinâmica?

A Eletrodinâmica é a área da Física que estuda o comportamento das cargas elétricas em movimento, ou seja, a corrente elétrica. Diferente da Eletrostática, que trata das cargas em repouso, a Eletrodinâmica analisa como as cargas se deslocam através de materiais condutores e como interagem com diferentes componentes elétricos.

5.1.1. Principais Conceitos da Eletrodinâmica

• Corrente Elétrica – Fluxo ordenado de cargas elétricas através de um condutor, medido em ampères (A).
• Tensão Elétrica (Diferença de Potencial - DDP) – Energia por unidade de carga que impulsiona os elétrons em um circuito, medida em volts (V).
• Resistência Elétrica – Oposição à passagem da corrente elétrica em um material, medida em ohms (Ω).
• Lei de Ohm – Relação entre tensão, corrente e resistência.
• Efeito Joule – Conversão da energia elétrica em calor devido à resistência de um material.
• Circuitos Elétricos – Configuração de elementos elétricos conectados para permitir a passagem de corrente.

5.2. Corrente Elétrica

A corrente elétrica é o fluxo ordenado de cargas elétricas (geralmente elétrons) através de um material condutor. Em termos simples, é o movimento de cargas que ocorre devido à aplicação de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre dois pontos de um circuito. A corrente elétrica é medida em ampères (A) e representa a quantidade de carga elétrica que passa por um ponto do condutor a cada segundo.

5.2.1. Como ocorre o fluxo de corrente elétrica?

O fluxo de corrente elétrica acontece devido ao movimento dos elétrons dentro de um material condutor, como um fio de cobre. Esse movimento é impulsionado por uma diferença de potencial elétrico (DDP), também chamada de tensão elétrica (V), fornecida por uma fonte de energia, como uma bateria, uma pilha ou uma tomada elétrica. Por exemplo, em uma pilha, o polo positivo tem maior potencial elétrico que o polo negativo. Essa diferença de potencial é o que "empurra" as cargas, gerando uma corrente elétrica em circuitos.

Por exemplo, em uma pilha, o polo positivo possui um potencial elétrico maior do que o polo negativo. Essa diferença de potencial cria um campo elétrico interno no condutor, que exerce força sobre os elétrons livres (portadores de carga), fazendo com que eles se desloquem em sentido contrário ao campo elétrico. Esse movimento organizado das cargas caracteriza a corrente elétrica em um circuito fechado.

Observações:

🔹 Movimento Natural dos Elétrons (Sem Campo Elétrico): Nos materiais condutores, como os metais, existem elétrons livres que se movimentam de forma aleatória, devido à energia térmica do material. Esse movimento é caótico e não gera corrente elétrica, pois as direções dos elétrons se cancelam estatisticamente.

🔹 Influência da Diferença de Potencial (Criando um Campo Elétrico): Quando os terminais de uma fonte de tensão elétrica (como uma pilha) são conectados ao condutor metálico, o terminal positivo da fonte tem um potencial elétrico maior do que o terminal negativo. Isso significa que há uma diferença de potencial elétrico (DDP) entre as extremidades do condutor:

O que acontece no terminal negativo (-): A pilha fornece elétrons ao condutor no lado conectado ao seu terminal negativo, aumentando a densidade de elétrons nessa região. Esse excesso de elétrons cria um ambiente de potencial elétrico mais baixo.

O que acontece no terminal positivo (+): A pilha retira elétrons do condutor no lado conectado ao seu terminal positivo. Isso significa que menos elétrons estarão disponíveis naquela extremidade, criando uma deficiência de cargas negativas e um ambiente de potencial elétrico mais alto.

Essa separação de cargas gera um gradiente de potencial elétrico ao longo do condutor, criando um campo elétrico interno.

🔹 Presença de um Campo Elétrico: Como vimos, ao aplicar uma tensão elétrica a um condutor, forma-se um campo elétrico interno que exerce força sobre os elétrons livres, direcionando seu movimento. Como possuem carga negativa, os elétrons deslocam-se no sentido oposto ao do campo elétrico.

🔹 Deslocamento dos Elétrons: Em um condutor metálico, os elétrons livres movimentam-se de forma aleatória. No entanto, ao aplicar uma diferença de potencial (DDP), o campo elétrico gerado orienta esse movimento, estabelecendo um fluxo ordenado de cargas (movimento de arrasto das cargas elétricas), caracterizando a corrente elétrica. Como mostrado na imagem, os elétrons são repelidos pelo polo negativo e atraídos pelo polo positivo, deslocando-se no sentido anti-horário.

🔹 Fluxo Contínuo: Para que a corrente elétrica persista, é necessário um circuito fechado, permitindo a circulação contínua dos elétrons pela fonte de energia. Caso o circuito seja interrompido, o fluxo cessa, interrompendo a corrente elétrica.

5.2.1.1. O que devemos entender sobre movimento ordenados dos elétrons

Na realidade, ao aplicarmos uma diferença de potencial em um condutor metálico, gera-se um campo elétrico interno que exerce uma força elétrica sobre os elétrons livres. Esses elétrons, embora sejam acelerados pelo campo elétrico, não se movem de maneira perfeitamente ordenada. Em vez disso, continuam se movendo de forma caótica, colidindo constantemente com os átomos (íons) da rede cristalina do material. Essas colisões dissipam parte da energia cinética em calor e geram resistência elétrica, limitando sua aceleração contínua.

Os elétrons possuem carga negativa (-e), e a força elétrica (F) sobre uma carga é dada por:

Como q (carga do elétron) é negativa, a força tem direção oposta ao campo elétrico.

Observações:

• • O campo elétrico (E) gera uma força elétrica (F) sobre qualquer carga (q) colocada nele.
  • A força elétrica (F) depende da carga que está submetida ao campo elétrico (E).

Apesar desse movimento aleatório caótico, há uma tendência estatística de deslocamento contínuo dos elétrons na direção oposta ao campo elétrico, gerando um fluxo líquido de cargas. Essa combinação de movimento aleatório com um deslocamento preferencial é o que caracteriza a corrente elétrica macroscópica observada nos circuitos.

Conceito de velocidade de Deriva

Embora os elétrons estejam sempre colidindo, o efeito do campo elétrico faz com que, em média, eles se desloquem em uma direção predominante, ou seja direção oposta do campo elétrico. Esse deslocamento médio é chamado de velocidade de deriva (vd).

Apesar de a corrente elétrica parecer instantânea, os elétrons individuais dentro de um fio se movem muito lentamente devido às colisões com os átomos do material condutor. Esse movimento lento e ordenado em direção ao terminal positivo do circuito é chamado de velocidade de deriva.

A velocidade de deriva (vd) pode ser calculada pela seguinte equação:

Onde:

• vd = velocidade de deriva dos elétrons (m/s)

• I = intensidade de corrente elétrica (A)

• n = número de elétrons livres por unidade de volume do condutor (m³)

• A = área da seção transversal do fio (m²)

• e = carga do elétron (1,6 × 10⁻¹⁹ C)

5.2.1.1. Resumo

✅ A diferença de potencial imposta pela fonte induz uma redistribuição de cargas dentro do condutor.
✅ O excesso de elétrons se acumula no terminal negativo, enquanto há uma falta de elétrons no terminal positivo.
✅ Isso gera um campo elétrico interno, que aponta do terminal positivo para o negativo.
✅ Os elétrons livres se movem no sentido oposto ao campo elétrico, estabelecendo um fluxo ordenado (corrente elétrica real), de acordo com o conceito de velocidade de deriva.
✅ As colisões dos elétrons com os átomos do condutor criam resistência elétrica e dissipam energia na forma de calor.

5.2.2. Espécies de Condutores de Corrente Elétrica

Os condutores de corrente elétrica são materiais que permitem a passagem de cargas elétricas com baixa resistência. Eles desempenham um papel fundamental na eletrônica e na eletricidade, sendo usados para a transmissão e distribuição de energia elétrica, bem como em circuitos eletrônicos. A condutividade elétrica de um material depende da presença de elétrons livres ou íons móveis, que possibilitam o fluxo da corrente elétrica.

Os condutores podem ser classificados em diferentes categorias, dependendo da natureza da condução da corrente elétrica.

5.2.2.1. Condutores Metálicos

Os condutores metálicos são os mais comuns e utilizados devido à sua elevada condutividade elétrica. Neles, a corrente elétrica ocorre pelo movimento de elétrons livres dentro da estrutura metálica.

Os átomos dos condutores metálicos, especialmente o cobre, possuem elétrons na última camada eletrônica (camada de valência) que estão fracamente ligados ao núcleo. Isso permite que esses elétrons livres se movimentem facilmente pelo material, formando um mar de elétrons característico dos metais. Quando se aplica uma diferença de potencial elétrico (DDP), esses elétrons são impulsionados, gerando a corrente elétrica e permitindo a condução da eletricidade.

Principais Características:

• Possuem uma grande quantidade de elétrons livres.
• Baixa resistência elétrica.
• São altamente maleáveis e dúcteis, podendo ser moldados em fios e cabos.
• Exemplos: Cobre, alumínio, prata e ouro.

Principais Materiais e Suas Aplicações:

🔹 Destaque para o Cobre: É o material mais utilizado devido ao seu equilíbrio entre alta condutividade, custo acessível e resistência à corrosão.

5.2.2.2. Condutores Eletrolíticos

Nos condutores eletrolíticos, a condução ocorre por meio do movimento de íons em uma solução líquida chamada eletrólito. Esse tipo de condução é comum em processos eletroquímicos, como baterias e eletrólise.

Exemplo de Condutores Eletrolíticos:

• Soluções de sais dissolvidos em água (NaCl, CuSO₄).
• Ácidos e bases em solução aquosa (HCl, NaOH).
• Plasma sanguíneo – o corpo humano conduz eletricidade devido aos íons presentes no sangue.

Aplicações:

• Baterias – permitem a conversão de energia química em energia elétrica.
• Processos de galvanoplastia – revestimento de metais por eletrólise.
• Sensores químicos – detectam variações na concentração iônica de líquidos.

5.2.2.3. Condutores Gasosos (Plasma)

Nos condutores gasosos, a corrente elétrica ocorre pelo movimento de íons e elétrons livres em um gás ionizado. O gás pode ser ionizado por alta tensão ou radiação.

Características:

• Normalmente, os gases são isolantes, mas podem se tornar condutores quando ionizados.
• O fluxo de corrente elétrica depende da pressão e da temperatura do gás.
• Exemplo: Raios e descargas elétricas em gases.

Exemplos e Aplicações:

• Lâmpadas fluorescentes e de descarga (neon, vapor de sódio, xenônio).
• Tubo de raios catódicos (antigos monitores CRT).
• Descargas elétricas na atmosfera (raios e trovões).

🔹 Destaque: O plasma, considerado o quarto estado da matéria, é um excelente condutor elétrico e está presente em fenômenos naturais como auroras boreais e no interior das estrelas.

5.2.2.4. Supercondutores

Os supercondutores são materiais que, abaixo de uma temperatura crítica, apresentam resistência elétrica zero, permitindo o fluxo de corrente elétrica sem perdas.

Características:

• Apenas certos materiais apresentam essa propriedade.
• A temperatura de transição supercondutora varia entre os materiais.
• São fundamentais para tecnologia avançada.

Exemplos e Aplicações:

• Trens MagLev (levitação magnética).
• Ressonância magnética (RM).
• Computadores quânticos.
• Geração de campos magnéticos intensos.

🔹 Destaque: Atualmente, as pesquisas buscam supercondutores à temperatura ambiente, que revolucionariam a transmissão de energia elétrica.

Os condutores elétricos são fundamentais para o funcionamento da eletricidade e da eletrônica. Cada tipo tem suas características e aplicações específicas, desde fios de cobre até condutores eletrolíticos em baterias e gases ionizados em lâmpadas. O avanço tecnológico na supercondutividade pode levar a sistemas elétricos ainda mais eficientes no futuro.

5.2.3. Intensidade de Corrente Elétrica

A intensidade da corrente elétrica é uma grandeza física que mede a quantidade de carga elétrica que atravessa um condutor por unidade de tempo. Em outras palavras, indica o fluxo de elétrons que passa por um determinado ponto de um circuito elétrico em um intervalo de tempo.

A intensidade da corrente elétrica, representada pela letra I, é dada pela equação:

Onde:

• I = Intensidade da corrente elétrica (A, amperes);
• ΔQ= Quantidade de carga elétrica transportada (C, coulombs);
• Δt = Intervalo de tempo (s, segundos).

🔹 Isso significa que se 1 coulomb (6,24 x 10¹⁸ elétrons ) de carga passar por um condutor em 1 segundo, a corrente elétrica será de 1 ampère.

5.2.3.1. Unidade de Medida – O Ampère

A unidade de medida da corrente elétrica no Sistema Internacional (SI) é o ampère (A), nomeado em homenagem ao físico francês André-Marie Ampère. Ele define a quantidade de carga elétrica transportada por segundo em um condutor.

Para entender melhor:
🔹 1 A = 1 C/s, ou seja, 1 ampère corresponde ao transporte de 1 coulomb (6,24 x 10¹⁸ elétrons ) de carga elétrica por segundo.
🔹 Dispositivos como lâmpadas e motores têm valores específicos de corrente elétrica necessários para funcionar corretamente.

Exemplo Prático: Imagine que uma lâmpada conectada a uma bateria recebe uma corrente elétrica de 2 A. Isso significa que 2 coulombs de carga passam pelo fio a cada segundo. Se aumentarmos a tensão elétrica aplicada, mais elétrons serão acelerados, aumentando a corrente elétrica.

5.2.4. Sentido da Corrente Elétrica: Convencional x Real

A corrente elétrica pode ser analisada sob dois pontos de vista diferentes: corrente real (ou eletrônica) e corrente convencional. A diferença entre esses conceitos está relacionada à descoberta tardia dos elétrons e da estrutura do átomo.

5.2.4.1. Sentido Convencional da Corrente Elétrica

Antes do século XIX, os cientistas não conheciam a estrutura atômica nem a existência dos elétrons. Eles supunham que a eletricidade era transportada por cargas positivas, possivelmente os prótons. Dessa forma, convencionou-se que a corrente elétrica fluía do polo positivo para o negativo da fonte, seguindo a direção do campo elétrico. Esse conceito ficou conhecido como sentido convencional da corrente.

5.2.4.1. Sentido Real da Corrente Elétrica

Mais tarde, com a descoberta do elétron e da condução nos metais, ficou claro que, na maioria dos condutores metálicos, as cargas móveis são elétrons, que se deslocam na direção oposta à corrente convencional. No entanto, como a convenção já estava amplamente adotada em diagramas, cálculos e dispositivos, ela foi mantida até hoje.

Embora, fisicamente, o movimento real dos elétrons seja do polo negativo para o polo positivo, o sentido convencional da corrente continua sendo amplamente utilizado na eletrônica e na engenharia elétrica para manter a padronização histórica.

🔹 Para saber mais sobre corrente elétrica, assita o vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=EUPZhFuujHM

5.2.5. O que é mais rápido em uma corrente elétrica: o elétron ou o campo elétrico?

O campo elétrico é muito mais rápido do que o movimento dos elétrons individuais. Vamos entender por quê:

1. Velocidade do Campo Elétrico ⚡

   • Quando aplicamos uma diferença de potencial (tensão elétrica) em um condutor, um campo elétrico se forma quase instantaneamente ao longo de todo o material.

   • Esse campo elétrico se propaga próximo à velocidade da luz (cerca de 3×10⁸ m/s no vácuo e um pouco menor nos materiais condutores).

2. Velocidade de Deriva dos Elétrons 🌀

   • Os elétrons livres dentro do condutor não viajam em linha reta, mas sim colidem frequentemente com os átomos do material, seguindo um movimento caótico.

   • Apesar dessas colisões, há um deslocamento líquido chamado velocidade de deriva, que é muito baixa, geralmente na ordem de milímetros por segundo (10⁻⁴ m/s).

🔹 Conclusão:

• O campo elétrico se propaga quase instantaneamente, fazendo com que a corrente comece a circular imediatamente em todo o circuito.

• Os elétrons individuais, no entanto, se movem lentamente dentro do material condutor.

5.2.6. Tipos de Corrente Elétrica

A corrente elétrica pode ser classificada em diferentes tipos dependendo do seu comportamento ao longo do tempo e da forma como os elétrons se movem dentro do condutor. Vamos analisar detalhadamente os principais tipos de corrente elétrica e suas características.

5.2.6.1. Corrente Contínua (CC ou DC - Direct Current)

A corrente contínua (CC) é aquela cujo sentido de fluxo dos elétrons permanece constante ao longo do tempo. Nesse tipo de corrente, os elétrons se movem sempre na mesma direção, ou seja, de um terminal negativo para um terminal positivo.

Características da Corrente Contínua

✅ O fluxo de elétrons ocorre sempre no mesmo sentido.
✅ A tensão elétrica (diferença de potencial) aplicada também é constante ao longo do tempo.
✅ É fornecida por baterias, pilhas, painéis solares e fontes estabilizadas.
✅ Usada em circuitos eletrônicos, dispositivos portáteis, sistemas fotovoltaicos e automóveis.

Exemplo de Aplicação

🔹 Em um circuito eletrônico alimentado por uma bateria de 9V, a corrente elétrica flui sempre do terminal negativo para o terminal positivo da bateria, mantendo uma intensidade relativamente estável.

5.2.6.2. Corrente Alternada (CA ou AC - Alternating Current)

A corrente alternada (CA) é aquela cujo sentido de fluxo dos elétrons se inverte periodicamente. Em vez de seguir apenas uma direção, os elétrons oscilam para frente e para trás dentro do condutor.

Características da Corrente Alternada

✅ O fluxo de elétrons muda de direção periodicamente.
✅ A tensão elétrica também oscila, variando entre valores positivos e negativos.
✅ É a forma de corrente utilizada em redes elétricas residenciais e industriais.
✅ Fornecida por geradores elétricos, alternadores e usinas de energia.

Frequência da Corrente Alternada

A mudança de direção dos elétrons ocorre em uma frequência específica, medida em hertz (Hz). Por exemplo: 🔹 Na América e no Brasil, a rede elétrica opera a 60 Hz, o que significa que a corrente muda de direção 60 vezes por segundo.
🔹 Na Europa, a frequência padrão é 50 Hz.

Exemplo de Aplicação

🔹 A eletricidade fornecida por tomadas de parede é corrente alternada. Se ligarmos um ferro de passar roupa, a corrente elétrica oscila continuamente entre polos positivos e negativos, aquecendo a resistência do ferro.

5.2.6.3. Corrente Pulsante

A corrente pulsante é uma forma intermediária entre a corrente contínua e a corrente alternada. Embora o fluxo de elétrons permaneça na mesma direção (como na corrente contínua), sua intensidade varia ao longo do tempo.

Características da Corrente Pulsante

✅ O sentido da corrente é único, mas sua intensidade oscila.
✅ Pode ser produzida por retificadores, que transformam corrente alternada em corrente contínua imperfeita.
✅ Muito usada em fontes de alimentação e carregadores de bateria.

Exemplo de Aplicação

🔹 Quando um retificador de onda completa transforma corrente alternada em corrente contínua, a corrente gerada não é perfeitamente contínua, mas sim pulsante, necessitando de capacitores para suavizar as variações.

🔹 PWM (Pulse Width Modulation – Modulação por Largura de Pulso) - O PWM não é uma corrente constante como a corrente contínua tradicional. Ele consiste em pulsos rápidos de tensão alternando entre nível alto (ON) e nível baixo (OFF). Isso cria um efeito médio que pode simular diferentes níveis de tensão ou potência. Se olharmos para o PWM no osciloscópio, veremos uma onda quadrada, característica de um sinal pulsante e não contínuo.

5.2.6.4. Corrente Periódica

A corrente periódica é aquela cuja variação ao longo do tempo segue um padrão repetitivo e previsível, podendo ser alternada, pulsante ou outra forma de onda.

Características da Corrente Periódica

✅ Possui um comportamento cíclico e repetitivo.
✅ Pode assumir diferentes formas de onda (senoidal, quadrada, triangular).
✅ Muito utilizada em circuitos eletrônicos e sistemas de comunicação.

Tipos de Formas de Onda na Corrente Periódica

🔹 Corrente senoidal: Forma de onda suave e usada em redes elétricas.
🔹 Corrente quadrada: Comutação brusca entre dois níveis, usada em circuitos digitais.
🔹 Corrente triangular: Variação linear entre valores máximo e mínimo, usada em controle de motores.

Exemplo de Aplicação

🔹 Em circuitos eletrônicos, a corrente gerada por osciladores pode assumir uma forma quadrada para alimentar microprocessadores.