Cargas elétricas em movimento

A movimentação das cargas elétricas é o fenômeno por trás do funcionamento dos aparelhos eletroeletrônicos. Quando uma carga elétrica, de carga positiva ou negativa, move-se em razão da influência de um campo elétrico externo, dizemos que se forma uma corrente elétrica.

Veja também: O que é campo elétrico?

Tópicos deste artigo

• 1 - O que é corrente elétrica?
• 2 - Qual a diferença entre carga elétrica e corrente elétrica?
• 3 - Movimento das partículas elétricas dentro dos fios
• 4 - Efeito Joule
• 5 - Cargas elétricas em condutores, isolantes e semicondutores
  • → Condutores
  • → Isolantes
  • → Semicondutores
• 6 - Movimento de cargas em líquidos
• 7 - Sentido da corrente elétrica

O que é corrente elétrica?

A corrente elétrica é uma das grandezas fundamentais da Física, e sua unidade, de acordo com o Sistema Internacional, é o Ampére (A). Uma corrente elétrica de 1 Ampére implica que, durante 1 segundo, passou 1 Coulomb de cargas elétricas através de uma secção transversal feita em algum lugar do espaço. Observe a figura a seguir:

Secção transversal de um fio condutor sendo atravessada por diversos elétrons.

Enquanto houver algum número de cargas elétricas atravessando a secção transversal mostrada acima haverá corrente elétrica no material.

A definição de corrente elétrica é bastante simples. Observe:

A corrente elétrica pode ser calculada como a razão do módulo de carga que atravessa essa secção a cada segundo:

i – corrente elétrica
ΔQ – quantidade de carga elétrica
Δt – intervalo de tempo

Qual a diferença entre carga elétrica e corrente elétrica?

Corrente elétrica é a movimentação das cargas elétricas em alguma direção preferencial do condutor. Carga elétrica, por sua vez, é uma propriedade intrínseca da matéria. Grande parte das partículas existentes, como os prótons e os elétrons, apresenta carga elétrica e, por isso, pode ser atraída ou repelida por outras cargas elétricas.

A quantidade de cargas elétricas presentes em um corpo pode ser calculada por meio da fórmula a seguir:

Q – módulo da carga elétrica
n – número de portadores de carga
e – carga fundamental (1,6.10^-19 C)

Prótons e elétrons são os portadores de carga mais comuns, apesar de serem partículas de diferentes massas e cargas elétricas de sinal oposto. A quantidade de carga presente nessas partículas é igual e recebe o nome de carga fundamental, cujo módulo é de aproximadamente 1,6.10^-19 C.

Movimento das partículas elétricas dentro dos fios

Quando conectamos dois pontos de um fio condutor a uma diferença de potencial, ligando-o a uma bateria (gerador) ou a uma tomada, por exemplo, forma-se um campo elétrico no interior dos fios, responsável pelo surgimento de uma força elétrica que arrasta os elétrons em direção ao terminal positivo ou negativo.

O campo elétrico é formado no condutor na velocidade da luz, ou seja, a “ordem” de movimentação dos elétrons é praticamente imediata, de forma que todas essas partículas sentem a ação da força elétrica arrastando-as. Entretanto, o movimento dessas cargas é bastante lento, em razão das diversas interações mútuas entre elétrons e também das frequentes colisões entre os elétrons e os átomos que formam a rede cristalina dos metais, o que acarreta uma grande perda de velocidade. Essa velocidade em que os elétrons são conduzidos em um material, ou seja, a velocidade da corrente elétrica, é chamada de velocidade de arraste, e seu módulo é da ordem de centímetros por minuto.

Esquema mostrando a corrente elétrica no interior de um fio condutor

Efeito Joule

Quando os elétrons colidem com os átomos do material em que se deslocam, transferem parte de sua energia cinética, promovendo a vibração da rede cristalina desse meio. Essa vibração acarreta o aumento de temperatura do material, configurando o chamado Efeito Joule.

O efeito Joule é a base do funcionamento da lâmpada incandescente: a transferência de energia dos elétrons para os átomos causa um grande aquecimento do fio.

Cargas elétricas em condutores, isolantes e semicondutores

→ Condutores

Todos os materiais condutores, como grande parte dos metais, apresentam um grande número de portadores de carga livres, ou seja, fracamente ligados aos núcleos atômicos do material. Esses portadores de carga são os elétrons, partículas muito leves e de carga elétrica negativa.

Em temperatura ambiente (25 ºC), por exemplo, os elétrons livres dos condutores não se encontram parados, mas também não estão sendo conduzidos entre um ponto e outro do material. Nesse caso, a própria agitação térmica do material é transmitida aos elétrons, fazendo com que essas partículas movam-se de forma caótica, em diferentes velocidades e sentidos, de forma que o deslocamento total dos elétrons é aproximadamente nulo. Quando isso ocorre, dizemos que o condutor encontra-se em equilíbrio eletrostático.

→ Isolantes

Materiais dotados de grande resistência elétrica, chamados de isolantes, naturalmente possuem poucos ou nenhum portador de carga elétrica que seja livre e que possa ser arrastado pela ação do campo elétrico. Nesses materiais, é necessário aplicar grandes campos elétricos até que ocorra a sua ionização. Esse processo explica a formação dos raios e é chamado de ruptura da rigidez dielétrica. No caso dos raios, o ar atmosférico, que é um meio isolante, admite a movimentação de cargas elétricas mediante a formação de um grande campo elétrico com as nuvens eletrizadas ou entre as nuvens e o solo.

Leia também: Cinco curiosidades sobre os raios que te deixarão de cabelo em pé

Grandes campos elétricos podem ionizar o ar, promovendo a condução de elétrons.

→ Semicondutores

Em materiais semicondutores, por sua vez, os portadores de carga encontram-se parcialmente ligados com seus núcleos atômicos em razão de uma fraca interação elétrica. É possível torná-los portadores de carga livres ao fornecer alguma forma de energia a essas partículas: aquecimento do material (materiais termoelétricos), interação mecânica (materiais piezoelétricos), iluminação (materiais fotoelétricos) etc.

No vácuo ou em materiais que não apresentem qualquer resistência elétrica, os portadores de carga elétrica podem mover-se sem quaisquer dificuldades. Nesses meios, ao sentirem a ação de um campo elétrico, os portadores de carga podem mover-se com grandes velocidades na direção da força elétrica que age sobre eles.

Movimento de cargas em líquidos

Quando colocamos alguma solução ligada a uma diferença de potencial, um campo elétrico é formado nesse líquido, e os próprios íons dissolvidos nessa solução deslocam-se para os polos que apresentam uma carga contrária a sua. Nesse caso, dizemos que uma corrente iônica é formada.

Sentido da corrente elétrica

Quando estudamos a movimentação das cargas elétricas em circuitos elétricos, é comum ouvirmos que a corrente elétrica pode ter dois sentidos: o sentido real e o sentido convencional. Essa convenção surgiu porque os portadores de carga nos condutores possuem carga negativa. Entenda: no sentido real, ao ligarmos um fio a uma diferença de potencial, os elétrons movem-se em direção ao polo positivo. Esse sentido de corrente é chamado de sentido real.

O sentido convencional da corrente, por sua vez, admite que os portadores de carga dos condutores tenham carga elétrica positiva, de forma que, ao ligarmos um fio a uma diferença de potencial, esses elétrons movem-se em direção ao potencial negativo. Para saber mais, leia: Sentido da corrente elétrica.

Por Me. Rafael Helerbrock