A Natureza da eletricidade

A origem da eletricidade é uma questão que particularmente nunca pensei, a energia sempre esteve lá ligando as lâmpadas da casa, TV e etc..

Mas quando estamos falando de componentes eletrónicos é muito importante entender como cada componente envolvido funciona e suas origens e pensei em iniciar pela energia elétrica, algo tão necessário atualmente.

É um saber comum para todos que toda matéria, seja ela qual for é composta por Átomos, gosto de pensar que Deus é o programador do universo e átomos é a linguagem de programação utilizada.

Uma breve introdução sobre átomos

Como dito acima, átomos é a base de toda a matéria, cada átomo é composto por partículas de elétrons, nêutrons e prótons, os prótons e nêutrons formam o núcleo do átomo e os elétrons giram em torno do núcleo, essa área em que o átomo gira é chamada de elétrosfera, esse termo foi dado a essa região por Rutherford.

Ilustração de um átomo

Imagem representativa da elétrosfera

Os prótons possuem carga positiva, nêutrons nula e elétrons carga negativa. Um átomo em seu estado fundamental é eletricamente neutro, pois o número de prótons é igual ao número de elétrons e as cargas que são opostas, positivas e negativas, se anulam. Isso acontece pois os corpos na natureza são eletricamente neutros pois o numero de protons e elétrons são iguais.

A região do átomo, chamada elétrosfera é composta por 7 camadas e cada camada é representado pelas letras K, L, M, N, O, P e Q respectivamente, sendo K a primeira camada, L a segunda e assim por diante, como representado na imagem:

Cada camada comporta um numero limitado de elétrons, sendo:

1º: 2 elétrons

2º: 8 elétrons

3º: 18 elétrons

4º: 32 elétrons

5º: 32 elétrons

6º: 18 elétrons

7º: 8 elétrons

Imagem representativa da elétrosfera e suas camadas em um átomo de alumínio

Cada elétron possui carga energética diferentes chamadas de níveis de energia. O nível de energia de um elétron é proporcional a sua distância do núcleo. Portanto, os níveis de energia de elétrons em camadas mais afastadas do núcleo são maiores do que os de elétrons em camadas mais próximas do núcleo, quanto mais longe do núcleo maior sua carga energética.

Os elétrons situados na camada mais externa, sendo a camada 7 (Q) são chamados de elétrons de valência. Por estarem longe dos prótons os elétrons na ultima camada possuem baixa atração para o núcleo do átomo. Se for aplicada ao átomo uma força suficiente, alguns elétrons abandonarão o átomo, pois existem átomos que são receptíveis ao recebimento de novos elétrons e outros propensos a perda de elétrons, como exemplo os átomos do óxido de zinco quando é aplicado luz sobre eles, liberam elétrons (esse é o mesmo principio pelo qual funciona a geração de energia solar). Estes elétrons são chamados de elétrons livres.

O movimento dos elétrons livres produz a corrente elétrons num condutor metálico, existem elementos na natureza que são condutores elétricos e outros não, como exemplo um fio de cobre é um condutor elétrico muito utilizado em instalações de pequeno e grande porte, já um tecido de roupa não é um bom condutor elétrico.

Digamos que o átomo do cobre é daquele tipo que tem uma facilidade muito grande em enviar e receber elétrons de/para outros átomo de cobre, sendo assim quando temos uma carga de elétrons em uma pilha e conectamos em cada polo da bateria um fio de cobre, os elétrons da pilha empurra cada elétron de cada átomo do fio de cobre para frente, e assim os elétrons vai pulando de átomo em átomo, até chegar ao final do circuito, formando a corrente elétrica, para se ter uma idéia quando ligamos a luz de casa demora cerca de 7 minutos para os elétrons que esta no interruptor chegar até a lâmpada, pois são bilhões, triliões de átomos.

É o mesmo principio que acontece na torneira da cozinha de nossas casas, a agua esta ali presa e quando abrimos a torneira, devido a pressão da agua nos canos e caixa d’água, a agua é empurrada.

Podemos dizer que a caixa d’água é a pilha e o cano o condutor de cobre no nosso exemplo anterior.

Abaixo você pode ver um exemplo do movimento dos elétrons em um condutor.

Movimento dos elétrons

Abaixo temos uma imagem exemplificando esse processo, cada bolinha azul é um elétron empurrando o outro, a faixa inferior de cor azul e cinza é uma bateria e todo esse processo faz acender a lâmpada, um ponto importante a se destacar é que a direção da corrente é definida pela diferença de potencial dos polos da bateria, ou seja, os elétrons, que possuem carga negativa, são atraídos para o polo positivo devido à diferença de potencial (tensão) entre os dois polos.

Em termos simples a pressão do polo negativo é maior se comparado ao polo positivo, e assim os elétrons fluem para o outro polo. É o mesmo principio de instalações hidráulicas nas residências, a pressão da caixa d'agua por ser alta proporciona o escoamento da agua para áreas com menor pressão ou resistência.

Movimento de elétrons em um condutor

Mas a energia não sai do polo positivo?

A confusão muitas vezes surge devido à convenção histórica de corrente convencional versus corrente real.

Corrente Convencional: No início da teoria elétrica, antes de se entender completamente o papel dos elétrons, conclui que a corrente fluía do polo positivo para o polo negativo. Essa convenção foi adotada porque, na época, não se sabia que tipo de partículas carregadas estava se movendo. A corrente convencional é o fluxo de cargas positivas e é usada em muitos contextos como na análise de circuitos, seguindo a direção do polo positivo para o polo negativo.

Corrente de Elétrons (Real): Com o avanço da ciência e a descoberta do elétron, descobriram que em condutores metálicos, são os elétrons (com carga negativa) que se movem, e eles fluem do polo negativo para o polo positivo e esta é a direção da corrente real em um circuito.

Conclusão

Uma forma bem resumida de explicar como a eletricidade funciona, mas o princípio é este. É claro que até chegar a nossas casas existe todo um processo de geração de eletricidade e distribuição que utiliza de muitos meios para a sua geração, como nuclear, eólica, biomassa, geotérmica e energia solar.

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