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Electricidade

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A electricidade (do grego elektron, cujo significado é ámbar) é um fenómeno físico cuja origem são o ónus eléctricos e cuja energia se manifesta em fenómenos mecânicos, térmicos, luminosos e químicos, entre outros[1] [2] [3] [4] , em outras palavras é o fluxo de elétrons. Pode-se observar de forma natural em fenómenos atmosféricos, por exemplo os raios, que são descargas eléctricas produzidas pela transferência de energia entre a ionosfera e a superfície terrestre (processo complexo do que os raios só formam uma parte). Outros mecanismos eléctricos naturais podemo-los encontrar em processos biológicos, como o funcionamento do sistema nervoso. É a base do funcionamento de muitas máquinas, desde pequenos electrodomésticos até sistemas de grande potência como os comboios de alta velocidade, e assim mesmo de todos os dispositivos electrónicos.[5] Ademais é essencial para a produção de substâncias químicas como o alumínio e o cloro.

Também se denomina electricidade ao ramo da física que estuda as leis que regem o fenómeno e ao ramo da tecnologia que a usa em aplicações práticas. Desde que, em 1831, Faraday descobrisse a forma de produzir correntes eléctricas por indução —fenómeno que permite transformar energia mecânica em energia eléctrica— se converteu em uma das formas de energia mais importantes para o desenvolvimento tecnológico devido a sua facilidade de geração e distribuição e a seu grande número de aplicações.

A electricidade em uma de suas manifestações naturais: o relâmpago.

A electricidade é originada pelo ónus eléctricos, em repouso ou em movimento, e as interacções entre elas. Quando vário ónus eléctricos estão em repouso relativo se exercem entre elas forças electrostáticas. Quando o ónus eléctricos estão em movimento relativo se exercem também forças magnéticas. Conhecem-se dois tipos de ónus eléctricas: positivas e negativas. Os átomos que conformam a matéria contêm partículas subatómicas positivas (protones), negativas (elétrons) e neutras (neutrones). Também há partículas elementares carregadas que em condições normais não são estáveis, pelo que se manifestam só em determinados processos como os raios cósmicos e as desintegrações radiactivas.[6]

A electricidade e o magnetismo são dois aspectos diferentes de um mesmo fenómeno físico, denominado electromagnetismo, descrito matematicamente pelas equações de Maxwell. O movimento de um ónus eléctrico produz um campo magnético, a variação de um campo magnético produz um campo eléctrico e o movimento acelerado de ónus eléctricas gera ondas electromagnéticas (como nas descargas de raios que podem escutar nos receptores de rádio AM).[7]

Devido às crescentes aplicações da electricidade como vetor energético, como base das telecomunicações e para o processamento de informação, um dos principais desafios contemporâneos é a gerar de modo mais eficiente e com o mínimo impacto ambiental.

História da electricidade

Artigo principal: História da electricidade
Michael Faraday relacionou o magnetismo com a electricidade.
Erro ao criar miniatura:
Configuração electrónica do átomo de cobre . Suas propriedades condutoras devem-se à facilidade de circulação que tem seu elétron mais exterior (4s).

A história da electricidade como ramo da física começou com observações isoladas e simples especulações ou intuiciones médicas, como o uso de peixes eléctricos em doenças como a gota e a dor de cabeça, ou objectos arqueológicos de interpretação discutible (a batería de Bagdá).[8] Tais de Mileto foi o primeiro em observar os fenómenos eléctricos quando, ao esfregar uma barra de ámbar com um paño, notou que a barra podia atrair objectos livianos.[2] [4]

Enquanto a electricidade era ainda considerada pouco mais que um espectáculo de salão, as primeiras aproximações científicas ao fenómeno foram feitas nos séculos XVII e XVIII por pesquisadores sistémicos como Gilbert, von Guericke, Henry Cavendish, Du Fay, vão Musschenbroek e Watson. Estas observações começam a dar seus frutos com Galvani, Volta, Coulomb e Franklin, e, já a começos do século XIX, com Ampère, Faraday e Ohm. Não obstante, o desenvolvimento de uma teoria que unificasse a electricidade com o magnetismo como duas manifestações de um mesmo fenómeno não se atingiu até a formulación das equações de Maxwell (1861-1865).

Os desenvolvimentos tecnológicos que produziram a primeira revolução industrial não fizeram uso da electricidade. Sua primeira aplicação prática generalizada foi o telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833), que revolucionou as telecomunicações. A geração em massa de electricidade começou quando, a fins do século XIX, se estendeu a iluminação eléctrica das ruas e as casas. A crescente sucessão de aplicações que esta disponibilidade produziu fez da electricidade uma das principais forças motrizes da segunda revolução industrial. Mais que de grandes teóricos, como Lord Kelvin, foi este o momento de grandes inventores como Gramme, Westinghouse, von Siemens e Alexander Graham Bell. Entre eles destacaram Nikola Tesla e Thomas Alva Edison, cuja revolucionária maneira de entender a relação entre investigação e mercado capitalista converteu a inovação tecnológica em uma actividade industrial. Tesla, um inventor sérvio-americano, descobriu o princípio do campo magnético rotatório em 1882, que é a base da maquinaria de corrente alternada. Também inventou o sistema de motores e geradores de corrente alternada polifásica que dá energia à sociedade moderna.

O alumbrado artificial modificou a duração e distribuição horária das actividades individuais e sociais, dos processos industriais, do transporte e das telecomunicações. Lenin definiu o socialismo como a soma da electrificación e o poder dos soviets.[9] A sociedade de consumo que se criou nos países capitalistas dependeu (e depende) em grande parte do uso doméstico da electricidade.

O desenvolvimento da mecânica cuántica durante a primeira metade do século XX sentou as bases para o entendimento do comportamento dos elétrons nos diferentes materiais. Estes saberes, combinados com as tecnologias desenvolvidas para as transmissões de rádio, permitiram o desenvolvimento da electrónica, que atingiria sua auge com a invenção do transistor. O perfeccionamiento, a miniaturización, o aumento de velocidade e a diminuição de custo dos computadores durante a segunda metade do século XX foi possível graças ao bom conhecimento das propriedades eléctricas dos materiais semiconductores. Isto foi essencial para a conformación da sociedade da informação da terceira revolução industrial, comparável em importância com a generalização do uso dos automóveis.

Os problemas de armazenamento de electricidade, seu transporte a longas distâncias e a autonomia dos aparelhos móveis alimentados por electricidade ainda não têm sido resolvidos de forma eficiente. Assim mesmo, a multiplicação de todo o tipo de aplicações práticas da electricidade tem sido —junto com a proliferación dos motores alimentados com destilados do petróleo— um dos factores da crise energética de começos do século XXI. Isto tem proposto a necessidade de novas fontes de energia, especialmente as renováveis.

Electrostática e electrodinámica

Artigos principais: electrostática e electrodinámica
Benjamin Franklin experimentando com um raio.

A electrostática é o ramo da física que estuda os fenómenos resultantes da distribuição de ónus eléctricas em repouso, isto é, do campo electrostático.[1] Os fenómenos electrostáticos são conhecidos desde a antigüedad. Os gregos do século V a. C. já sabiam que ao esfregar certos objectos estes adquiriam a propriedade de atrair corpos livianos. Em 1785 o físico francês Charles Coulomb publicou um tratado onde quantificava as forças de atração e repulsión de ónus eléctricas estáticas e descrevia, pela primeira vez, como as medir usando uma balança de torque. Esta lei conhece-se em sua honra com o nome de lei de Coulomb.

Durante o século XIX generalizaram-se as ideias de Coulomb, introduziu-se o conceito de campo eléctrico e potencial eléctrico, e formulou-se a equação de Laplace, que determina o potencial eléctrico no caso electrostático. Produziram-se também avanços significativos na electrodinámica, que estuda os fenómenos eléctricos produzidos por ónus em movimento. Nestes fenómenos aparecem assim mesmo campos magnéticos, que podem ser ignorados no caso de circuitos com corrente eléctrica estacionária, mas devem ser tomados em conta no caso de circuitos de corrente alternada.

Finalmente, em 1864 o físico escocês James Clerk Maxwell unificou as leis da electricidade e do magnetismo em um sistema de quatro equações em derivadas parciais conhecidas como equações de Maxwell. Com elas se desenvolveu o estudo dos fenómenos eléctricos e magnéticos, mostrando que ambos tipos são manifestações do único fenómeno do electromagnetismo, que incluía também às ondas electromagnéticas.[10]

Ónus eléctrico

Artigo principal: Ónus eléctrico
Interacções entre ónus de igual e diferente natureza.

O ónus eléctrico é uma propriedade que possuem algumas partículas subatómicas e que se manifesta mediante as forças observadas entre elas. A matéria carregada electricamente é influída pelos campos electromagnéticos sendo, a sua vez, generadora deles. A interacção entre ónus e campo eléctrico é a fonte de uma das quatro interacções fundamentais, a interacção electromagnética. A partícula que transporta a informação destas interacções é o fotón. Estas forças são de alcance infinito e não se manifestam de forma imediata, senão que demoram um tempo t = \frac{d}{c}, onde c é a velocidade da luz no médio no que se transmite e d a distância entre o ónus.

As duas partículas elementares carregadas que existem na matéria e que se encontram de forma natural na Terra são o elétron e o protón, ainda que podem se encontrar outras partículas carregadas procedentes do exterior (como os muones ou os piones). Todos os hadrones (como o protón e o neutrón) ademais, estão constituídos por partículas carregadas mais pequenos telefonemas quarks, no entanto estas não podem se encontrar livres na natureza.

Quando um átomo ganha ou perde um elétron, fica carregado electricamente. A estes átomos carregados denomina-se-lhes iones.

Os trabalhos de investigação realizados na segunda metade do século XIX pelo prêmio Nobel de Física Joseph John Thomson, que lhe levaram em 1897 a descobrir o elétron, e de Robert Millikan a medir seu ónus, determinaram a natureza discreta do ónus eléctrico.[11]

No Sistema Internacional de Unidades a unidade de ónus eléctrica denomina-se culombio (símbolo C) e define-se como a quantidade de ónus que passa por uma secção em 1 segundo quando a corrente eléctrica é de 1 amperio. Corresponde-se com o ónus de 6,24 × 1018 elétrons aproximadamente. O ónus mais pequeno que se encontra na natureza é o ónus do elétron (que tanto faz em magnitude à do protón e de signo oposto): e = 1,602 × 10-19 C (1 eV em unidades naturais).

Força entre ónus

Artigo principal: Lei de Coulomb

Coulomb foi o primeiro em determinar, em 1785, o valor das forças exercidas entre ónus eléctricos.[12] Usando uma balança de torque determinou que a magnitude da força com que se atraem ou repelen dois ónus eléctricos pontuas em repouso é directamente proporcional ao produto das magnitudes da cada carrega e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.[13]

F = k \frac{\left|q_1\right| \cdot \left|q_2\right|}{r^2} \,\!
onde q_1 e q_2 são o ónus, r é a distância que as separa e a constante de proporcionalidade k depende do sistema de unidades.

Uma propriedade fundamental destas forças é o princípio de sobreposição que estabelece que, quando há vário ónus q_j, a força resultante sobre uma qualquer delas é a soma vectorial das forças exercidas por todas as demais. A força \overrightarrow {F_i} exercida sobre o ónus pontual q_i em repouso está dada no SE por:

\overrightarrow {F_i} = 9 \cdot 10^9 \cdot q_i \cdot \sum_{j \ne i} q_j \cdot \frac {\overrightarrow {r_{ij}}}{r_{ij}^3}.

onde \overrightarrow {r_{ij}}=\overrightarrow {r_{i}}-\overrightarrow {r_{j}} denota o vetor que une o ónus q_j com o ónus q_i.

Quando o ónus estão em movimento aparecem também forças magnéticas. A forma mais singela de descrever o fenómeno é com o uso de campos eléctrico (\vec E) e magnético (\vec B), dos que a sua vez se podem derivar as forças a partir da fórmula de Lorentz:

\vec F = q(\vec E + \vec v \times \vec B)

No caso geral de ónus distribuídas de maneira arbitrária, não é possível escrever expressões explícitas das forças. Há que resolver as equações de Maxwell, calcular os campos e derivar as forças a partir das expressões da energia electromagnética.[14]

Campos eléctrico e magnético

Linhas de campo de dois ónus eléctricos de igual valor absoluto e signos opostos.
Artigos principais: campo eléctrico e campo magnético

Os campos eléctrico (\vec E) e magnético (\vec B), são campos vectoriais caracterizables na cada ponto do espaço e a cada instante do tempo por um módulo, uma direcção e um sentido. Uma propriedade fundamental destes campos é o princípio de sobreposição, segundo o qual o campo resultante pode ser calculado como a soma vectorial dos campos criados pela cada uma do ónus eléctricos.

Obtém-se uma descrição singela destes campos dando as linhas de força ou de campo, que são curvas tangentes à direcção dos vetores de campo. No caso do campo eléctrico, esta linha corresponde à trajectória que seguiria um ónus sem massa que se encontre livre no seio do campo e que se deixa mover muito lentamente.

Normalmente a matéria é neutra, isto é, seu ónus eléctrico neta é nula. No entanto, em seu interior tem ónus positivas e negativas e localizam-se correntes eléctricas nos átomos e moléculas, o qual dá lugar a campos eléctricos e magnéticos. No caso de dois ónus opostos geram-se campos dipolares, como o representado na figura da direita, onde o ónus de igual magnitude e signos opostos estão muito próximas entre si. Estes campos dipolares são a base para descrever casos tão fundamentais como os enlaces iónicos nas moléculas, as características como disolvente da água, ou o funcionamento das antenas entre outros.

Os campos eléctricos e magnéticos calculam-se resolvendo as equações de Maxwell, sendo magnitudes inseparáveis em general.

Electromagnetismo

Artigo principal: Electromagnetismo
Fluído ferroso que se agrupa cerca dos pólos de um íman ou magneto.

Denomina-se electromagnetismo à teoria física que unifica os fenómenos eléctricos e magnéticos em uma sozinha teoria, cujos fundamentos são obra de Faraday, mas foram formulados pela primeira vez de modo completo por Maxwell. A formulación consiste em quatro equações diferenciais vectoriais, conhecidas como equações de Maxwell, que relacionam o campo eléctrico, o campo magnético e suas respectivas fontes materiais: densidade de ónus eléctrica, corrente eléctrica, deslocação eléctrica e corrente de deslocação.

A princípios do século XIX Ørsted encontrou evidência empírica de que os fenómenos magnéticos e eléctricos estavam relacionados. A partir dessa base Maxwell unificou em 1861 os trabalhos de físicos como Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm e Faraday, em um conjunto de equações que descreviam ambos fenómenos como um só, o fenómeno electromagnético.[11]

Trata-se de uma teoria de campos; as explicações e predições que provee se baseiam em magnitudes físicas vectoriais e são dependentes da posição no espaço e do tempo. O electromagnetismo descreve os fenómenos físicos macroscópicos nos que intervêm ónus eléctricas em repouso e em movimento, usando para isso campos eléctricos e magnéticos e seus efeitos sobre a matéria. Para a descrição de fenómenos a nível molecular, atómico ou corpuscular, é necessário empregar as expressões clássicas da energia electromagnética conjuntamente com as da mecânica cuántica.

Equações de Maxwell, em sua forma diferencial
Nome da lei Forma diferencial
Lei de Gauss \nabla \cdot \mathbf{D} = \rho_f
Lei de Gauss para o magnetismo
ou inexistência do monopolo magnético
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0
Equação de Maxwell-Faraday
(lei de Faraday)
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
Lei de Ampère-Maxwell \nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J}_f + \frac{\partial \mathbf{D}} {\partial t}

As equações de Maxwell descrevem os campos eléctricos e magnéticos como manifestações de um sozinho campo electromagnético. Ademais, explicam a natureza ondulatoria da luz como parte de uma onda electromagnética.[15] Ao contar com uma teoria unificada consistente que descrevesse estes dois fenómenos dantes separados, se puderam realizar vários experimentos inovadores e inventos muito úteis, como o gerador de corrente alternada inventado por Tesla.[16] O sucesso predictivo da teoria de Maxwell e a busca de uma interpretação coerente com o experimento de Michelson e Morley levou a Einstein a formular a teoria da relatividad, que se apoiava em alguns resultados prévios de Lorentz e Poincaré.

Esta unificação é fundamental para descrever as relações que existem entre os campos eléctricos variáveis que se utilizam na vida diária —como a corrente alternada utilizada nas redes eléctricas domésticas— e os campos magnéticos que induzem. Entre outras aplicações técnicas, utiliza-se para o cálculo de antenas de telecomunicações e de circuitos eléctricos ou electrónicos nos que há campos eléctricos e magnéticos variáveis que se geram mutuamente.

Potencial e tensão eléctrica

Artigo principal: Potencial eléctrico
Representação esquemática de uma resistência R pela que circula uma intensidade de corrente I devido à diferença de potencial entre os pontos A e B.

Denomina-se tensão eléctrica ou voltaje à energia potencial por unidade de ónus que está associada a um campo electrostático. Sua unidade de medida no SE são os volts.[17] À diferença de energia potencial entre dois pontos denomina-se-lhe voltaje. Esta tensão pode ser vista como se fosse uma "pressão eléctrica" como quando a pressão é uniforme não existe circulação de ónus e quando dita pressão" varia se cria um campo eléctrico que a sua vez gera forças no ónus eléctricos. Matematicamente, a diferença de potencial eléctrico entre dois pontos A e B é a integral de linha do campo eléctrico:

 V(A)-V(B)=-\int_{B}^{A} \vec E\ \cdot d\vec l\

Geralmente definem-se os potenciais referidos a um ponto inicial dado. Às vezes escolhe-se um situado infinitamente longe de qualquer ónus eléctrico. Quando não há campos magnéticos variáveis, o valor do potencial não depende da trajectória usada para o calcular, senão unicamente de seus pontos inicial e final. Diz-se então que o campo eléctrico é conservativo. Em tal caso, se o ónus eléctrico q tão pequeno que não modifica significativamente \vec E, a diferença de potencial eléctrico entre dois pontos A e B será o trabalho W por unidade de ónus, que deve se exercer na contramão do campo eléctrico \vec E para levar q desde B até A .Isto é:

 V = \frac{W}{q}\ \cdot

Outra das formas de expressar a tensão entre dois pontos é em função da intensidade de corrente e a resistência existentes entre eles. Assim se obtém um dos enunciados da lei de Ohm:

 V = {R} \cdot{I}

Quando por dois pontos de um circuito pode circular uma corrente eléctrica, a polaridad da queda de tensão vem determinada pela direcção convencional da mesma; isto é, do ponto de maior potencial ao de menor. No caso de campos não estacionários o campo eléctrico não é conservativo e a integral de linha do campo eléctrico contém efeitos provenientes dos campos magnéticos variáveis induzidos ou aplicados, que correspondem a uma força electromotriz induzida (f.e.m.), que também se mede em volts.

A força electromotriz, cuja origem é a inyección de energia externa ao circuito, permite manter uma diferença de potencial entre dois pontos de um circuito aberto ou de produzir uma corrente eléctrica em um circuito fechado. Esta energia pode representar por um campo de origem externo cuja circulação (integral de linha sobre uma trajectória fechada C) \oint_{C} \vec E \; ds define a força electromotriz do gerador. Esta expressão corresponde o trabalho que o gerador realiza para forçar o passo por seu interior de um ónus, do pólo negativo ao positivo (isto é, na contramão das forças eléctricas), dividido pelo valor de dita ónus. O trabalho assim realizado pode ter origem mecânico (dínamo), químico (batería), térmico (efeito termoeléctrico) ou de outro tipo.

Propriedades eléctricas dos materiais

Origem microscópico

A possibilidade de gerar correntes eléctricas nos materiais depende da estrutura e interacção dos átomos que os compõem. Os átomos estão constituídos por partículas carregadas positivamente (os protones), negativamente (os elétrons) e neutras (os neutrones). A condução eléctrica dos materiais sólidos, quando existe, se deve aos elétrons mais exteriores, já que tanto os elétrons interiores como os protones dos núcleos atómicos não podem se deslocar com facilidade. Os materiais condutores por excelencia são metais, como o cobre, que usualmente têm um único elétron na última capa electrónica. Estes elétrons podem passar com facilidade a átomos contíguos, constituindo os elétrons livres responsáveis pelo fluxo de corrente eléctrica. Em outros materiais sólidos os elétrons libertam-se com dificuldade constituindo semiconductores, quando a libertação pode ser produzida por excitação térmica, ou aisladores, quando não se consegue esta libertação.

Os mecanismos microscópicos de condução eléctrica são diferentes nos materiais superconductores e nos líquidos. Nos primeiros, a muito baixas temperaturas e como consequência de fenómenos cuánticos, os elétrons não interactúan com os átomos se deslocando com total liberdade (resistividad nula). Nos segundos, como nos electrólitos das baterías eléctricas, a condução de corrente é produzida pela deslocação de átomos ou moléculas completas ionizadas de modo positivo ou negativo. Os materiais superconductores usam-se em ímans superconductores para a geração de elevadísimos campos magnéticos.

Em todos os materiais submetidos a campos eléctricos se modificam, em maior ou menor grau, as distribuições espaciais relativas do ónus negativos (elétrons) e positivas (núcleos atómicos). Este fenómeno denomina-se polarización eléctrica e é mais notorio nos aisladores eléctricos devido à ausência de apantallamiento do campo eléctrico aplicado pelos elétrons livres. Os materiais com alta capacidade de polarización usam-se na construção de condensadores eléctricos e denominam-se dieléctricos. Aqueles cuja polarización é permanente (electretos e materiais ferroeléctricos) usam-se para fabricar dispositivos como microfones e altavoces, entre outros.

Conductividad e resistividad

Condutor eléctrico de cobre.

A conductividad eléctrica é a propriedade dos materiais que quantifica a facilidade com que o ónus podem se mover quando um material é submetido a um campo eléctrico. A resistividad é uma magnitude inversa à conductividad, aludindo ao grau de dificuldade que encontram os elétrons em suas deslocações, dando uma ideia do bom ou mau condutor que é. Um valor alto de resistividad indica que o material é mau condutor enquanto um baixo indicará que é um bom condutor. Geralmente a resistividad dos metais aumenta com a temperatura, enquanto a dos semiconductores diminui ante o aumento da temperatura.

Os materiais classificam-se segundo seu conductividad eléctrica ou resistividad em condutores, dieléctricos, semiconductores e superconductores.

A conductividad eléctrica do cobre puro foi adoptada pela Comissão Electrotécnica Internacional em 1913 como a referência regular para esta magnitude, estabelecendo o International Annealed Copper Standard (Regular Internacional do Cobre Recozido) ou IACS. Segundo esta definição, a conductividad do cobre recozido medida a 20 °C tanto faz a 0,58108 S/m.[19] A este valor denomina-lho 100% IACS, e a conductividad do resto dos materiais expressa-se como uma verdadeira percentagem de IACS. A maioria dos metais têm valores de conductividad inferiores a 100% IACS, mas existem excepções como a prata ou os cobres especiais de muito alta conductividad, designados C-103 e C-110.[20]

Associações mistas de resistências: a) série de paralelos, b) paralelo de séries e c) outras possíveis conexões.

A conductividad designa-se pela letra grega sigma minúscula ( \sigma ) e mede-se em siemens por metro , enquanto a resistividad designa-se pela letra grega rho minúscula (ρ) e mede-se em ohms por metro (Ω•m, às vezes também em mm²/m).

A lei de Ohm descreve a relação existente entre a intensidade de corrente que circula por um circuito, a tensão dessa corrente eléctrica e a resistência que oferece o circuito ao passo de dita corrente: a diferença de potencial (V) é directamente proporcional à intensidade de corrente (I) e à resistência (R). Descreve-se mediante a fórmula:

 V = I \times R

Esta definição é válida para a corrente contínua e para a corrente alternada quando se trate de elementos resistivos puros, isto é, sem componente inductiva nem capacitiva. De existir estes componentes reactivos, a oposição apresentada à circulação de corrente recebe o nome de impedancia .

Vejam-se também: Impedancia e Resistência eléctrica

Corrente eléctrica

Artigo principal: Corrente eléctrica
Relação existente entre a intensidade e a densidade de corrente.

Denomina-se corrente eléctrica ao fluxo de ónus eléctrica através de um material submetido a uma diferença de potencial. Historicamente, definiu-se como um fluxo de ónus positivas e se fixou o sentido convencional de circulação da corrente como um fluxo de ónus desde o pólo positivo ao negativo. No entanto, posteriormente observou-se, graças ao efeito Hall, que nos metais os portadores de ónus são elétrons, com ónus negativo, e se deslocam em sentido contrário ao convencional.

A partir da corrente eléctrica definem-se duas magnitudes: a intensidade e a densidade de corrente. O valor da intensidade de corrente que atravessa um circuito é determinante para calcular a secção dos elementos condutores do mesmo.

 I = \frac{dQ}{dt} . Se a intensidade de corrente é constante, então  I = \frac{Q}{t}
j = {I \over S}

Corrente contínua

Artigo principal: Corrente contínua
Rectificador de corrente alternada em contínua, com ponte de Gratz. Emprega-se quando a tensão de saída tem um valor diferente da tensão primeiramente.

Denomina-se corrente contínua (CC em espanhol, em inglês DC, de Direct Current) ao fluxo de ónus eléctricas que não muda de sentido com o tempo. A corrente eléctrica através de um material estabelece-se entre dois pontos de diferente potencial. Quando há corrente contínua, os terminais de maior e menor potencial não se trocam entre si. É errónea a identificação da corrente contínua com a corrente constante (nenhuma o é, nem sequer a fornecida por uma batería). É contínua toda a corrente cujo sentido de circulação é sempre o mesmo, independentemente de seu valor absoluto.

Sua descoberta remonta-se à invenção da primeira pilha voltaica por parte do conde e cientista italiano Alessandro Volta. Não foi até os trabalhos de Edison sobre a geração de electricidade, nas postrimerías do século XIX, quando a corrente contínua começou a empregar para a transmissão da energia eléctrica. Já no século XX este uso decayó em favor da corrente alternada, que apresenta menores perdas na transmissão a longas distâncias, conquanto se conserva na conexão de redes eléctricas de diferentes frequências e na transmissão através de cabos submarinos.

Actualmente (2008) está a estender-se o uso de geradores de corrente contínua a partir de células fotoeléctricas que permitem aproveitar a energia solar.

Quando é necessário dispor de corrente contínua para o funcionamento de aparelhos electrónicos, se pode transformar a corrente alternada da rede de fornecimento eléctrico mediante um processo, denominado rectificação, que se realiza com uns dispositivos chamados rectificadores, baseados no emprego de diodos semiconductores ou tiristores (antigamente, também de canos de vazio).[21]

Corrente alternada

Artigo principal: Corrente alternada
Onda senoidal.
Voltaje das fases de um sistema trifásico. Entre a cada uma das fases há um deslocamento de 120º.
Arquivo:TT-earthing.png
Esquema de conexão.
Arquivo:Transformacion Delta-Estrela.svg
Conexão em triângulo e em estrela.

Denomina-se corrente alternada (simbolizada CA em espanhol e AC em inglês, de Alternating Current) à corrente eléctrica na que a magnitude e direcção variam ciclicamente. A forma de onda da corrente alternada mais comummente utilizada é a de uma onda sinoidal.[22] No uso coloquial, "corrente alternada" refere-se à forma na qual a electricidade chega aos lares e às empresas.

O sistema usado hoje em dia foi criado fundamentalmente por Nikola Tesla, e a distribuição da corrente alternada foi comercializada por George Westinghouse. Outros que contribuíram ao desenvolvimento e melhora deste sistema foram Lucien Gaulard, John Gibbs e Oliver Shallenger entre os anos 1881 e 1889. A corrente alternada superou as limitações que apareciam ao empregar a corrente contínua (CC), a qual constitui um sistema ineficiente para a distribuição de energia a grande escala devido a problemas na transmissão de potência.

A razão do amplo uso da corrente alternada, que minimiza os problemas de transmissão de potência, vem determinada por sua facilidade de transformação, qualidade da que carece a corrente contínua. A energia eléctrica transmitida vem dada pelo produto da tensão, a intensidade e o tempo. Dado que a secção dos condutores das linhas de transporte de energia eléctrica depende da intensidade, pode-se, mediante um transformador, modificar o voltaje até altos valores (alta tensão), diminuindo em igual proporção a intensidade de corrente. Isto permite que os condutores sejam de menor secção e, por tanto, de menor custo; ademais, minimiza as perdas por efeito Joule, que dependem do quadrado da intensidade. Uma vez no ponto de consumo ou em suas cercanias, o voltaje pode ser de novo reduzido para permitir seu uso industrial ou doméstico de forma cómoda e segura.

As frequências empregadas nas redes de distribuição são 50 e 60 Hz. O valor depende do país.

Corrente trifásica

Artigo principal: Corrente trifásica

Denomina-se corrente trifásica ao conjunto de três correntes alternadas de igual frequência, amplitude e valor eficaz que apresentam uma diferença de fase entre elas de 120°, e estão dadas em uma ordem determinada. A cada uma das correntes que formam o sistema se designa com o nome de fase.

A geração trifásica de energia eléctrica é mais comum que a monofásica e proporciona um uso mais eficiente dos condutores. A utilização de electricidade em forma trifásica é maioritária para transportar e distribuir energia eléctrica e para sua utilização industrial, incluindo o accionamento de motores. As correntes trifásicas geram-se mediante alternadores dotados de três bobinas ou grupos de bobinas, arrolladas em um sistema de três electroimanes equidistantes angularmente entre si.

Os condutores dos três electroimanes podem ligar-se em estrela ou em triângulo. Na disposição em estrela a cada bobina liga-se a uma fase em um extremo e a um condutor comum no outro, denominado neutro. Se o sistema está equilibrado, a soma das correntes de linha é nula, com o que o transporte pode ser efectuado usando somente três cabos. Na disposição em triângulo ou delta a cada bobina liga-se entre dois fios de fase, de forma que um extremo da cada bobina está ligado com outro extremo de outra bobina.

O sistema trifásico apresenta uma série de vantagens, tais como a economia de suas linhas de transporte de energia (fios mais finos que em uma linha monofásica equivalente) e dos transformadores utilizados, bem como seu elevado rendimento dos receptores, especialmente motores, aos que a linha trifásica alimenta com potência constante e não pulsada, como no caso da linha monofásica.

Tesla foi o inventor que descobriu o princípio do campo magnético rotatório em 1882, o qual é a base da maquinaria de corrente alternada. Ele inventou o sistema de motores e geradores de corrente alternada polifásica que dá energia ao planeta.[23]

Corrente monofásica

Artigo principal: Corrente monofásica

Denomina-se corrente monofásica à que se obtém de tomar uma fase da corrente trifásica e um cabo neutro. Em Espanha e demais países que utilizam valores similares para a geração e transmissão de energia eléctrica, este tipo de corrente facilita uma tensão de 220/230 volts, o que a faz apropriada para que possam funcionar adequadamente a maioria de electrodomésticos e luminarias que há nas moradias.

Desde o centro de transformação mais próximo até as moradias dispõem-se quatro fios: um neutro (N) e três fases (R, S e T). Se a tensão entre duas fases quaisquer (tensão de linha) é de 380 volts, entre uma fase e o neutro é de 220 volts. Na cada moradia entra o neutro e uma das fases, ligando-se várias moradias à cada uma das fases e ao neutro; isto se chama corrente monofásica. Se em uma moradia há instalados aparelhos de potência eléctrica alta (ar acondicionado, motores, etc., ou se é uma oficina ou uma empresa industrial) habitualmente fornece-se-lhes directamente corrente trifásica que oferece uma tensão de 380 volts.

Circuitos

Exemplo de circuito eléctrico.
Artigo principal: Circuito eléctrico

Em electricidade e electrónica denomina-se circuito a um conjunto de componentes pasivos e activos interconectados entre si por condutores de baixa resistência. O nome implica que o caminho da circulação de corrente é fechado, isto é, sai por um borne da fonte de alimentação e regressa em sua totalidade (salvo perdas acidentais) pelo outro. Na prática é difícil diferenciar nitidamente entre circuitos eléctricos e circuitos electrónicos. As instalações eléctricas domiciliárias denominam-se usualmente circuitos eléctricos, enquanto os circuitos impressos dos aparelhos electrónicos denominam-se pelo geral circuitos electrónicos. Isto sugere que os últimos são os que contêm componentes semiconductores, enquanto os primeiros não, mas as instalações domiciliárias estão a incorporar crescentemente não só semiconductores senão também microprocesadores, típicos dispositivos electrónicos.

O comportamento dos circuitos eléctricos que contêm somente resistências e fontes electromotrices de corrente contínua está governado pelas Leis de Kirchoff. Para estudá-lo, o circuito decompõe-se em malhas eléctricas, estabelecendo um sistema de equações lineares cuja resolução brinda os valores dos voltajes e correntes que circulam entre suas diferentes partes.

A resolução de circuitos de corrente alternada requer a ampliação do conceito de resistência eléctrica, agora ampliado pelo de impedancia para incluir os comportamentos de bobinas e condensadores. A resolução destes circuitos pode fazer-se com generalizações das leis de Kirchoff, mas requer usualmente métodos matemáticos avançados, como o de Transformada de Laplace, para descrever os comportamentos transitórios e estacionários dos mesmos.

Fenómenos termoeléctricos

Artigo principal: Termoelectricidad
Secção de um termopar ou termocupla.

Denominam-se fenómenos termoeléctricos ou termoelectricidad a três fenómenos relacionados entre si pelas relações de Thomson, descobertas por lord Kelvin:[24] o efeito Seebeck, o efeito Peltier e o calor de Thomson.

Quando dois metais diferentes a temperaturas diferentes se põem em contacto formando uma união bimetálica, entre ambos lados da união se gera uma força electromotriz. Este fenómeno denomina-se efeito Seebeck e é a base do funcionamento dos termopares, um tipo de termómetro usado no controle do fluxo de gás em dispositivos domésticos como cozinhas, calefactores e calentadores de água corrente.

Quando se faz circular uma corrente através de uma união bimetálica, para manter constante a temperatura da união há que entregar ou extrair calor, segundo seja o sentido de circulação. Este fenómeno, chamado efeito Peltier, tem aplicação prática em dispositivos de referigeração pequenos, tendo a vantagem, a diferença dos refrigeradores baseados na compressão e descompresión de gases, de não ter partes móveis que se desgasten.

É menos conhecido o fenómeno denominado calor de Thomson, descoberto por lord Kelvin. Quando flui uma corrente através de um condutor homogéneo de secção transversal constante onde se estabeleceu um gradiente de temperatura, para manter invariável a distribuição de temperatura há que entregar ou extrair calor do condutor.[25]

Geração de energia eléctrica

Geração em massa

Alternador de fábrica têxtil (Museu da Ciência e da Técnica de Cataluña, Tarrasa).

Desde que Nikola Tesla descobriu a corrente alternada e a forma de produzí-la nos alternadores, levou-se a cabo uma imensa actividade tecnológica para levar a electricidade a todos os lugares habitados do mundo, pelo que, junto à construção de grandes e variadas centrais eléctricas, se construíram sofisticadas redes de transporte e sistemas de distribuição. No entanto, o aprovechamiento tem sido e segue sendo muito desigual em todo o planeta. Assim, os países industrializados ou do Primeiro mundo são grandes consumidores de energia eléctrica, enquanto os países do chamado Terceiro mundo mal desfrutam de suas vantagens.

A geração, em termos gerais, consiste em transformar alguma classe de energia não eléctrica, seja esta química, mecânica, térmica ou luminosa, entre outras, em energia eléctrica. Para a geração industrial recorre-se a instalações denominadas centrais eléctricas, que executam alguma das transformações citadas. Estas constituem o primeiro degrau do sistema de fornecimento eléctrico.

As centrais generadoras podem-se classificar em termoeléctricas (de combustíveis fósseis, biomasa, nucleares ou solares), hidroeléctricas, eólicas, solares fotovoltaicas ou mareomotrices. A maior parte da energia eléctrica gerada a nível mundial prove de três primeiros tipos de centrais reseñados: termoeléctricas, hidroeléctricas e eólicas. Todas estas centrais, excepto as fotovoltaicas, têm em comum o elemento gerador, constituído por um alternador, movido mediante uma turbina que será diferente dependendo do tipo de energia primária utilizada.

A demanda de energia eléctrica de uma cidade, região ou país tem uma variação ao longo do dia. Esta variação é função de muitos factores, entre os que se destacam: tipos de indústrias existentes na zona e turnos que realizam em sua produção, tipo de electrodomésticos que se utilizam mais frequentemente, tipo de calentador de água que tenha instalado nos lares, a meteorologia, a estação do ano e a hora do dia em que se considera a demanda. A geração de energia eléctrica deve seguir a curva de demanda e, à medida que aumenta a potência demandada, deve-se incrementar o fornecimento. Isto implica o ter que iniciar a geração com unidades adicionais, localizadas na mesma central ou em centrais reservadas para estes períodos. Em general os sistemas de geração diferenciam-se pelo período do ciclo no que devem ser utilizados, sendo normalmente de base a nuclear ou a eólica, de vale as termoeléctricas de combustíveis fósseis e de bico a hidroeléctrica principalmente. Os combustíveis fósseis e a hidroeléctrica também podem se usar como base se é necessário.

Centrais termoeléctricas

Artigo principal: Central termoeléctrica
Turbina de uma central termoeléctrica.

Uma central termoeléctrica ou central térmica é uma instalação empregada para a geração de energia eléctrica a partir de calor. Este calor pode obter-se tanto de combustíveis fósseis (petróleo, gás natural ou carvão) como da fisión nuclear do urânio ou outro combustível nuclear. As centrais que no futuro utilizem a fusão também serão centrais termoeléctricas.

Em sua forma mais clássica, as centrais termoeléctricas consistem em uma caldera na que se queima o combustível para gerar calor que se transfere a uns canos por onde circula água, a qual se evapora. O vapor obtido, a alta pressão e temperatura, expande-se a seguir em uma turbina de vapor, cujo movimento impulsiona um alternador que gera a electricidade.

Nas centrais termoeléctricas denominadas de ciclo combinado usam-se os gases da combustão do gás natural para mover uma turbina de gás. Como, depois de passar pela turbina, esses gases ainda se encontram a alta temperatura, se reutilizam para gerar vapor que move uma turbina de vapor. A cada uma destas turbinas impulsiona um alternador, como em uma central termoeléctrica comum.

Planta nuclear em Cattenom, França.

As centrais térmicas que usam combustíveis fósseis libertam à atmosfera dióxido de carbono (CO2), considerado o principal gás responsável do aquecimento global. Também, dependendo do combustível utilizado, podem emitir outros contaminantes como óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partículas sólidas (pó) e quantidades variáveis de residuos sólidos. As centrais nucleares podem contaminar em situações acidentais (veja-se acidente de Chernóbil) e também geram residuos radiactivos de diversa índole.

A central termosolar PS10 de 11MW funcionando em Sevilla , Espanha.

Uma central térmica solar ou central termosolar é uma instalação industrial na que, a partir do aquecimento de um fluído mediante radiación solar e seu uso em um ciclo termodinámico convencional, se produz a potência necessária para mover um alternador para geração de energia eléctrica como em uma central térmica clássica. Nelas é necessário concentrar a radiación solar para que se possam atingir temperaturas elevadas, de 300 °C até 1000 °C, e obter assim um rendimento aceitável no ciclo termodinámico, que não poder-se-ia obter com temperaturas mais baixas. A captación e concentração dos raios solares fazem-se por médio de espelhos com orientação automática que apontam a uma torre central onde se aquece o fluído, ou com mecanismos mais pequenos de geometria parabólica. O conjunto da superfície reflectante e seu dispositivo de orientação denomina-se heliostato. Seu principal problema medioambiental é a necessidade de grandes extensões de território que deixam de ser úteis para outros usos (agrícolas, florestais, etc.).[26]

Centrais hidroeléctricas

Arquivo:Turbina hidraúlica.jpg
Turbina Pelton de uma central hidroeléctrica.
Artigo principal: Central hidroeléctrica

Uma central hidroeléctrica é aquela que se utiliza para a geração de energia eléctrica mediante o aprovechamiento da energia potencial da água embalsada em uma presa situada a mais alto nível que a central. A água flui por um encanamento de descarga à sala de máquinas da central, onde mediante turbinas hidráulicas se produz a electricidade em alternadores. As duas características principais de uma central hidroeléctrica, desde o ponto de vista de sua capacidade de geração de electricidade, são:

A potência de uma central hidroeléctrica pode variar desde uns poucos megavatios (MW) até vários gigavatios (GW). Por embaixo de 10 MW denominam-se minicentrales. Na China encontra-se a maior central hidroeléctrica do mundo (a Presa das Três Gargantas), com uma potência instalada de 22.500 MW. A segunda é a Represa de Itaipú (que pertence a Brasil e Paraguai), com uma potência instalada de 14.000 MW repartida em 20 turbinas de 700 MW a cada uma.

A utilização desta forma de energia apresenta problemas medioambientales derivados da necessidade de construção de grandes embalses nos que se acumula água, que deixa de poder empregar para outros usos, tende a aumentar seu salinidad e obstaculiza a circulação da fauna acuática, entre outros.[27]

As centrais mareomotrices utilizam o fluxo e reflujo das marés. Em general, podem ser úteis em zonas costeras onde a amplitude da maré seja ampla e as condições morfológicas da costa permitam a construção de uma presa que corte a entrada e saída da maré em uma baía. Gera-se energia tanto no momento do enchido como no momento da casca da baía.

Actualmente encontra-se em desenvolvimento a exploração comercial da conversão em electricidade do potencial energético que tem o oleaje do mar, nos telefonemas centrais undimotrices.

Centrais eólicas

Capacidade eólica mundial total instalada e previsões 1997-2010. Fonte: WWEA e.V.
Artigo principal: Energia eólica

A energia eólica obtém-se do vento, isto é, da energia cinética gerada por efeito das correntes de ar ou das vibrações que dito vento produz. Os molinos de vento usaram-se desde faz muitos séculos para moler o grão, bombear água ou outras tarefas que requerem energia. Na actualidade usam-se aerogeneradores para gerar electricidade, especialmente em áreas expostas a ventos frequentes, como zonas costeras, alturas montanhosas ou ilhas. A energia do vento está relacionada com o movimento das massas de ar que se deslocam de áreas de alta pressão atmosférica para áreas adjacentes de baixa pressão, com velocidades proporcionais ao gradiente de pressão.[28]

O impacto medioambiental deste sistema de obtenção de energia centra-se na morte de aves por choque com as aspas dos aerogeneradores ou a necessidade de extensões grandes de território que se sustraen de outros usos. Também há um impacto estético, pois alteram a paisagem.[29] [30] Ademais, este tipo de energia, ao igual que o solar ou a hidroeléctrica, estão fortemente condicionadas pelas condições climatológicas, o que aleatoriza a quantidade de energia gerada.

Centrais fotovoltaicas

Painel solar.
Artigo principal: Energia solar fotovoltaica

Denomina-se energia solar fotovoltaica à obtenção de energia eléctrica através de painéis fotovoltaicos. Os painéis, módulos ou colectores fotovoltaicos estão formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, ao receber radiación solar, se excitam e provocam saltos electrónicos, gerando uma pequena diferença de potencial entre seus extremos. O acoplamento em série de vários destes fotodiodos permite a obtenção de voltajes maiores em configurações muito singelas e aptas para alimentar pequenos dispositivos electrónicos. A maior escala, a corrente eléctrica contínua que proporcionam os painéis fotovoltaicos se pode transformar em corrente alternada e injectar na rede eléctrica. Na actualidade (2008) o principal produtor de energia solar fotovoltaica é o Japão, seguido da Alemanha que possui cerca de 5 milhões de metros quadrados de colectores que contribuem um 0,03% de sua produção energética total. A venda de painéis fotovoltaicos tem crescido no mundo ao ritmo anual de 20% na década dos noventa. Na União Européia o crescimento médio anual é de 30%, e Alemanha tem o 80% da potência instalada da União.[31]

Os principais problemas deste tipo de energia são: seu elevado custo em comparação com os outros métodos, a necessidade de extensões grandes de território que se sustraen de outros usos, a concorrência do principal material com o que se constroem com outros usos (o silício é o principal componente dos circuitos integrados), ou sua dependência das condições climatológicas.[32] Ademais, se converte-se em uma forma de gerar electricidade usada de forma generalizada, dever-se-iam considerar suas emissões químicas à atmosfera, de cadmio ou selenio.[33] Por sua falta de constancia possam ser convenientes sistemas de armazenamento de energia para que a potência gerada em um momento determinado possa se usar quando se solicite seu consumo. Estão a estudar-se sistemas como o armazenamento cinético, bombeo de água a presas elevadas, armazenamento químico, entre outros, que a sua vez teriam um impacto medioambiental.

Veja-se também: Energia solar espacial

Geração a pequena escala

Grupo electrógeno

Artigo principal: Grupo electrógeno
Grupo electrógeno de 500 kVA instalado em um complexo turístico no Egipto.

Um grupo electrógeno é uma máquina que move um gerador de energia eléctrica através de um motor de combustão interna. Normalmente utiliza-se quando há déficit na geração de energia de algum lugar, ou quando há um corte no fornecimento eléctrico e é necessário manter a actividade. Uma de suas utilidades mais comuns é naqueles lugares onde não há fornecimento através da rede eléctrica, geralmente são zonas agrícolas com poucas infra-estruturas ou moradias isoladas. Outro caso é em locais de pública participação, hospitais, fábricas, etc., que, a falta de energia eléctrica de rede, precisem de outra fonte de energia alternada para se abastecer em caso de emergência. Um grupo electrógeno consta das seguintes partes:[34]

Pilha voltaica

Artigo principal: Pilha eléctrica
Esquema funcional de uma pilha eléctrica.

Denomina-se ordinariamente pilha eléctrica a um dispositivo que gera energia eléctrica mediante um processo químico transitório, depois do qual cessa sua actividade e têm de se renovar seus elementos constituintes, já que suas características resultam alteradas durante seu funcionamento. Trata-se por isso de um gerador primário. A electricidade produzida resulta acessível mediante dois terminais que tem a pilha, chamados pólos, eléctrodos ou bornes. Um deles é o pólo positivo ou ánodo e o outro é o pólo negativo ou cátodo. Em espanhol é habitual chamá-la assim, enquanto às pilhas recargables ou acumuladores se lhes costuma chamar baterías.

A primeira pilha eléctrica foi dada a conhecer ao mundo por Volta em 1800 , mediante uma carta que enviou ao presidente da Royal Society londrina, por tanto as pilhas datam dos primeiros tempos da electricidade. Ainda que a aparência de uma pilha seja simples, a explicação de seu funcionamento dista de sê-lo e motivou uma grande actividade científica nos séculos XIX e XX, bem como diversas teorias. A demanda crescente que tem este produto no mercado segue fazendo dele objecto de investigação intensa.

O funcionamento de uma pilha baseia-se no potencial de contacto entre duas substâncias, mediado por um electrolito.[35] Quando se precisa uma corrente maior que a que pode fornecer um elemento único, sendo sua tensão em mudança a adequada, se podem acrescentar outros elementos na conexão chamada em paralelo. A capacidade total de uma pilha mede-se em amperios-hora (A•h); é o número máximo de amperios que o elemento pode fornecer em uma hora. É um valor que não costuma se conhecer, já que não é muito claro dado que depende da intensidade solicitada e a temperatura.

Um importante avanço na qualidade das pilhas tem sido a pilha denominada seca, ao que pertencem praticamente todas as utilizadas hoje em dia (2008). As pilhas eléctricas, baterías e acumuladores apresentam-se em umas quantas formas padrão em função de sua forma, tensão e capacidade.

Os metais e produtos químicos constituintes das pilhas podem resultar perjudiciales para o médio ambiente. Uma vez que a envoltura metálica que recobre as pilhas se danifica, as substâncias químicas que contêm se vêem libertadas ao médio ambiente causando contaminação. Com maior ou menor grau, as substâncias são absorvidas pela terra podendo-se filtrar para os mantos acuíferos e destes podem passar directamente aos seres vivos, entrando com isto na corrente alimenticia. É muito importante não atirar ao lixo (em alguns países está proibido), senão as levar a centros de reciclado. Em alguns países, a maioria dos provedores e lojas especializadas também se fazem cargo das pilhas gastadas. As pilhas são residuos perigosos pelo que, desde o momento em que se começam a reunir, devem ser manejadas por pessoal capacitado que siga as precauções adequadas empregando todos os procedimentos técnicos e legais para o manejo de dito residuos.[36]

As pilhas desechables costumam utilizar nos aparelhos eléctricos portáteis, como por exemplo brinquedos, linternas, relógios, telefones móveis, marcapasos, audífonos, calculadoras, computadores pessoais portáteis, reprodutores de música, rádio transistores, comando a distância, etc. Em todas estas aplicações se utilizam também a cada vez mais baterías recargables.

Pilhas de combustível

Pilha de hidrógeno. A cela em si é a estrutura cúbica do centro da imagem.
Artigo principal: Pilha de combustível

Uma cela, célula ou pilha de combustível é um dispositivo electroquímico de geração de electricidade similar a uma batería, que se diferencia desta em estar desenhada para permitir o reabastecimiento contínuo dos reactivos consumidos. Isto permite produzir electricidade a partir de uma fonte externa de combustível e de oxigénio, em contraposição à capacidade limitada de armazenamento de energia de uma batería. Ademais, a composição química dos eléctrodos de uma batería muda segundo o estado de ónus, enquanto em uma cela de combustível os eléctrodos funcionam pela acção de catalizadores , pelo que são bem mais estáveis.

Nas celas de hidrógeno os reactivos usados são hidrógeno no ánodo e oxigénio no cátodo. Pode-se obter um fornecimento contínuo de hidrógeno a partir da electrólisis da água, o que requer uma fonte primária de geração de electricidade, ou a partir de reacções catalíticas que desprendem hidrógeno a partir de hidrocarburos . O hidrógeno pode armazenar-se, o que permitiria o uso de fontes discontinuas de energia como o solar e a eólica. No entanto, o hidrógeno gasoso (H2) é altamente inflamável e explosivo, pelo que se estão a desenvolver métodos de armazenamento em matrizes porosas de diversos materiais.[37]

Gerador termoeléctrico de radioisótopos

Um gerador termoeléctrico de radioisótopos é um gerador eléctrico simples que obtém sua energia da libertada pela desintegração radiactiva de determinados elementos. Neste dispositivo, o calor libertado pela desintegração de um material radiactivo converte-se em electricidade directamente graças ao uso de uma série de termopares , que convertem o calor em electricidade graças ao efeito Seebeck na chamada unidade de calor de radioisótopos (ou RHU em inglês). Os RTG podem-se considerar um tipo de batería e usaram-se em satélites, sondas espaciais não tripuladas e instalações remotas que não dispõem de outro tipo de fonte eléctrica ou de calor. Os RTG são os dispositivos mais adequados em situações onde não tenha presença humana e se precisem potências de várias centenas de vatios durante longos períodos, situações nas que os geradores convencionais como as pilhas de combustível ou as baterías não são viables economicamente e onde a falta de luz impede usar células fotovoltaicas.

Fornecimento eléctrico

Denomina-se fornecimento eléctrico ao conjunto de etapas que são necessárias para que a energia eléctrica chegue ao consumidor final. Como a energia eléctrica é difícil de armazenar, este sistema tem a particularidad de gerar e distribuir a energia conforme esta é consumida. Por outra parte, devido à importância da energia eléctrica, o fornecimento é vital para o desenvolvimento dos países e de interesse para os governos nacionais, pelo que estes contam com instituições especializadas no rastreamento das três etapas fundamentais: geração, transmissão e distribuição.

Redelectrica2.png

Diagrama esquematizado do sistema de fornecimento eléctrico

Transporte de energia eléctrica

Torre para o transporte de energia eléctrica.

A rede de transporte é a parte do sistema constituída pelos elementos necessários para levar até os pontos de consumo e através de grandes distâncias a energia gerada nas centrais eléctricas. Para isso, os volumes de energia eléctrica produzidos devem ser transformados, se elevando seu nível de tensão. Isto se faz considerando que para um determinado nível de potência a transmitir, ao elevar o voltaje se reduz a intensidade de corrente eléctrica que circulará, se reduzindo as perdas por efeito Joule. Com este fim empregam-se subestaciones elevadoras com equipas eléctricas denominados transformadores. Desta maneira, uma rede de transmissão opera usualmente com voltajes da ordem de 220 kV e superiores, denominados alta tensão, de 440 kV.

Parte fundamental da rede são as linhas de transporte. Uma linha de transporte de energia eléctrica ou linha de alta tensão é o médio físico mediante o que se realiza a transmissão da energia a grandes distâncias. Está constituída tanto pelo elemento condutor, usualmente cabos de cobre ou alumínio, como por seus elementos de suporte, as torres de alta tensão. Os cabos de alta tensão estão sujeitos a tracções causadas pela combinação de agentes como o vento, a temperatura do condutor, a temperatura do ar, etc. O voltaje e a capacidade da linha de transmissão afectam o tamanho destas estruturas principais. As torres podem ser mastros simples de madeira para as linhas de transmissão pequenas até 46 kV. Empregam-se estruturas de mastros de madeira em forma de H, para as linhas de 69 a 231 kV. Utilizam-se estruturas de aço independentes, de circuito simples, para as linhas de 161 kV ou mais. É possível ter linhas de transmissão de até 1.000 kV.

O impacto ambiental potencial das linhas de transmissão inclui a rede de transporte, o direito de via, as praias de distribuição, as subestaciones e os caminhos de acesso ou manutenção. As estruturas principais da linha de transmissão são a linha mesma, os condutores, as torres e suporte-los.[38] Os impactos ambientais negativos das linhas de transmissão são causados pela construção, operação e manutenção das mesmas. Ao colocar linhas a baixa altura ou localizá-las próximas a áreas com actividades humanas —como estradas ou edifícios— se incrementa o risco de electrocución. Normalmente, as normas técnicas reduzem este perigo. As torres e as linhas de transmissão podem interromper a trajectória de voo dos aviões cerca dos aeroportos e pôr em perigo as naves que voam muito baixo, especialmente, as que se empregam para actividades agrícolas.[39]

Veja-se também: Alta tensão eléctrica

Distribuição de energia eléctrica

A rede de distribuição é um componente do sistema de fornecimento, sendo responsabilidade das companhias revendedoras. A distribuição da energia eléctrica desde as subestaciones de transformação da rede de transporte realiza-se em duas etapas.

A primeira está constituída pela rede de partilha, que, partindo das subestaciones de transformação, reparte a energia, normalmente mediante anéis que rodeiam os grandes centros de consumo, até chegar às estações transformadoras de distribuição. As tensões utilizadas estão compreendidas entre 25 e 132 kV. Intercaladas nestes anéis estão as estações transformadoras de distribuição, encarregadas de reduzir a tensão desde o nível de partilha ao de distribuição em média tensão.

A segunda etapa constitui-a a rede de distribuição propriamente dita, com tensões de funcionamento de 3 a 30 kV e com uma disposição em rede radial. Esta rede cobre a superfície dos grandes centros de consumo (população, grande indústria, etc.), unindo as estações transformadoras de distribuição com os centros de transformação, que são a última etapa do fornecimento em média tensão, já que as tensões à saída destes centros é de baixa tensão (125/220 ou 220/380 ).[40]

As linhas que formam a rede de distribuição se operam de forma radial, sem que formem malhas. Quando existe uma avaria, um dispositivo de protecção situado ao princípio da cada rede o detecta e abre o interruptor que alimenta esta rede. A localização de avarias faz-se pelo método de prova e erro", dividindo a rede que tem a avaria em metades e fornecendo energia a uma delas; à medida que dimensiona-se a zona com avaria, devolve-se o fornecimento ao resto da rede. Isto ocasiona que em decorrência da localização se possam produzir várias interrupções a um mesmo utente da rede.

A topologia de uma rede de distribuição refere-se ao esquema ou arranjo da distribuição, isto é a forma em que se distribui a energia por médio da disposição dos segmentos dos circuitos de distribuição. Esta topologia pode ter as seguintes configurações:

Como sistemas de protecção se utilizam condutores isolados, fusibles, seccionadores em ónus, seccionalizadores, órgãos de corte de rede, reconectadores, interruptores, pararrayos antena, pararrayos autoválvulas e protecções secundárias sócias a transformadores de medida, como são relés de protecção.[41]

Medidas eléctricas

Unidades eléctricas

Culombio (C, unidade de ónus eléctrica)
Conexão de um amperímetro em um circuito.

A introdução das magnitudes eléctricas requer acrescentar uma nova unidade fundamental à física: a de ónus eléctrica. Esta unidade, que não pode derivar das unidades da mecânica, foi originalmente denominada Coulomb (termo castellanizado a culombio, cujo símbolo é C) em honra a Charles-Augustin de Coulomb, primeiro que mediu directamente a força entre ónus eléctricos. Devido à grande dificuldade de medir directamente o ónus eléctricos com precisão, tomou-se como unidade básica a unidade de corrente eléctrica, que no Sistema Internacional de Unidades é o amperio. A unidade de ónus resulta então uma unidade derivada, que se define como a quantidade de ónus eléctrica que flui durante 1 segundo através da secção de um condutor que transporta uma intensidade constante de corrente eléctrica de 1 amperio:

C = A \cdot s
Volt (V, unidade de potencial eléctrico e força electromotriz)

O volt define-se como a diferença de potencial ao longo de um condutor quando uma corrente com uma intensidade de um amperio utiliza um vatio de potência:

V=\frac{J}{C}=\dfrac{\mbox{m}^2 \cdot \mbox{kg}}{\mbox{s}^3 \cdot \mbox{A}}
Ohmio (Ω, unidade de resistência eléctrica)

Um ohmio é a resistência eléctrica que existe entre dois pontos de um condutor quando uma diferença de potencial constante de 1 volt aplicada entre estes dois pontos produz, em dito condutor, uma corrente de intensidade 1 amperio, quando não tenha força electromotriz no condutor:

\Omega = \dfrac{\mbox{V}}{\mbox{A}} = \dfrac{\mbox{m}^2 \cdot \mbox{kg}}{\mbox{s}^{3} \cdot \mbox{A}^2}
Condensador ideal cuja capacidade se expressa em faradios .
Siemens (S, unidade de conductancia eléctrica)

Um siemens é a conductancia eléctrica que existe entre dois pontos de um condutor que tem um ohmio de resistência:

S=\frac{1}{\Omega}
Faradio (F, unidade de capacidade eléctrica)

Um faradio é a capacidade de um capacitor entre cujas armaduras aparece uma diferença de potencial eléctrico de 1 volt quando está carregado de uma quantidade de electricidade igual a um culombio:[42]

\mbox{F}
= \,\mathrm \frac{A \cdot s}{V}
= \dfrac{\mbox{C}}{\mbox{V}}
= \dfrac{\mbox{C}^2}{\mbox{J}}
= \dfrac{\mbox{C}^2}{\mbox{N} \cdot \mbox{m}}
= \dfrac{\mbox{s}^2 \cdot \mbox{C}^2}{\mbox{m}^{2} \cdot \mbox{kg}}
= \dfrac{\mbox{s}^4 \cdot \mbox{A}^2}{\mbox{m}^{2} \cdot \mbox{kg}}
Tesla (T, unidade de densidade de fluxo magnético e inductividad magnética)

Um tesla é uma indução magnética uniforme que, repartida normalmente sobre uma superfície de um metro quadrado, produz através desta superfície um fluxo magnético total de um weber:

T=\frac{Wb}{m^2}=\frac{V \cdot s}{m^2}=\frac{kg}{s^2 \cdot A}
Weber (Wb, unidade de fluxo magnético)

Um weber é o fluxo magnético que, ao atravessar um circuito de uma sozinha espira, produz na mesma uma força electromotriz de 1 volt se se anula dito fluxo em 1 segundo por decrecimiento uniforme:

Wb=V \cdot s=T \cdot m^2=\frac{m^2 \cdot kg}{s^2 \cdot A}
Henrio (H, unidade de inductancia )

Um henrio é a inductancia de um circuito no que uma corrente que varia a razão de um amperio por segundo dá como resultado uma força electromotriz autoinducida de um volt:

H=\frac{V \cdot s}{A}=\frac{ m^2 \cdot kg }{s^2 \cdot A^2}

Instrumentos de medida

Denominam-se instrumentos de medidas de electricidade a todos os dispositivos que se utilizam para medir as magnitudes eléctricas e assegurar assim o bom funcionamento das instalações e máquinas eléctricas. A maioria são aparelhos portáteis de mão e utilizam-se para a montagem; há outros instrumentos que são conversores de medida e outros métodos de ajuda à medida, a análise e a revisão. A obtenção de dados cobra a cada vez mais importância no âmbito industrial, profissional e privado. Se demandan, sobretudo, instrumentos de medida práticos, que operem de um modo rápido e preciso e que ofereçam resultados durante a medida.

Princípio de funcionamento de um galvanómetro.

Existem muitos tipos de instrumentos diferentes sendo os mais destacados os amperímetros, voltímetros, óhmetros, multímetros e osciloscopios.[43]

Galvanómetro

Artigo principal: Galvanómetro

Os galvanómetros são aparelhos que se empregam para indicar o passo de corrente eléctrica por um circuito e para a medida precisa de sua intensidade. Costumam estar baseados nos efeitos magnéticos ou térmicos causados pelo passo da corrente.[44]

Em um galvanómetro de íman móvel a agulha indicadora está associada a um íman que se encontra situado no interior de uma bobina pela que circula a corrente que tratamos de medir e que cria um campo magnético que, dependendo do sentido da mesma, produz uma atração ou repulsión do íman proporcional à intensidade de dita corrente.

No caso dos galvanómetros térmicos, o que se põe de manifesto é o alongamento produzido ao se aquecer, pelo Efeito Joule, ao passo da corrente, um fio muito fino arrollado a um cilindro solidario com a agulha indicadora.

Amperímetros

Amperímetro de pinza.
Artigo principal: Amperímetro

Um amperímetro é um instrumento que serve para medir a intensidade de corrente que está a circular por um circuito eléctrico.[45] Em seu desenho original os amperímetros estão constituídos, em esencia, por um galvanómetro cuja escala tem sido graduada em amperios. Na actualidade, os amperímetros utilizam um conversor analógico/digital para a medida da queda de tensão sobre um resistor pelo que circula a corrente a medir. A leitura do conversor é lida por um microprocesador que realiza os cálculos para apresentar em um display numérico o valor da corrente circulante.

Para efectuar a medida da intensidade da corrente circulante o amperímetro tem de colocar-se em série, para que seja atravessado por dita corrente. Isto leva a que o amperímetro deve possuir uma resistência interna o mais pequena possível, a fim de que não produza uma queda de tensão apreciable. Para isso, no caso de instrumentos baseados nos efeitos electromagnéticos da corrente eléctrica, estão dotados de bobinas de fio grosso e com poucas espiras.[46]

Voltímetros

Artigo principal: Voltímetro
Dois voltímetros digitais.

Um voltímetro é um instrumento que serve para medir a diferença de potencial ou voltaje entre dois pontos de um circuito eléctrico fechado mas ao mesmo tempo aberto nos pólos. Os voltímetros classificam-se por seu funcionamento mecânico, sendo em todos os casos o mesmo instrumento:

Para efectuar a medida da diferença de potencial o voltímetro tem de colocar-se em paralelo, isto é, em derivação sobre os pontos entre os que se trata de efectuar a medida. Para isso, no caso de instrumentos baseados nos efeitos electromagnéticos da corrente eléctrica, estão dotados de bobinas de fio muito fino e com muitas espiras, com o que com pouca intensidade de corrente através do aparelho se consegue a força necessária para a deslocação da agulha indicadora.[47]

Óhmetro

Artigo principal: Óhmetro
Óhmetro.

Um óhmetro ou ohmímetro é um instrumento para medir a resistência eléctrica. O desenho de um óhmetro compõe-se de uma pequena batería para aplicar um voltaje à resistência baixo medida, para depois mediante um galvanómetro medir a corrente que circula através da resistência. A escala do galvanómetro está calibrada directamente em ohmios , já que em aplicação da lei de Ohm, ao ser o voltaje da batería fixo, a intensidade circulante através do galvanómetro só vai depender do valor da resistência baixo medida, isto é, a menor resistência maior intensidade de corrente e vice-versa.

Existem também outros tipos de óhmetros mais exactos e sofisticados, nos que a batería tem sido substituída por um circuito que gera uma corrente de intensidade constante I, a qual se faz circular através da resistência R baixo prova. Um óhmetro de precisão tem quatro terminais, denominados contactos Kelvin. Dois terminais levam a corrente constante desde o medidor à resistência, enquanto os outros dois permitem a medida do voltaje directamente entre terminais da mesma, com o que a queda de tensão nos condutores que aplicam dita corrente constante à resistência baixo prova não afecta à exactidão da medida.[48]

Multímetro

Artigo principal: Multímetro
Multímetro digital onde podem se medir várias magnitudes eléctricas.

Um multímetro, chamado também polímetro ou tester, é um instrumento que oferece a possibilidade de medir diferentes magnitudes no mesmo aparelho. As mais comuns são as de voltímetro, amperímetro e óhmetro. É utilizado frequentemente pelo pessoal técnico em toda a faixa de electrónica e electricidade. Existem diferentes modelos que incorporam além das três funções básicas dantes citadas outras medidas importantes, tais como medida de inductancias e capacitancias; comprobador de diodos e transistores; ou escalas e zócalos para a medida de temperatura mediante termopares padrão.

Também há multímetros com funções avançadas que permitem: gerar e detectar a frequência intermediária de um aparelho, bem como um circuito amplificador com altavoz para ajudar na sintonía de circuitos destes aparelhos; o rastreamento do sinal através de todas as etapas do receptor baixo prova; realizar a função de osciloscopio acima do milhão de mostras por segundo em velocidade de varredura, e muito alta resolução; sincronizar com outros instrumentos de medida, inclusive com outros multímetros, para fazer medidas de potência pontual (potência = voltaje * intensidade); utilizar-se como aparelho telefónico, para poder ligar a uma linha telefónica baixo prova, enquanto se efectuam medidas pela mesma ou por outra adjacente; realizar verificações de circuitos de electrónica do automóvel e gravação de ráfagas de alto ou baixo voltaje.

Este instrumento de medida por seu preço e sua exactidão segue sendo o preferido do aficionado ou profissional em electricidade e electrónica. Há dois tipos de multímetros: analógicos e digitais.[49]

Osciloscopio

Artigo principal: Osciloscopio
Osciloscopio Tektronik.

Denomina-se osciloscopio a um instrumento de medida electrónico para a representação gráfica de sinais eléctricas que podem variar no tempo, que permite visualizar fenómenos transitórios bem como formas de ondas em circuitos eléctricos e electrónicos e mediante sua análise se pode diagnosticar com facilidade quais são os problemas do funcionamento de um determinado circuito. É um dos instrumentos de medida e verificação eléctrica mais versáteis que existem e se utiliza em uma grande quantidade de aplicações técnicas. Um osciloscopio pode medir um grande número de fenómenos, se vai provisto do transductor adequado.

O osciloscopio apresenta os valores dos sinais eléctricos em forma de coordenadas em um ecrã, na que normalmente o eixo X (horizontal) representa tempos e o eixo E (vertical) representa tensões. A imagem assim obtida se denomina oscilograma. Costumam incluir outra entrada, chamada eixo Z" que controla a luminosidade do faz, permitindo realçar ou apagar alguns segmentos da traça. O funcionamento do osciloscopio está baseado na possibilidade de desviar um faz de elétrons por médio da criação de campos eléctricos e magnéticos. As dimensões do ecrã do TRC estão actualmente padrão na maioria de instrumentos, a 10 cm no eixo horizontal (X) por 8 cm no eixo vertical (E).

O osciloscopio fabrica-se baixo muitas formas diferentes, não só quanto ao aspecto puramente físico senão quanto a suas características internas e por tanto a suas prestações e possibilidades de aplicação das mesmas. Existem dois tipos de osciloscopios: analógicos e digitais. Os analógicos trabalham com variáveis contínuas enquanto os digitais fazem-no com variáveis discretas. Ambos tipos têm suas vantagens e inconvenientes. Os analógicos são preferíveis quando é prioritario visualizar variações rápidas do sinal primeiramente em tempo real. Os osciloscopios digitais utilizam-se quando se deseja visualizar e estudar eventos não repetitivos, como bicos de tensão que se produzem aleatoriamente.

Analizador de espectro

Artigo principal: Analizador de espectro
Analizador de espectro.

Um analizador de espectro é uma equipa de medida electrónica que permite visualizar em um ecrã as componentes espectrales dos sinais presentes na entrada, podendo ser estas qualquer tipo de ondas eléctricas, acústicas ou ópticas.

No eixo de ordenadas costuma apresentar em uma escala logarítmica o nível em dB do conteúdo espectral do sinal. No eixo de abscisas representa-se a frequência, em uma escala que é função da separação temporária e o número de mostras capturadas. Denomina-se frequência central do analizador à que corresponde com a frequência no ponto médio do ecrã. Com frequência mede-se com eles o espectro da potência eléctrica.[50]

Na actualidade está a ser substituído pelo analizador vectorial de sinais.

Potência eléctrica

Artigo principal: Potência eléctrica

Denomina-se potência eléctrica (P) à energia eléctrica consumida por unidade de tempo. No Sistema Internacional de Unidades mede-se em vatios (W), unidade equivalente a julhos por segundo (J/s).

A energia consumida por um dispositivo eléctrico mede-se em vatios-hora (Wh), ou em kilowatios-hora (kWh). Normalmente as empresas que fornecem energia eléctrica à indústria e os lares, em lugar de facturar o consumo em vatios-hora, o fazem em kilovatios-hora (kWh). A potência em vatios (W) ou kilovatios (kW) de todos os aparelhos eléctricos deve figurar junto com a tensão de alimentação em uma placa metálica localizada, geralmente, na parte trasera de ditos equipas. Nos motores, essa placa acha-se colocada em um de seus custados e no caso das bombillas de alumbrado o dado vem impresso no cristal ou em sua base.

Quando se trata de corrente contínua (DC) a potência eléctrica desenvolvida em um verdadeiro instante por um dispositivo de dois terminais é o produto da diferença de potencial entre ditos terminais e a intensidade de corrente que passa através do dispositivo. Isto é: P = V\cdot I\,

Quando o dispositivo é uma resistência de valor R ou se pode calcular a resistência equivalente do dispositivo, a partir dela a potência também pode se calcular como P = R\cdot I^2 = {V^2 \over R}

Potência de ónus reactivas

Relação entre potências activas, aparentes e reactivas.

Para calcular a potência de alguns tipos de equipas que trabalham com corrente alternada, é necessário ter em conta também o valor do factor de potência ou cosseno de phi (cos \phi) que possuem. Nesse caso encontram-se as equipas que trabalham com ónus reactiva ou inductiva, isto é, aqueles aparelhos que para funcionar utilizam uma ou mais bobinas ou enrollado de arame de cobre, como ocorre, por exemplo, com os motores eléctricos, ou também com os aparelhos de ar acondicionado ou os canos fluorescentes.

O ónus reactivas ou inductivas, que possuem os motores eléctricos, têm um factor de potência menor que “1” (geralmente seu valor varia entre 0,85 e 0,98), pelo qual a eficiência de trabalho da equipa em questão e da rede de fornecimento eléctrico diminui quando o factor se afasta muito da unidade, se traduzindo em uma maior despesa de energia e em um maior desembolso económico.

Potência activa

É a potência que representa a capacidade de um circuito para realizar um processo de transformação da energia eléctrica em trabalho. Os diferentes dispositivos eléctricos existentes convertem a energia eléctrica em outras formas de energia tais como: mecânica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potência é, portanto, a realmente consumida pelos circuitos. Quando se fala de demanda eléctrica, é esta potência a que se utiliza para determinar dita demanda.

De acordo com sua expressão, a lei de Ohm e o triângulo de impedancias :

P = I \cdot V \cdot \cos \phi = I \cdot Z \cdot I \cos \phi = I^2\cdot Z \cdot \cos \phi = I^2\cdot R

Resultado que indica que a potência activa é devida aos elementos resistivos.

Elementos de segurança

Artigo principal: Cortocircuito
Quadro eléctrico de segurança em uma moradia, composto por limitador de potência, interruptores magnetotérmicos e interruptores diferenciais.

As instalações eléctricas dispõem de vários elementos de segurança para diminuir o risco de acidentes, como os causados por cortocircuitos, sobrecargas ou contacto de pessoas ou animais com elementos em tensão.

Um cortocircuito ocorre quando falha um aparelho ou linha eléctrica pelo que circula corrente, e esta passa directamente:

O cortocircuito produz-se normalmente por falhas no aislante dos condutores, quando estes ficam submersos em um médio condutor como a água ou por contacto acidental entre condutores aéreos por fortes ventos ou rompimento dos apoios. Como um cortocircuito pode causar danos importantes nas instalações eléctricas e incêndios em edifícios, as instalações estão normalmente dotadas de fusibles, interruptores magnetotérmicos ou diferenciais e tomadas de terra, a fim de proteger às pessoas e as coisas.[51]

Fusible industrial de 200 amperios.
Instalação domiciliária de tomada a terra mediante pica de cobre.

Aplicações da electricidade

Máquinas eléctricas

Artigo principal: Máquinas eléctricas

Em 1831 o físico e químico inglês Michael Faraday, que foi discípulo do químico Humphry Davy, descobriu a indução electromagnética. O conhecimento deste fenómeno tem permitido obter energia eléctrica a partir de energia mecânica, o que tem sido um elemento finque no desenvolvimento da tecnologia. O processo realiza-se mediante aparelhos denominados dinamos e geradores. Em 1870 o belga Zénobe Gramme perfeccionó os inventos de dinamos que existiam e reinventó os primeiros geradores comerciais a grande escala, que começaram a funcionar em Paris em torno de 1870. Seu desenho conhece-se como a dinamo de Gramme.

Também se aplica a indução electromagnética para a construção de motores movidos por energia eléctrica, que permitem o funcionamento de inumeráveis dispositivos.

Gerador eléctrico

Artigo principal: dinamo
Esquema de um alternador.

Nikola Tesla, um inventor sérvio-americano, descobriu o princípio do campo magnético rotatório em 1882, o qual é a base da maquinaria de corrente alternada. Também descobriu o sistema de motores e geradores de corrente alternada polifásica que dá energia à sociedade moderna. O gerador eléctrico rotativo está destinado a produzir forças electromotrices que sejam funções sinusoidais do tempo. Os alternadores monofásicos produzem uma sozinha força electromotriz, os trifásicos produzem três e, em general, os de n fases produzem n forças electromotrices.[56] O alternador é uma máquina destinada a transformar a energia mecânica em eléctrica, gerando, mediante fenómenos de indução electromagnética, uma corrente alternada. Os alternadores estão fundados no princípio de que, em um condutor submetido a um campo magnético variável, se cria uma tensão eléctrica induzida cuja polaridad depende do sentido do campo e seu valor do fluxo que o atravessa.

Um alternador consta de duas partes fundamentais: um inductor que cria um campo magnético, e um induzido que é atravessado pelas linhas de força de dito campo magnético. O tamanho dos alternadores é muito variável, desde os de tamanho enorme que há nas centrais termoeléctricas, os médios que estão situados nas aerogeneradores ou os pequenos alternadores que levam instalados os automóveis e demais meios de transporte.

Motor eléctrico

Artigo principal: Motor eléctrico
Esquema de um motor eléctrico.

Desde que Faraday descreveu o processo de indução e geração da corrente eléctrica, iniciaram-se experiências e projectos que culminaram com o invento e fabricação dos diferentes tipos de motores eléctricos que existem. O passo definitivo conseguiu-o o engenheiro Tesla que, em 1887, fabricou o primeiro motor asíncrono trifásico de corrente alternada. Um motor eléctrico é um dispositivo dinamoeléctrico encarregado de transformar energia eléctrica em energia mecânica por médio da interacção de campos magnéticos.

Os motores eléctricos são amplamente utilizados em instalações industriais e electrodomésticos, por sua economia, limpeza, comodidade e segurança de funcionamento. Fabricam-se desde potências muito pequenas até grandes potências, e com velocidades fixas, ajustables ou variáveis. Tanto os motores de corrente alternada como os motores de corrente contínua se baseiam no mesmo princípio de funcionamento, o qual estabelece que se um condutor pelo que circula uma corrente eléctrica se encontra dentro da acção de um campo magnético, este tende a se deslocar perpendicularmente às linhas de acção do campo magnético. Por outro lado, quando passa corrente eléctrica por um condutor se produz um campo magnético. Em consequência, se põe-lho dentro da acção de um campo magnético potente, o produto da interacção de ambos campos magnéticos faz que a condutor loja a se deslocar produzindo assim a energia mecânica. Dita energia é comunicada ao exterior mediante a rotação de um dispositivo chamado eixo, o qual leva acoplado geralmente uma polia de transmissão.

Transformador

Artigo principal: Transformador
Arquivo:Transformador.png
Representação esquemática do transformador.

A origem do transformador remonta-se a 1851, quando o físico alemão Heinrich Daniel Ruhmkorff desenhou o telefonema bobina de Ruhmkorff, precursora dos transformadores modernos. O transformador é uma máquina eléctrica carente de movimento que permite aumentar ou diminuir o voltaje ou tensão em um circuito eléctrico de corrente alternada, mantendo a frequência e a potência com um alto rendimento. Os transformadores são dispositivos baseados no fenómeno da indução electromagnética e estão constituídos, em sua forma mais simples, por duas bobinas devanadas sobre um núcleo fechado de ferro doce ou ferro silício. As bobinas ou devanados denominam-se primário e secundário, segundo correspondam à entrada ou saída do sistema em questão, respectivamente. O funcionamento produz-se quando se aplica uma força electromotriz alternada no devanado primário, as variações de intensidade e sentido da corrente alternada criarão um campo magnético variável dependendo da frequência da corrente. Este campo magnético variável originará, por indução, o aparecimento de uma força electromotriz nos extremos do devanado secundário. A relação teórica entre a força electromotriz inductora (Ep), a aplicada ao devanado primário e a força electromotriz induzida (É), a obtida no secundário, é directamente proporcional ao número de espiras dos devanados primário (Np) e secundário (Ns) .

\frac{Ep}{Es}=\frac{Np}{Ns}
Esquema funcional de um transformador.

A razão de transformação do voltaje entre o enrolado primário e o secundário depende por tanto do número de ruletas que tenha a cada um. Se o número de voltas do secundário é o triplo do primário. No secundário terá o triplo de tensão.

\frac{Np}{Ns}=\frac{Vp}{Vs}

Esta particularidad tem sua utilidade para o transporte de energia eléctrica a longa distância, ao poder efectuar-se o transporte a altas tensões e pequenas intensidades e por tanto com pequenas perdas. O transformador tem feito possível a distribuição de energia eléctrica a todos os lares, indústrias, etc. Se não fora pelo transformador teria que se encurtar a distância que separa aos geradores de electricidade dos consumidores. O transformador encontramo-lo em muitos lugares, nos lustres de baixo consumo, cargadores de pilhas, veículos, em sótanos de edifícios, nas centrais hidroeléctricas e outros geradores de electricidade. Seu tamanho pode variar desde muito pequenos a enormes transformadores que podem pesar mais de 500 t.[57]

Máquinas frigoríficas e ar acondicionado

Artigo principal: Máquina frigorífica
Máquina térmica de frio e calor.

A invenção das máquinas frigoríficas tem suposto um avanço importante em todos os aspectos relacionados com a conservação e trasiego de alimentos frescos que precisam se conservar frios para que tenham maior duração em seu estado natural, e em conseguir uma climatización adequada em moradias e locais públicos. As máquinas frigoríficas classificam-se em congeladoras e em refrigeradoras. As de uso industrial estão localizadas em empresas, barcos ou camiões que trabalham com alimentos congelados ou refrigerados; no âmbito doméstico utilizam-se máquinas conhecidas com o nome de frigorífico e congelador, bem como aparelhos de ar acondicionado que estão presente a muitas moradias variando em prestações e capacidade.

Em 1784 William Cullen constrói a primeira máquina para arrefecer, mas até 1927 não se fabricam os primeiros refrigeradores domésticos (de General Electric). Quatro anos mais tarde, Thomas Midgley descobre o freón, que por suas propriedades tem sido desde então muito empregado como fluído de trabalho em máquinas de enfriamiento como equipas de ar acondicionado e refrigeradores, tanto a escala industrial como doméstica. No entanto, demonstrou-se que o freón e os compostos químicos similares a ele, também conhecidos como clorofluorocarburos (CFC), são os principais causantes da destruição na capa de ozónio, produzindo o buraco detectado na Antártida, pelo que em 1987 se assinou o Protocolo de Montreal para restringir o uso destes compostos. Na actualidade (2008) todas as máquinas frigoríficas utilizam gases refrigerantes que não prejudicam à capa de ozónio.[58] [59]

Uma máquina frigorífica é um tipo de máquina térmica generadora que transforma algum tipo de energia, habitualmente mecânica, em energia térmica para obter e manter em um recinto uma temperatura menor à temperatura exterior. A energia mecânica necessária pode ser obtida previamente a partir de outro tipo de energia, como a energia eléctrica mediante um motor eléctrico. Esta transferência realiza-se mediante um fluído frigorígeno ou refrigerante, que em diferentes partes da máquina sofre transformações de pressão, temperatura e fase (líquida ou gasosa); e que é posto em contacto térmico com os recintos para absorver calor de umas zonas e o transferir a outras.

Uma máquina frigorífica deve conter no mínimo os quatro seguintes elementos:

Tanto no evaporador como no condensador a transferência energética se realiza principalmente em forma de calor latente.

Diagrama do ciclo de uma bomba térmica simples: 1) condensador, 2) válvula de expansão, 3) evaporador, 4) compresor.

Desde o ponto de vista económico, o melhor ciclo de referigeração é aquele que extrai a maior quantidade de calor (Q2) do foco frio (T2) com o menor trabalho (W). Por isso, se define a eficiência de uma máquina frigorífica como o cociente Q2/W:

Eficiência  = \frac{Q2}{W} = \frac{Q_2}{Q_2-Q_1}

A máquina frigorífica pode-se utilizar como calentador (se veja Ciclo de Carnot). Para isso, basta com fazer que o foco quente seja a habitação, T1, e o frio o exterior. É o princípio de funcionamento da bomba de calor, que é mais ventajosa de utilizar que um caldeo por resistência eléctrica. Esta dupla função de produzir frio e calor utiliza-se nas equipas modernas de ar acondicionado que se instalam nas moradias.

O engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot foi o primeiro que abordou o problema do rendimento de um motor térmico.

Em Espanha, todas as empresas que se dedicam às actividades relacionadas com máquinas frigoríficas e climatización se enquadram baixo o conceito de frio industrial e os profissionais dedicados a estas tarefas recebem o nome de frigoristas.[60]

Veja-se também: Ciclo de Carnot

Electroimanes

Artigo principal: Electroimán
Electroimán de grandes dimensões empregado em Fermilab .

Um electroimán é um tipo de íman no que o campo magnético se produz mediante o fluxo de uma corrente eléctrica, desaparecendo assim que cessa dita corrente. Foi inventado pelo electricista britânico William Sturgeon em 1825. Sturgeon podia regular seu electroimán, o que supôs o princípio do uso da energia eléctrica em máquinas úteis e controlables, estabelecendo os alicerces para as comunicações electrónicas a grande escala.

O tipo mais simples de electroimán é um trozo de cabo enrollado. Uma bobina com forma de cano recto (parecido a um parafuso) chama-se solenoide, e quando ademais se curva de forma que os extremos coincidam se denomina toroide. Podem produzir-se campos magnéticos bem mais fortes se situa-se um «núcleo» de material paramagnético ou ferromagnético (normalmente ferro doce) dentro da bobina. O núcleo concentra o campo magnético, que pode então ser bem mais forte que o da própria bobina.

A principal vantagem de um electroimán sobre um íman permanente é que o campo magnético pode ser rapidamente manipulado em uma ampla faixa controlando a quantidade de corrente eléctrica. No entanto, precisa-se uma fonte contínua de energia eléctrica para manter o campo. Em aplicações onde não se precisa um campo magnético variável, os ímans permanentes costumam ser superiores. Adicionalmente, estes podem ser fabricados para produzir campos magnéticos mais fortes que os electroimanes de tamanho similar.[cita requerida]

Os electroimanes usam-se em muitas situações nas que se precisa um campo magnético variável rápida ou facilmente. Muitas destas aplicações implicam a deflección de fazes de partículas carregadas, como nos casos do cano de raios catódicos e o espectrómetro de massa.

Os electroimanes são os componentes essenciais de muitos interruptores, sendo usados nos travões e embraiagens electromagnéticos dos automóveis. Em alguns eléctricos, os travões electromagnéticos aderem-se directamente às guias. Usam-se electroimanes muito potentes em grúas para levantar pesados blocos de ferro e aço, bem como contêiners, e para separar magneticamente metais em chatarrerías e centros de reciclaje. Os comboios de levitación magnética empregam poderosos electroimanes para flutuar sem tocar a pista e assim poder ir a grandes velocidades. Alguns comboios usam forças atraentes, enquanto outros empregam forças repulsivas.

Os electroimanes usam-se nos motores eléctricos rotatórios para produzir um campo magnético rotatório e nos motores lineares para produzir um campo magnético itinerante que impulsione a armadura. Ainda que a prata é o melhor condutor da electricidade, o cobre é o material usado mais com frequência devido a seu baixo custo. Às vezes emprega-se alumínio para reduzir o peso.

Calcular a força sobre materiais ferromagnéticos é, em general, bastante complexo. Isto se deve às linhas de campo de contorno e às complexas geometrias. Pode simular-se usando análise de elementos finitos. No entanto, é possível estimar a força máxima baixo condições específicas. Se o campo magnético está confinado dentro de um material de alta permeabilidad, como é o caso de certas ligas de aço, a força máxima vem dada por:

F = \frac{B^2 A}{2 \mu_o}

onde:

Veja-se também: Motor eléctrico

Electroquímica

Artigo principal: Electroquímica

A área da química que estuda a conversão entre a energia eléctrica e a energia química é a electroquímica. Os processos electroquímicos são reacções redox em onde a energia libertada por uma reacção espontánea se transforma em electricidade, ou a electricidade se utiliza para induzir uma reacção química não espontánea. A este último processo conhece-se-lhe como electrólisis.

Diagrama simplificado do processo de electrólisis.

A palavra electrólisis procede de dois radicais: electro que faz referência a electricidade, e lisis, que quer dizer ruptura. A electrólisis consiste na descomposição mediante uma corrente eléctrica de substâncias ionizadas denominadas electrolitos. Por exemplo, na electrólisis da água desprendem-se oxigénio (Ou2) e hidrógeno (H2).

As reacções químicas dão-se na interfase de um condutor eléctrico (chamado eléctrodo, que pode ser um metal ou um semiconductor) e um condutor iónico (o electrolito) podendo ser uma dissolução e em alguns casos especiais, um sólido. Se uma reacção química é conduzida mediante um voltaje aplicado externamente, faz-se referência a uma electrólisis, em mudança, se o voltaje ou queda de potencial eléctrico, é criado como consequência da reacção química , se conhece como um "acumulador de energia eléctrica", também chamado batería ou cela galvánica.

No final do século XVIII (Ilustração), o anatomista e médico italiano Luigi Galvani marcou o nascimento da electroquímica de forma científica ao descobrir que ao passar electricidade pelas ancas de uma rana morrida estas se contraíam, e ao tocar ambos extremos dos nervos empregando o mesmo escalpelo mas descarregado não sucedia nada. Posteriormente, a fabricação da primeira batería da época moderna foi realizada por Alessandro Volta. Para mediados do século XIX, a renderização e estudo da electroquímica viram-se aclarados por Michael Faraday (leis da electrólisis) e John Daniell (pilha dependente só de iones metálicos zinco-cobre). A partir do século XX, a electroquímica permitiu a descoberta do ónus do elétron por Millikan, e o estabelecimento da moderna teoria de ácidos e bases de Brønsted. Ditas contribuições têm permitido que na actualidade (2008) a electroquímica se emparente a temas tão diversos que vão desde a electroquímica cuántica de Revaz Dogonadze ou Rudolph A. Marcus, até as celas fotovoltaicas e a quimiluminiscencia.[62]

Veja-se também: Electrólisis

Electroválvulas

Artigo principal: Electroválvula
A- Entrada B- Diafragma
C- Câmara de pressão
D- Conduto de casca de pressão
E- Solenoide
F- Saído.

Uma electroválvula é um dispositivo desenhado para controlar o fluxo de um fluído através de um conduto como pode ser um encanamento. É de uso muito comum nos circuitos hidráulicos e pneus de maquinaria e instalações industriais.

Uma electroválvula tem duas partes fundamentais: o solenoide e a válvula. O solenoide converte energia eléctrica em energia mecânica para actuar a válvula.

Existem vários tipos de electroválvulas. Em algumas electroválvulas o solenoide actua directamente sobre a válvula proporcionando toda a energia necessária para seu movimento. É corrente que a válvula se mantenha fechada pela acção de um berço e que o solenoide a abra vencendo a força do berço.

Também é possível construir electroválvulas biestables que usam um solenoide para abrir a válvula e outro para fechar ou bem um sozinho solenoide que abre com um impulso e fecha com o seguinte.

As electroválvulas podem ser fechadas em repouso ou normalmente fechadas o qual quer dizer que quando falha a alimentação eléctrica ficam fechadas ou bem podem ser do tipo abertas em repouso ou normalmente abertas que ficam abertas quando não há alimentação.

Há electroválvulas que em lugar de abrir e fechar o que fazem é bifurcar ou repartir a entrada entre duas saídas. Este tipo de electroválvulas com frequência usam-se nos sistemas de calefacção por zonas, o que permite aquecer várias zonas de forma independente utilizando uma sozinha bomba de circulação.

Em outro tipo de electroválvula o solenoide não controla a válvula directamente senão que o solenoide controla uma válvula piloto secundária e a energia para a actuação da válvula principal a fornece a pressão do próprio fluído.[63]

Veja-se também: Solenoide

Iluminação e alumbrado

Artigo principal: Iluminação física
Alumbrado de vias públicas.

A iluminação ou alumbrado público é a acção ou efeito de alumiar usando electricidade, vias públicas, monumentos, autopistas, aeroportos, recintos desportivos, etc., bem como a iluminação das moradias e especialmente a dos lugares de trabalho quando as condições de luz natural não proporcionam a visibilidade adequada.

Na técnica refere-se ao conjunto de lustres, bombillas, focos, canos fluorecentes, entre outros, que se instalam para produzir a iluminação requerida, tanto a níveis práticos como decorativos. Com a iluminação pretende-se, em primeiro lugar conseguir um nível de iluminação, ou iluminancia, adequado ao uso que se quer dar ao espaço alumiado, cujo nível dependerá da tarefa que os utentes tenham de realizar.

A iluminação nos centros de trabalho deve prevenir que se produza fadiga visual, que se ocasiona se os lugares de trabalho e as vias de circulação não dispõem de suficiente iluminação, já seja natural ou artificial, adequada e suficiente durante a noite e quando não seja suficiente a luz natural.[64]

Os locais, os lugares de trabalho e as vias de circulação nos que os trabalhadores estejam particularmente expostos a riscos em caso de avaria da iluminação artificial devem contar com uma iluminação de segurança de intensidade e duração suficiente. A iluminação deficiente ocasiona fadiga visual nos olhos, prejudica o sistema nervoso, degrada a qualidade do trabalho e é responsável por uma boa parte dos acidentes de trabalho.[65]

A fotometría é a ciência que se encarrega da medida da luz como o brilho percebido pelo olho humano. Isto é, estuda a capacidade que tem a radiación electromagnética de estimular o sistema visual. Neste âmbito a iluminancia é a quantidade de fluxo luminoso emitido por uma fonte de luz que incide, atravessa ou emerge de uma superfície por unidade de área. Sua unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades é o Lux: 1 Lux = 1 Lumen/m².

Em general, a iluminancia define-se segundo a seguinte expressão:

E_V =\frac{dF}{dS}

onde:

A seguinte tabela recolhe as principais magnitudes fotométricas, sua unidade de medida e a magnitude radiométrica sócia:

Magnitude fotométrica Símbolo Unidade Abreviatura Magnitude radiométrica sócia
Quantidade de luz ou energia luminosa \scriptstyle{Q_v} lumen•segundo lm•s Energia radiante
Fluxo luminoso ou potência luminosa \scriptstyle{F} lumen (= cd•sr) lm Fluxo radiante ou potência radiante
Intensidade luminosa \scriptstyle{I_v} candela cd Intensidade radiante
Luminancia \scriptstyle{L_v} candela /metro2 cd /m2 Radiancia
Iluminancia \scriptstyle{E_v} lux lx Irradiancia
Emitancia luminosa \scriptstyle{M_v} lux lx Emitancia radiante

A candela é uma unidade básica do SE. As restantes unidades fotométricas podem-se derivar de unidades básicas.

Veja-se também: Lustre incandescente

Produção de calor

Artigo principal: Efeito Joule
Um secador de cabelo é um exemplo doméstico do efeito Joule.

O físico britânico James Prescott Joule descobriu na década de 1860 que se em um condutor circula corrente eléctrica, parte da energia cinética dos elétrons se transforma em calor devido ao choque que sofrem com as moléculas do condutor pelo que circulam, elevando a temperatura do mesmo. Este efeito é conhecido como efeito Joule em honra a seu descubridor. Este efeito foi definido da seguinte maneira: "A quantidade de energia calorífica produzida por uma corrente eléctrica, depende directamente do quadrado da intensidade da corrente, do tempo que esta circula pelo condutor e da resistência que opõe o mesmo ao passo da corrente". Matematicamente expressa-se como

 Q = I^2\cdot R\cdot t \,

onde

Q é a energia calorífica produzida pela corrente;
I é a intensidade da corrente que circula e se mede em amperios;
R é a resistência eléctrica do condutor e mede-se em ohmios;
t é o tempo o qual se mede em segundos.

Assim, a potência dissipada por efeito Joule será:

 P = R\cdot I^2 = \frac{V^2}{R}\,

onde V é a diferença de potencial entre os extremos do condutor.

Microscópicamente o efeito Joule calcula-se através da integral de volume do campo eléctrico \vec{E} pela densidade de corrente \vec{J}:

 P = \int\!\!\!\int\!\!\!\int_V \vec{J}\cdot \vec{E} dV \,

A resistência é o componente que transforma a energia eléctrica em energia calorífica. Neste efeito baseia-se o funcionamento dos diferentes electrodomésticos que aproveitam o calor em suas prestações —braseiros, tostadoras, secadores de cabelo, calefacções, etc.— e alguns aparelhos empregados industrialmente —soldadores, fornos industriais, etc.— nos que o efeito útil procurado é, precisamente, o calor que desprende o condutor pelo passo da corrente. No entanto, na maioria das aplicações da electricidade é um efeito indeseado e a razão pela que os aparelhos eléctricos e electrónicos precisam um ventilador que dissipe o calor gerado e evite o aquecimento excessivo dos diferentes dispositivos.[66]

Robótica e máquinas CNC

Uma das inovações mais importantes e trascendentales na produção de todo o tipo de objectos na segunda metade do século XX tem sido a incorporação de robôs, autómatas programables e máquinas guiadas por Controle numérico por computador (CNC) nas correntes e máquinas de produção, principalmente em tarefas relacionadas com a manipulação, trasiego de objectos, processos de usinagem e solda. Estas inovações tecnológicas têm sido viables entre outras coisas pelo desenho e construção de novas gerações de motores eléctricos de corrente contínua controlados mediante sinais electrónicos primeiramente e saída e o giro que podem ter em ambos sentidos, bem como a variação de sua velocidade, de acordo com as instruções contidas no programa de computador que os controla. Nestas máquinas utilizam-se três tipos de motores eléctricos: motores passo a passo, servomotores ou motores encoder, e motores lineares.[67] A robótica é um ramo da tecnologia que estuda o desenho e construção de máquinas capazes de desempenhar tarefas repetitivas, tarefas nas que se precisa uma alta precisão, tarefas perigosas para o ser humano ou tarefas irrealizables sem intervenção de uma máquina. As ciências e tecnologias nas que se baseia são, entre outras, o álgebra, os autómatas programables, as máquinas de estados, a mecânica, a electrónica e a informática.

Um robô define-se como uma entidade feita pelo homem e uma conexão de retroalimentación inteligente entre o sentido e a acção directa baixo o controle de um computador previamente programado com as tarefas que tem que realizar. As acções deste tipo de robôs são geralmente levadas a cabo por motores ou actuadores que movem extremidades ou impulsionam ao robô. Para 1942, Isaac Asimov dá uma versão humanizada através de sua conhecida série de relatos, nos que introduz pela primeira vez o termo robótica com o sentido de disciplina científica encarregada de construir e programar robôs. Ademais, este autor propõe que as acções que desenvolve um robô devem ser dirigidas por uma série de regras morais, chamadas as Três leis da robótica.[68]

Os robôs são usados hoje em dia (2008) para levar a cabo tarefas sujas, perigosas, difíceis, repetitivas ou embotadas para os humanos. Isto usualmente toma a forma de um robô industrial usado nas linhas de produção. Outras aplicações incluem limpeza de residuos tóxicos, exploração espacial, minería, busca e resgate de pessoas e localização de minas terrestres. A manufactura continua sendo o principal mercado onde os robôs são utilizados. Em particular, os robôs articulados (similares em capacidade de movimento a um braço humano) são os mais usados comummente. As aplicações incluem soldado, pintado e ónus de maquinaria. A indústria automotriz tem tomado grande vantagem desta nova tecnologia onde os robôs têm sido programados para substituir o trabalho dos humanos em muitas tarefas repetitivas. Recentemente, conseguiu-se um grande avanço nos robôs dedicados à medicina que utiliza robôs de última geração em procedimentos de cirurgia invasiva mínima. A automação de laboratórios também é uma área em crescimento. Os robôs seguem abaratándose e empequeñeciéndose em tamanho, graças à miniaturización dos componentes electrónicos que se utilizam para os controlar. Também, muitos robôs são desenhados em simuladores muito dantes de que sejam construídos e interactúen com ambientes físicos reais.

Sinais luminosos

Artigo principal: Semáforo

Denomina-se señalización de segurança ao conjunto de sinais que, referido a um objecto, actividade ou situação determinada, proporcione uma indicação ou uma obrigação relativa à segurança ou a saúde no trabalho mediante um sinal em forma de painel, uma cor, um sinal luminoso ou acústica, uma comunicação verbal ou um sinal gestual, segundo proceda.[69]

Há dois tipos de sinais luminosas: as que actuam de forma intermitente e as que actuam de forma continuada. Os sinais luminosos têm o seguinte código de cores:

Quando se utilize um sinal luminoso intermitente, a duração e frequência dos destellos deverão permitir a correcta identificação da mensagem, evitando que possa ser percebida como contínua ou confundida com outros sinais luminosos.

Semáforos
Arquivo:Traffic Lights 012.jpg
Semáforo em via pública.

Um semáforo é um dispositivo eléctrico que regula o tráfico de veículos e peatones nas interseções de vias urbanas que suportem muito tráfico. Também se utilizam semáforos nas vias de comboios paar regular o tráfico de convoyes pelas vias. O tipo mais frequente tem três luzes de cores:

Foi em 1914 quando se instalou o primeiro semáforo eléctrico, em Cleveland (Estados Unidos). Contava com luzes vermelhas e verdes, colocadas sobre uns suportes com forma de braço e ademais incorporava um emissor de zumbidos.

Os semáforos têm ido evoluindo com o passo do tempo e actualmente (2008) estão a utilizar-se lustres a LED para a señalización luminosa, já que os lustres de LED utilizam só 10% da energia consumida pelos lustres incandescentes, têm uma vida estimada 50 vezes superior, e por tanto geram importantes poupanças de energia e de manutenção, satisfazendo o objectivo de conseguir uma maior confiabilidade e segurança pública.

A óptica de LED está composta por uma placa de circuito impresso, policarbonato de protecção, bucha roscante E-27, todos estes elementos integrados sobre um suporte cônico. O circuito impresso, policarbonato de protecção e envolvente cônica, possuem orifícios de ventilación para facilitar a evacuação de calor de seu interior.[70]

Telecomunicações

Artigo principal: Telecomunicações
Satélite artificial de comunicações.

O termo telecomunicação ficou definido em 1973 pela União Internacional de Telecomunicações (ITU) nos termos seguintes: "Telecomunicação é toda a transmissão, emissão ou recepção, de signos, sinais, escritos, imagens, sons ou informações de qualquer natureza por fio, radioelectricidad, meios ópticos ou outros sistemas electromagnéticos".[71]

A base matemática sobre a que se apoiam as telecomunicações foi desenvolvida pelo físico inglês James Clerk Maxwell. Maxwell, no prefacio de sua obra Treatise on Electricity and Magnetism (1873), predisse que era possível propagar ondas pelo espaço livre utilizando descargas eléctricas, feito que corroboró Heinrich Hertz em 1887, oito anos após a morte de Maxwell, e que, posteriormente, supôs o início da era da comunicação rápida a distância. Hertz desenvolveu o primeiro transmissor de rádio gerando radiofrequências entre 31 MHz e 1.25 GHz.

As telecomunicações começam na primeira metade do século XIX com o telégrafo eléctrico. Mais tarde desenvolveu-se o telefone, com o que foi possível se comunicar utilizando a voz, e, posteriormente, se produziu a revolução da comunicação inalámbrica: as ondas de rádio. A princípios do século XX aparece o teletipo que, utilizando o código Baudot, permitia enviar e receber texto em algo parecido a uma máquina de escrever. Em 1923 apresentou-se o primeiro aparelho de televisão, existindo controvérsia sobre quem foi o inventor do mesmo: Vladmir Kosma Zworykin ou Philo Taylor Farnsworth. Ambos homens estavam a trabalhar na criação do aparelho de TV ao mesmo tempo mas em diferentes lugares. Ainda que Zworykin conseguiu uma patente para a televisão em EE.UU. e por isso se lhe cita habitualmente como o primeiro inventor, Farnsworth foi capaz de produzir primeiro uma verdadeira imagem de televisão o 7 de setembro de 1927 .[72]

O auge das telecomunicações começa quando se situam no espaço os primeiros satélites de comunicações onde as ondas electromagnéticas se transmitem graças à presença no espaço de satélites artificiais situados em órbita ao redor da Terra. Um satélite actua basicamente como um repetidor situado no espaço: recebe os sinais enviados desde a estação terrestre e as reemite a outro satélite ou de volta aos receptores terrestres. Os satélites são postos em órbita mediante foguetes espaciais que os situam circundando a Terra a distâncias relativamente próximas fosse da atmosfera. As antenas utilizadas preferencialmente nas comunicações via satélite são as antenas parabólicas, que têm forma de parábola e a particularidad de que os sinais que incidem sobre sua superfície se refletem e incidem sobre o foco da parábola, onde se encontra o elemento receptor.

Com a posta em marcha dos satélites de comunicações tem sido possível dispor de muitos canais de televisão, o impressionante desenvolvimento da telefonia móvel e de Internet. Internet é um método de interconexión descentralizada de redes de computadores implementado em um conjunto de protocolos denominado TCP/IP e garante que redes físicas heterogéneas funcionem como uma rede lógica única, de alcance mundial. Suas origens remontam-se a 1969, quando se estabeleceu a primeira conexão de computadores, conhecida como ARPANET, entre três universidades em Califórnia e uma em Utah , EE. UU..

No século XXI as telecomunicações estão a evoluir para a interconexión global através de múltiplos dispositivos, a cada vez mais rápidos, compactos, potentes e multifuncionales. Já não é necessário estabelecer enlaces físicos entre dois pontos para transmitir a informação de um ponto a outro. Os factos ocorridos em um lugar podem transmitir-se a todo mundo, o que facilita as comunicações, o comércio globalizado e empregar novas técnicas de gestão como o método justo a tempo.

Uso doméstico

Artigo principal: Electrodoméstico
O emprego de bombillas de baixo consumo supõe uma poupança de até um 80% de energia com respeito às convencionais.

O uso doméstico da electricidade refere-se a seu emprego nos lares. Os principais usos são alumbrado, electrodomésticos, calefacção e ar acondicionado. Está a pesquisar-se em produzir aparelhos eléctricos que tenham a maior eficiência energética possível, bem como é necessário melhorar o acondicionamiento dos lares quanto a isolamento do exterior para diminuir o consumo de electricidade no uso da calefacção ou do ar acondicionado, que são os aparelhos de maior consumo eléctrico.

Denominam-se electrodomésticos a todas as máquinas ou aparelhos eléctricos que realizam tarefas domésticas rutinarias, como podem ser cozinhar, conservar os alimentos ou limpar, tanto para um lar como para instituições, comércios ou indústrias. Os electrodomésticos classificam-se comercialmente em três grupos:

Nos países da União Européia os fabricantes de electrodomésticos estão obrigados a etiquetar seus produtos com o telefonema etiqueta energética, com o fim de contribuir à poupança energética e à preservación do médio ambiente.

A etiqueta energética é uma ferramenta informativa que indica a quantidade de energia que consome um electrodoméstico e a eficiência com que utiliza essa energia, além de outros dados complementares do aparelho. Existem sete classes de etiquetas energéticas que se qualificam, em função dos consumos eléctricos, em diferentes cores e com letras do abecedario da A (mais eficiente) até o G (menos eficiente). Desta maneira, os utentes podem valorizar e comparar no mesmo momento de compra-a o rendimento energético dos diferentes modelos de um mesmo tipo de electrodoméstico. As comparações unicamente podem-se fazer entre electrodomésticos do mesmo tipo. Por exemplo, não é comparável o consumo eléctrico de uma lavadora de classe A com o de um lavavajillas da mesma classe, mas sim com o de outra lavadora de classe C.

A etiqueta tem que estar sempre visível no aparelho exposto. Nos casos de vendas por catálogo, por Internet ou por qualquer outro médio onde o consumidor não possa ver os aparelhos pessoalmente também se têm que incluir as prestações energéticas descritas na etiqueta.

Os electrodomésticos que, segundo o regulamento da União Européia, devem levar obrigatoriamente etiqueta energética são os seguintes: frigoríficos, congeladores e aparelhos combinados, lavadoras, secadoras e lava-secadoras, lavavajillas, fontes de luz, aparelhos de ar acondicionado, fornos eléctricos, calentadores de água e outros aparelhos que armazenem água quente.[73]

Uso na indústria

Diversos tipos de motores eléctricos.

Os principais consumidores de electricidade são as indústrias, destacando aquelas que têm em seus processos produtivos instalados grandes fornos eléctricos, tais como siderúrgicas, cementeras, cerâmicas e químicas. Também são grandes consumidores os processos de electrólisis (produção de cloro e alumínio) e as plantas de desalación de água de mar.

Em alguns países, por exemplo Espanha, existem uns contratos de fornecimento especiais com estes grandes consumidores de electricidade aos que se lhes concede uma tarifa muito baixa a mudança da possibilidade de lhes cortar o fornecimento eléctrico (o que lhes obriga a um desemprego técnico), quando as previsões meteorológicas prevêem ondas de calor ou de frio intenso, para evitar a saturación do fornecimento por causa do alto consumo doméstico de ar acondicionado ou calefacção. Estes grandes consumidores fazem também funcionar seus fornos mais potentes em horário nocturno quando a tarifa eléctrica é mais reduzida. No caso espanhol, o uso destas tarifas especiais poderia ser proibido pela Comissão Européia ao considerá-las incentivos injustos a costa dos demais utentes de electricidade.[74]

As indústrias também consomem electricidade para fornecer iluminação eléctrica quando não é possível a iluminação natural, a fim de prevenir que se produza fadiga visual nos trabalhadores, que se ocasiona se os lugares de trabalho e as vias de circulação não dispõem de suficiente iluminação, adequada e suficiente durante a noite.[75]

Outro campo geral de consumo eléctrico nas empresas constitui-o o dedicado à activação das máquinas de climatización tanto de ar acondicionado como de calefacção. O consumo de electricidade deste capítulo pode ser muito elevado se as instalações não estão construídas de acordo com princípios ecológicos de poupança de energia.

Assim mesmo, é de uso industrial a electricidade que se emprega nos diferentes tipos de solda eléctrica, processos de electrólisis , fornos eléctricos industriais utilizados em muitas tarefas diferentes, entre outros.

Um campo sensível do uso da electricidade nas empresas ou instituições constituem-no a alimentação permanente e a tensão constante que devem ter as instalações de computadores, porque um corte imprevisto de energia eléctrica pode danificar o trabalho que se realiza no momento do corte. Para evitar estes danos existem uns dispositivos de emergência que palían de forma momentánea a ausência de fornecimento eléctrico na rede.

Uso no transporte

Artigo principal: Locomotora

A electricidade tem uma função determinante no funcionamento de todo o tipo de veículos que funcionam com motores de explosão. Para produzir a electricidade que precisam estes veículos para seu funcionamento levam incorporado um alternador pequeno que é impulsionado mediante uma transmissão por polia desde o eixo do cigüeñal do motor. Ademais têm uma batería que serve de reserva de electricidade para que seja possível o arranque do motor quando este se encontra parado, activando o motor de arranque. Os componentes eléctricos mais importantes de um veículo de transporte são os seguintes: alternador, batería, equipa de alumbrado, equipa de ignição, motor de arranque, equipa de señalización e emergência, instrumentos de controle, entre outros.

A substituição dos motores de explosão por motores eléctricos é um tema ainda não resolvido, devido principalmente à escassa capacidade das baterías e à lentidão do processo de ónus bem como a sua autonomia limitada. Estão a realizar-se avanços no lançamento de automóveis híbridos com um duplo sistema de funcionamento: um motor de explosão térmico que carrega acumuladores e uns motores eléctricos que impulsionam a tracção nas rodas.

Um campo onde tem triunfado plenamente a aplicação das máquinas eléctricas tem sido o referido ao funcionamento dos caminhos-de-ferro.

Comboio de alta velocidade.

O processo de electrificación desenvolveu-se em duas fases. A primeira foi a substituição das locomotoras que utilizavam carvão pelas locomotoras telefonemas diésel que utilizavam gasóleo. As locomotoras diésel-eléctricas consistem basicamente em dois componentes, um motor diésel que move um gerador eléctrico, e vários motores eléctricos (conhecidos como motores de tracção) que comunicam às rodas a força tractiva que move à locomotora. Os motores de tracção alimentam-se com corrente eléctrica e depois, por médio de engrenagens, movem as rodas.

A posta em serviço de locomotoras eléctricas directas constituiu um avanço tecnológico importante. As locomotoras eléctricas são aquelas que utilizam como fonte de energia a energia eléctrica proveniente de uma fonte externa, para a aplicar directamente a motores de tracção eléctricos. Estas locomotoras requerem a instalação de cabos de alimentação ao longo de todo o percurso, que se situam a uma altura acima dos comboios a fim de evitar acidentes. Esta instalação conhece-se como catenaria. As locomotoras tomam a electricidade por um trole, que a maioria das vezes tem forma de pantógrafo e como tal se conhece. Nos anos 1980 integraram-se como propulsores de veículos eléctricos ferroviários os motores asíncronos, e apareceram os sistemas electrónicos de regulação de potência que deram o espaldarazo definitivo à eleição deste tipo de tracção pelas companhias ferroviárias. A meta dos comboios eléctricos constituem-no os chamados comboios de alta velocidade cujo desenvolvimento tem sido o seguinte:

Apesar do desenvolvimento das locomotoras eléctricas directas, em amplas zonas do planeta seguem-se utilizando locomotoras diésel.

Uso na medicina

Artigo principal: Electromedicina
Imagem radiológica em 3D .

O 8 de novembro de 1895, o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen descobriu que, quando os elétrons que se movem a elevada velocidade chocam com a matéria, dão lugar a uma forma de radiación altamente penetrante. A esta radiación denominou-se-lhe radiación X e sua descoberta é considerada como um dos mais extraordinários da ciência moderna.[77] Os raios X têm mostrado uma grande utilidade no campo da Medicina, concretamente no diagnóstico médico, porque permitem captar estruturas ósseas, permitindo assim diagnosticar fracturas ou qualquer transtorno ósseo.[78]

A radiología é a especialidad médica que emprega diferentes tipos de radiaciones com fins diagnósticos (detecção de doenças ou doenças) e terapêuticos (a cura das mesmas). A prática mais estendida é a dos raios X.[79] Em desenvolvimentos posteriores da radiología desenvolveram-se a tomografía axial computarizada TAC e a angiografía.

Outras técnicas de imagem médica que não utilizam radiaciones mas sim aparelhos eléctricos são a ressonância magnética nuclear (IRM), os ultrasonidos ou a ecografía.

Para os transtornos coronarios, utilizam-se os electrocardiogramas para o diagnóstico e os marcapasos, o coração artificial e os desfibriladores para o tratamento. Também a neurología e a neurofisiología utilizam equipamentos electrónicos de diagnóstico e tratamento. Assim mesmo utiliza-se laser de alta resolução para intervenções de lesões oculares e audífonos para melhorar a audição. Equiparam-se os quirófanos e unidades de reabilitação e cuidados intensivos (UVI) ou (UCI) com equipas electrónicas e informáticos de alta tecnologia. A radioterapia utiliza radiaciones ionizantes para tratar o cancro.

Por último, a electricidade tem permitido melhorar os instrumentos e técnicas de análise clínico, por exemplo mediante microscopios electrónicos de grande resolução.

Electrónica

Electrónica digital

Artigo principal: Circuito integrado
Detalhe de um circuito integrado.

A electrónica é o ramo da física e, fundamentalmente, uma especialização da engenharia, que estuda e emprega sistemas cujo funcionamento se baseia na condução e o controle do fluxo microscópico dos elétrons ou outras partículas carregadas electricamente.[80] Mediante o desenho e a construção de circuitos electrónicos podem-se resolver muitos problemas práticos. Faz parte dos campos da engenharia electrónica, electromecânica e a informática no desenho de software para seu controle.

Considera-se que a electrónica começou com o diodo de vazio inventado por John Ambrose Fleming em 1904. O funcionamento deste dispositivo está baseado no efeito Edison. Conforme passava o tempo as válvulas de vazio foram-se perfeccionando e melhorando, aparecendo outros tipos de válvulas. Dentro dos perfeccionamientos das válvulas encontrava-se sua miniaturización. Mas foi definitivamente com o transistor, aparecido da mão de John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley dos Laboratórios Bell Telephone em 1948, quando se permitiu ainda uma maior miniaturización dos aparelhos. O transistor de união apareceu algo mais tarde, em 1949, e é o dispositivo utilizado para a maioria das aplicações da electrónica. Suas vantagens com respeito às válvulas são entre outras: menor tamanho e fragilidad, maior rendimento energético e menores tensões de alimentação. O transistor não funciona em vazio como as válvulas, senão em um estado sólido semiconductor (silício), razão pela que não precisam centenas de volts de tensão para funcionar. Em 1958 desenvolveu-se o primeiro circuito integrado, que integrava seis transistores em um único chip. Em 1970 desenvolveu-se o primeiro microprocesador, Intel 4004.

Na actualidade, os campos de desenvolvimento da electrónica são tão vastos que se dividiu em várias ciências especializadas. A maior divisão consiste em distinguir a electrónica analógica da electrónica digital. A electrónica desenvolve na actualidade uma grande variedade de tarefas. Os principais usos dos circuitos electrónicos são o controle, o processado, a distribuição de informação, a conversão e a distribuição da energia eléctrica. Pode-se dizer que a electrónica abarca em general as seguintes áreas de aplicação: electrónica de controle, telecomunicações e electrónica de potência.[81]

Consumo de energia e eficiência energética

Contador doméstico de electricidade.
Artigo principal: Eficiência energética

Os aparelhos eléctricos quando estão a funcionar geram um consumo de energia eléctrica em função da potência que tenham e do tempo que estejam em funcionamento. Em Espanha, o consumo de energia eléctrica se contabiliza mediante um dispositivo precintado que se instala nos acessos à moradia, denominado contador, e que a cada dois meses revisa um empregado da companhia suministradora da electricidade anotando o consumo realizado nesse período. O kilovatio hora (kWh) é a unidade de energia na que se factura normalmente o consumo doméstico ou industrial de electricidade. Equivale à energia consumida por um aparelho eléctrico cuja potência fosse um kilovatio (kW) e estivesse a funcionar durante uma hora.

Exemplo de factura de consumo de energia eléctrica em um período de dois meses (Espanha, 2008)
Conceito Cálculo Valor
Potência contratada5,5 kW x 2 mesesx 1,642355 €/(kW • mês)18,07 €
Custo consumo966 kWh x 0,091437 €/kWh88.33 €
Imposto electricidade 106,40 € x 1,05113 x 4,864 %5,44 €
Aluguer de contador0,60 €/mês x 2 meses 1,20 €
Imposto valor acrescentado (IVA) 16% x soma anterior18,09 €


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obra está baixo uma <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/">licença de Creative Commons</a ..>

Total factura 131,13 €
O refrigerador é o electrodoméstico dos lares que consome mais electricidade, pelo qual se deve fazer um uso racional do mesmo para conseguir uma boa poupança.

Dado o elevado custo da energia eléctrica e as dificuldades que existem para cobrir a demanda mundial de electricidade e o efeito nocivo para o médio ambiente que supõe a produção em massa de electricidade se impõe a necessidade de aplicar a máxima eficiência energética possível em todos os usos que se faça da energia eléctrica.

A eficiência energética é a relação entre a quantidade de energia consumida dos produtos e os benefícios finais obtidos. Pode-se conseguir aumentar mediante a implementação de diversas medidas e investimentos a nível tecnológico, de gestão e de hábitos culturais na comunidade.[82]

Os indivíduos e as organizações que são consumidores directos da energia podem desejar poupar energia para reduzir custos energéticos e promover a sostenibilidad económica, política e ambiental. Os utentes industriais e comerciais podem desejar aumentar eficácia e maximizar assim seu benefício. Entre as preocupações actuais estão a poupança de energia e o efeito medioambiental da geração de energia eléctrica.

O desenho de edifícios deve considerar os aspectos de poupança de energia, por exemplo pondo ventanales amplos olhando ao sul (nas regiões frias do hemisfério norte) para que nos dias de inverno ao abrir as janelas o simples calor solar quente os recintos; isolamento de superfícies para que não existam fugas de calor e colocação de painéis solares que aumentem a independência da energia eléctrica.

Um plano activo de poupança de energia é o que se implantou na União Européia no sector da moradia e dos serviços, composto em sua maioria por edifícios, os quais absorvem mais do 40 % do consumo final de energia na União e se encontra em fase de expansão, tendência que previsivelmente fará aumentar o consumo de energia e, portanto, as emissões de dióxido de carbono. Este regulamento é similar à etiqueta energética dos electrodomésticos. A ideia é construir edifícios bioclimáticos encarregados de aproveitar a energia do meio.[83]

Assim mesmo as indústrias que são grandes consumidoras de electricidade -cementeras, metalúrgicas, cerâmicas- aplicam em seus processos de produção diversas estratégias de produção e tecnologias para reduzir ao máximo o consumo de electricidade.

Saúde e electricidade

Artigo principal: Risco eléctrico
Sinal de perigo eléctrico.

Denomina-se risco eléctrico ao risco originado pela energia eléctrica. Dentro deste tipo de risco incluem-se os seguintes:[84]

A corrente eléctrica pode causar efeitos imediatos como queimaduras, choques ou fibrilación, e efeitos tardios como transtornos mentais. Ademais pode causar efeitos indirectos como quedas, golpes ou cortes.

Os principais factores que influem no risco eléctrico são:[85]

Os acidentes causados pela electricidade podem ser leves, graves e inclusive mortais. Em caso de morte do acidentado, recebe o nome de electrocución .

No mundo trabalhista os empleadores deverão adoptar as medidas necessárias para que da utilização ou presença da energia eléctrica nos lugares de trabalho não se derivem riscos para a saúde e segurança dos trabalhadores ou, se isso não fosse possível, para que tais riscos se reduzam ao mínimo.[84]

Electricidade na natureza

Mundo inorgánico

Descargas eléctricas atmosféricas

Arquivo:Mistifikatsia.gif
Centella atraída por um automóvel em movimento.

O fenómeno eléctrico mais comum do mundo inorgánico são as descargas eléctricas atmosféricas denominadas raios e relâmpagos. Devido ao rozamiento das partículas de água ou gelo com o ar, produz-se a crescente separação de ónus eléctricas positivas e negativas nas nuvens, separação que gera campos eléctricos. Quando o campo eléctrico resultante excede o de ruptura dieléctrica do médio, se produz uma descarga entre duas partes de uma nuvem, entre duas nuvens diferentes ou entre a parte inferior de uma nuvem e terra. Esta descarga ioniza o ar por aquecimento e excita transições electrónicas moleculares. A brusca dilatación do ar gera o trovão, enquanto o decaimiento dos elétrons a seus níveis de equilíbrio gera radiación electromagnética, luz.

São de origem similar as centellas e o fogo de San Telmo. Este último é comum nos barcos durante as tormentas e é similar ao efeito coroa que se produz em alguns cabos de alta tensão.

O dano que produzem os raios às pessoas e suas instalações pode se prevenir derivando a descarga a terra, de modo inocuo, mediante pararrayos.

Campo magnético terrestre

Ainda que não se pode verificar experimentalmente, a existência do campo magnético terrestre se deve quase seguramente à circulação de ónus no núcleo externo líquido da Terra. A hipótese de sua origem em materiais com magnetización permanente, como o ferro, parece desmentida pela constatación dos investimentos periódicos de seu sentido em decorrência das eras geológicas, onde o pólo norte magnético é remplazado pelo sul e vice-versa. Medido em tempos humanos, no entanto, os pólos magnéticos são estáveis, o que permite seu uso, mediante o antigo invento chinês da bússola, para a orientação no mar e na terra.

O campo magnético terrestre desvia as partículas carregadas provenientes do Sol (vento solar). Quando essas partículas chocam com os átomos e moléculas de oxigénio e nitrógeno da magnetosfera, se produz um efeito fotoeléctrico mediante o qual parte da energia da colisão excita os átomos a níveis de energia tais que quando deixam de estar excitados devolvem essa energia em forma de luz visível. Este fenómeno pode observar-se a simples vista nas cercanias de de os pólos, nas auroras polares.

Mundo orgânico

Artigo principal: Bioelectromagnetismo

O bioelectromagnetismo (às vezes denominado parcialmente como bioelectricidad ou biomagnetismo) é o fenómeno biológico presente a todos os seres vivos, incluídas todas as plantas e os animais, consistente na produção de campos electromagnéticos (se manifestem como eléctricos ou magnéticos) produzidos pela matéria viva ( células, tecidos ou organismos). Os exemplos deste fenómeno incluem o potencial eléctrico das membranas celulares e as correntes eléctricas que fluem em nervos e músculos como consequência de seu potencial de acção. Não deve se confundir com a bioelectromagnética, que se ocupa dos efeitos de uma fonte externa de electromagnetismo sobre os organismos vivos.

Impulso nervoso

Artigo principal: Impulso nervoso
Arquivo:Esp-galvani.gif
Gravado antigo mostrando a excitação do nervo crural de uma rana mediante uma máquina electrostática.

O fenómeno de excitação dos músculos das patas de uma rana, descoberto por Galvani , pôs em evidência a importância dos fenómenos eléctricos nos organismos viventes. Ainda que inicialmente pensou-se que se tratava de uma classe especial de electricidade, se verificou gradualmente que estavam em jogo o ónus eléctricos usuais da física. Nos organismos com sistema nervoso os neurónios são os canais pelos que se transmitem aos músculos os sinais que comandam sua contracção e relajación. Os neurónios também transmitem ao cérebro os sinais dos órgãos internos, da pele e dos transductores que são os órgãos dos sentidos, sinais como dor, calor, textura, pressão, imagens, sons, cheiros e sabores. Os mecanismos de propagación dos sinais pelos neurónios, no entanto, são muito diferentes do de condução de elétrons nos cabos eléctricos. Consistem na modificação da concentração de iones de sodio e de potasio a ambos lados de uma membrana celular. Geram-se assim diferenças de potencial, variáveis ao longo do interior do neurónio, que variam no tempo se propagando de um extremo ao outro da mesma com altas velocidades.

Os pequenos buracos na cabeça deste lucio contém neuromastos do sistema da linha lateral.
O peixe torpedo é um dos "fortemente eléctricos".
Veja-se também: Galvanismo

Uso biológico

Artigo principal: Bioelectromagnetismo

Muitos peixes e uns poucos mamíferos têm a capacidade de detectar a variação dos campos eléctricos nos que estão inmersos, entre os que se contam os teleostei, as listras[86] e os ornitorrincos. Esta detecção é feita por neurónios especializados telefonemas neuromastos,[87] que nos gimnótidos estão localizadas na linha lateral do peixe.[88]

A localização por meios eléctricos (electrorrecepción) pode ser pasiva ou activa. Na localização pasiva o animal só detecta a variação dos campos eléctricos circundantes, aos que não gera. Os "peixes pouco eléctricos" são capazes de gerar campos eléctricos débis através de órgãos e circuitos especiais de neurónios, cuja única função é detectar variações do meio e comunicar com outros membros de sua espécie. Os voltajes gerados são inferiores a 1 V e as características dos sistemas de detecção e controle variam grandemente de espécie a espécie.[89]

Alguns peixes, como as anguilas e as listras eléctricas são capazes de produzir grandes descargas eléctricas com fins defensivos ou ofensivos, são os chamados peixes eléctricos. Estes peixes, também chamados peixes fortemente eléctricos", podem gerar voltajes de até 2.000 V e correntes superiores a 1 A. Entre os peixes eléctricos contam-se os Apteronotidae, Gymnotidae, Electrophoridae, Hypopomidae, Rhamphichthyidae, Sternopygidae, Gymnarchidae, Mormyridae e Malapteruridae.[90]

Vejam-se também: Magnetorrecepción, Pomba mensageira e Bactéria magnética


Veja-se também

Referências

  1. a b (2006) O pequeno Larousse Ilustrado, Editorial Larousse, S. A. ISBN 970-22-1233-2.
  2. a b (1958) Enciclopedia ilustrada Cimeira, Mexico:Editorial Cimeira, S. A..
  3. (2001) Grande dicionário enciclopédico século xxi, Colômbia:Ibalpe Internacional de Edições, S. A. DE C.V.
  4. a b «Glossário». Consultado o 17 de julho de 2008.
  5. Vários autores (1984). Enciclopedia de Ciência e Técnica Tomo 5. Electricidade, Salvat Editores, S. A.. ISBN 84-345-4490-3.
  6. Universidade de Peru.. «Que é a electricidade?». Consultado o 10 de maio de 2008.
  7. Vários autores (1984). Enciclopedia de Ciência e Técnica Tomo 5 . Electricidade, Salvat Editores S.A. ISBN 84-345-4490-3.
  8. Morris, Simon C. (2003), [Expressão errónea: operador < inesperado Life's Solution: Inevitável Humans in a Lonely Universe], Cambridge University Press, pp. 182–185, ISBN 0521827043 
  9. «Frase muito citada, aqui glosada por Slavoj Žižek, Lenin ciberespacial: por que não?, International Socialism, n.º 95, 2002.».
  10. O site de Física. «Equações de Maxwell». Consultado o 11 de maio de 2008.
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  12. Coulomb, C.A.. Construction et usage d'une balanço electrique sul a propriete qu’ont lhes fils de metal, d’avoir une force de réaction de torsion proportionnelle a l'angle de torsion. Mem. de l’acad. Sci. pags. 569 e 579. 1785.
  13. Jackson, J.D.. Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, Inc. 2ª edição. 1975. ISBN 978-0-471-43132-9:
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