Um Pouco De Teoria ( Só Um Pouco )

O átomo

 A eletrônica é totalmente baseada na eletricidade, então alguns conhecimentos preliminares são necessários para compreendê-la. Vamos iniciar analisando a teoria que envolve o átomo e seus componentes.  

     Todo o tipo de matéria que existe na natureza, inclusive nosso corpo, é formada pela união de  um número absurdo  e inimaginável de  elementos, extremamente pequenos, que são os átomos. Um átomo, por sua vez,  é formado de numerosas partículas, das quais só vai nos interessar duas  : os prótons e os elétrons  . Os átomos estão organizados de tal forma que os  prótons ocupam sua região central ( o núcleo do átomo ) , enquanto os elétrons giram ao redor deste núcleo ,  orbitando em uma região chamada  eletrosfera, de forma parecida com os planetas orbitando o sol.    

      

                               Modelo didático de um átomo

        Na eletrosfera temos divisões em camadas, sendo que em cada camada podemos ter números variados de elétrons. O que diferencia um elemento do outro na natureza é justamente esta quantidade diferente de elementos nos átomos que os formam. Para exemplificar, podemos comparar o elemento Hidrogênio que possui 1 próton e 1 elétron , com o elemento Cobre que é formado por 29 prótons e 29 elétrons. Apesar de serem formados pelos mesmos tipos de partículas, a diferença nas quantidades que os compõem, os tornam elementos completamente diferentes.

     Certamente já ouviu falar que cargas iguais se repelem, enquanto cargas contrárias se atraem, não é verdade? Nesse sentido, existe uma convenção que estabelece que prótons possuem carga elétrica positiva, enquanto elétrons possuem carga elétrica negativa. Essas cargas opostas resultam em uma atração mútua dentro do átomo. No entanto, devido à alta velocidade com que os elétrons orbitam em torno do núcleo, forças físicas atuantes impedem que eles se choquem, mantendo uma distância específica entre si.

   Sob condições normais, a carga elétrica de um corpo qualquer é neutra, pois prótons e elétrons possuem valores absolutos de carga iguais, porém opostas . A oposição das cargas resulta em um equilíbrio elétrico no material. Por este motivo é que você não leva choque quando toca em um fio desligado, nem quando pisa descalço no chão.

    A camada mais externa do átomo, conhecida como camada de valência, deve conter 8 elétrons para manter o material em equilíbrio. Se a quantidade for diferente, o átomo precisa ganhar ou perder elétrons para se estabilizar. Em situações de desequilíbrio, elétrons podem "escapar" da órbita do seu  núcleo, migrando para a órbita de outro átomo para restabelecer o equilíbrio. Isso ocorre porque um dos átomos ficará com menos elétrons do que prótons, e o outro terá mais prótons que elétrons.

   Quando um átomo recebe elétrons adicionais, adquire uma carga negativa, enquanto o átomo que cede elétrons fica com uma carga positiva. Se o número de prótons difere do número de elétrons, o átomo é considerado ionizado, podendo ter carga negativa ou positiva. É fundamental destacar que a tendência natural dos corpos é manter o equilíbrio. Portanto, quando um átomo está ionizado negativamente, átomos com deficiência de elétrons imediatamente buscam recuperá-los, atraindo-os de outros átomos próximos.

    Dentro dos materiais, há um constante e caótico movimento de elétrons livres "saltando" de um átomo para outro buscando equilíbrio. Ao aplicar uma força externa que direcione esses elétrons livres para  um movimento ordenado, podemos introduzir elementos no meio desse caminho,  resultando em aplicações práticas no cotidiano.

Condutores , Semicondutores e Isolantes

   Quando um elétron migra para outro átomo, cria um espaço vazio que é imediatamente ocupado pelo elétron de outro átomo. Esse processo se repete em uma sequência contínua. Em determinados tipos de materiais, os elétrons são menos rigidamente vinculados aos átomos, permitindo que se movimentem mais livremente. Em contrapartida, em outros materiais, essa movimentação não ocorre com a mesma facilidade. Materiais nos quais os elétrons se deslocam com facilidade são denominados condutores e são frequentemente utilizados na fabricação de fios condutores de eletricidade. Exemplos incluem o cobre, alumínio, ouro, prata e outros metais.

    Já em materiais nos quais os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo, a condução de eletricidade é insignificante. Estes são os materiais isolantes, tais como vidro, borracha, plástico, cerâmica e até mesmo o ar circundante. Sua principal aplicação reside na produção de utensílios e equipamentos onde a segurança é crucial, evitando acidentes relacionados à eletricidade.

    Existe também uma classe adicional de materiais denominados semicondutores, nos quais a corrente elétrica pode fluir, porém não com facilidade. Esses semicondutores são amplamente empregados em circuitos eletrônicos.

    Ao combinar o uso de semicondutores, isolantes e condutores, conseguimos manipular a eletricidade de maneira eficaz e segura, como por exemplo em um fio de cobre onde  a parte interna é condutiva, permitindo que os elétrons circulem e realizem trabalho, enquanto a parte externa, isolada por uma cobertura de PVC, impede que os elétrons sigam caminhos indesejados.

Geradores e circuitos

    Geradores são dispositivos no qual temos um desequilíbrio interno de cargas, resultando na obtenção de dois pólos: um carregado positivamente e o outro, negativamente. Pilhas pertencem à categoria de geradores, sendo dispositivos capazes de fornecer energia para movimentar elétrons. É importante lembrar que a tendência natural de todos os corpos é estar em equilíbrio elétrico, e caso isso não ocorra, os átomos buscarão meios de corrigir essa circunstância. Dentro de uma pilha, um dos pólos possui um excesso de elétrons (pólo negativo), enquanto o outro está com deficiência de elétrons (pólo positivo).

    Nesse contexto, os elétrons estão prontos para migrar de um pólo para o outro, aguardando apenas uma oportunidade viável para fazê-lo.

     Ao estabelecer um caminho usando um fio condutor para conectar o pólo positivo de um gerador ao seu pólo negativo, criamos uma rota para os átomos buscarem o equilíbrio. Isso resulta em um fluxo de elétrons, onde os elétrons deixam a região em excesso (pólo negativo), percorrem o fio metálico condutor em direção ao pólo positivo. Em seguida, atravessam a parte interna do gerador, indo do pólo positivo para o negativo. Esse ciclo se repete indefinidamente até que o fio condutor que conecta os dois pontos seja desconectado. A conexão que permite um ciclo contínuo é conhecida como circuito elétrico fechado.

  

    Se, por algum motivo, o ciclo for interrompido em qualquer um dos seus pontos, os elétrons não conseguem passar e estamos diante de um circuito aberto.

   Tensão, Corrente e Resistência

           Já foi mencionado que as pilhas são geradores. A função de um gerador é criar uma discrepância na quantidade de elétrons entre seus pólos, resultando em uma diferença de cargas elétricas entre eles. De maneira simplificada, essa discrepância de cargas entre os pólos do gerador gera uma "pressão", pronta para conduzir elétrons por meio de um material condutor, aguardando apenas as condições apropriadas para isso. A essa pressão disponível nos pólos de um gerador, dá-se o nome de diferença de potencial (ddp) ou tensão.

   Assim como os seres humanos utilizam unidades como quilogramas para peso, quilômetros para distância e litros para volume, é necessário ter unidades de medida para a tensão elétrica a fim de comparar se uma tensão é maior ou menor que outra. A unidade de medida para tensão elétrica é o Volt (V). 

    

    Assim podemos ter uma pilha onde a tensão é de 1,5 V entre seus polos, uma bateria com 9V e  uma fonte de alimentação que apresenta 12V entre seus terminais.

   Agora, vamos imaginar o seguinte circuito, no qual conectamos um fio condutor entre os extremos de uma pilha comum.

   A pilha estabelecerá uma “pressão” , uma força ou simplesmente uma tensão que “empurra” os elétrons do pólo negativo ( onde está em excesso) até o pólo positivo ( que está com falta) através do fio condutor que está interligando os dois pólos.

   Sempre que conectarmos entre si os dois pólos de um gerador através de algum material condutor teremos um fluxo de elétrons circulando através deste circuito. A este fluxo de elétrons chamamos de Corrente Elétrica e a sua intensidade depende do tipo de material utilizado na conexão e de quanto este condutor é capaz de permitir a fluidez dos elétrons.  O gerador também deve ser capaz de fornecer energia suficiente para que seja possível a ocorrência da corrente. 

      Simplificadamente : para que uma corrente circule por um fio precisamos de uma força externa que “empurre” os elétrons por ele.  Esta força é a tensão. Logo, existe uma relação de causa e efeito entre tensão e corrente, sendo a tensão a causa, e o efeito a corrente.  Não existe corrente sem tensão. 

    Até agora foi explanado como os elétrons fluem do negativo para o positivo, e este é o sentido real da corrente elétrica. Entretanto, ficou convencionado há muito tempo atrás, quando ainda os estudos sobre a eletricidade estavam iniciando , indicar o fluxo da corrente do positivo para o negativo; este é o chamado sentido convencional . Na prática não existe nenhuma diferença no comportamento final do circuito.

   

    Da mesma forma que utilizamos o Volt para a tensão , necessitamos de uma unidade de medida que nos permita quantificar a intensidade da corrente que flui pelo circuito. Essa unidade é o Ampère (A) e está associada à quantidade de elétrons que passa pelo fio em um intervalo de tempo específico. Na eletrônica, é comum o emprego de submúltiplos do Volt e do Ampère, resultando na frequente presença de especificações em mV (milésima parte do Volt) e mA (milésima parte do Ampere).

   Quando uma corrente elétrica atravessa determinados materiais, ela sempre encontra uma certa resistência à sua passagem. Essa resistência pode ser entendida como uma oposição à corrente, e o seu valor depende de vários fatores, como o tipo e o formato desses materiais. Assim, chegamos à terceira grandeza fundamental na eletrônica: a resistência.

    A resistência, como era de se esperar,  possui sua unidade de medida, que é o ohm (Ω). Quanto maior o valor da resistência em ohms, maior será a oposição à passagem da corrente para uma mesma tensão. Portanto, uma resistência de 47 ohms oferecerá menos resistência à corrente do que uma resistência de 680 ohms. No caso das resistências, é mais comum o uso de múltiplos e submúltiplos, sendo frequente a presença de valores com a letra K (multiplicação por 1000) ou M (multiplicação por 1000000).

Um pouco de matemática ( quase nada)

    Existe uma estreita relação entre tensão, corrente e resistência em um circuito. Assim, por exemplo,  se mantivermos a tensão fixa em um valor e dobrarmos o valor da resistência ligada à fonte desta tensão teremos a corrente que circula pelo circuito, reduzida à metade. Da mesma forma, se for reduzida a resistência pela metade a corrente dobrará seu valor. 

      Esta relação foi descrita pelo físico e matemático George Simon Ohm através do seguinte enunciado:

“A intensidade da corrente elétrica que percorre um condutor é diretamente proporcional à diferença de potencial e inversamente proporcional à resistência do circuito”. Esse enunciado ficou conhecido como Lei de Ohm.  

    Em termos matemáticos  esta lei é representada pela seguinte equação: 

                                                                      V = R . I

Onde :

 V  é a tensão aplicada ao circuito, em Volt                                                                                                   R  é o valor da resistência total do circuito, em Ohm

 I  é a intensidade da corrente que passa através do circuito, em Ampère 

   Desta equação básica deriva outras duas : 

                                                                       I = V / R

                                                                       R = V / I

     O uso de uma ou outra destas equações  é definido por qual das grandezas queremos descobrir, sabendo o valor das outras duas.

   Vamos usar a equação  I = V / R  para descobrir o valor da corrente desconhecida:

   Sabendo que a tensão é 9V  e usando uma resistência de 9 Ohm :

 

 I = V / R

I = 9 / 9

                          I =  1 A   ( um ampére )

 Agora, se dobrarmos o valor da resistência ( era 9 foi para 18 ) e a corrente cairá pela metade;

I = V / R

I = 9 / 18

                                               I =  0,5 A   ( meio ampère ou 500 mA)

   Ainda utilizando o mesmo  exemplo , se for reduzida a resistência pela metade a corrente dobrará seu valor.

I=V/R

I=9/4,5

I= 2A ( dois amperes- a corrente dobrou)

   

                                        

A potência

    Um dos maiores efeitos da passagem da corrente elétrica por um material é a produção de calor durante esta passagem.  Imagine um terminal do metrô absolutamente cheio de pessoas tentando chegar à plataforma de embarque; certamente haverá colisões e atritos entre usuários. Algo parecido ocorre com os elétrons em movimento, ou seja, haverá colisões e atritos entre eles , liberando energia na forma de  calor . Este fenômeno é chamado de efeito Joule em homenagem a James Prescott Joule, físico que fez estudos nesta área. 

  No circuito mostrado abaixo, se o fio possuir uma resistência muito baixa à passagem dos elétrons, a corrente poderá se tornar muito intensa a ponto do fio se aquecer demasiadamente e danificar-se.  Neste caso teremos o famoso curto-circuito. 

   Para que o circuito acima tenha uso prático, é preciso intercalar no caminho da corrente um dispositivo ou equipamento, de forma que sua resistência interna também faça parte do circuito e, com a passagem da corrente elétrica por ele, consiga produzir trabalho.

    Este dispositivo, a partir de agora chamado de carga, tem a função de absorver energia e a transformar em algum tipo de trabalho útil. 

    A quantidade de energia que uma carga pode consumir em cada segundo é dada pela sua Potência , medida em Watt e abreviada por W.  Na realidade a potência tem um uso mais amplo e pode indicar a quantidade de energia fornecida ou consumida por um equipamento qualquer. Note que é preciso que o fluxo de elétrons que atravessa a carga deve entrar por um caminho e sair por outro , se não existir esse caminho fechado, os elétrons não conseguem passar e não haverá circulação de corrente pelo circuito . Perceba que a intensidade de corrente que atravessa uma carga está associada a um valor de resistência, desta forma cargas que necessitam de mais energia para funcionar ( maior potência) , obrigatoriamente terão uma menor resistência interna. Obtida a corrente que passa através da resistência podemos obter a potência ( em W ) consumida e transformada em calor através da equação :

                                                                           P = V x I

   Sabendo a tensão presente nos terminais de uma resistência e a corrente que passa através dela temos condições de calcular a potência dissipada. Exemplo:

     Qual a potência dissipada em uma resistência de 100 Ohm percorrida por uma corrente de 100 V ?

                                                                            P = V x I

                                                                            P= 100 x 100 

                                                                      P=10000W ( 10 kW )                                                                                                                                         

      Resumindo em um quadro as quatro grandezas envolvidas:

Grandeza	Unidade	Abreviação
Tensão	Volt	V
Corrente	Ampère	A
Resistência	Ohm	Ω
Potência	Watt	W

   

Associação de pilhas e baterias

     Na maioria das vezes a carga possui uma resistência interna relativamente elevada de modo que uma simples pilha de 1,5V não é capaz de forçar uma corrente  suficiente para produzir um trabalho útil.  Isto pode ser facilmente resolvido lançando mão de associações  em série e/ou paralelo de pilhas.

   Na configuração série, o positivo de uma pilha  é conectado ao negativo da outra pilha e assim subsequentemente quantas vezes for necessária. Neste caso obtemos na saída a soma da tensão de todas as pilhas juntas. A capacidade de fornecer energia permanece a mesma, definida pelo tamanho  de cada pilha isoladamente. Na ligação série a corrente obrigatoriamente precisa passar através de todos as pilhas para completar o circuito .

    Na ligação em paralelo temos uma soma da capacidade de fornecimento de energia de todas as pilhas  porém a tensão final é a tensão de uma pilha única.

 

  Através de associações de pilhas em série, paralelo ou ambas as formas, envolvidas em um invólucro comum , chegamos às baterias.   

  Dentro de uma bateria de uso geral como estas acima, temos 6 pilhas de 1,5V interligadas, perfazendo uma tensão total de 9V . Infelizmente devido à miniaturização dos seus elementos, uma bateria destas possui uma capacidade de fornecer energia, relativamente baixa. Existem outros modelos para uso específico, como as baterias de notebook e de celulares.  Estas últimas possuem formato diferente, tensão diferente, são construídas utilizando outro tipo de material e são capazes de fornecer muito mais energia.

   Tudo o que foi dito até aqui está relacionado a um tipo de corrente que flui em um único sentido . Este tipo de corrente é chamado de Corrente Contínua (CC) ou Direct  Current (DC)  em inglês. O tipo de  tensão que é capaz de produzir este tipo de corrente , nós chamamos de Tensão Continua ou Vcc.  É  deste tipo de tensão que vamos encontrar  nas pilhas, baterias,  dínamos e painéis solares. 

    Abaixo a representação de uma corrente continua através de uma carga. Perceba que está representado o sentido convencional da corrente.

                                                                                              

                                                       

    Nas tomadas de energia  das nossas casas , a corrente elétrica é diferente do tipo encontrado nas pilhas pois ela  troca de sentido várias vezes  por segundo. Ou seja, há uma constante inversão do sentido de circulação dos elétrons que ora vai de um “  buraco ” da tomada para o outro e ora vem em sentido contrário . Temos nesse caso, uma corrente chamada de alternada ( CA) causada por uma força chamada tensão alternada ( VCA) . Normalmente a tensão  encontrada em uma tomada terá o valor de  127 ou 220VCA , invertendo seu sentido 60 vezes por segundo.  Um evento que ocorre  1 vez por segundo  tem como unidade o Hertz (Hz), logo  algo que ocorre 60 vezes por segundo tem uma frequência de 60Hz.  Resumindo , podemos dizer que temos em uma tomada doméstica padrão  uma tensão de 127/220  Vac  – 60Hz.

  Chega, já é muita coisa para assimilar. De forma alguma tudo foi  explorado. Isso apenas arranhou o assunto.  Para se aprofundar, procure livros especializados. Existem muitos bons por aí.