Corrente, tensão e resistência

Uma bateria de caminhão que envia 720 coulombs pelo motor de partida em 4 segundos fornece uma corrente de 180 amperes.

Corrente é carga por segundo

Imagine que você está ao lado de um fio, contando a carga que passa por um ponto. A quantidade de carga por segundo é a corrente elétrica, I = ΔQ ÷ Δt. Sua unidade é o ampere (A), em homenagem a André-Marie Ampère, e um ampere equivale a um coulomb por segundo. Quando o motor de um caminhão dá a partida, a bateria movimenta 720 C em 4.00 s: 720 ÷ 4.00 = 180 A. Uma calculadora de bolso funciona com cerca de 0.300 mA. Por isso, são necessários 1 ÷ 0.000300 ≈ 3333 segundos, quase uma hora, para um único coulomb passar por ela. Fusíveis, disjuntores e muitos aparelhos têm sua corrente nominal indicada em amperes.

Qual é o sentido da corrente?

Em um fio metálico, as cargas que se movem são elétrons. Eles saem do terminal negativo da bateria, atravessam o circuito e chegam ao terminal positivo. Mas o sentido indicado nos diagramas de circuito é o oposto. A corrente convencional é definida pelo sentido em que a carga positiva fluiria: saindo do terminal + e retornando ao terminal −. Essa convenção vem de Benjamin Franklin, nos anos 1700. As duas descrições dão os mesmos resultados para correntes e tensões, pois uma carga negativa indo para a esquerda tem o mesmo efeito de uma carga positiva indo para a direita. No laboratório de circuitos, você pode mostrar os elétrons, as setas de corrente ou ambos e observar que os sentidos são sempre opostos.

Os elétrons em si são lentos. Cada um colide com átomos em zigue-zague, e sua velocidade média de avanço, a velocidade de deriva, é minúscula. A OpenStax faz o cálculo para um fio doméstico de cobre com 2.053 mm de diâmetro conduzindo 20 A: cerca de 0.45 mm por segundo. Assim, um elétron levaria mais de meia hora para percorrer um metro. Mesmo assim, a lâmpada acende assim que você aperta o interruptor. O impulso se propaga pelo fio quase à velocidade da luz, porque o fio já está cheio de elétrons livres; quando os de uma ponta começam a se mover, os de todos os outros pontos também começam, como a água em uma mangueira cheia.

Tensão: energia por coulomb

Algo precisa impulsionar a carga pelo circuito. A bateria realiza trabalho sobre cada coulomb que passa por ela. A energia fornecida por coulomb é a tensão, medida em volts: 1 V = 1 joule por coulomb. Uma pilha de 1.5 V fornece 1.5 J por coulomb. Uma bateria de carro de 12 V fornece 12 J por coulomb; portanto, ao movimentar 5 C, fornece 60 J. A tensão é sempre uma diferença entre dois pontos, daí seu outro nome: diferença de potencial. O potencial sobe dentro da bateria e cai nas lâmpadas e nos resistores do restante do circuito, onde a energia se transforma em luz e calor.

Uma comparação com água ajuda. A bateria funciona como uma bomba que eleva a água; a tensão corresponde à altura atingida. A corrente é a quantidade de água que passa a cada segundo. Um tubo estreito, que dificulta o fluxo, representa a resistência. A comparação tem limites, mas explica por que uma tensão maior produz uma corrente maior no mesmo tubo.

Resistência: o que dificulta a corrente

Ao se deslocarem, os elétrons livres colidem com os átomos do material e transferem energia, aquecendo-o. Essa oposição à corrente é a resistência R, medida em ohms (Ω). A resistência de um fio depende do material, do comprimento e da espessura: R = ρL ÷ A, em que ρ é a resistividade do material. Um fio mais longo tem maior resistência; um mais grosso tem menor resistência. A tabela apresenta algumas resistividades da OpenStax. O cobre é usado na fiação porque só a prata conduz melhor, e ela custa muito mais. O nicromo, com resistividade cerca de 58 vezes maior que a do cobre, é usado nas espirais incandescentes de torradeiras e aquecedores.

Substitua os valores para 10 m daquele fio doméstico de cobre. Sua área de seção transversal é π × (1.0265 mm)² ≈ 3.31 × 10⁻⁶ m², então R = 1.72 × 10⁻⁸ × 10 ÷ (3.31 × 10⁻⁶) ≈ 0.052 Ω. Por isso, geralmente podemos considerar que os fios de conexão não têm resistência, como faz o laboratório de circuitos.