Eletricidade é o movimento de cargas elétricas que circulam através de um condutor. Esse movimento é realizado de acordo com certas propriedades físicas. Essas propriedades estão contidas em uma série de leis elétricas que foram desenvolvidas ao longo da história.
As leis fundamentais da eletricidade são as seguintes:
Lei de Coulomb
A lei de Coulomb afirma que a força elétrica entre dois objetos carregados é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles e diretamente proporcional ao produto de suas cargas. Essa força atua ao longo da linha que une as duas cargas e pode ser atrativa ou repulsiva, dependendo da natureza das cargas.
A lei, introduzida em 1785 pelo físico Charles-Augustin de Coulomb, é essencial para entender as interações eletrostáticas na física e na engenharia, desempenhando um papel crucial em áreas como eletrônica e eletroquímica.
Fórmula
onde:
- F é a força eletrostática,
- q₁ e q₂ são as magnitudes das cargas,
- r é a distância entre as cargas,
- k é a constante de Coulomb.
Lei de Ampère
A lei de Ampère foi desenvolvida pelo francês André-Marie Ampère em 1831. A lei de Ampère relaciona um campo magnético estático à sua causa. Mais tarde, foi corrigido por James Clerk Maxwell e tornou-se parte das equações de Maxwell.
A lei de Ampère afirma que a circulação da intensidade do campo magnético em um contorno fechado é proporcional à corrente elétrica que flui naquele contorno.
Fórmula
onde:
- B é o campo magnético,
- dl é o elemento de comprimento diferencial,
- μ₀ é a permeabilidade do espaço livre,
- I_enc é a corrente fechada.
Lei de Ohm
A lei de Ohm afirma que a intensidade da corrente elétrica que flui através de um condutor que conecta dois pontos é diretamente proporcional à voltagem entre os dois pontos e inversamente proporcional à resistência elétrica do condutor.
Esta lei fundamental da eletricidade descreve com grande precisão o comportamento de quase todos os materiais eletricamente condutores. Entretanto, existem alguns materiais condutores que não seguem essa lei. Esses são chamados materiais condutores não ôhmicos.
A lei recebeu esse nome em homenagem ao físico alemão George Ohm, que em 1827 descreveu as correntes e tensões geradas em circuitos elétricos simples. Em sua homenagem, a resistência é expressa em ohms (Ω).
Fórmula
onde:
- V é a voltagem,
- Eu sou o atual,
- R é a resistência.
Lei de Faraday
A lei de indução eletromagnética de Faraday é um princípio fundamental do eletromagnetismo que explica como um campo magnético variável induz uma corrente elétrica em um condutor. Esta lei é a base de muitos dispositivos elétricos, incluindo:
- Transformadores , que transferem energia elétrica entre circuitos através de indução eletromagnética.
- Indutores , que armazenam energia em um campo magnético quando a corrente flui através deles.
- Geradores , que convertem energia mecânica em energia elétrica movendo condutores através de um campo magnético.
Esta lei foi descoberta por Michael Faraday em 1831. Joseph Henry descobriu esta lei antes de Faraday em um estudo independente em 1830, mas ele não publicou esta descoberta. Portanto, essa lei é chamada de Lei de Faraday.
Fórmula
onde:
- ? é a força eletromotriz induzida (fem),
- Φ_B é o fluxo magnético,
- Está na hora.
Leis elétricas de Kirchhoff
Essas leis são compostas por dois princípios fundamentais que explicamos a seguir:
Lei das correntes de Kirchhoff (lei dos nós)
A lei das correntes de Kirchhoff, também conhecida como lei nodal , é baseada na conservação da carga elétrica. Quando consideramos um nó em um circuito elétrico, este é um ponto onde vários condutores estão conectados.
De acordo com essa lei, a soma das correntes que entram em um nó deve ser igual à soma das correntes que saem desse nó. Em outras palavras, não pode haver acúmulo de carga no nó; a carga que entra deve sair.
Esta regra elétrica é expressa matematicamente da seguinte forma:
onde:
-
A soma das correntes que entram em um nó é igual à soma das correntes que saem dele.
Isso significa que se houver várias correntes fluindo para um nó e várias correntes saindo dele, a soma total das correntes que entram menos a soma total das correntes que saem é igual a zero.
Se somarmos todas as correntes que entram e saem, o total deve ser zero.
Lei de Kirchhoff sobre tensões (lei da malha)
A lei da tensão de Kirchhoff, ou lei da malha , é baseada na conservação de energia em um circuito.
Esta lei elétrica afirma que se um caminho fechado (ou malha) for desenhado em um circuito, a soma de todas as quedas de tensão ao longo desse caminho deve ser igual à soma das tensões (fontes de energia) no mesmo caminho.
Especificamente, a lei estabelece que:
- Ao passar por um componente que consome energia (como um resistor), a queda de tensão é contada como negativa.
- Ao passar por uma fonte de tensão (como uma bateria), a tensão é contada como positiva.
Então, se somarmos todas as tensões em um caminho fechado, obtemos zero:
onde:
-
A tensão total fornecida é igual ao total de quedas de tensão em um circuito fechado.
Este princípio implica que a energia total fornecida no circuito é igual à energia consumida.
É como se você estivesse viajando por uma rota: se você começa e termina no mesmo lugar (como em uma malha), as altitudes totais (tensões) que você sobe devem ser iguais às alturas totais que você desce.
Lei de Gauss
A Lei de Gauss é um princípio do eletromagnetismo que descreve como o fluxo elétrico através de uma superfície fechada está relacionado à quantidade de carga elétrica dentro dessa superfície.
Em termos simples, essa lei afirma que se você imaginar uma esfera ou qualquer forma fechada em torno de uma carga elétrica, o fluxo elétrico total que sai dessa superfície é diretamente proporcional à carga que está contida nela.
A ideia por trás dessa lei elétrica é que o fluxo elétrico representa quantas linhas de campo elétrico passam pela superfície. Se houver mais carga dentro da superfície, haverá mais linhas de campo saindo dela. Este princípio se aplica independentemente do formato da superfície, desde que ela permaneça fechada.
Fórmula
onde:
- E é o campo elétrico,
- dA é o elemento de superfície diferencial,
- Q_enc é a carga incluída,
- ε₀ é a permissividade do espaço livre.