Eletrodinâmica: o que é, conceitos e como cai no Enem

A eletrodinâmica faz parte de uma das grandes áreas da Física: o eletromagnetismo. Ela é responsável por estudar os fenômenos, efeitos e as aplicações da corrente elétrica, como circuitos elétricos, as leis de Ohm e os cálculos de potência elétrica.

Isso torna a eletrodinâmica uma das queridinhas do Enem, já que é muito fácil aplicá-la em situações do cotidiano. Ela é simplesmente a parte da física que mais cai na prova!

Ocupando 19% das questões de Física do exame, a eletrodinâmica costuma aparecer contextualizada, sobretudo, em redes elétricas residenciais e em tabelas e manuais de eletrodomésticos.

Assim como em outras partes da Física, o Enem cobra a aplicação de conceitos básicos de eletrodinâmica e a interpretação de texto, diagramas, gráficos e tabelas. Os principais conceitos básicos do assunto que você precisa saber para ir bem na prova serão abordados neste post.

Eletrodinâmica: corrente elétrica

A corrente elétrica é a base da eletrodinâmica. O que chamamos de corrente elétrica é um fluxo ordenado de cargas elétricas livres ao longo de um condutor. Normalmente, trabalhamos com correntes de elétrons livres, mas também existem correntes de cargas positivas em soluções iônicas, por exemplo.

E como podemos calcular a intensidade da corrente elétrica? Através da quantidade de carga (Q) que atravessa um condutor e do intervalo de tempo (Δt) que levou para isso. Para um fluxo constante de cargas, calculamos a intensidade da corrente (i) por meio da razão entre (Q) e (Δt):

No Sistema Internacional, a unidade de intensidade de corrente é o coulomb por segundo (C/s), que chamamos de ampère (A).

Perceba que podemos também calcular, a partir da equação acima, a quantidade de carga que atravessou um condutor durante um intervalo de tempo se soubermos a intensidade da corrente:

Corrente contínua e corrente alternada

Os dois tipos principais de corrente elétrica que estudamos são a corrente contínua e a corrente alternada.

A corrente contínua (DC) é aquela em que o fluxo de cargas ocorre sempre no mesmo sentido.

Pilhas e baterias, por exemplo, fornecem corrente contínua.

Já na corrente alternada (AC), ocorre uma oscilação no sentido do fluxo de cargas. Essa oscilação possui uma frequência associada.

Em nossas casas, a rede elétrica fornece corrente alternada. Além disso, a transmissão de eletricidade das usinas para as nossas casas é feita a partir de corrente alternada em redes de alta tensão

Eletrodinâmica: Primeira Lei de Ohm

Antes de abordarmos a Primeira Lei de Ohm, temos que falar de uma importante grandeza: a resistência elétrica (R).

A resistência está associada ao quão difícil é para uma corrente atravessar um condutor. Assim, quanto maior for a resistência de um condutor, mais difícil será para a corrente atravessá-lo.

Um resistor é um dispositivo que oferece alta resistência à corrente, transformando energia elétrica em energia térmica. Isso acontece a partir da colisão de cargas elétricas com átomos do condutor, o que dissipa energia na forma de calor. Chamamos esse fenômeno de efeito Joule.

Podemos calcular a resistência elétrica de um condutor a partir da tensão (U) à qual ele está submetido e da corrente (i) que o atravessa (devido à tensão U), por meio da seguinte equação:

No Sistema Internacional, a unidade de resistência é o volt por ampère (V/A), também conhecida como ohm (Ω).

Essa é uma das equações mais importantes da eletrodinâmica, e você provavelmente irá usá-la de alguma forma na prova do Enem.

Ao contrário do que muita gente diz, essa equação não representa a Primeira Lei de Ohm (já vamos chegar lá)! Ela é a definição matemática de resistência elétrica e é válida para qualquer resistor. A Primeira Lei de Ohm, no entanto, trata de um tipo específico de resistores: os resistores ôhmicos.

Resistores ôhmicos

Existe uma “categoria” de resistores que têm um comportamento bem interessante. Se eles forem mantidos a uma temperatura constante, a tensão e a corrente serão sempre diretamente proporcionais. Isso significa que a resistência é constante, não dependendo das variações de tensão e de corrente.

Resistores que se comportam dessa forma são chamados de resistores ôhmicos, e dizemos que eles obedecem à Primeira Lei de Ohm (ou Lei de Ohm, como também é conhecida). A Primeira Lei de Ohm descreve exatamente esse comportamento de resistores ôhmicos.

Assim, para um resistor ôhmico, podemos escrever a definição matemática de resistência e isolar U: U = R . i. Nesse caso, R é a constante de proporcionalidade entre U e i. Essa é uma equação do 1º grau.

Além disso, é interessante perceber que, se criarmos um gráfico de i x U (ou de U x i), ele terá a forma de uma reta inclinada. Às vezes, a letra V pode aparecer no lugar de U para representar a tensão, como no exemplo seguinte:

Podemos perceber que, a cada aumento de 25 V, a corrente que percorre o resistor sempre aumenta em 50 mA, ou seja, a corrente e a tensão são diretamente proporcionais.

Tá, mas como podemos descobrir quanto vale a resistência desse resistor? Basta aplicarmos a definição de resistência a qualquer ponto do gráfico. Vamos tomar, por exemplo, o ponto em que a corrente vale 50 V e a corrente vale 100 mA:

Como o resistor é ôhmico, para qualquer ponto do gráfico, vamos obter essa mesma resistência de 500 Ω.

Eletrodinâmica: Segunda Lei de Ohm

Também podemos calcular um valor da resistência a partir de características do próprio resistor. Essas características se referem tanto à geometria (ou seja, se referem à forma e às dimensões do resistor) quanto à própria natureza do resistor. Representação geométrica de um resistor:

Essa é a ideia da Segunda Lei de Ohm, que analisa a resistência de um resistor a partir do seu comprimento L, da sua área A de seção transversal (normalmente, consideramos resistores de forma cilíndrica, cuja área de seção transversal é a área de um círculo) e de uma grandeza conhecida como resistividade (ρ), que depende do material do qual o resistor é feito. Essas grandezas se relacionam pela seguinte equação:

Perceba que, para um mesmo material e uma mesma área de seção transversal, quanto maior for o comprimento do resistor, maior será a sua resistência. De forma semelhante, para um mesmo material e um mesmo comprimento, quanto maior for a área de seção transversal (ou seja, quanto mais grosso for o resistor), menor será a sua resistência.

Leia também:

Lei de Ohm: enunciado, definição e fórmulas

Eletrodinâmica: potência elétrica

Se tem um assunto de física que você não pode ir fazer a prova do Enem sem saber, esse assunto é potência elétrica! No geral, potência é um assunto muito importante no que diz respeito ao Enem, principalmente a elétrica.

A potência, em geral, é uma grandeza que indica o quão rapidamente a energia é consumida/transformada em outro tipo de energia. Podemos calcular uma potência como a razão entre uma quantidade de energia (E) transformada durante um certo intervalo de tempo e esse mesmo intervalo de tempo (Δt):

A unidade de potência, no Sistema Internacional, é o joule por segundo (J/s), que também é conhecida como watt (W).

Essa equação é a mais geral de todas e pode ser usada para calcular a taxa de transformação de qualquer tipo de energia. No entanto, existem equações específicas para calcularmos a potência elétrica, ou seja, o quão rapidamente um equipamento elétrico pode transformar energia elétrica em outro tipo de energia.

No contexto da eletrodinâmica, temos uma expressão geral para calcular a potência elétrica, sabendo o valor da corrente e a tensão:

Além dela, existem outras duas equações que podemos usar para calcular potência em resistores, levando assim a resistência em consideração.

Potência em resistores

Você pode estar se perguntando: “poxa, eu tenho que decorar tanta fórmula assim?”. Felizmente, você não precisa! Pode ser que você acabe memorizando todas elas com a prática de exercícios. Entretanto, para os cálculos de potência em eletrodinâmica, basta você se lembrar da definição de resistência e P = i . U. As outras duas equações surgem a partir delas.

Dessa forma, podemos calcular a potência elétrica se soubermos os valores de R e de i.

Já para a outra equação, vamos isolar i na definição de resistência e, analogamente, substituí-lo em P = i . U:

Assim, podemos calcular a potência elétrica se soubermos os valores de U e de R.

O cálculo de potência elétrica é um excelente exemplo de contextualização da eletrodinâmica em coisas do cotidiano. Dois exemplos clássicos (e que já apareceram no Enem!) são o chuveiro elétrico/a torneira elétrica e as lâmpadas.

Chuveiro elétrico

Os resistores de chuveiro (popularmente chamados de “resistências”) funcionam através do efeito Joule. Quanto maior for a potência, maior será a quantidade de energia transformada em calor, o que aquece a água, proporcionando banhos quentinhos.

É importante lembrar que, se quisermos aumentar a temperatura da água, mais calor precisará ser fornecido a ela por efeito Joule. Como a tensão U é constante (sendo igual a 127 V ou 220 V, dependendo da região), vamos analisar a equação P = U²/R: 

Veja que, para U constante, P e R são inversamente proporcionais. Ou seja, se quisermos aumentar a potência (aumentando o aquecimento da água), precisamos reduzir a resistência.

Mas como podemos fazer isso? Bom, uma forma seria reduzindo o comprimento do resistor, de acordo com a Segunda Lei de Ohm. É basicamente assim que chuveiros elétricos funcionam, como aqueles tradicionais que têm as opções de inverno e de verão.

Abaixo, você pode conferir um diagrama simplificado que representa o circuito de um chuveiro elétrico. Perceba que a opção “inverno” fecha o circuito em um resistor de menor comprimento, a fim de aquecer melhor a água. Por outro lado, a opção “verão” fecha o circuito em um resistor de maior comprimento, o que deixará a água mais fria.

Lâmpadas

O brilho das lâmpadas também está relacionado com a potência. Quanto maior for a potência, mais intenso será o brilho.

Uma análise muito interessante que podemos fazer, e que já apareceu no Enem, é a seguinte: o que acontece se ligarmos uma lâmpada a uma rede elétrica cuja tensão é menor do que a tensão nominal da lâmpada? Por exemplo: imagine uma lâmpada fabricada para funcionar com uma potência de 100 W quando ligada a uma tensão de 220 V. O que aconteceria se ligássemos essa lâmpada a uma rede de 110 V?

Considerando que a resistência da lâmpada seja constante, se a tensão da rede for metade da tensão nominal, por U = R . i, a corrente também será a metade da corrente nominal. Analisando agora a potência através de P = U²/R, se a tensão é metade do valor da tensão nominal, a nova potência será 1/4 da potência nominal! A lâmpada então iria funcionar, mas com um brilho menos intenso. Se fosse o contrário, ou seja, uma lâmpada de tensão nominal 110 V sendo conectada a uma rede de 220 V, a corrente seria o dobro da corrente nominal. Nesse caso, a lâmpada poderia ser danificada, podendo até mesmo queimar.

Eletrodinâmica: energia elétrica

A potência está diretamente ligada à energia e, na eletrodinâmica, isso não é diferente. Dentro desse contexto, é muito comum trabalharmos com situações que envolvem consumo de energia elétrica. Como vimos, relacionamos o consumo de energia por meio do produto entre a potência e o intervalo de tempo.

Provavelmente você vai se deparar com questões que trazem uma tabela retirada de um manual de eletrodoméstico ou que, de alguma forma, faça uma relação com eletrodomésticos. O Enem já trouxe até uma questão que relacionava a tensão de um peixe elétrico com a tensão de eletrodomésticos!

Pela definição geral de potência, podemos isolar a energia (E) e obter a seguinte equação:

Isso nos leva à ideia de quilowatt-hora (kWh), uma unidade muito usada no contexto de consumo de energia elétrica. Essa unidade é o produto entre uma unidade de potência (quilowatt) e uma unidade de tempo (hora), ou seja, é uma unidade de energia. Essa unidade indica a quantidade de energia consumida durante uma hora a uma potência de 1.000 watts (ou seja, 1 kW). 1 kWh corresponde a 3,6 . 10⁶ J.

Dessa forma, isso nos permite fazer diversos cálculos envolvendo a energia consumida por eletrodomésticos de uma casa em um certo período de tempo. Isso também pode ser usado para calcular o valor de uma conta de luz ao final do mês, sabendo as faixas de preço por kWh.

Eletrodinâmica: associações de resistores

Por fim, chegamos a uma das partes mais importantes da eletrodinâmica: as associações de resistores em circuitos. Circuitos, no geral, são importantes dentro desse contexto, mas as associações de resistores ganham destaque no Enem (dica: é o que mais cai em eletrodinâmica!).

Associar resistores significa, basicamente, inserir mais de um resistor em um circuito. Essa associação pode acontecer de duas formas: em série e em paralelo. Há também o que chamamos de associação mista, que são associações tanto em série quanto em paralelo em um mesmo circuito.

Associação de resistores em série

Na imagem abaixo, temos um exemplo de um circuito com n resistores associados em série.

Nesse tipo de associação, a corrente elétrica é a mesma em todos os resistores, ou seja:

Caso um dos elementos do circuito queime, isso seria equivalente a abrir o circuito. Em outras palavras, se isso acontecer, não haverá mais passagem de corrente pelo circuito.

Podemos pensar no conceito de resistência equivalente, que é um valor hipotético de resistência que teria um único resistor inserido no lugar dos n resistores e que causaria os mesmos efeitos ao circuito. Para uma associação de resistores em série, a resistência equivalente corresponde à soma das resistências de cada um dos resistores:

Sendo assim, para associações em série, a resistência equivalente é sempre maior do que qualquer uma das resistências individuais.

Além disso, podemos pensar na tensão equivalente, que corresponde à soma das tensões em cada resistor:

Associação de resistores em paralelo

Confira agora a representação de um circuito com n resistores associados em paralelo:

Nesse caso, a tensão é a mesma em todos os resistores:

Podemos calcular a resistência equivalente da seguinte maneira:

Dessa forma, nas associações em paralelo, a resistência equivalente é sempre menor do que qualquer uma das resistências individuais.

Por fim, a corrente total corresponde à soma das correntes que atravessam cada resistor:

Viu como tudo está relacionado?! Um conceito leva a outro e quando você vê, tem todas as relações na sua cabeça. Incrível, né?!

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