9.S: Corrente e resistência (resumo)
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Termos-chave
| ampere (amp) | Unidade SI para corrente;\(\displaystyle 1A=1C/s\) |
| circuito | caminho completo pelo qual uma corrente elétrica percorre |
| corrente convencional | corrente que flui através de um circuito do terminal positivo de uma bateria através do circuito até o terminal negativo da bateria |
| temperatura crítica | temperatura na qual um material atinge a supercondutividade |
| densidade atual | fluxo de carga através de uma área transversal dividida pela área |
| diodo | dispositivo de circuito não ôhmico que permite o fluxo de corrente em apenas uma direção |
| velocidade de deriva | velocidade de uma carga à medida que ela se move quase aleatoriamente através de um condutor, experimentando várias colisões, em média ao longo de um comprimento de um condutor, cuja magnitude é o comprimento do condutor percorrido dividido pelo tempo necessário para que as cargas percorram o comprimento |
| condutividade elétrica | medida da capacidade de um material de conduzir ou transmitir eletricidade |
| corrente elétrica | taxa na qual a carga flui,\(\displaystyle I=\frac{dQ}{dt}\) |
| energia elétrica | taxa de tempo de mudança de energia em um circuito elétrico |
| Junção Josephson | junção de dois pedaços de material supercondutor separados por uma fina camada de material isolante, que pode transportar uma supercorrente |
| Efeito Meissner | fenômeno que ocorre em um material supercondutor onde todos os campos magnéticos são expelidos |
| não ôhmico | tipo de material para o qual a lei de Ohm não é válida |
| ohm | (\(\displaystyle Ω\)) unidade de resistência elétrica,\(\displaystyle 1Ω=1V/A\) |
| ôhmico | tipo de material para o qual a lei de Ohm é válida, ou seja, a queda de tensão no dispositivo é igual à corrente vezes a resistência |
| Lei de Ohm | relação empírica afirmando que a corrente I é proporcional à diferença de potencial V; muitas vezes é escrita como\(\displaystyle V=IR\), onde R é a resistência |
| resistência | propriedade elétrica que impede a corrente; para materiais ôhmicos, é a relação entre tensão e corrente,\(\displaystyle R=V/I\) |
| resistividade | propriedade intrínseca de um material, independente de sua forma ou tamanho, diretamente proporcional à resistência, denotada por\(\displaystyle ρ\) |
| esquema | representação gráfica de um circuito usando símbolos padronizados para componentes e linhas sólidas para o fio que conecta os componentes |
| LULA | Dispositivo (Dispositivo de Interferência Quântica Supercondutora) que é um magnetômetro muito sensível, usado para medir campos magnéticos extremamente sutis |
| supercondutividade | fenômeno que ocorre em alguns materiais onde a resistência chega exatamente a zero e todos os campos magnéticos são expelidos, o que ocorre dramaticamente em alguma temperatura crítica baixa\(\displaystyle (T_C)\) |
Equações-chave
| Corrente elétrica média | \(\displaystyle I_{ave}=\frac{ΔQ}{Δt}\) |
| Definição de ampere | \(\displaystyle 1A=1C/s\) |
| Corrente elétrica | \(\displaystyle I=\frac{dQ}{dt}\) |
| Velocidade de deriva | \(\displaystyle v_d=\frac{I}{nqA}\) |
| Densidade atual | \(\displaystyle I=∬_{area}\vec{J}⋅d\vec{A}\) |
| Resistividade | \(\displaystyle ρ=\frac{E}{J}\) |
| Expressão comum da lei de Ohm | \(\displaystyle V=IR\) |
| Resistividade em função da temperatura | \(\displaystyle ρ=ρ_0[1+α(T−T_0)]\) |
| Definição de resistência | \(\displaystyle R≡\frac{V}{I}\) |
| Resistência de um cilindro de material | \(\displaystyle R=ρ\frac{L}{A}\) |
| Dependência da resistência à temperatura | \(\displaystyle R=R_0(1+αΔT)\) |
| Energia elétrica | \(\displaystyle P=IV\) |
| Potência dissipada por um resistor | \(\displaystyle P=I^2R=\frac{V^2}{R}\) |
Resumo
9.2 Corrente elétrica
- A corrente elétrica média\(\displaystyle I_{ave}\) é a taxa na qual a carga flui, dada por\(\displaystyle I_{ave}=\frac{ΔQ}{Δt}\), onde\(\displaystyle ΔQ\) é a quantidade de carga que passa por uma área no tempo\(\displaystyle Δt\).
- A corrente elétrica instantânea, ou simplesmente a corrente I, é a taxa na qual a carga flui. Tomando o limite quando a mudança no tempo se aproxima de zero\(\displaystyle I=\frac{dQ}{dt}\), temos, onde\(\displaystyle \frac{dQ}{dt}\) está a derivada temporal da carga.
- A direção da corrente convencional é tomada como a direção na qual a carga positiva se move. Em um circuito simples de corrente contínua (DC), isso será do terminal positivo da bateria para o terminal negativo.
- A unidade SI para corrente é o ampere, ou simplesmente o amplificador (A), onde\(\displaystyle 1A=1C/s\).
- A corrente consiste no fluxo de cargas livres, como elétrons, prótons e íons.
9.3 Modelo de condução em metais
- A corrente através de um condutor depende principalmente do movimento dos elétrons livres.
- Quando um campo elétrico é aplicado a um condutor, os elétrons livres em um condutor não se movem através de um condutor em uma velocidade e direção constantes; em vez disso, o movimento é quase aleatório devido a colisões com átomos e outros elétrons livres.
- Mesmo que os elétrons se movam de forma quase aleatória, quando um campo elétrico é aplicado ao condutor, a velocidade geral dos elétrons pode ser definida em termos de uma velocidade de deriva.
- A densidade atual é uma grandeza vetorial definida como a corrente através de uma área infinitesimal dividida pela área.
- A corrente pode ser encontrada a partir da densidade atual,\(\displaystyle I=∬_{area}\vec{J}⋅d\vec{A}\).
- Uma lâmpada incandescente é um filamento de fio envolto em uma lâmpada de vidro parcialmente evacuada. A corrente passa pelo filamento, onde a energia elétrica é convertida em luz e calor.
9.4 Resistividade e resistência
- A resistência tem unidades de ohms (\(\displaystyle Ω\)), relacionadas a volts e amperes por\(\displaystyle 1Ω=1V/A\).
- A resistência R de um cilindro de comprimento L e área de seção transversal A é\(\displaystyle R=\frac{ρL}{A}\), onde\(\displaystyle ρ\) está a resistividade do material.
- Os valores de\(\displaystyle ρ\) na Tabela 9.1 mostram que os materiais se dividem em três grupos: condutores, semicondutores e isoladores.
- A temperatura afeta a resistividade; para mudanças de temperatura relativamente pequenas\(\displaystyle ΔT\), a resistividade\(\displaystyle ρ_0\) é\(\displaystyle ρ=ρ_0(1+αΔT)\), onde está a resistividade original e\(\displaystyle α\) é o coeficiente de resistividade da temperatura.
- A resistência R de um objeto também varia com a temperatura:\(\displaystyle R=R_0(1+αΔT)\), onde\(\displaystyle R_0\) está a resistência original e R é a resistência após a mudança de temperatura.
9.5 Lei de Ohm
- A lei de Ohm é uma relação empírica de corrente, tensão e resistência para alguns tipos comuns de elementos de circuito, incluindo resistores. Não se aplica a outros dispositivos, como diodos.
- Uma declaração da lei de Ohm fornece a relação entre a corrente I, tensão V e resistência R em um circuito simples como\(\displaystyle V=IR\).
- Outra declaração da lei de Ohm, em um nível microscópico, é\(\displaystyle J=σE\).
9.6 Energia elétrica e energia
- Energia elétrica é a taxa na qual a energia elétrica é fornecida a um circuito ou consumida por uma carga.
- A potência dissipada por um resistor depende do quadrado da corrente através do resistor e é igual\(\displaystyle P=I^2R=\frac{V^2}{R}\) a.
- A unidade SI para energia elétrica é o watt e a unidade SI para energia elétrica é o joule. Outra unidade comum de energia elétrica, usada por empresas de energia elétrica, é o quilowatt-hora (kW ⋅· h).
- A energia total usada em um intervalo de tempo pode ser encontrada por\(\displaystyle E=∫Pdt\).
9.7 Supercondutores
- A supercondutividade é um fenômeno que ocorre em alguns materiais quando resfriados a temperaturas críticas muito baixas, resultando em uma resistência de exatamente zero e na expulsão de todos os campos magnéticos.
- Materiais que normalmente são bons condutores (como cobre, ouro e prata) não apresentam supercondutividade.
- A supercondutividade foi observada pela primeira vez em mercúrio por Heike Kamerlingh Onnes em 1911. Em 1986, a Dra. Ching Wu Chu, da Universidade de Houston, fabricou um composto cerâmico quebradiço com uma temperatura crítica próxima à temperatura do nitrogênio líquido.
- A supercondutividade pode ser usada na fabricação de ímãs supercondutores para uso em ressonâncias magnéticas e trens levitados de alta velocidade.