Forca_eletromotriz

Força eletromotriz
Sabe-se que quando se utiliza uma pilha num circuito como o da lanterna, por
exemplo, a energia química da pilha é transformada em energia elétrica. Durante
o processo, a pilha fica aquecida, o que significa que nem toda sua energia
química for transformada em elétrica, pois houve dissipação por efeito Joule.
O mesmo acontece com outros tipos de geradores, inclusive os usados em
usinas. A potência não elétrica que o gerador recebe para ser colocado em
funcionamento é transformada em potência elétrica, que então é cedida ao
circuito. No entanto, a potência elétrica cedida tem um valor menor que o
da potência recebida, porque uma parte da potência recebida é
transformada em potência dissipada (que ocorre em resistores). Daí, podese concluir que o gerador também funciona como um resistor de resistência
interna r.
Por essas razões, a fonte de energia que faz os elétrons se moverem em um
circuito elétrico é denominada fonte de força eletromotriz (fem). Exemplos de
fontes fem:

Energia química (bateria).

Energia luminosa (bateria solar).

Diferença de temperatura (termo-par).

Energia mecânica (queda d'agua).

Energia Térmica:
o
Queima de carvão.
o
Queima de óleo combustível.
o
Reações nucleares.
Utilizaremos o termo “bateria'' de maneira genérica, para designar qualquer
fonte de fem. Inicialmente vamos considerar somente situações para as quais a
fem não varia como uma função do tempo. Neste caso, veremos que a corrente
produzida no circuito pode ou não variar com o tempo. Se a corrente for também
constante, temos uma situação de estado estacionário com uma corrente
contínua fluindo no circuito.
Circuitos
Um circuito é um conjunto de dispositivos, tais como resistores e capacitores
conectados por fios condutores idealmente sem resistência (ou qualquer outra
propriedade que seja característica dos elementos do próprio circuito). Na figura
1, é mostrado o esquema básico de um circuito simples possuindo somente uma
fonte de fem e um resistor. Este esquema pode estar representando, por
exemplo, uma bateria (fem) ligada à uma lâmpada (R).
Figura 1: Circuito com uma resistência
A função da “Bateria''
Uma bateria (no sentido genérico mencionado anteriormente) nada mais é que
um dispositivo que utiliza energia para “bombear'' cargas, analogamente a uma
bomba d`água que impulsiona a água de um poço, vencendo a força
gravitacional. Quando é ligada a um circuito, como na figura 1, uma corrente flui
do terminal positivo (maior potencial elétrico) para o negativo (menor potencial
elétrico). A diferença de potencial entre os terminais é denominada voltagem de
terminal. A quantidade de corrente que flui, depende dos outros componentes do
circuito da mesma forma que a quantidade de água que flui em uma rede
hidráulica depende da espessura dos encanamentos, etc. No presente caso, a
resistência
vai determinar a corrente
. A corrente é formada pelo movimento
dos elétrons que estão sendo atraídos para o terminal positivo da bateria
(lembre-se que a corrente é definida pelo movimento oposto ao dos elétrons).
Suponha que o mecanismo interno da bateria realize um trabalho
mover uma quantidade
para
de carga positiva do terminal negativo para o
positivo. Então a fem da bateria é definida como
(a)
ou seja, a fem é a energia por unidade de carga que é fornecida pela fonte
de energia. Sua unidade é o Joule/Coulomb (ou Volt). Algumas vezes utilizase de maneira imprecisa o termo voltagem referindo-se à fem. No entanto, esta
denominação é mais apropriada para se referir à diferença de potencial entre os
terminais da bateria, a qual pode ser diferente de
.
Para determinar quantitativamente a corrente que flui no circuito,
consideremos o esquema esboçado na figura 1. Iniciando no ponto
seguindo o sentido da corrente
e
, teremos um aumento de uma quantidade
do potencial ao passar do terminal negativo para o terminal positivo da
bateria (não há variação de potencial ao atravessarmos os fios de resistência
nula). Ao atravessar a resistência
(que estamos supondo ôhmica), o
potencial diminui de uma quantidade
. À esta queda de potencial está
associada uma diminuição da energia potencial das cargas (a energia potencial
está sendo convertida em energia térmica no resistor). Lembrando que o
potencial elétrico é derivável de uma força conservativa, o trabalho
realizado para transportar uma carga em um circuito fechado, é zero. Logo,
a variação total de potencial correspondente deve ser também igual a zero.
Portanto, devemos ter
(b)
(Em outras palavras, a soma algébrica das variações do potencial
encontradas em todos os pontos ao longo de um percurso completo do
circuito deve ser igual a zero.)
Ou seja,
(c)
Resistência interna da “Bateria''
Sabemos que uma pilha comum ou uma bateria de automóvel produz algum
aquecimento quando está em operação. Na verdade, qualquer mecanismo de
“bombeamento de cargas'' possui uma resistência interna
como está
esquematizado na figura 2.
Figura 2: Resistência interna de uma bateria
Calculando a diferença de potencial total em um circuito fechado, como fizemos
acima, teremos
(d)
Note que agora utilizamos
(e)
para a diferença de potencial
entre os terminais da bateria. Assim, a corrente
depende também da resistência interna da bateria, sendo dada por
(f)
Observe que podemos medir
diretamente, fazendo com que a corrente no
circuito seja igual a zero. Neste caso, a equação (e) nos dá
, onde
éa
diferença de potencial que é medida entre os terminais da bateria. Para que a
corrente
seja igual a zero, podemos tomar uma resistência
grande (o medidor da voltagem
infinito).
muito
deve ter resistência idealmente igual a