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Sobre a Aula
Unidades elétricas podem ser descritas de maneira formal, e é isso que fazemos aqui. As unidades elétricas padrão são definidas em uma ordem específica. O ampere é definido primeiro. É uma unidade base do SI, a única unidade elétrica derivada do resultado de um experimento.
Depois do ampere vem o coulomb e carga de um elétron. A partir daí derivamos o resto das nossas unidades favoritas, o watt, o volt, e o ohm. Essas unidades elétricas derivadas são definidas em função do ampere e de outras unidades bases do SI (metro, quilograma, segundo).
Ampere
A definição do SI para corrente, o ampere, vem do estudo do magnetismo. As correntes elétricas em fios dão origem a campos magnéticos (Lei de Biot-Savart, 1820). Por sua vez, essas correntes em fios dão origem a forças magnéticas no fios (Lei de Ampère, 1825). Assim, dois fios paralelos percorridos por uma corrente vão exercer uma força entre eles. A definição oficial do SI para ampere é:
O ampere é a intensidade de uma corrente elétrica constante que, mantida em dois fios condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível e situados à uma distância de um metro entre si, no vácuo, produz entre esses fios condutores uma força de módulo igual a newtons para cada seção do fio de um metro de comprimento.
O ampere é definido pelo resultado de um experimento. Para criar um ampere padrão, você executa alguma versão do seguinte experimento, que exige dois fios de um 1 metro de comprimento em paralelo e algum modo de medir a força nos fios (um extensômetro).
Aplique a mesma corrente nos dois fios, fluindo na mesma direção. Ajuste as correntes nos dios para cima ou para baixo enquanto mede a força nos fios. Quando a força for newtons, a corrente é 1 ampere, por definição. (Este é um experimento conceitual. Nos laboratórios padrão modernos um ampere padrão é criado de outra maneira.)
Coulomb
O coulomb é a unidade do SI para carga. O dimensão de um coulomb é derivada do ampere. Um coulomb é definido como a quantidade de carga fluindo quando a corrente é de 1 ampere.
ou, equivalentemente,
Carga do elétron
Em 1897, J.J. Thomson provou a existência do elétron. Doze anos mais tarde, a começar em 1909, Robert Millikan executou seu experimento com gotas de óleo para estabelecer a carga do elétron.
A carga de um elétron pode ser expressa em coulombs como .
Se nós invertemos essa expressão, veremos que o coulomb pode ser expresso em termos do número de cargas elétricas:
é
Verificação do conceito
Quantos elétrons há em 1 ampere?
Quantos coulombs há em 1 mol de elétrons?
Um mol de elétrons é igual a elétrons — número de Avogadro.
Um mol de elétrons é igual a elétrons — número de Avogadro.
Watt
O watt é a unidade de potência. A potência é a quantidade de energia transferida ou consumida por unidade de tempo; equivalentemente, a potência é a taxa de trabalho realizado. Em linguagem padrão, o watt é a potência que, em um segundo, produz 1 joule de energia.
Volt
O volt é a unidade de diferença de potencial elétrico—a diferença de potencial elétrico também era conhecida como voltagem, mas hoje se usa o termo tensão. A dimensão de 1 volt é oficialmente definida como a diferença de potencial entre dois pontos de um fio carregando uma corrente de 1 ampere quando a potência dissipada no fio é 1 watt.
O volt também pode ser expresso em termos de energia e carga como,
Você pode achar uma descrição intuitiva de tensão no artigo introdutório sobre grandezas elétricas básicas. Além disso, há uma derivação formal do significado de tensão na seção de eletrostática.
Ohm
O ohm é a unidade elétrica de resistência. Um ohm é definido como a resistência entre dois pontos de um condutor quando 1 volt é aplicado e a corrente de 1 ampere está fluindo.
Nós agora definimos, em ordem, um conjunto básico de nossas unidades elétricas favoritas.
Sistemas de unidades
Nos últimos 200 anos, existiram três principais sistemas de unidades científicas:
- SI
- MKS
- CGS
O SI é o Sistema Internacional de Unidades—em francês, Système International d’Unités. É a forma moderna do sistema métrico e é o sistema de medição mais usado. O sistema foi publicado em 1960, como resultado de discussões que começaram em 1948. O SI é baseado no sistema metro-quilograma-segundo (MKS). Nos Estados Unidos, o SI é usado na ciência, medicina, governo, tecnologia e engenharia.
O MKS é baseado na medição de comprimentos em metros, massa em quilogramas e tempo em segundos. O MKS é geralmente usado em engenharia e no começo da física (física básica). Ele foi proposto em 1901. As unidades mais familiares de eletricidade e magnetismo—ohm, farad, coulomb e etc.—são unidades do MKS.
O CGS é baseado na medição de comprimentos em centímetros, massa em gramas e tempo em segundos. Ele foi introduzido em 1874. O sistema CGS é normalmente usado em física teórica. A diferença entre o sistema SI e o CGS é muito mais profunda do que uma simples escolha das unidades de comprimento e de massa.
Há 7 unidades básicas no SI.
Unidades básicas do SI
| Nome | Símbolo | Quantidade |
|---|---|---|
| metro | comprimento | |
| quilograma | massa | |
| segundo | tempo | |
| ampere | corrente elétrica | |
| kelvin | temperatura | |
| candela | intensidade luminosa | |
| mol | quantidade de substância |
Uma das unidade básicas do SI vêm da eletricidade: o ampere. O ampere possui o mesmo status de importância que o metro, o quilograma e o segundo. Ele é definido em termos de si próprio, não em termos de outras unidades.
Unidades derivadas do SI usadas em eletricidade
As unidades elétricas remanescentes são unidades derivadas do SI, formadas por combinações das unidades básicas. Se o ampere é a “primeira” unidade elétrica, essas outras unidades elétricas derivadas seguem logo atrás.
| Nome | Símbolo | Quantidade | Em termos de outras unidades SI |
|---|---|---|---|
| coulomb | carga | ||
| watt | potência | ||
| volt | tensão (diferença de potencial elétrico) | ||
| ohm | resistência, impedância | ||
| farad | capacitância | ||
| henry | indutância | ||
| hertz | frequência | ||
| siemens | condutância | or | |
| weber | fluxo magnético | ||
| tesla | força do campo magnético |