00:00:00
Imagine que você tem um circuito gigante
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composto por uma bateria, um
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interruptor, uma lâmpada e dois fios que
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tem cada um 300.000 km de comprimento.
00:00:10
Essa é a distância que a luz percorre em
00:00:12
1 segundo. Então eles se estenderiam até
00:00:15
a metade do caminho, até a lua e depois
00:00:17
voltariam para se conectar à lâmpada que
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está a 1 m de distância. Agora a questão
00:00:23
é: depois que eu fechar essa chave,
00:00:25
quanto tempo levaria para a lâmpada
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acender? Seria meio segundo, 1 segundo,
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2 segundos, 1 sobre c segundos ou
00:00:32
nenhuma das opções acima. Você tem que
00:00:34
fazer algumas suposições simplificadoras
00:00:37
sobre este circuito, como os fios não
00:00:40
terem resistência. Caso contrário, isso
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não funcionaria e a lâmpada precisaria
00:00:44
acender imediatamente quando a corrente
00:00:47
passar por ela. Mas eu quero que você se
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comprometa com uma resposta e a coloque
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nos comentários para que você não possa
00:00:53
dizer: "Ah, sim, eu sabia que essa era a
00:00:56
resposta. Quando eu te contar a resposta
00:00:58
mais tarde".
00:01:01
Esta questão se relaciona com o trajeto
00:01:03
da energia elétrica, desde a usina até a
00:01:05
sua casa. Ao contrário de uma bateria, a
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eletricidade na rede vem como corrente
00:01:11
alternada ou AC, o que significa que os
00:01:14
elétrons nas linhas de energia estão
00:01:16
apenas se movendo para a frente e para
00:01:19
trás. Eles nunca realmente vão a lugar
00:01:21
algum.
00:01:23
Então, se as cargas não vêm da usina
00:01:25
para sua casa, como a energia elétrica
00:01:28
realmente chega até você?
00:01:32
Quando eu costumava ensinar esse
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assunto, eu dizia que as linhas de
00:01:36
energia são como esse tubo de plástico
00:01:38
flexível e os elétrons dentro são como
00:01:41
essa corrente. Então, o que uma usina de
00:01:44
energia faz é empurrar e puxar os
00:01:46
elétrons para a frente e para trás 60
00:01:48
vezes por
00:01:49
segundo. Agora, em casa, você pode
00:01:52
conectar um dispositivo como uma
00:01:54
torradeira, permitindo que os elétrons
00:01:56
passem por ele. Então, quando a usina de
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energia empurra e puxa os elétrons, bem,
00:02:01
eles encontram resistência no elemento
00:02:04
da torradeira e eles dissipam sua
00:02:06
energia como calor e assim você pode
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torrar seu pão. Essa é uma ótima
00:02:11
história, fácil de visualizar e acredito
00:02:14
que meus alunos entenderam. O único
00:02:16
problema é está
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errado. Para começar, não existe um fio
00:02:21
condutor contínuo que vai desde uma
00:02:23
usina de energia até a sua casa.
00:02:26
Não existem lacunas físicas, existem
00:02:30
interrupções na linha, como em
00:02:32
transformadores, onde uma bobina de fio
00:02:34
é enrolada de um lado, uma bobina de fio
00:02:37
diferente é enrolada do outro lado.
00:02:39
Então, os elétrons não podem
00:02:41
eventualmente fluir de um para o outro.
00:02:44
Além disso, quero dizer, se são os
00:02:46
elétrons que estão transportando a
00:02:48
energia da usina para o seu dispositivo,
00:02:51
então quando esses mesmos elétrons fluem
00:02:53
de volta para a usina, por que que eles
00:02:55
não estão também transportando energia
00:02:57
de volta da sua casa para a usina? Quero
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dizer, se o fluxo de corrente é em duas
00:03:02
direções, então por que a energia só
00:03:04
flui em uma direção?
00:03:07
Essas são as mentiras que te ensinaram
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sobre eletricidade, que os elétrons em
00:03:11
si têm energia potencial, que são
00:03:14
empurrados ou puxados através de um loop
00:03:17
condutor contínuo e que eles dissipam
00:03:20
sua energia no dispositivo. Minha
00:03:22
afirmação neste vídeo é que tudo isso é
00:03:25
falso. Então, como realmente funciona?
00:03:31
Nas décadas de
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1860 e
00:03:35
1870, houve um enorme avanço em nosso
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entendimento do universo, quando o
00:03:40
físico escocês James Clerk Maxwell
00:03:43
percebeu que a luz é composta por campos
00:03:45
elétricos e magnéticos oscilantes. Os
00:03:48
campos estão oscilando
00:03:49
perpendicularmente um ao outro e estão
00:03:51
em fase. O que significa que quando um
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está no seu máximo, a outra onda também
00:03:55
está.
00:03:57
Agora ele trabalha nas equações que
00:03:59
regem o comportamento dos campos
00:04:00
elétrico e magnético e por consequência
00:04:03
dessas ondas. Essas são agora chamadas
00:04:05
de equações de Maxwell. Mas em
00:04:08
1883, um dos ex-alunos de Maxwell, John
00:04:11
Henry Pointing, está pensando sobre a
00:04:13
conservação de energia. Agora, se a
00:04:16
energia é conservada localmente em cada
00:04:18
pequeno pedaço de espaço, bem, então
00:04:21
você deveria ser capaz de rastrear o
00:04:23
caminho em que a energia flui de um
00:04:25
lugar para outro.
00:04:26
Então, pense sobre a energia que vem até
00:04:28
nós do Sol. Quero dizer, durante esses 8
00:04:32
minutos em que a luz está viajando, a
00:04:35
energia é armazenada e transmitida nos
00:04:38
campos elétricos e magnéticos da luz.
00:04:42
Agora, Pointing elabora uma equação para
00:04:45
descrever o fluxo de energia, ou seja,
00:04:48
quanto de energia eletromagnética está
00:04:51
passando por uma área por segundo. Isso
00:04:53
é conhecido como vetor pointing e é
00:04:55
representado pelo símbolo S. A fórmula é
00:04:58
realmente bastante simples. É apenas uma
00:05:00
constante 1 sobre mi z0, que é a
00:05:03
permeabilidade do espaço livre vezes e
00:05:06
cruz B. Agora, ECU B é o produto
00:05:08
vetorial dos campos elétrico e
00:05:11
magnético. E o produto vetorial é apenas
00:05:13
uma maneira específica de multiplicar
00:05:15
dois vetores, onde você multiplica suas
00:05:18
magnitudes perpendiculares. E para
00:05:20
encontrar a direção, você coloca seus
00:05:22
dedos na direção do primeiro vetor, que
00:05:24
neste caso é o campo elétrico, e os
00:05:26
curva na direção do segundo vetor, o
00:05:28
campo magnético. Então, seu polegar
00:05:31
aponta na direção do vetor resultante o
00:05:33
fluxo de energia de Então, o que isso
00:05:37
nos mostra sobre a luz é que a energia
00:05:40
está fluindo perpendicularmente aos
00:05:42
campos elétrico e magnético e está na
00:05:45
mesma direção em que a luz está
00:05:47
viajando. Isso faz muito sentido. A luz
00:05:51
transporta energia de sua fonte para seu
00:05:55
destino. Mas o ponto crucial é este. A
00:05:59
equação de pointing não funciona apenas
00:06:01
para a luz. Ela funciona sempre que há
00:06:03
campos elétricos e magnéticos
00:06:05
coincidindo. Sempre que você tem campos
00:06:08
elétricos e magnéticos juntos, há um
00:06:10
fluxo de energia e você pode calculá-lo
00:06:13
usando o vetor de
00:06:16
pointing. Para ilustrar isso, vamos
00:06:18
considerar um circuito simples com uma
00:06:20
bateria e uma lâmpada. A bateria por si
00:06:23
só tem um campo elétrico, mas como não
00:06:26
há cargas se movendo, não há campo
00:06:28
magnético, então a bateria não perde
00:06:31
energia. Quando a bateria é conectada ao
00:06:34
circuito, seu campo elétrico se estende
00:06:36
pelo circuito à velocidade da
00:06:38
luz. O campo elétrico empurra os
00:06:41
elétrons, fazendo-os se acumularem em
00:06:43
algumas superfícies dos condutores,
00:06:46
deixando-as negativas, e se esgotarem em
00:06:49
outras, deixando-as positivas.
00:06:53
Essas cargas superficiais criam um
00:06:56
pequeno campo elétrico dentro dos fios,
00:06:58
fazendo com que os elétrons se desloquem
00:07:00
preferencialmente em uma
00:07:02
direção. Essa velocidade de deriva é
00:07:05
extremamente lenta, cerca de 0,1 mm/
00:07:09
segundo. Mas isso é corrente. Bem, a
00:07:12
corrente convencional é definida para
00:07:14
fluir oposta ao movimento dos elétrons,
00:07:16
mas é isso que está fazendo acontecer.
00:07:19
A carga nas superfícies dos condutores
00:07:22
também cria um campo elétrico fora dos
00:07:24
fios e a corrente dentro dos fios cria
00:07:28
um campo magnético fora dos
00:07:30
fios. Então agora há uma combinação de
00:07:33
campos elétricos e magnéticos no espaço
00:07:35
ao redor deste circuito. Segundo a
00:07:38
teoria de pointing, a energia deveria
00:07:41
fluir. A direção do fluxo de energia
00:07:43
pode ser determinada usando a regra da
00:07:45
mão direita. Ao redor da bateria, por
00:07:48
exemplo, o campo elétrico está para
00:07:49
baixo e o campo magnético está para
00:07:51
dentro da tela. Você descobre que o
00:07:54
fluxo de energia é para a direita,
00:07:56
afastando-se da
00:07:58
bateria. Na verdade, em toda a volta da
00:08:00
bateria, você encontrará que a energia
00:08:03
está radialmente para fora. A energia
00:08:05
está saindo pelas laterais da bateria
00:08:07
para os
00:08:09
campos. Ao longo dos fios, você pode
00:08:11
usar a regra da mão direita para
00:08:13
determinar que a energia flui pra
00:08:14
direita.
00:08:16
Isso é verdade para os campos ao longo
00:08:17
do fio superior e do fio inferior. Mas
00:08:20
no filamento, o vetor de pointing está
00:08:22
direcionado para dentro da lâmpada.
00:08:25
Então, a lâmpada está recebendo energia
00:08:27
do campo. Ao fazer o produto vetorial,
00:08:30
descobrirá que a energia vem de todos os
00:08:32
lados da lâmpada.
00:08:34
leva muitos caminhos da bateria para a
00:08:36
lâmpada, mas em todos os casos a energia
00:08:39
é transmitida pelos campos elétrico e
00:08:41
magnético. As pessoas parecem pensar que
00:08:44
você está bombeando elétrons como se
00:08:45
estivesse comprando-os, o que é
00:08:47
totalmente
00:08:49
errado. Pra maioria das pessoas até
00:08:51
hoje, né, é contrainttuitivo pensar que
00:08:53
a energia flui pelo espaço ao redor do
00:08:56
condutor, mas a energia que está
00:08:58
viajando através do campo, sim, está
00:09:00
indo bastante rápido.
00:09:03
Então, há algumas coisas para anotar
00:09:05
aqui. Mesmo que os elétrons vão em duas
00:09:07
direções, longe da bateria e em direção
00:09:10
a ela, usando o vetor de pointing, você
00:09:13
descobre que o fluxo de energia só vai
00:09:16
em uma direção, da bateria para a
00:09:18
lâmpada. Isso também mostra que são os
00:09:20
campos e não os elétrons que transportam
00:09:22
a energia.
00:09:24
Em outras palavras, os elétrons mal se
00:09:26
movem, se é que se movem nessa pequena
00:09:28
coisa sobre a qual você está
00:09:30
falando. E se ao invés de uma bateria
00:09:33
utilizarmos uma fonte de corrente
00:09:36
alternada, então a direção da corrente
00:09:38
se inverte a cada meio ciclo. Isso
00:09:41
implica que os campos elétricos e
00:09:43
magnéticos se invertem
00:09:45
simultaneamente. Então, em qualquer
00:09:47
instante, o vetor de pointing ainda
00:09:49
aponta na mesma direção da fonte para a
00:09:51
lâmpada. Então, a exata mesma análise
00:09:54
que usamos para DC ainda funciona para
00:09:57
AC. Isso explica como a energia é capaz
00:10:00
de fluir de usinas para casas em linhas
00:10:02
de
00:10:03
energia. Nos fios, os elétrons apenas
00:10:06
oscilam para frente e para trás. O
00:10:08
movimento deles é muito exagerado aqui,
00:10:10
mas eles não carregam a
00:10:13
energia. Fora dos fios, campos elétricos
00:10:15
e magnéticos oscilantes viajam da
00:10:17
estação de energia para a sua casa.
00:10:20
O vetor de pointing pode ser usado para
00:10:23
verificar a direção do fluxo de
00:10:26
energia. Você pode pensar que isso é
00:10:29
apenas uma discussão acadêmica, que você
00:10:31
poderia ver a energia como transmitida
00:10:33
tanto pelos campos quanto pela corrente
00:10:36
no fio. Mas não é o caso. As pessoas
00:10:40
aprenderam isso do pior jeito ao
00:10:42
instalar cabos de telégrafo
00:10:44
submarinos. O primeiro cabo
00:10:45
transatlântico foi instalado em 1858.
00:10:49
funcionou por apenas um mês, nunca
00:10:51
corretamente. Havia todo tipo de
00:10:53
distorões quando eles tentaram enviar
00:10:55
grandes quantidades de distorção. Eles
00:10:58
podiam trabalhar com algumas palavras
00:10:59
por minuto. O que eles descobriram foi
00:11:02
que ao enviar sinais por uma distância
00:11:04
tão longa sob o mar, os pulsos se
00:11:06
distorciam e se alongavam. Era difícil
00:11:08
diferenciar pontos de traços para
00:11:10
contabilizar a falha. Houve um debate
00:11:13
entre os cientistas. William Thompson, o
00:11:15
futuro Lord Kelvin, pensava que os
00:11:17
sinais elétricos se moviam através de
00:11:19
cabos submarinos, como água fluindo
00:11:21
através de um tubo de borracha. Mas
00:11:24
outros, como Heavide e Fid Gerald,
00:11:26
argumentaram que eram os campos em torno
00:11:28
dos fios que transportavam a energia e a
00:11:30
informação. E no final, essa visão se
00:11:32
provou
00:11:34
correta. Para isolar e proteger o cabo
00:11:36
submarino, o condutor central de cobre
00:11:39
foi revestido com um isolante e depois
00:11:41
encapsulado em uma bainha de ferro.
00:11:44
O ferro era apenas para fortalecer o
00:11:46
cabo, mas como um bom condutor
00:11:48
interferiu na propagação dos campos
00:11:50
eletromagnéticos porque aumentou a
00:11:52
capacitância da linha. Por isso, hoje a
00:11:56
maioria das linhas de energia são
00:11:57
suspensas bem alto. Até a Terra Úmida
00:12:00
atua como condutora, então você quer uma
00:12:03
grande lacuna isolante de ar para
00:12:05
separar os fios do
00:12:08
chão. Então, qual é a resposta para a
00:12:10
nossa pergunta sobre a lâmpada do
00:12:12
circuito gigante?
00:12:14
Bem, depois que eu fechar a chave, a
00:12:16
lâmpada acenderá quase instantaneamente
00:12:18
em aproximadamente 1 sobre C segundo.
00:12:21
Então, a resposta correta é D. Acho que
00:12:24
muitas pessoas imaginam que o campo
00:12:26
elétrico precisa viajar da bateria por
00:12:29
todo o fio, que tem um segundo luz de
00:12:32
comprimento. Então, deveria levar um
00:12:33
segundo pra lâmpada acender. Mas o que
00:12:36
aprendemos neste vídeo é que não é
00:12:38
realmente o que está acontecendo nos
00:12:40
fios que importa. é o que ocorre ao
00:12:43
redor dos fios. E os campos elétricos e
00:12:45
magnéticos podem se propagar pelo espaço
00:12:48
até esta lâmpada que está a apenas 1 m
00:12:51
de distância em alguns nanosegundos. E,
00:12:53
portanto, esse é o fator limitante para
00:12:56
a lâmpada acender. Agora, a lâmpada não
00:12:59
receberá a voltagem total da bateria
00:13:01
imediatamente. Será uma fração que
00:13:03
depende da impedância dessas linhas e da
00:13:06
impedância da lâmpada.
00:13:08
Consultei especialistas sobre essa
00:13:10
questão e, apesar de algumas
00:13:12
divergências, todos concordaram com os
00:13:14
pontos principais. Colocarei a análise
00:13:17
deles na descrição para quem quiser se
00:13:19
aprofundar nessa configuração
00:13:21
específica. Se me convocarem para isso e
00:13:24
as pessoas duvidarem, podemos investir
00:13:26
os recursos, esticar e criar nossas
00:13:28
próprias linhas de energia no deserto.
00:13:31
Acho que vão te chamar para isso.
00:13:33
Concordo. Acho que vão te chamar para
00:13:38
isso. Acho que está certo.
00:13:42
Acho meio louco que isso seja uma
00:13:44
daquelas coisas que usamos todos os dias
00:13:46
e quase ninguém pensa ou sabe a resposta
00:13:48
correta.
00:13:50
As ondas eletromagnéticas que viajam
00:13:52
pelas linhas de energia fornecem sua
00:13:54
energia.
