Ampere
Symbol: AWorldwide
O que é um/uma Ampere (A)?
Definição Formal
O ampere (símbolo: A) é a unidade base do SI para corrente elétrica. Desde 20 de maio de 2019, foi definido fixando o valor numérico da carga elementar e em exatamente 1.602176634 × 10⁻¹⁹ coulombs (C), onde 1 C = 1 A·s. Isso significa que um ampere é a corrente elétrica correspondente ao fluxo de 1/(1.602176634 × 10⁻¹⁹) cargas elementares por segundo, o que é aproximadamente 6.241509 × 10¹⁸ elétrons passando por um ponto dado por segundo.
O ampere é uma das sete unidades base do SI e a única unidade elétrica entre elas. Todas as outras unidades elétricas — o volt, ohm, watt, coulomb, farad, henry, siemens e weber — são derivadas do ampere em combinação com o metro, quilograma e segundo. A lei de Ohm (V = IR) relaciona o ampere ao volt e ao ohm, enquanto a potência elétrica (P = IV) a relaciona ao watt.
Significado Físico
A corrente elétrica, medida em amperes, representa a taxa de fluxo de carga elétrica através de um condutor. Em condutores metálicos, a corrente é transportada por elétrons que se movem através da rede cristalina do metal. Em eletrólitos e plasmas, a corrente é transportada por íons. Em semicondutores, a corrente é transportada tanto por elétrons quanto por "buracos" (vagas na estrutura eletrônica que se comportam como portadores de carga positiva). A direção da corrente convencional é definida como a direção na qual as cargas positivas fluiriam, que é oposta à direção real do fluxo de elétrons nos metais.
Etymology
Nomeado em Homenagem a Andre-Marie Ampere
O ampere é nomeado em homenagem a Andre-Marie Ampere (1775-1836), o físico e matemático francês que é considerado um dos fundadores da ciência do eletromagnetismo, que ele chamou de "eletrodinâmica." Nascido em Lyon, França, Ampere foi um intelecto prodigioso que aprendeu matemática a partir dos livros na biblioteca de seu pai. Apesar da execução de seu pai durante a Revolução Francesa e outras tragédias pessoais, Ampere fez contribuições inovadoras para a física e a matemática.
Principais Contribuições de Ampere
A realização mais significativa de Ampere foi sua formulação matemática da relação entre corrente elétrica e o campo magnético que ela produz, publicada em seu memorial de 1826 "Memoire sur la theorie mathematique des phenomenes electrodynamiques uniquement deduite de l'experience." Ele demonstrou que dois fios paralelos que transportam correntes elétricas exercem forças um sobre o outro — atraindo quando as correntes fluem na mesma direção e repelindo quando fluem em direções opostas. Essa descoberta formou a base da definição original do ampere (antes de 2019) e é expressa matematicamente como a lei da força de Ampere.
James Clerk Maxwell chamou Ampere de "o Newton da eletricidade" por suas contribuições fundamentais. A lei circular de Ampere — uma das equações de Maxwell — relaciona o campo magnético ao redor de um laço fechado à corrente elétrica que passa pelo laço. A unidade de corrente elétrica foi nomeada em sua homenagem no Congresso Elétrico Internacional de 1881 em Paris.
Precise Definition
A Redefinição de 2019
Desde 20 de maio de 2019, o ampere é definido fixando o valor numérico da carga elementar e em exatamente 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C. Combinado com a definição do segundo (baseada na transição hiperfina do césio-133), isso especifica completamente o ampere. Um ampere é exatamente 1/(1.602176634 × 10⁻¹⁹) cargas elementares por segundo.
Definição Anterior (1948-2019)
A definição anterior, adotada em 1948 pela 9ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, definiu o ampere como "a corrente constante que, se mantida em dois condutores paralelos retos de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e colocados a um metro de distância no vácuo, produziria entre esses condutores uma força igual a 2 × 10⁻⁷ newtons por metro de comprimento." Essa definição era conceitualmente clara, mas praticamente difícil de realizar, pois exigia condutores infinitos idealizados.
Realização Prática
O ampere é realizado na prática através de padrões elétricos quânticos. O efeito Josephson (descoberto por Brian Josephson em 1962) permite que a voltagem seja medida com extrema precisão usando junções Josephson, que produzem passos de voltagem de exatamente hf/(2e), onde h é a constante de Planck, f é a frequência e e é a carga elementar. O efeito Hall quântico (descoberto por Klaus von Klitzing em 1980) fornece um padrão de resistência igual a h/e². Ao combinar padrões de voltagem Josephson com padrões de resistência Hall quântica, a corrente pode ser medida com uma incerteza relativa da ordem de 10⁻⁸.
História
Primeiras Medições Elétricas
A história do ampere é inseparável da história mais ampla da compreensão da corrente elétrica. Em 1800, Alessandro Volta inventou a pilha voltaica — a primeira verdadeira bateria — que forneceu uma fonte contínua de corrente elétrica pela primeira vez. Essa invenção possibilitou uma onda de experimentos elétricos por cientistas como Humphry Davy, Hans Christian Oersted e Andre-Marie Ampere. Em 1820, a descoberta de Oersted de que uma corrente elétrica desvia uma agulha de bússola revelou a conexão fundamental entre eletricidade e magnetismo.
Eletrodinâmica de Ampere
Dentro de semanas após saber da descoberta de Oersted, Ampere conduziu uma série de experimentos brilhantes demonstrando as forças entre fios que transportam corrente. Ele mostrou que fios paralelos que transportam correntes na mesma direção se atraem, enquanto correntes antiparalelas se repelem. Ele formulou leis matemáticas descrevendo essas forças e propôs que o magnetismo em si é causado por correntes elétricas circulantes dentro da matéria — uma hipótese posteriormente confirmada pela teoria do elétron do magnetismo.
Padronização
O primeiro padrão internacional para o ampere foi estabelecido no Congresso Elétrico Internacional em Chicago em 1893, definido eletroquimicamente como a corrente que deposita 1.118 miligramas de prata por segundo de uma solução de nitrato de prata (o "ampere de prata"). Essa definição prática foi substituída em 1948 pela definição baseada em força usando condutores paralelos, e em 2019 pela definição atual baseada na carga elementar.
A Revisão de 2019
A redefinição de 2019 do ampere foi parte de uma revisão mais ampla do SI que também redefiniu o quilograma, kelvin e mol. A nova definição eliminou a dependência do metro e do quilograma (que apareciam na definição baseada em força) e, em vez disso, ancorou o ampere diretamente a uma constante fundamental da natureza — a carga elementar. Isso foi possibilitado por décadas de avanços em experimentos de transporte de elétron único e metrologia elétrica quântica.
Uso atual
Na Engenharia Elétrica
O ampere é a unidade fundamental para especificar e medir a corrente elétrica em todas as aplicações de engenharia elétrica. Disjuntores e fusíveis são classificados em amperes — um disjuntor típico de residência é classificado em 15 ou 20 amperes na América do Norte e 16 ou 32 amperes na Europa. Os padrões de bitola de fios especificam a capacidade máxima de transporte de corrente (ampacidade) dos condutores em amperes, e os painéis elétricos são classificados pela sua capacidade total de amperagem (comumente 100, 200 ou 400 amperes para serviços residenciais).
Na Eletrônica
Na eletrônica, as correntes são tipicamente medidas em miliamperes (mA) ou microamperes (μA). Um smartphone consome aproximadamente 100 a 500 mA durante o uso ativo. Um LED requer 10 a 20 mA. Circuitos integrados operam com correntes variando de microamperes (para sensores de baixo consumo) a amperes (para processadores de alto desempenho). A capacidade da bateria é classificada em ampere-horas (Ah) ou miliampere-horas (mAh) — uma bateria típica de smartphone tem uma capacidade de 3.000 a 5.000 mAh.
Em Sistemas de Energia
Na geração e distribuição de energia, a corrente é medida em amperes e quiloamperes. Linhas de transmissão de alta tensão transportam correntes de centenas a milhares de amperes. Motores industriais grandes consomem dezenas a centenas de amperes. Carregadores rápidos de veículos elétricos podem fornecer 250 a 500 amperes em tensões CC, permitindo um carregamento rápido da bateria.
Everyday Use
Sistemas Elétricos Residenciais
O sistema elétrico de cada casa é fundamentalmente descrito em termos de amperes. O painel elétrico principal em uma casa moderna é tipicamente classificado em 100 a 200 amperes. Circuitos individuais são protegidos por disjuntores classificados em 15 ou 20 amperes para tomadas gerais, 20 amperes para circuitos de cozinha e banheiro, e 30 a 50 amperes para eletrodomésticos de alta demanda, como fogões elétricos e secadores de roupas. Compreender a amperagem é essencial para o uso elétrico seguro — sobrecarregar um circuito puxando mais amperes do que sua classificação pode causar superaquecimento e incêndio.
Carregamento de Dispositivos
O carregamento de baterias é descrito em termos de amperes. Um carregador USB padrão fornece 0,5 a 2,4 amperes. Carregadores USB-C Power Delivery podem fornecer até 5 amperes a 20 volts (100 watts). Padrões de carregamento rápido para smartphones (Qualcomm Quick Charge, USB PD) aumentam a corrente e a voltagem para reduzir os tempos de carregamento. Carregadores de veículos elétricos são classificados pela sua amperagem: um carregador de Nível 1 (tomada doméstica padrão) fornece cerca de 12 amperes, um carregador de Nível 2 fornece de 16 a 80 amperes, e carregadores rápidos CC podem fornecer mais de 300 amperes.
Conscientização de Segurança
Compreender a amperagem é importante para a segurança elétrica. Uma corrente de cerca de 10 miliamperes (0,01 A) através do corpo humano causa contração muscular dolorosa, 100 miliamperes (0,1 A) podem causar fibrilação ventricular fatal, e correntes mais altas causam queimaduras graves. É por isso que a segurança elétrica se concentra tanto na voltagem (que impulsiona a corrente através da resistência) quanto no aterramento (que fornece um caminho seguro para correntes de falha).
In Science & Industry
Em Eletromagnetismo
O ampere é central para a teoria eletromagnética. A lei circular de Ampere afirma que a integral do campo magnético ao redor de um laço fechado é proporcional à corrente elétrica que atravessa o laço. A lei de Biot-Savart fornece o campo magnético produzido por um elemento de corrente. As equações de Maxwell, que unificam eletricidade, magnetismo e óptica, expressam quantidades eletromagnéticas em termos de amperes, volts e suas derivadas.
Em Metrologia Quântica
Os padrões elétricos quânticos que realizam o ampere estão entre as ferramentas de medição mais precisas de toda a ciência. O efeito Josephson fornece um padrão de voltagem com uma incerteza relativa abaixo de 10⁻⁹. O efeito Hall quântico fornece um padrão de resistência com um nível de precisão semelhante. Dispositivos de transporte de elétron único (transistores de tunelamento de elétron único e pontos quânticos) podem contar elétrons individuais, proporcionando uma realização direta do ampere como um fluxo de cargas elementares.
Em Eletroquímica
Na eletroquímica, as leis de Faraday da eletrólise relacionam a quantidade de substância depositada em um eletrodo à carga total passada (corrente × tempo) em ampere-segundos (coulombs). Um faraday de carga (96.485 coulombs) deposita um mol de uma substância monovalente. Essas relações são fundamentais para eletrodeposição, refino eletrolítico de metais, química de baterias e operação de células de combustível.
Multiples & Submultiples
| Name | Symbol | Factor |
|---|---|---|
| Nanoampere | nA | 0.000000001 |
| Microampere | μA | 0.000001 |
| Milliampere | mA | 0.001 |
| Ampere | A | 1 |
| Kiloampere | kA | 1000 |
Interesting Facts
A single lightning bolt carries a peak current of approximately 20,000 to 200,000 amperes, though the pulse lasts only a few microseconds. The total charge transferred in a typical lightning stroke is about 5 coulombs.
The human brain operates on approximately 12 watts of power, corresponding to currents of milliamperes flowing through billions of neurons. Each neuron fires at voltages of about 70 millivolts.
Andre-Marie Ampere was so absent-minded that he once forgot he had been invited to dinner with Emperor Napoleon. He reportedly used the back of a cab as a blackboard to work out mathematical equations.
The original 1948 definition of the ampere involved "two straight parallel conductors of infinite length" — a condition impossible to achieve physically. This made the definition theoretically elegant but practically unrealizable.
A typical household in the United States uses about 30 amperes of peak current during periods of heavy electrical use. The main breaker panel is typically rated for 200 amperes to provide ample headroom.
The world's most powerful electromagnets, used in fusion research (such as ITER), carry currents of approximately 68,000 amperes through superconducting coils cooled to near absolute zero.
It takes approximately 6.24 × 10¹⁸ electrons flowing past a point per second to constitute one ampere of current. Despite this enormous number, individual electrons in a wire move surprisingly slowly — typically only a fraction of a millimeter per second (drift velocity).
The ampere-hour (Ah) is the standard unit for battery capacity. A 100 Ah battery can theoretically supply 1 ampere for 100 hours, or 100 amperes for 1 hour, or any equivalent combination.