Eletrodinâmica - Tensão Elétrica, Energia Elétrica e Potência Elétrica

Angelo Luis Ferreira | 16/04/2025 Acessos: 85

5.2. Tensão Elétrica

5.2.1. O que é Tensão Elétrica

A tensão elétrica, também chamada de diferença de potencial elétrico (DDP), é a grandeza física que mede a capacidade de um campo elétrico realizar trabalho ao movimentar cargas elétricas entre dois pontos de um circuito. Em termos simples, a tensão é o que impulsiona os elétrons ao longo de um condutor, estabelecendo a corrente elétrica.

Ela pode ser comparada à pressão da água em uma mangueira: quanto maior a pressão, mais intensa será a saída da água. Da mesma forma, quanto maior a tensão elétrica, maior a "força" que empurra os elétrons pelo circuito.

Matematicamente, a tensão elétrica é definida como:

Onde:

• é a tensão elétrica (em volts, V);

• é o trabalho realizado ou energia potencial elétrica (em joules, J);

• é a carga elétrica (em coulombs, C).

5.2.1.1. Unidade de Medida da Tensão Elétrica

A tensão elétrica é medida em volts (V), em homenagem a Alessandro Volta. Alguns múltiplos e submúltiplos comuns são:

• Milivolt (mV) = 0,001 V

• Quilovolt (kV) = 1.000 V

• Megavolt (MV) = 1.000.000 V

Para referência, algumas tensões comuns incluem:

• 1,5V – Pilhas alcalinas.

• 12V – Baterias automotivas.

• 110V ou 220V – Tensão residencial no Brasil.

• 500.000V – Linhas de transmissão de alta tensão.

5.2.1.2. Tensão Elétrica e Segurança

Tensões elevadas podem representar sérios riscos à segurança. É fundamental compreender os perigos associados:

• Baixa Tensão (<50V) – Geralmente segura para contato direto.

• Tensão Moderada (50V - 600V) – Pode causar choques perigosos.

• Alta Tensão (>600V) – Risco de arco elétrico e choques fatais.

Para evitar acidentes:

• Nunca manipule circuitos energizados sem proteção.

• Utilize equipamentos de segurança apropriados, como luvas isolantes e calçados dielétricos.

• Em ambientes industriais, siga as normas de segurança elétrica (NR-10 no Brasil).

5.2.1.3. Como a Tensão Elétrica Acontece?

A tensão elétrica é criada por uma separação de cargas elétricas, resultando em uma diferença de potencial entre dois pontos. Essa separação pode ocorrer de várias formas:

🔹 Fontes Eletroquímicas (Baterias e Pilhas)

• • As baterias geram tensão elétrica por meio de reações químicas. Os elétrons são acumulados em um dos polos, criando uma diferença de potencial entre os terminais positivo e negativo. Ao conectar um circuito externo, essa tensão impulsiona os elétrons através do condutor.

🔹 Geradores Elétricos

• • Os geradores convertem energia mecânica em energia elétrica. O movimento de bobinas dentro de um campo magnético induz uma tensão nos terminais do gerador, de acordo com a Lei de Faraday.

🔹 Atrito Entre Materiais (Eletricidade Estática)

• • Quando materiais são esfregados, ocorre a transferência de elétrons entre eles. Isso gera uma diferença de potencial que pode ser detectada e descarregada ao entrar em contato com outro objeto condutor.

🔹 Diferença de Potencial nas Redes Elétricas

• • Nas redes elétricas domésticas, a tensão é gerada por usinas e distribuída por transformadores para fornecer energia a residências e indústrias.

5.2.2. Relação entre Energia Potencial Elétrica e Trabalho

Para compreender a relação entre energia potencial elétrica e trabalho na definição da tensão elétrica, é essencial entender seus conceitos fundamentais:

5.2.2.1. Energia Potencial Elétrica (U)

Definição: É a energia armazenada em um sistema devido às interações elétricas entre cargas.

• A energia potencial elétrica é a energia armazenada em um sistema elétrico devido à interação entre cargas elétricas. Assim como a energia potencial gravitacional está associada à altura de um objeto em relação ao solo, a energia potencial elétrica depende da posição de uma carga dentro de um campo elétrico.

• • U: energia potencial elétrica (em joules, J)

  • q: carga elétrica (em coulombs, C)

  • V: diferença de potencial (tensão elétrica, em volts, V)

  • 👉 Essa equação representa a energia armazenada em uma carga q situada num ponto onde existe uma diferença de potencial V.

Origem: Em um campo elétrico, uma carga possui energia potencial elétrica devido à sua posição relativa a outras cargas ou a uma distribuição de carga.

• Para entender melhor, pense no seguinte:

  • Um objeto elevado a uma certa altura armazena energia potencial gravitacional. Se o soltarmos, ele cai e converte essa energia em movimento.

  • De forma análoga, uma carga elétrica em um campo elétrico pode ter energia potencial elétrica, que pode ser convertida em energia cinética quando a carga se movimenta.

Unidade de medida: A energia potencial elétrica é medida em Joule (J), que representam a quantidade de trabalho necessário para mover uma carga dentro de um campo elétrico.

5.2.2.2. Trabalho (W) Realizado na Eletrodinâmica

Em eletricidade, trabalho realizado (W) corresponde à energia transferida quando uma carga elétrica se desloca sob a ação de um campo elétrico. Esse trabalho é fundamental para que a corrente elétrica possa realizar funções úteis, como acender uma lâmpada, movimentar um motor ou carregar um dispositivo eletrônico.

Matematicamente, o trabalho elétrico é dado pela fórmula:

Onde:

• W é o trabalho realizado (em joules, J);

• q é a carga elétrica deslocada (em coulombs, C);

• V é a diferença de potencial elétrico (em volts, V).

5.2.2.3. Trabalho (W) em relação à Energia Potencial Elétrica (U)

O trabalho elétrico realizado ao mover uma carga entre dois pontos em um campo elétrico é igual à variação de sua energia potencial elétrica. Ou seja:

Isso significa que, se uma carga elétrica se move espontaneamente sob a influência de um campo elétrico, sua energia potencial diminui e é convertida em outra forma de energia (como calor, luz ou movimento). Se, ao contrário, quisermos mover uma carga contra o campo elétrico, precisaremos fornecer trabalho externo para aumentar sua energia potencial elétrica.

5.2.2.4. Exemplo com uma Bateria de 9V

Imagine uma bateria de 9V conectada a um circuito simples com uma lâmpada.

1. Criação da Diferença de Potencial

   • Dentro da bateria, reações químicas separam cargas elétricas.

   • O terminal positivo (+) acumula cargas positivas, e o terminal negativo (-) acumula cargas negativas.

   • Essa separação cria uma diferença de potencial elétrico (ou seja, a tensão elétrica da bateria, que é de 9V).

2. Armazenamento de Energia Potencial Elétrica

   • Cada elétron no terminal negativo tem uma energia potencial elétrica devido à diferença de potencial da bateria.

   • Se houver um caminho condutor (como um fio ligando os dois terminais), os elétrons serão impulsionados do negativo para o positivo, perdendo energia potencial ao longo do percurso.

   • Essa energia potencial é convertida em trabalho, permitindo que a lâmpada acenda ao transformar essa energia em calor e luz.

3. O Trabalho Realizado no sistema elétrico ao conectamos um fio e uma lâmpada entre os terminais da bateria:

• • Os elétrons livres começam a se mover do terminal negativo (-) para o terminal positivo (+) devido à força do campo elétrico criado pela diferença de potencial da bateria (tensão elétrica). Esse campo faz com que os elétrons tenham uma direção preferencial de movimento, apesar do seu deslocamento ainda ser caótico devido às colisões com os átomos do condutor.

  • A bateria fornece energia potencial elétrica aos elétrons, transformando-a parcialmente em energia cinética. Isso significa que os elétrons são acelerados pelo campo elétrico, mas suas constantes colisões com os átomos do material do condutor limitam sua velocidade, resultando em um movimento de deriva relativamente lento.

  • Quando os elétrons chegam à lâmpada, sua energia potencial elétrica é convertida em outras formas de energia:

    • Energia térmica (calor) devido à resistência do filamento ou material semicondutor da lâmpada.

    • Energia luminosa (luz), no caso de uma lâmpada incandescente pelo aquecimento do filamento, ou no caso de um LED, pela recombinação de elétrons em camadas semicondutoras.

   4. O papel da energia cinética:

• • Embora os elétrons se movam devagar no fio devido à sua velocidade de deriva, o campo elétrico se propaga rapidamente pelo circuito, permitindo que a corrente elétrica estabeleça-se quase instantaneamente ao ligar a bateria. Assim, a lâmpada acende quase que imediatamente.

A energia potencial elétrica é, portanto, a energia armazenada em cargas elétricas devido à sua posição em um campo elétrico. No caso da bateria, essa energia surge da separação de cargas e pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos. Quando os elétrons fluem pelo circuito, sua energia potencial é gradualmente convertida em outras formas de energia, como luz, calor ou movimento.

Cálculo do Trabalho Realizado no exemplo acima:

Se 1 coulomb de carga se mover através da lâmpada, o trabalho realizado pela bateria será:

Isso significa que cada coulomb de carga transportado pela bateria transfere 9 joules de energia para o circuito. Essa energia pode ser convertida em calor, luz ou outras formas, dependendo do dispositivo conectado.

Se a lâmpada consumir 0,5 coulombs de carga por segundo (0,5 A), então a bateria realiza um trabalho de:

Portanto, 4,5 J por segundo, o que equivale a uma potência de 4,5 watts (W). Obs.: Um watt equivale a um joule por segundo (1 W = 1 J/s)

5.2.1.3. Por que a bateria descarrega?

O processo de descarga ocorre porque:

1. Os reagentes químicos dentro da bateria vão sendo consumidos.

   • No ânodo, ocorre uma oxidação, liberando elétrons.

   • No cátodo, ocorre uma redução, recebendo elétrons.

   • Com o tempo, esses materiais reagem completamente, esgotando o fornecimento de elétrons.

2. A diferença de potencial (tensão elétrica) diminui progressivamente.

   • No início, a bateria fornece 9V.

   • À medida que os reagentes químicos se esgotam, a reação enfraquece e a tensão começa a cair.

3. A corrente elétrica diminui porque a tensão disponível para impulsionar os elétrons no circuito se reduz.

4. Quando os reagentes se esgotam completamente, a bateria não consegue mais gerar energia elétrica, e a corrente para de fluir. Isso significa que a bateria está "descarregada".

O que acontece com a lâmpada quando a bateria descarrega?

🔴 A intensidade da luz começa a diminuir: Como a tensão fornecida pela bateria diminui progressivamente, a corrente elétrica no circuito também diminui, reduzindo a energia disponível para acender a lâmpada.

🔴 Se for uma lâmpada incandescente:

• O filamento começa a brilhar com menos intensidade porque recebe menos energia elétrica.

• Com o tempo, a luz fica cada vez mais fraca até apagar completamente.

🔴 Se for um LED:

• LEDs exigem uma tensão mínima para funcionar (geralmente entre 1,8V e 3,5V, dependendo do tipo).

• Quando a tensão cai abaixo desse limite, o LED simplesmente desliga de repente, sem um brilho gradativo como acontece em lâmpadas incandescentes.

🔴 Se for uma lâmpada fluorescente ou lâmpada de descarga:

• Elas também exigem uma tensão mínima para ionizar o gás dentro do tubo. Quando a tensão cai abaixo desse valor, a lâmpada pode começar a piscar ou desligar completamente.

A bateria descarrega porque seus reagentes químicos são consumidos ao longo do tempo, reduzindo a tensão e a corrente elétrica disponível para o circuito. Como consequência, a lâmpada brilha cada vez menos e, eventualmente, apaga completamente quando a bateria não consegue mais fornecer energia elétrica suficiente.

5.2.3. Como Medir a Tensão Elétrica?

A medição da tensão elétrica é realizada com um voltímetro ou com um multímetro configurado para medir tensão. O procedimento varia conforme o tipo de tensão:

5.2.3.1. Medição de Tensão Contínua (CC)

• Configurar o multímetro na escala de DCV (Volts DC).

• Conectar a ponta preta no polo negativo e a ponta vermelha no polo positivo.

• Ler o valor exibido no visor do multímetro.

5.2.3.2. Medição de Tensão Alternada (CA)

• Configurar o multímetro na escala de ACV (Volts AC).

• Posicionar as pontas de prova nos pontos da rede elétrica a serem medidos.

• O valor mostrado será a tensão eficaz da corrente alternada.

Importante: Sempre conectar o voltímetro em paralelo ao componente que deseja medir.

5.3. Energia Elétrica

5.3.1. O que é Energia Elétrica?

A energia elétrica é uma forma de energia resultante do movimento das cargas elétricas em condutores. Ela pode ser gerada, armazenada, transportada e convertida em outras formas de energia, como luz, calor e energia mecânica.

5.3.2. Unidades de Medida Usadas

5.3.2. Conceito de Energia Elétrica

A energia elétrica é baseada no comportamento das cargas elétricas dentro de um sistema. Cargas elétricas, como os elétrons, possuem energia devido à sua posição e movimento dentro de um campo elétrico. No caso de uma bateria, por exemplo, a energia elétrica surge da diferença de potencial elétrico (tensão) entre os polos positivo e negativo.

Em um sistema com muitas cargas, como em um fio condutor, a energia elétrica total inicialmente disponível pode ser associada à soma das energias potenciais elétricas individuais. Quando essas cargas são colocadas em movimento por um campo elétrico, essa energia potencial elétrica é gradualmente convertida em energia elétrica útil — isto é, energia transferida ou transformada em outras formas, como luz, calor ou trabalho mecânico.

🔹 Energia Potencial Elétrica e Energia Cinética

A energia elétrica pode ser dividida em duas formas principais:

1. Energia Potencial Elétrica (EPE):

   • Assim como uma pedra no alto de uma colina tem energia armazenada (energia potencial gravitacional), os elétrons em um circuito podem ter energia armazenada devido à diferença de potencial elétrico (tensão), ou seja, corresponde ao trabalho que seria necessário para mover um carga dentro do campo elétrico, sem alterar sua energia cinética.

   • Quanto maior a diferença de potencial, mais energia os elétrons possuem antes de se moverem.

   • Matematicamente, a energia potencial elétrica (U) entre duas cargas q₁​ e q₂ separadas por uma distância r é dada por:

• • Onde:

    • k é a constante eletrostática (8,99×10⁹Nm²/C²);

    • q₁​ e q₂​ são as cargas elétricas (em coulombs);

    • r é a distância entre as cargas (em metros).

   2. Energia Cinética Elétrica:

• • Quando os elétrons começam a se mover, essa energia potencial elétrica se transforma em energia cinética elétrica, que é responsável por alimentar dispositivos elétricos.

  • Em uma lâmpada, por exemplo, essa energia cinética se converte em luz e calor.

• • Onde:

    • E_c é a energia cinética média dos elétrons;

    • m é a massa do elétron (9,11×10⁻³¹ kg);

    • v é a velocidade média dos elétrons.

  • 👉 Em um condutor metálico os elétrons se movem muito lentamente, com uma velocidade chamada velocidade de deriva (tipicamente na ordem de milímetros por segundo).
•  
  • 👉 Portanto, o valor da Energia Cinética dos elétrons em movimento é extremamente pequeno. A energia cinética dos elétrons não é a principal responsável pela energia elétrica entregue a um dispositivo. Ela é praticamente constante e desprezível nesse contexto, pois atua apenas como "meio de transporte".

Veja abaixo a relação entre as energias potencial e cinética em um circuito elétrico:

5.3.3. Como a Energia Elétrica se Forma?

A energia elétrica pode ser produzida de diferentes maneiras, dependendo da fonte primária. O princípio fundamental é sempre a criação de um campo elétrico, que induz o movimento das cargas elétricas (corrente elétrica).

🔹 Geradores e Fontes Químicas

• Baterias e Pilhas: Transformam energia química em energia elétrica por meio de reações eletroquímicas.

• Exemplo: Em uma bateria de 9V, reações químicas criam um campo elétrico interno, gerando uma diferença de potencial entre seus terminais.

🔹 Indução Eletromagnética

• Usinas Hidrelétricas, Termelétricas e Eólicas: Utilizam o movimento de turbinas para induzir um campo elétrico em condutores.

• Exemplo: Em um gerador, ímãs em rotação criam um campo magnético variável, gerando corrente elétrica em bobinas condutoras.

🔹 Efeito Fotoelétrico

• Painéis Solares: Convertem luz solar em energia elétrica ao liberar elétrons de materiais semicondutores.

5.3.4. Exemplo Prático: Circuito com Bateria e LED

Quando conectamos uma bateria de 9V a um LED, a energia elétrica é formada e transportada da seguinte maneira:

1️⃣ Criação da Diferença de Potencial

• A bateria mantém um campo elétrico interno devido às reações químicas.

• Esse campo separa cargas elétricas, criando uma diferença de potencial de 9V entre os terminais.

2️⃣ Movimento das Cargas (Corrente Elétrica)

• Quando um fio conecta os terminais, o campo elétrico impulsiona os elétrons, iniciando um fluxo de corrente, assim energia potencial é gradualmente convertida em energia cinética.

3️⃣ Conversão de Energia

• No LED, os elétrons colidem com átomos no semicondutor, liberando fótons (luz).

• Parte da energia elétrica se converte em energia luminosa e térmica.

5.3.5. Principais conversões da energia elétrica:

A energia elétrica não desaparece quando usada, mas sim se transforma em outras formas de energia de acordo com a Lei da Conservação da Energia.

5.4. Potência Elétrica

5.4.1. O Que é Potência Elétrica?

A potência elétrica é a taxa com que a energia elétrica é convertida em outras formas de energia (como luz, calor ou movimento) em um determinado componente de um circuito.

Em outras palavras, é quanta energia elétrica é consumida ou gerada por unidade de tempo.

5.4.2. Equação da Potência Elétrica

📌 Fórmula Geral:

​​

• P = Potência elétrica (em watts, W)

• E = Energia elétrica (em joules, J)

• t= Tempo (em segundos, s)

📌 Fórmulas Específicas em Circuitos Elétricos:

a) Quando se conhece a tensão V e a corrente I:

​

b) Quando se conhece a resistência R:

5.4.3. Unidade Padrão no SI: Watt (W)

• 1 watt = 1 joule por segundo (1 W = 1 J/s)

• Indica que 1 joule de energia é convertido a cada segundo.

5.4.4. Interpretação Física

• Se um resistor de 100 W está em funcionamento, ele converte 100 joules de energia por segundo em calor.

• Se um motor de 1000 W está operando, ele transforma 1000 joules por segundo em movimento e calor.

5.4.5. Exemplo Prático com LED

Suponha que um LED opera a:

• V =2 V
  

• I =0,02 A (20 mA)

A potência elétrica será:

👉 Esse LED consome 40 milésimos de watt enquanto está aceso.

💡 Nota: Valores estimados médios.

5.4.5. Analogia com um Sistema Hidráulico

Uma excelente forma de visualizar os conceitos da Termodinâmica é compará-los ao fluxo de água em um encanamento:

Imagine a bateria como uma caixa d’água colocada no alto. A água nela representa a energia armazenada. A tensão elétrica é como a altura da caixa (maior altura, mais pressão). Os elétrons são como gotas de água que fluem pelos canos (fios), e o LED é como uma turbina ou um chuveiro: quando a água (cargas) passa, gera luz, calor ou movimento.