Tema 39_Energia elétrica e diferença de potencial

ENERGIA ELÉTRICA E DIFERENÇA DE POTENCIAL
CONTEÚDOS
• Energia potencial elétrica
• Diferença de potencial
AMPLIANDO SEUS CONHECIMENTOS
Já estudamos a força gravitacional no capítulo “Isaac Newton e as leis do movimento
– parte 1” e a força elétrica no capítulo “Forças de atração e repulsão”.
Enquanto a força gravitacional é uma força de atração, a força elétrica tanto pode ser
de atração, quanto de repulsão. Mas em ambas, as forças são exercidas entre corpos
que não estão em contato.
Também comentamos que um corpo de massa m localizado a uma certa altura, em
relação ao solo, possui uma energia potencial gravitacional. Da mesma maneira, uma
carga q carregada, possui, em virtude de sua localização, uma energia potencial
elétrica.
De forma semelhante ao campo gravitacional que influencia o corpo de massa m, existe
um campo de força que influencia os corpos eletrizados. O espaço ao redor de uma
carga elétrica é energizado com um campo elétrico.
Assim como erguemos uma pedra a uma certa altura e ela cai, pois “sentiu” a presença
do campo gravitacional, se colocarmos uma carga elétrica q em uma região onde existe
um campo elétrico, esta carga experimentará a ação de uma força.
q
q
Terra
q
q
Figura 1 - Força de atração gravitacional devido
à presença de um campo gravitacional
Fonte: Fundação Bradesco
Figura 2 - Força de atração elétrica devido à
presença de um campo elétrico
Fonte: Fundação Bradesco
Os efeitos do campo elétrico ao redor de um gerador podem ser demonstrados com o
uso de um equipamento chamado Gerador Van der Graaff, aquela bola metálica que
arrepia o cabelo.
Nos vídeos indicados a seguir, você poderá observar o equipamento em funcionamento
e os seus efeitos no cabelo de algumas pessoas:
https://www.youtube.com/watch?v=e0Ky7tuOFKI
https://www.youtube.com/watch?v=zq8NsEcbSDw
https://www.youtube.com/watch?v=jZEFuCxD7BE (em inglês)
Um conceito muito importante e que está ligado a um termo muito utilizado em nosso
dia a dia é o potencial elétrico. O potencial elétrico é ligado à ideia de voltagem que
nós usamos cotidianamente.
Mas para entender o conceito de potencial elétrico, vamos retomar o conceito de
velocidade. Vimos nos capítulos iniciais que a velocidade é uma relação entre a
distância percorrida e o tempo. O potencial elétrico pode ser entendido como uma
relação entre a energia potencial elétrica e a carga. A energia elétrica que um corpo
possui por unidade de carga é o potencial elétrico. E lembrando que no Sistema
Internacional de Medidas a energia é medida em joule (J) e a carga elétrica em coulomb
(C), a unidade de medida do potencial elétrico é o J/C (joule por coulomb) que recebe o
nome de volt (V).
Portanto, quando você lê a informação 12 V em uma bateria, qual é o significado dessa
informação? 12 volts equivalem a 12 joules por coulomb. Ou seja a bateria fornece 12
joules de energia para cada 1 coulomb de carga.
No caso das tomadas elétricas a dúvida é qual delas utilizar: 127 V ou a 220 V?
A informação 127 V, refere-se à 127J/C (127 joules por coulomb). Ao ligarmos um
aparelho a uma tomada, cada carga elétrica de 1 C que se desloca, receberá 127 J de
energia. E no caso da ligação do aparelho com uma tomada de 220 V, cada carga elétrica
de 1 C que se desloca, receberá 220 J de energia.
Associado ao termo potencial elétrico, está a idéia, muito importante de diferença de
potencial. Peguemos por exemplo um equipamento muito utilizado na indústria
eletrônica, o capacitor. Esse equipamento é formado por duas placas condutoras
separadas por um isolante. Quando se estabelece uma diferença de potencial (∆V)
entre estas placas há um fluxo de carga para elas, de modo que uma fica carregada
positivamente e a outra negativamente.
E o valor dessa diferença de potencial (∆V) entre dois pontos num campo elétrico
uniforme pode ser expresso pela relação:
∆V = E. ∆d
Por exemplo, se o valor do campo elétrico entre as placas de um capacitor, separadas
de 6 cm (6.10–2 m) for de 3.103 N/C a diferença de potencial será de
∆V = E. ∆d
∆V = 3.103 .6.10–2
∆V = 18. 103–2
∆V = 18. 101
∆V = 180 V
Observação: Atente no resultado acima para o uso do símbolo “V” para indicar a
grandeza fisica diferença de potenicial (∆V) e também para indicar a unidade de
medida volt (V).
A diferença de potencial entre dois pontos de um circuito também é conhecida como
tensão.
O que é a Tensão Elétrica?
Dos principais conceitos do Eletromagnetismo, a ideia de tensão elétrica é
provavelmente a mais difícil de explicar e de entender.
Resumindo, a tensão elétrica é uma indicação de quanta energia é envolvida na
movimentação de uma carga elétrica entre dois pontos no espaço. Portanto, ela tem
uma forte relação com a energia potencial elétrica e, mais ainda, com o campo
elétrico. A tensão e o campo elétrico são duas formas diferentes de descrever o
mesmo fenômeno físico. Nas aplicações elétricas, um aumento de tensão equivale
a um aumento do campo elétrico, que, por sua vez, resulta no aumento da
capacidade de armazenamento de energia potencial elétrica no sistema.
TEIXEIRA, F. O que é a Tensão Elétrica? Disponível em: <http://www.energiaeletrica.net/tensaoeletrica/>. Acesso em: 18 jul. 2016. 13h26min.
Os valores de tensão elétrica variam de acordo com a situação. Impulsos nervosos
envolvem tensões de 0,1 V,a pilha de uma lantera possui 1,5v, uma tomade de parede
127 V, as linhas de transmissão de eletricidade chegam a 500.000 V, enquanto que a
tensão elétrica de um raio encontra-se entre 100 milhões a 1 bilhão de volts.
ATIVIDADES
1. A figura abaixo mostra esquematicamente um capacitor de placas paralelas e as
linhas de campo desse capacitor.
A
B
E = 3.104 N/C
10 cm
Qual a diferença de potencial entre as duas placas?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
2. Um capacitor de placas paralelas está submetido a uma diferença de potencial de
100 V, conforme mostrado na ilustração.
Qual será o valor do campo elétrico entre as placas do capacitor?
100 V
5 cm
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
3. Às vezes, num circuito elétrico, há a necessidade de se armazenar cargas e,
portanto energia elétrica. O dispositivo que tem essa função de armazenar energia
elétrica é denominado
a) resistor
b) voltímetro
c) amperímetro
d) capacitor
e) bateria
4. (U.E. Sudoeste da Bahia) Considerem-se dois pontos, A e B, na região de um campo
elétrico uniforme. A ddp entre esses pontos permite, sem outras informações sobre o
campo, determinar
a)
a constante eletrostática do meio.
b)
o valor da carga geradora do campo elétrico.
c)
o valor da energia necessária para se transportar uma carga elétrica q de A até B.
d)
a intensidade do campo elétrico nos pontos A e B.
e)
a intensidade da força elétrica.
5. (Unirio - 2000) Sejam 2 superfícies equipotenciais A1 e A2, e um campo elétrico
uniforme de intensidade E = 2,0.10–2 N/C, conforme mostra a figura a seguir. As
distâncias CD e DB são, respectivamente, 2,0 cm e 1,0 cm.
Determine a diferença de potencial entre C e B.
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
6. (UFPA) O capacitor é um dispositivo elétrico utilizado em aparelhos conhecidos
popularmente, tais como rádio, televisão etc. Esse dispositivo serve para
a) armazenar carga e energia elétrica.
b) evitar a passagem de corrente no circuito.
c) produzir energia elétrica por processos eletroquímicos.
d) diminuir a resistência do circuito.
e) estabelecer um curto-circuito.
LEITURA COMPLEMENTAR
Por que os pássaros não tomam choque em fios da rede elétrica?
Curiosamente, os pássaros conseguem pousar sobre fios elétricos desencapados sem
levar choque. Para que o pássaro tome um choque, é necessário que a corrente elétrica
circule pelo seu corpo. É assim que funcionam os aparelhos elétricos. Deve haver um
ponto de entrada (mão, por exemplo) e outro de saída (pés) para que uma pessoa ou
um pássaro se transformem em condutores de energia (por onde ela passa), levando
um choque. Assim, se uma pessoa ou
um
pássaro
encostar
apenas
um
membro no fio, sem encostar-se a outro
lugar, o circuito não fecha. As cargas
Sem choque
elétricas não terão para onde ir e não
haverá corrente, ou choque, pela pessoa
ou pelo pássaro (figura 1).
Figura 1
Mas os passarinhos encostam as duas
patas nos fios. Por que não há choque? Os passarinhos que pousam nos fios elétricos
não levam choque porque as patas funcionam apenas como entrada para a eletricidade;
não há saída. Ou melhor, a entrada e saída estão no mesmo lugar. A distância entre as
patas dos pássaros é bem curta, não é
suficiente
para
gerar
um
potencial
elétrico (DDP) entre dois pontos. As
cargas elétricas que entrariam por uma
Sem choque
das patas voltariam praticamente para o
mesmo lugar pela outra pata. Por isso
não há circulação de corrente, choque,
pelo passarinho. Mesmo se uma pessoa,
Figura 2
por descuido ou curiosidade, pegar um fio com as duas mãos, nada acontecerá também;
desde que ela esteja como pássaro, sem encostar em nada além daquele fio (figura 2).
Agora se você pegar em um fio destes e der diferença de potencial (DDP) a ele
(encostar-se a algo - outro fio, poste...ou outro ponto distante do fio), o choque
acontecerá. Você, neste caso, ou o pássaro, funcionará como um fio condutor. A
corrente elétrica circulará em você por um lado e sairá por outro.
Corrente elétrica
(Choque)
Chão
Figura 3
Quando vemos um pássaro morto no fio por causa de um choque é porque ele
certamente encostou-se a dois fios abrindo as asas ou com o bico.
Disponível em: <http://fisicafrankeinstein.blogspot.com.br/2012/08/por-que-os-passaros-nao-tomamchoque-em.html>. Acesso em: 18 jul. 2016. 16h07min.
INDICAÇÕES
Acesse o link http://www.energiaeletrica.net/tensao-eletrica/ e conheça mais algumas
diferenças entre potencial elétrico, diferença de potencial e voltagem.
REFERÊNCIAS
ALVARENGA, B. Curso de Física. São Paulo: Scipione, 2010. v. 3.
ENERGIA
ELETRICA.NET.
O
que
é
tensão
elétrica.
Disponível
em:
<http://www.energiaeletrica.net/tensao-eletrica/>. Acesso em: 18 jul. 2016. 13h26min.
GASPAR, A. Física. São Paulo: Ática, 2000. v. 3.
HEWITT, P. Física conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2012.
PIETROCOLA, M. Física em contextos: pessoal, social e histórico: volume 3. São
Paulo: FTD, 2011.
GABARITO
1. Utilizando-se a expressão ∆V = E. ∆d, determinamos a diferença de potencial (∆V),
onde E = 3.104 N/C e ∆d = 10 cm (0,1 m)
Teremos:
∆V = E. ∆d
∆V = 3.104 .0,1
∆V = 0,3.104
∆V = 3.10–1.104
∆V = 3.10–1+4
∆V = 3.103
∆V = 3.1000
∆V = 3.000 V
2. Utilizando-se a expressão ∆V = E. ∆d, determinamos o valor do campo elétrico (E)
entre as placas do capacitor.
Temos que ∆V = 100 V e ∆d = 5 cm (0,05 m)
∆V = E. ∆d
100 = E.0,05
100 = E
0,05
2000 = E
E = 2.000 N/C
3. Alternativa D
4. Alternativa C
5. Utilizando-se a expressão ∆V = E. ∆d, determinamos a diferença de potencial (∆V)
entre os pontos C e D
O valor do campo magnético E é 2,0.10– 2 N/C e a distância entre os pontos C e D vale
2 cm (0,02 m = 2.10– 2 m).
Teremos:
∆V = E. ∆d
∆V = 2.10–2 .0,02
∆V = 2.10–2.2.10–2.
∆V = 4.10–2.10–2
∆V = 4.10–2–2
∆V = 4.10–4 V
6. Alternativa A