Transformações de energia nos circuitos elétricos - sergio-talim

Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano – 2016
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Transformações de energia nos circuitos elétricos
Introdução
Um circuito elétrico simples é constituído por, pelo menos, três elementos que são mencionados em negrito
nas orações a seguir. O primeiro é uma fonte de tensão cuja função é estabelecer uma polaridade entre duas
regiões do circuito: o polo negativo (com excesso de elétrons) e o polo positivo (com falta de elétrons). Para
montar um circuito, ligamos os terminais de um artefato capaz de transformar energia elétrica em outras
formas de energia (calor e luz, por exemplo) nos polos da fonte de tensão. Essa ligação é feita por meio de
fios metálicos (geralmente de cobre) que são constituídos, microscopicamente, por átomos cujo último elétron
é fracamente ligado ao núcleo (elétron livre). Na continuidade desse texto, descreveremos os processos de
transformação de energia no caso mais simples em que o artefato ligado à fonte de tensão é uma lâmpada
incandescente.
A palavra tensão está associada à ideia de uma separação entre elementos que pertencem a um mesmo
sistema. Assim, por exemplo, um sistema composto por um arco e uma fecha é considerado tensionado
quando a flecha é puxada contra o fio do arco e tem sua base afastada da curvatura do arco. Nesse processo
(ou ação) podemos armazenar energia potencial elástica, tanto no fio, quanto no arco. Essa energia irá se
manifestar como aumento de energia cinética quando a flecha começar a se mover sob o efeito da
força elástica exercida pelo arco e pelo fio.
De modo similar ao que acontece no sistema arco + flecha, uma fonte de tensão propicia a separação de
cargas elétricas em um dispositivo que, considerado como um todo, é eletricamente neutro. Os processos que
possibilitam a separação das cargas elétricas também dão origem a uma energia potencial, denominada
energia potencial elétrica. Quando os polos da fonte de tensão são conectados, por meio de fios de ligação,
aos terminais do filamento de uma lâmpada, a energia potencial elétrica irá se manifestar, primeiro como
aumento de energia cinética dos elétrons livres do filamento e depois como calor e luz emitidos pelo
filamento.
Grosseiramente, o processo de transformação de energia que ocorre no filamento pode ser descrito assim: (i)
a tensão aplicada sobre o filamento aumenta a energia cinética dos elétrons livres ali presentes; (ii) o acréscimo
de energia cinética adquirida pelos elétrons livres é transferida para os átomos que constituem o filamento; (iii)
os átomos liberam para o ambiente a energia que recebem dos elétrons livres com os quais interagiram; (iv) a
liberação de energia ocorre por meio da emissão de calor e luz. Em nosso curso explicaremos, posteriormente,
como ocorre essa interação entre elétrons livres e átomos/íons do filamento. Essa nova descrição será
apresentada durante o estudo do tema Emissão de Luz, que sucede o tema Circuitos Elétricos em nosso plano
de curso. No momento as interações entre elétrons livres e átomos serão abordadas conforme estão descritas
na atividade Modelo microscópico da corrente elétrica, que realizamos anteriormente.
Significado da unidade Volt
A energia armazenada em uma fonte de tensão pode ter origem em reações químicas, quando a fonte é uma
pilha ou bateria. Na lateral das pilhas AA (pilha pequena) ou AAA (pilha palito), nós encontramos o número 1,5
V. A unidade representada pela letra V é o Volt. Mas o que é, exatamente, 1 Volt?
Volt é o nome da unidade de medida que caracteriza a tensão elétrica ou voltagem das fontes de energia
elétrica. A palavra voltagem é derivada do termo volt e pode ser considerada uma gíria. Além de tensão elétrica
e voltagem, costuma-se utilizar o termo diferença de potencial ou d.d.p. para designar a medida realizada em
volts. A compreensão desse último termo será objeto de um estudo posterior. Por enquanto, basta considerar
tensão elétrica, voltagem e ddp como sinônimos.
Uma fonte de tensão precisa de energia para deslocar cargas elétricas de um polo a outro. Uma pilha obtém
essa energia a partir de uma reação química que ocorre entre dois materiais (os reagentes) contidos em seu
interior. Costumamos dizer que a reação química libera uma energia potencial química quando produz novos
materiais e, no mesmo processo, “retira elétrons” de uma região da pilha onde já existe uma carência de
elétrons (o polo positivo) e “fornece elétrons” para outra região na qual já existem elétrons em excesso (o polo
negativo). Pode-se dizer, desde esse ponto de vista, que a pilha transforma energia potencial química (energia
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liberada durante reações químicas) em energia potencial elétrica (energia associada à manutenção de uma
polaridade entre duas regiões do circuito).
A unidade Volt expressa a quantidade de energia que uma fonte de tensão utiliza para deslocar 1 Coulomb de
elétrons em seu interior, de tal forma a manter sob tensão o filamento de uma lâmpada incandescente
conectada aos seus polos. Considerando que o Joule é a unidade de medida de energia do Sistema
Internacional de Unidades, bem como que o Coulomb é a unidade de medida de carga elétrica, no mesmo
sistema, podemos formular a seguinte definição para a unidade Volt: 1 Volt = 1 Joule/Coulomb
O Joule é uma unidade de medida da energia relativamente pequena. Afinal, um Joule (1 J) equivale à energia
necessária para erguer uma massa de apenas 98 gramas a uma altura de 1 metro acima do nível do mar
(realizar essa atividade com o nosso braço, por exemplo, exige pouco esforço). Enquanto o Joule corresponde
a uma pequena quantidade de energia, um Coulomb, por outro lado, equivale a uma grande quantidade de
elétrons. Por isso, uma pilha AA que estabelece 1,5 Volts de tensão ao filamento de uma lâmpada é
considerada uma fonte de baixa tensão e sua manipulação é totalmente segura. Essa pilha utiliza apenas 1,5
Joules de sua energia potencial química para deslocar 1 Coulomb de elétrons entre seus polos, de forma a
manter a polaridade aplicada no filamento. Seguindo esse raciocínio, dizer que uma bateria de carro
estabelece 12,0 Volts em um filamento, equivale a dizer que a bateria aplica oito vezes mais tensão que a
pilha AA (pois, 12V = 8 x 1,5V). Também significa dizer que essa segunda fonte de tensão utiliza 12,0 Joules
de sua energia potencial química para deslocar um único Coulomb de elétrons entre seus polos. O uso de uma
quantidade oito vezes maior de energia para deslocar 1 Coulomb de elétrons na bateria de carro pode ser
compreendido mediante a informação de que, essa fonte de tensão, mantém uma diferença oito vezes maior
na concentração de cargas elétricas presentes em seus polos positivo e negativo. Mais energia é necessária
para inserir elétrons no polo negativo dessa fonte que, comparado ao polo de uma pilha AA possui, uma
densidade de elétrons oito vezes maior do que aquela encontrada no polo negativo de uma pilha AA.
Questões
1- Considerando os processos de transformações de energia que ocorrem em um circuito elétrico responda:
por que uma pilha precisa realizar reações químicas e, assim, usar parte da sua energia potencial química
para manter a polaridade entre os polos positivo e negativo, quando ela está ligada por fios metálicos ao
filamento de uma lâmpada?
2- Em um circuito elétrico, a função da fonte é estabelecer tensão ou polaridade ente dois pontos do circuito.
Essa tensão é medida numa unidade chamada Volt. O que é um volt? Parafraseie a parte do texto que
você acabou de ler para responder essa questão.
3- Qual o é significado, apresentado no texto, da unidade de medida de energia que é denominada como1
Joule? Como isso explica o fato de ser totalmente seguro manusear uma pilha AA de 1,5 V?
4- Uma pilha AA de 1,5 V e uma bateria de 9,0 V são ligadas a duas lâmpadas de tal maneira que a corrente
estabelecida nos dois circuitos seja a mesma e igual a 1,0 A. Qual é a energia transferida, a cada segundo,
ao filamento dessas lâmpadas? Qual das lâmpadas terá maior brilho?
5- Em sala de aula você acendeu uma pequena lâmpada incandescente ligando-a a uma pilha AAA de 1,5 V.
Por que essa lâmpada certamente será queimada se for ligada a uma bateria de 9,0 V?
6- Calcule a energia potencial química utilizada por uma pilha AA de 1,5 V para manter uma lâmpada ligada
durante 10 s, sabendo que a corrente elétrica no circuito é 0,50 A.
7- Qual foi a quantidade energia liberada pela lâmpada da questão anterior durante o tempo que esteve
ligada?
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Leitura complementar: Analogia entre um circuito hidráulico e um circuito elétrico
Por razões que poderão ser compreendidas mais adiante, antes de apresentar a comparação entre circuitos
hidráulico e elétrico e, assim, esclarecer alguns aspectos do significado da unidade Volt (ver seção anterior
deste texto), nós faremos uma análise das transformações e transferências de energia características do
funcionamento de uma usina hidrelétrica. Faremos isso a partir do esquema ilustrativo mostrado abaixo nesta
página.
Note, nessa figura, a presença de legendas internas numeradas. Apesar da figura apresentar um processo
cíclico, nós podemos escolher um ponto de partida para descrevê-lo. De acordo com a escolha que fizemos,
o funcionamento de uma usina hidrelétrica envolve a: 1- evaporação da água e a formação de nuvens (a
principal fonte de energia responsável por essa fase do processo é a radiação solar); 2- a precipitação de água
das nuvens na cabeceira de rios que vão desaguar em uma represa artificial construída pelo homem; 3- o
armazenamento da água por uma represa situada a dezenas ou a centenas de metros acima do local onde a
água represada pode desaguar; 4- a aceleração da água que cai no interior de dutos; 5- a transferência de
parte da energia de movimento da água às pás de uma turbina situada na parte inferior dos dutos1; 6- a
transmissão da energia elétrica produzida pelo gerador até cidades ou indústrias que dependem dessa
manifestação da energia para realizar suas atividades.
Alguns dos processos necessários ao funcionamento das usinas hidrelétricas também ocorrem no circuito
hidráulico mostrado na figura da página seguinte à esquerda.
Questão: Identifique os objetos ou processos representados no esquema ilustrativo do funcionamento da
usina hidrelétrica que correspondem aos seguintes processos representados na figura abaixo à esquerda: a
bomba de água; o reservatório I; o moinho; o reservatório II.
1 A turbina usa essa energia de movimento para gerar energia elétrica por meio de processos que serão estudados apenas no segundo ano de seu Curso de
Física
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Reservatório
I
Giro do
Moinho
Bomba d´água
A
Pressão
no ponto A
Reservatório
II
B
Pressão
no ponto B
(P > P )
A uma Banálise cuidadosa, nós podemos encontrar semelhanças entre alguns dos processos
Por meio de
representados na figura acima e à esquerda e outros representados no esquema que ilustra o funcionamento
de uma usina hidrelétrica. Por outro lado, também é possível encontrar semelhanças entre processos
representados na figura acima e à esquerda e outros representados na figura acima e à direita. Uma
comparação entre os sistemas mostrados nessas duas últimas figuras pode contribuir para o avanço da sua
compreensão sobre a grandeza física que é medida em Volts.
Compare as duas figuras apresentadas acima, enquanto você faz a leitura da lista de afirmações situadas a
seguir.
A) Uma fonte de energia é necessária para estabelecer um fluxo no interior de ambos os circuitos: bomba
d’água no caso hidráulico (figura da esquerda) e bateria no caso elétrico (figura da direita).
B) Nem a água, nem as cargas elétricas são criadas ou perdidas dentro de cada circuito.
C) Existem resistências aos dois fluxos: diâmetro dos tubos e presença de conexões no caso hidráulico e
filamento de uma lâmpada incandescente no caso elétrico.
D) A bomba d’água estabelece uma diferença de pressão entre os pontos A e B do circuito hidráulico; a bateria
estabelece uma tensão (polaridade) entre os pontos A e B do circuito elétrico.
E) Devido à diferença de pressão estabelecida entre os pontos A e B do circuito hidráulico, a bomba d’água
consegue elevar água até o reservatório I. Nesse processo, cada metro cúbico (m3) de água adquire certa
quantidade de energia potencial gravitacional. A quantidade de Joules/m 3 de energia potencial
gravitacional adquirida pela água é proporcional à diferença de pressão entre os pontos A e B do circuito
hidráulico.
F) Para manter uma tensão elétrica entre os polos A e B do circuito elétrico, a bateria precisa deslocar cargas
elétricas, internamente, entre duas regiões que chamamos de polos. Nesse processo, cada Coulomb de
carga deslocado adquire certa quantidade de energia potencial elétrica. A quantidade de Joules/Coulomb
de energia potencial elétrica adquirida pela carga deslocada no interior da fonte de tensão é proporcional
à diferença de potencial elétrico (ou tensão elétrica) entre os pontos A e B do circuito.
G) No circuito hidráulico, a energia potencial gravitacional de cada m3 de água é transformada em energia de
movimento da água, quando esse material flui do reservatório I para o II. Essa energia pode ser transferida
para as pás de um moinho, sendo transformada por esse artefato em outras formas de energia.
H) No circuito elétrico, a energia potencial elétrica de cada Coulomb de carga é transformada em energia de
movimento de elétrons livres e, então, transferida para os átomos que constituem o filamento.