Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano – 2015
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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 realizar o trabalho de deslocar cargas elétricas de um polo a outro. Uma pilha
realiza esse trabalho 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 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 esse trabalho 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
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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.
Analogia entre um circuito hidráulico e um circuito elétrico
Uma analogia entre um circuito hidráulico e um circuito elétrico pode contribuir para o entendimento do conceito de tensão
elétrica. Compare as duas figuras apresentadas a seguir para acompanhar a analogia enquanto você faz a leitura dos oito
itens apresentados logo após as figuras.
Reservatório
I
Giro do
Moinho
Bomba d´água
A
Pressão
no ponto A
Reservatório
II
B
Pressão
no ponto B
1. 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).
2. Nem a água, nem as cargas elétricas são criadas ou perdidas dentro de cada circuito.
3. Existem resistências aos dois fluxos: diâmetro dos tubos e presença de conexões no caso hidráulico e filamento de uma
lâmpada incandescente no caso elétrico.
4. 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.
5. 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/m3 de energia potencial gravitacional adquirida pela água é
proporcional à diferença de pressão entre os pontos A e B do circuito hidráulico.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
Questões
1) Em um circuito elétrico, a função da fonte é estabelecer tensão ou polaridade ente dois pontos do circuito. Parafraseie o
texto que você acabou de ler e, assim, defina o que é tensão ou polaridade elétrica.
2) 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?
3) Qual o é significado da unidade de medida que é denominada como1 Joule?
4) Qual é a relação entre a o número de Volts aplicado por uma fonte de tensão ao filamento de uma lâmpada e o trabalho
realizado por essa fonte sobre a carga elétrica que precisa ser deslocada entre um polo e outro a fim de manter a tensão
constante?
5) 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.