TRABALHO DA FORÇA ELETRICA

CONCEITO :

Consideramos a existência de um campo elétrico

criado por uma carga fixa Q. Se num ponto

qualquer desse campo abandonarmos uma carga

de prova q, atuará sobre ela uma força da de

natureza elétrica , que tende a deslocá-

la, espontaneamente, na sua direção e no seu

sentido.

A força elétrica , ao deslocar a carga q no

sentido da força, realiza um trabalho

motor( > 0).

Se, no entanto, quisermos aproximar da

carga fixa Q uma carga de prova q de

mesmo sinal, ou afastar uma de sinal

contrário, teremos de realizar um trabalho

contra as forças de campo, para colocar a

carga de prova q numa posição não

natural.

Dizemos, então, que a força elétrica

realiza um trabalho resistente (< 0) pois ela

é contrária, ao sentido do deslocamento.

Nessas condições, a carga q armazena o

trabalho sob a forma de energia

potencial, podendo restituí-lo no

deslocamento inverso, espontaneamente.

Essa é uma característica dos campos

conservativos.

A força elétrica é uma força conservativa, pois todo

trabalho executado para vencê-la não é

perdido, ficando armazenado sob a forma de

energia.

EXPRESSÃO DO TRABALHO DA FORÇA

ELÉTRICA

Consideramos um campo elétrico criado

por uma carga fixa Q, e uma carga de

prova q se deslocam de uma ponto A para

um ponto B devido a ação da força

elétrica.

EXEMPLOS :

Consideramos o campo elétrico criado pela carga

puntiforme

Determine o trabalho realizado pela força elétrica para

deslocar uma carga

CORRENTE ELÉTRICA

CONCEITO:

A corrente elétrica consiste no movimento ordenado de cargas elétricas, através de um condutor elétrico. A corrente elétrica é definida como corrente elétrica real (sentido do movimento dos elétrons) e corrente elétrica convencional (consiste no movimento de cargas positivas).

Condutor é todo material que permite a mobilidade fácil dos elétrons, sendo os melhores condutores os metais. Quando o material não permite essa mobilidade dos elétrons , ele é dito isolante, por exemplo madeira.

Há dois tipos de corrente elétrica: corrente contínua - gerada por pilhas e baterias e corrente alternada - gerada por usinas que transformam qualquer tipo de energia em elétrica, a qual chega até nossas casas. A corrente elétrica que circula através dos resistores, pode transformar energia elétrica em energia térmica, sob efeito joule.

A passagem da corrente elétrica através dos condutores acarreta diferentes efeitos, dependendo da natureza do condutor e da intensidade da corrente. É comum dizer-se que a corrente elétrica tem cinco efeitos principais: fisiológico, térmico (ou Joule), químico, magnético e luminoso.

EFEITO FISIOLÓGIGO :

corresponde à passagem da corrente elétrica por organismos

vivos. A corrente elétrica age diretamente no sistema

nervoso, provocando contrações musculares; quando isso

ocorre, dizemos que houve um choque elétrico.

EFEITO TÉRMICO

O efeito térmico, também conhecido como efeito Joule, é

causado pelo choque dos elétrons livres contra os átomos dos

condutores. Ao receberem energia, os átomos vibram mais

intensamente. Quando maior for a vibração dos átomos, maior

será a temperatura do condutor. Nessas condições observa-

se, externamente, o aquecimento do condutor. Esse efeito é

muito aplicado nos aquecedores em geral, como o chuveiro.

EFEITO QUIMICO

O efeito químico corresponde a certas reações químicas que

ocorrem quando a corrente elétrica atravessa as soluções

eletrolíticas. É muito aplicado, por exemplo, no recobrimento de

matais (niquelação, cromação, prateação, etc)

EFEITO ELETROMAGNÉTICO

O efeito magnético é aquele que se manifesta pela criação de

um campo magnético na região em torno da corrente. A

existência de um campo magnético em determinada região

pode ser constatada com o uso de uma bússola: ocorrerá

desvio de direção da agulha magnética. Este é o efeito mais

importante da corrente elétrica, constituindo a base do

funcionamento dos motores, transformações, relés, etc.

EFEITO LUMINOSO

Também é um fenômeno elétrico em nível molecular. A

excitação eletrônica pode dar margem à emissão de radiação

visível, tal como observamos nas lâmpadas fluorescentes.

E, determinadas condições, a passagem da corrente elétrica

através de um gás rarefeito faz com que ele emita luz.

RECEPTORES ELÉTRICOS

Os receptores elétricos são muito comuns no nosso dia-a-dia. Definem-se receptores elétricos como qualquer dispositivo que transforma energia elétrica em energia não-elétrica que não seja exclusivamente em energia térmica, pois os dispositivos que transformam e energia elétrica totalmente em energia térmica são definidos como resistores.

Um bom exemplo de receptor elétrico é o motor elétrico, como ventiladores, liquidificadores e batedeiras. Quando recebem energia elétrica, esses motores a transformam em energia mecânica que pode ser observada no giro desses aparelhos.

SÍMBOLO E EQUAÇÃO CARACTERÍSTICA

Quando ligamos um desses aparelhos anteriormente citados a uma fonte de energia elétrica, observamos que essa energia é transformada em energia de mecânica de rotação, e não é só isso. Observe que quando você usa, por exemplo, um liquidificador para fazer uma vitamina, ele também se aquece. Isso ocorre por que a energia elétrica consumida pelo aparelho é dividida. Parte dela vai para o funcionamento e outra parte se perde em forma de dissipação devido à resistência dos enrolamentos e nos contatos.

Para o funcionamento do receptor se estabelece uma diferença

de potencial (ddp) U entre os seus terminais, parte dela é queda

ôhmica devido a resistências internas do aparelho (r), e outra

parte é devido ao funcionamento mecânico. A parte da ddp

devido ao funcionamento mecânico é uma ddp útil e é

denominada como força contra-eletromotriz (fcem) simbolizada

por E'. Um receptor em um esquema de um circuito é

representado da seguinte forma:

Pela figura anterior, observe que há uma

semelhança entre o símbolo do gerador com o

símbolo do receptor, mas no receptor, a corrente

vai do pólo positivo para o negativo da bateria

enquanto no gerador ocorre o contrário. Isso é

natural, pois o gerador é quem está criando a

corrente elétrica enquanto o receptor apenas a

recebe.

Da mesma figura podemos tirar a equação característica do

receptor. Observe que a ddp fornecida ao mesmo, parte dela

vai para o funcionamento, e outra parte para os elementos

dissipativos. Portanto, a equação característica fica:

Observe que o termo na equação referente à dissipação, é a lei

de Ohm aplicada na resistência interna do receptor.

POTÊNCIA E RENDIMENTO NO RECEPTOR

A figura abaixo representa um esquema de um gerador ligado

diretamente a um receptor. Apesar dos símbolos dos dois

elementos serem muito semelhantes, o gerador é o que

apresenta maior força eletromotriz e a corrente nele flui do pólo

negativo para o pólo positivo.

Quando ligamos um receptor a um gerador, não é difícil

perceber que a potência útil do gerador, que é aquela que ele

lança para o circuito, na verdade será a potencia total do

receptor elétrico. Ao receber essa potência total, o receptor

aproveita parte dela para o seu funcionamento normal e essa

potência é denominada como potência útil e outra parte é

dissipada, e logicamente ela é denominada como potência

dissipada. Observe o quadro abaixo.

Na física, rendimento é a razão entre o que é utilizado pelo

total que é recebido, desse modo podemos definir o

rendimento no receptor como sendo:

É importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisiÉ importante assinalar que não existem receptores com rendimento igual a um, ou seja, cem por cento. Em uma situação dessas teríamos toda a energia fornecida a ele sendo usada para o seu funcionamento e nada estaria sendo dissipado. Essa situação é fisi

É importante assinalar que não existem receptores

com rendimento igual a um, ou seja, cem por

cento. Em uma situação dessas teríamos toda a

energia fornecida a ele sendo usada para o seu

funcionamento e nada estaria sendo dissipado.

Essa situação é fisicamente impossível, pois

sempre haverá uma parcela da energia sendo

dissipada.

GERADOR ELÉTRICO

O gerador elétrico é um mecanismo que transforma energia mecânica, química ou outra forma de energia em energia elétrica. O gerador elétrico mais comum é o dínamo (gerador de corrente contínua) de bicicleta.

O gerador elétrico é o agente do circuito que o abastece, fornecendo energia elétrica às cargas que o atravessam.

O físico italiano Alessandro Volta foi quem desenvolveu o primeiro gerador. Estudando efeitos de contração muscular de patas de rãs, sob ação de descargas elétricas, Alessandro Volta descobriu que quando dois discos de metais diferentes, como cobre e zinco, estavam separados por um disco de pano ou papelão umedecido com água salgada, surgia uma diferença de potencial entre os discos de metais.

Volta aumentou esta diferença de potencial colocando estes aparatos em pilhas. A propriedade dos geradores, de produzir quantidades contínuas de carga elétrica, levou à formulação de um novo conceito e uma nova grandeza física capaz de definir essa propriedade: a força eletromotriz. Este nome foi adotado numa época em que não estava muito clara a distinção entre força e energia.

Hoje sabemos bem quais são as reações químicas que ocorrem na pilha, transformando energia química em energia elétrica.

A força eletromotriz do gerador é a razão entre o trabalho

realizado e a quantidade de carga movimentada. No SI, o

trabalho é medido em joule e a quantidade de carga elétrica é

medida em coulomb, logo a força eletromotriz é medida em

joule/coulomb (J/C). Essa unidade e o volt (V).

O gerador é representado pela seguinte figura:

O resistor da figura representa a perda de energia por calor no

interior do gerador. Esta propriedade dos geradores é chamada

de resistência interna.

Devemos lembrar que a tensão elétrica U entre os pólos A e B

é menor que a força eletromotriz, já que há uma perda de

tensão por r.

Em alguns exercícios pode aparecer um gerador ideal, ou

seja, um gerador cuja resistência interna é nula. Este é

representado da seguinte maneira:

A equação do gerador:

r é a resistência interna do gerador.

i é a corrente elétrica que atravessa o gerador.

TRABALHO DO CAMPO ELÉTRICO

É a variação de energia potencial elétrica que uma determinada carga sofre quando se desloca. A unidade usada é o joule . Podemos representar esse trabalho pela expressão:

T = Einicial- Efinal, onde E representa a energia potencial elétrica.

Como E = q.V (V é o potencial elétrico, q a carga):

T = q.Va - q.Vb , portanto:

T = q(Va - Vb)

Vale lembrar que o trabalho não depende da trajetória que a carga percorrerá, e sim unicamente do ponto inicial e final que ela se encontrar (potenciais elétricos). Portanto, se a carga se deslocar em uma superfície equipotencial, não haverá trabalho, pois o potencial elétrico inicial e final terão o mesmo valor. A carga ainda pode se deslocar e voltar ao mesmo ponto de partida, caracterizando também um trabalho nulo.

ENERGIA POTENCIA ELÉTRICA

Suponha, agora, o ponto B infinitamente afastado da carga

fixa criadora do campo.

A expressão do trabalho da força elétrica, para deslocar

uma carga de um ponto A até o infinito, é dada por:

Podemos afirma que esse é o maior trabalho que pode ser

realizado pela força elétrica, sobre uma carga q, no ponto A.

Como energia é a capacidade de realizar trabalho, conclui-se

que a energia potencial elétrica adquirida pela carga q, no ponto

A, é igual ao trabalho realizado para se deslocar esse carga

desse ponto ao infinito.

Com base na definição de energia potencial, o trabalho

realizado pela força elétrica pode ser medido pela diferença de

energia potencial elétrica entre os pontos A e B; portanto:

POTENCIAL ELÉTRICOConsiderando um campo elétrico originando por uma carga

puntiforme Q.

Defina-se como potencial elétrico

num ponto A desse campo, o trabalho realizado pela força

elétrica, por unidade de carga, para deslocá-la desse ponto A

até o infinito.

O potencial é uma grandeza escalar, ficando determinado

apenas pelo seu valor numérico. Pode, portanto, ser positivo

ou negativo, dependendo do sinal da carga criadora do campo

Q.

A unidade do potencial SI é o volt (V).

1 volt é o potencial de um ponto que fornece a uma carga de 1

coulomb, nele colocada, uma energia de 1 joule. Quando

temos vários campos elétricos agindo numa região, o potencial

num ponto P qualquer é a soma algébrica dos potenciais

originados por cada carga, no ponto considerando.

EXEMPLO:

1- Num campo elétrico foram medidos os potenciais em dois pontos A e B e encontrou-se VA= 12V e VB = 5,0V.

a) Qual o trabalho realizado por esse campo quando se transporta uma carga puntiforme de 18uC de A para B?

b) Sabe-se que nesse transporte não houve variação de energia cinética da partícula. Determine o trabalho do operador.

Resposta:

a) 1,3 . 10-5J

b) -1,3 . 10-5J

DIFERENÇA DE POTENCIAL (DDP)A diferença de potencial, ddp, é uma das grandezas mais

importante da eletricidade. É utilizada para explicar o

movimento das cargas elétricas.

A diferença de potencial entre os pontos A e B é indicada por

e representada pela letra U.

Por exemplo entre os terminais de uma bateria existe uma ddp

de 12 volts.

RELAÇÕES ENTRE TRABALHO E DDP

Consideramos o campo elétrico criada pela carga Q.

O trabalho realizado pela força elétrica, no deslocamento de

uma carga q de um ponto A até um ponto B dessa região, pode

ser calculado a partir dos potenciais dos pontos A e B.

A diferença do potencial elétrico ,

entre pontos, A e B, de um campo elétrico é obtida dividindo-se

o trabalho pela força elétrica pelo valor da carga deslocada.

DIFERENÇA DE POTENCIAL NUM CAPO ELÉTRICO

UNIFORMEConsidere o campo elétrico uniforme entre duas placas

paralelas eletrizada com cargas iguais e de sinais

contrários, separadas pala distância d.

O trabalho realizado pela força elétrica para deslocar uma

carga de prova q positiva, da placa A até a placa B, é dada por:

Como o campo elétrico

e a força

que agem na carga q, são constantes, o

trabalho realizado pela força

pode ser calculado pela expressão geral

do trabalho :

Esta expressão permite calcular a ddp entre dois pontos de

uma campo uniforme, e é muito importante no estudo dos

fenômenos elétricos.

Com base nesta expressão utiliza-se:

EXEMPLO:

1- Determinar a diferença de potencial entre dois pontos, A e

B, de um campo elétrico uniforme de intensidade 10

, conforme figura abaixo . Sabe-se que a distância entre esses

pontos é de 0,2 cm.

POTENCIAL DE UM CONDUTOR EM EQUILÍBRIO

ELETROSTÁTICO

Consideramos um condutor eletrizado, de qualquer formato, em

equilíbrio eletrostático.

Devido ao fato de as cargas elétricas estarem em

repouso, pode-se afirma que não existe diferença de potencial

entre dois pontos quaisquer do condutor, pois, se houvesse

uma ddp, é elétrons livres procurariam pontos de potencial

maior.Num condutor e equilíbrio eletrostático, o potencial, em

qualquer ponto, é constante e igual ao da superfície

SUPERFÍCIE EQUIPOTENCIAL

Chama-se superfície equipotencial aquela na qual

o potencial é constante em todos os seus pontos.

Numa superfície equipotencial as linhas de força

são sempre perpendiculares às superfícies

equipotencial.

EXEMPLO:

-Superfície de um condutor equilíbrio eletrostático:

-Campo criado por carga puntiforme:

Cada uma das superfícies esféricas concêntricas à carga

puntiforme é uma superfície equipotencial

CAMPO UNIFORME

Num campo uniforme, as superfícies equipotenciais

são perpendiculares às linhas de força e paralelas

entre si.

EXEMPLO:1- Retome as placas da questão anterior e coloque em

repouso entre elas uma partícula X, de peso P = 2,0 . 10-

7N, eletrizada. Calcule a carga elétrica (q) da partícula para

que ela permaneça em repouso.

Resposta: -1,0 . 10-12C = -10pC

2- (PUC - RJ) Uma partícula de massa1,0 x 10-4kg e carga -1,0 x 10-

6C é lançada na direção de um campo elétrico uniforme de intensidade 1,0 x 105V/m. A velocidade mínima de lançamento para que ela percorra 20 cm a partir da posição de lançamento, no sentido do campo, é de:

a) 14 m/s

b) 20 m/s

c) 26 m/s

d) 32 m/s

e) 38 m/s

Resposta: b

Consideramos uma esfera condutora, de raio r, eletrizada co carga Q.

Dividiremos o estudo do potencial produzido pela esfera em três casos.

1º POTENCIAL EXTERNO

Para o cálculo do potencial num ponto externo, supõe-se que

a carga Q seja puntiforme e localizada no centro da esfera.

2º POTENCIAL NA SUPERFÍCIE

Fazendo d=r, temos:

3º POTENCIAL INTERNO À ESFERA

A esfera condutora está em equilíbrio eletrostático,; portanto, não há movimento de cargas no seu interior, isto é, o potencial num ponto interior é igual ao potencial num ponto da superfície.

*A curva característica da variação do potencial produzido por uma esfera é dada a seguir:

TENSÃO ELÉTRICA

Tensão elétrica ou diferencial de potencial (ddp) é a diferença de potencial entre dois pontos. A tensão elétrica também pode ser explicada como a quantidade de energia gerada para movimentar uma carga elétrica. Vamos dar um exemplo de uma mangueira com água, a qual no ponto entre a entrada de água e a saída exista uma diferença na quantidade de água, essa diferença trata-se da ddp entre esses dois pontos. Já no condutor, por onde circula a carga de energia elétrica, a diferença entre o gerador (equipamento responsável por gerar energia) e o consumidor (que pode ser seu computador ou outro equipamento) é que simboliza qual é a tensão que existe nesse condutor.

Exemplos de geradores de tensão: as usinas hidrelétricas, pilhas e baterias.

Logo abaixo, temos um exemplo de um circuito elétrico, com um gerador e um consumidor.

No exemplo acima, o gerador, que é a pilha, libera uma partícula eletrizada, esta percorre o condutor e faz acender a lâmpada, depois essa partícula continua seu percurso até retornar à pilha.

Com isso, pode-se concluir que a tensão elétrica é a quantidade de energia que um gerador fornece pra movimentar uma carga elétrica durante um condutor.

Como já foi dito, a tensão elétrica é quantidade de energia gerada para movimentar uma carga, portanto, o gerador necessita liberar energia elétrica para movimentar uma carga eletrizada.

A fórmula para calcular a tensão a partir desse

conceito é:

U = Eel / Q

Onde:

U= Tensão elétrica

Eel= Energia elétrica

Q= Quantidade de carga eletrizada

Outra fórmula para calcular a tensão elétrica é a

partir da energia elétrica utilizada e quantidade de

carga:

V = J / C

Onde:

J= Joule

C= Coulomb

A unidade de tensão será dada em J/C

Também é possível calcular a tensão elétrica de um circuito tendo as grandezas de corrente e resistência:

V= I.R

Onde:

V= tensão elétrica

I= corrente elétrica

R= resistência elétrica

Se analisarmos mais profundamente para calcular a tensão, poderemos calcular também através da potência elétrica:

V= P/I

Onde:

P= potência elétrica

I= corrente elétrica

Todos esses cálculos são para tensões contínuas (tensões que não mudam de polaridade de acordo o tempo), para calcular tensões alternadas (tensões que mudam a polaridade de acordo com o tempo), é necessário ter noções de números complexos, visto que todas variáveis são complexas.

Fórmula para cálculo de tensão alternada:

v(t)=V.sin(2∏ft.Φv)

Onde:

v(t)= função tensão no tempo

V= tensão de pico

Sin=seno

F=frequência

T=tempo

Φ= ângulo de fase

Esse cálculo é para casos de tensão em função do

tempo, entretanto, a tensão que é medida na sua

tomada, é um valor eficaz, que é o valor quadrático

médio desse sinal.

Vef= Vp/√2

O QUE É CERTO SE FALAR, TENSÃO OU

VOLTAGEM?

Muitos falam voltagem, mas isso é errado, o certo a

ser falado é tensão. As pessoas usam muito o

termo “voltagem” em decorrência ao cientista que

descobriu a tensão elétrica, Alessandro Volta.

APARELHOS ELETRICOS

utilizar corretamente os equipamentos elétricos bem como ligá-los de forma adequada, evitando que estraguem. Por exemplo, se um aparelho que funciona na tensão 220 V for ligado na tensão de 127 V ele não queimará, mas também não funcionará de forma correta. Caso ocorra o contrário, se o aparelho funciona a 127 V e for ligado numa tensão de 220 V, o aparelho elétrico queimará. Esse mesmo fato ocorre com as lâmpadas, por exemplo. Se a corrente estabelecida nela não for suficiente para aquecer o filamento de tungstênio, a lâmpada brilhará menos e a luz terá tom avermelhado.

Alguns conceitos são muito importantes para entender o funcionamento dos aparelhos eletrônicos.

TENSÃO

simbolizada pela letra V que significa volt, ela

especifica a capacidade de energia da rede na qual

o aparelho será ligado.

FREQÜÊNCIA

representada pela letra f é a freqüência da

oscilação da rede elétrica na qual o aparelho é

ligado. A unidade de freqüência no Sistema

Internacional de Unidades é o hertz (HZ).

POTÊNCIA

significa o consumo de energia por unidade de

tempo e o símbolo é o W que é a unidade de

potência no Sistema Internacional de Unidade.

Com esses conceitos em mente e através da

leitura correta dos mesmos fica possível ligar os

aparelhos elétricos de forma que ele funcione

adequadamente.

TRABALHO DE FÍSICA:3º ‘’B’’ matutinoAlunos:Stefani, Emylle,Lara,Pedro,Priscila e Hanna

CED 03