Energia e Potência – Circuitos Elétricos
No artigo de hoje vamos falar sobre os conceitos de Energia e Potência elétrica, que são conceitos fundamentais de elétrica e eletrônica. Esses dois conceitos são bastante familiares à maioria das pessoas, pois trabalhamos com eles ao longo do nosso ensino médio, seja nas matérias de eletricidade, ou em outros tópicos de física. Contudo, ainda existe muita dúvida sobre este assunto que iremos tratar aqui. É importante frisar que falaremos sobre esses conceitos de Energia e Potência de uma forma mais ampla, em um segundo artigo, abordaremos o tema de potência em sistemas alternados, que traz mais um tempero à discussão.
1. Energia elétrica - O que é isso?
Nós vamos começar a nossa discussão, falando sobre Energia Elétrica. O conceito de energia é mais familiar a todos nós, pois, estamos acostumados a lidar com outras forma de energia, como energia cinética, energia potencial, energia química, etc. Qualquer tipo de energia, no final das contas, carrega a mesma informação, que é a capacidade de realizar trabalho útil, e no caso da energia elétrica, não é diferente. A unidade da medida é Joules (J), como qualquer outra forma de energia.
Mas, para podermos descrever como que as grandezas elétricas (tensão e corrente) podem produzir trabalho, ou seja, fornecer/consumir energia elétrica, é crucial que vocês tenham os conceitos de tensão e corrente elétrica bem definidos. Para isso, vocês podem olhar os artigos que eu já escrevi sobre tensão e corrente.
Obs: para tornar a discussão mais genérica, utilizamos a representação das grandezas por meio da derivada (d). Esta informação (dx/dy) indica a "velocidade" com que a variável x varia em função da variável y. No ensino médio, costuma-se tratar essas taxas de variação de forma simplificada assumindo o cálculo da variação de x (Δx) em função de um intervalo finito de y (Δy).
O conceito é o mesmo, mas usando as derivadas, a discussão é mais genérica, pois não precisamos nos preocupar em achar um intervalo Δy.
Notem que a energia (E) já aparece na definição da tensão elétrica, então, mesmo sem entrar em detalhes de conceituação física, podemos ver que é possível manipular as informações de tensão e corrente em um elemento de circuitos para extrair a energia manipulada por aquele elemento. Observem que:
Isso indica que, ao multiplicarmos a tensão, corrente e um intervalo de tempo (dt), iremos obter uma variação de energia elétrica (dE). Se tanto a corrente, quanto a tensão sobre o um elemento forem constantes (contínuos), o cálculo da energia elétrica manipulada é bem direto:
Figura 1 - Energia em circuitos de corrente contínua
Agora, caso os sinais possuam uma forma de onda qualquer, esse cálculo não é tão simples de se fazer, sendo necessário o uso de uma ferramenta matemática mais poderosa, que é a integral, isto é, o cálculo da área sob a curva de VxI, como exemplifico na figura 2.
Figura 2 - Energia em circuitos de corrente alternada
1.1 - Energia consumida e energia fornecida
Notem que até o momento eu tenho falado em energia manipulada por um elemento, porque até agora não definimos o que é energia consumida e energia fornecida. Essa definição, porém, é uma convenção:
- Energia consumida - A energia manipulada por um elemento que apresenta no sentido de condução de corrente, uma queda de tensão, ou seja, quando a corrente naquele elemento entra no seu terminal mais positivo e sai no seu terminal mais negativo;
- Energia fornecida - A energia manipulada por um elemento que apresenta no sentido de condução de corrente, uma elevação de tensão, ou seja, quando a corrente naquele elemento entra no seu terminal mais negativo e sai no seu terminal mais positivo.
Figura 3 - Exemplo de energia consumida e fornecida em um circuito fechado
Em qualquer circuito elétrico, temos que respeitar o princípio de conservação da energia, ou seja, Energia Fornecida = Energia Consumida.
Uma dica importante - Inicialmente não sabemos qual componente está fornecendo energia, e qual está consumindo, mas podemos fazer o seguinte para descobrir:
- Arbitrar o sentido da corrente no circuito;
- Estipular a polaridade da tensão nos elementos (definindo quedas ou elevações, de acordo com o sentido da corrente pré-definido);
- Calcular os valores de tensão e corrente nos elementos, seguindo o sentido/polaridade estabelecidos;
- Calcular a energia.
Se estabelecemos no caminho da corrente só quedas de tensão, por exemplo, e encontramos para um elemento um valor positivo de energia, então ele está consumindo esta energia. Se encontramos, por outro lado, um valor negativo, ele está fornecendo energia. Caso, tivermos estabelecido, elevações de tensão, aí, a lógica se inverte.
2 - Potência elétrica
A potência elétrica é a quantidade de trabalho realizado por um elemento por unidade de tempo, de modo que podemos matematicamente definir potência como sendo a taxa de variação da energia manipulada por um elemento no tempo, ou seja, P = dE/dt. A unidade dessa grandeza é o Watt (W).
Podemos também definir a potência em função da tensão e da corrente de um elemento:
Assim como mostramos para o caso do cálculo da energia, quando os sinais ed tensão e corrente são contínuos, o cálculo da potência é bem direto, mas quando temos uma forma de onda (um sinal alternado, por exemlo), aí esse cálculo pode ficar mais complicado. De uma forma geral, quando temos sinais alternados prosseguimos da seguinte forma: Calculamos a energia total manipulada em um intervalo de tempo (se o sinal for periódico, usamos como intervalor o período do sinal, como exemplificamos na Figura 2) e então dividimos essa energia pelo intervalo de tempo. Com isso, podemos definir a potência elétrica, de uma forma bem genérica como sendo:
A potência também pode ser representada como potência consumida e fornecida, para estabelecer isso, usamos a mesma metodologia discutida na seção anterior para o caso da energia consumida/fornecida.
3 - Unidade alternativa de energia (kWh)
Para finalizar a nossa discussão, vamos abordar uma unidade muito utilizada por todos nós, independentemente se trabalhamos com elétrica e eletrônica ou não: o KiloWattHora (kWh). Essa é uma unidade muito importante, porque é a base de cálculo da tarifa de energia que consumimos das concessionárias de energia elétrica.
Mas, o que essa unidade representa? Bom, ela é uma unidade de energia, só que ao invés de utilizarmos o sistema internacional de medidas, onde a unidade é o Joule, utilizamos outra definição. Notem que um Joule, tomando como base o que apresentamos anteriormente, é igual a Watt x Segundos, ou seja, 1 J = 1 Ws, logo:
1 kWh = 1000 Wh = 1000 x 3600 Ws = 3,6 MJ
Observe que o kWh mede uma quantidade muito grande de energia (3,6 milhões de Joules), com isso, quando queremos mensurar uma conta de energia, se formos medir em Joules, os números seriam absurdos, logo o kWh nos dá medidas mais interessantes. Além disso, com a medida kWh, fazer o cálculo da energia consumida por um consumidor é bem mais simples: basta medir a potência consumida em intervalos de tempo, por exemplo:
- Vamos supor que um consumidor consome uma potência de 1500 W durante um intervalor de 30 min e depois o consumo cai para 500 W durante 4h. Neste caso, a energia total consumida naquele intervalo de observação seria:
- (1,5 kW x 0,5 h = 0,75 kWh) + (0,5 kW x 4h = 2 kWh) = 2,75 kWh
Percebam a facilidade dessa conta.
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