Energia elétrica

A energia elétrica é uma das modalidades de energia mais usadas pela sociedade moderna. Ela é a energia diretamente associada às correntes elétricas que fornecem energia aos aparelhos elétricos e eletrônicos, como televisão, celular, geladeira e computador. Quando se estabelece um circuito elétrico fechado, com um fio condutor, uma resistência e um gerador elétrico, é possível alimentar qualquer tipo de aparelho elétrico com a energia elétrica, que vai depender diretamente da potência do aparelho e do tempo de uso. É com base nessas variáveis que podemos calcular o valor na conta de luz, por exemplo.

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Resumo sobre energia elétrica

• Energia elétrica é uma modalidade de energia originária das correntes elétricas.

• A energia elétrica é fornecida pelos geradores elétricos, que transformam energia mecânica em energia elétrica por meio da indução eletromagnética.

• Um gerador é capaz de mover cargas elétricas no circuito induzindo uma DDP (diferença de potencial).

• Os tipos de energia elétrica são renováveis (inesgotáveis, como solar, eólica e hídrica) ou não renováveis (esgotáveis, como petróleo, carvão e gás natural).

• O experimento considerado como a primeira invenção capaz de fornecer energia elétrica de forma relativamente controlada, apesar de ainda muito fraca, é a famosa pilha de Alessandro Volta.

O que é energia elétrica?

A energia elétrica é um tipo de energia proveniente das correntes elétricas, que são fluxos de cargas elétricas resultantes da DDP (diferença de potencial) em um condutor, como o fio de cobre. Ela é fornecida por um gerador elétrico. A quantidade de energia elétrica gasta por um aparelho elétrico é dada pela multiplicação da potência do aparelho pelo intervalo de tempo de uso.

De onde vem a energia elétrica?

A energia elétrica que chega à tomada das nossas casas tem origem nos geradores elétricos, que transformam energia mecânica em energia elétrica por meio da indução eletromagnética. A indução eletromagnética é baseada na lei de Faraday, a qual afirma que quando há variação de fluxo de campo magnético em algum circuito condutor, como em uma bobina, uma corrente elétrica e, portanto, uma DDP (diferença de potencial) surgem nesse condutor.

Na figura seguinte, podemos ver um circuito elétrico simples, no qual um ímã é colocado em movimento (energia mecânica), fazendo com que haja uma variação de fluxo magnético na bobina. Graças a essa variação de fluxo magnético, surge uma DDP no circuito, que pode ser medido pelo voltímetro. É baseado nesse fenômeno que os grandes geradores elétricos nos fornecem energia elétrica.

Todos os geradores de corrente elétrica alternada de grandes usinas operam de acordo com a indução eletromagnética. Esses geradores estão presentes em diversos tipos de usinas elétricas, e o fator comum a todas elas é que a energia elétrica é obtida via conversão da energia mecânica.

Nas usinas hidroelétricas, por exemplo, a queda d'água transforma a energia potencial gravitacional de uma grande massa de água em energia cinética. Essa energia produz o movimento de rotação das pás do gerador, ligadas a grandes bobinas condutoras, que transformam, por indução eletromagnética, essa energia cinética em energia elétrica.

Funcionamento da energia elétrica

Para compreender o funcionamento da energia elétrica, devemos primeiro entender o que é potencial elétrico. Potencial elétrico (V) de um ponto do espaço é a quantidade de energia potencial elétrica por unidade de carga de prova colocada nesse ponto. Assim, o potencial elétrico de 1 volt corresponde à energia de 1 joule por 1 coulomb de carga.

Entretanto, para o pleno funcionamento de um circuito elétrico fechado, apenas o potencial elétrico não é o bastante, é necessário que haja uma diferença de potencial, também conhecida pelo seu acrônimo: DDP. Às vezes chamada de tensão ou, ainda, de voltagem, a DDP mede o desnível de potencial elétrico entre dois pontos. É induzindo uma diferença de potencial nos dois polos que um gerador é capaz de mover cargas elétricas no circuito e fazer a energia elétrica chegar às tomadas das casas.

A relação entre a diferença de potencial (U), a resistência do condutor (R) e a corrente elétrica (i) é dada pela primeira lei de Ohm:

U = R ⋅ I

No S.I., a unidade de medida da DDP é o volt (V), da corrente elétrica é o Ampère (A), e da resistência elétrica é o Ohm (Ω).

A potência elétrica pode ser relacionada com a DDP, com a corrente elétrica e com a resistência elétrica da seguinte forma:

\(P = i \cdot U = R \cdot i^{2} = \frac{U^{2}}{R} \)

Fórmula da energia elétrica

Para qualquer máquina e, em particular, para os aparelhos elétricos, podemos definir potência P pela relação entre a quantidade de energia transformada ou transferida ΔE e o intervalo de tempo Δt correspondente:

\(P = \frac{\Delta E}{\Delta t}\)

Assim, isolando a energia, obtemos a fórmula para calcular o consumo de energia elétrica de um aparelho elétrico qualquer:

ΔE = P ⋅ Δt

Como calcular a energia elétrica?

De acordo com a fórmula da energia elétrica, podemos concluir então que: para saber o consumo de energia elétrica, calculamos os valores de consumo de cada aparelho, multiplicando sua potência (geralmente impressa em uma etiqueta informativa no aparelho) por seu tempo de utilização. Consideremos como exemplo uma lâmpada incandescente de 60 W ligada entre as 8 h da noite e as 6 h da manhã seguinte. Essa lâmpada vai consumir uma energia elétrica de:

ΔE = P ⋅ Δt

ΔE = 60 ⋅ 10

ΔE = 600 Wh = 0,6 kWh

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Tipos de energia elétrica

As fontes dos geradores elétricos de grandes usinas elétricas podem ser adquiridas de algum recurso esgotável ou inesgotável. Com isso, elas podem ser separadas em dois grandes grupos:

• Energia renovável: seus os recursos são inesgotáveis, como solar, eólica e hídrica.

• Energia não renovável: seus recursos são esgotáveis, como o petróleo e carvão. Alguns deles, como o petróleo, estima-se que podem se esgotar em algumas poucas décadas.

Na figura seguinte, separamos alguns tipos de energia elétrica de fontes renováveis e não renováveis:

Quem inventou a energia elétrica?

A descoberta da eletricidade e de seus fenômenos, que hoje aproveitamos para gerar energia elétrica, envolveu inúmeros cientistas no decorrer de séculos de pesquisa e desenvolvimento até os avançados sistemas de fornecimento de eletricidade dos dias atuais. Contudo, o experimento considerado como a primeira invenção capaz de fornecer energia elétrica de forma relativamente controlada, apesar de ainda muito fraca, é a famosa pilha de Alessandro Volta.

O físico e químico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827) construiu o primeiro gerador elétrico (ou pilha voltaica) em 1800. Esse experimento causou uma enorme agitação no mundo científico. Nele, Volta empilhou discos alternados de zinco e cobre, separando-os por pedaços de tecidos embebidos em solução de ácido sulfúrico. Sempre que um fio condutor era ligado aos discos de zinco e de cobre nas extremidades, esse aparelho era capaz de produzir uma fraca corrente elétrica contínua.

Exercícios resolvidos sobre energia elétrica

Questão 1

(UFV) Um chuveiro de 2.400 W, funcionando 4 h por dia durante 30 dias, consome energia elétrica, em quilowatts-horas, de:

A) 288

B) 320

C) 18.000

D) 288.000

E) 0,32

Resolução:

Alternativa A.

Primeiramente precisamos transformar a unidade de medida da potência de watts para quilowatts:

P = 2400 W = 2,4 kW.

Já para calcular o intervalo de tempo, basta multiplicarmos as 4 h pelos 30 dias:

Δt = 4 ⋅ 30

Δt = 120 h

Agora finalmente podemos usar a fórmula da energia elétrica:

ΔE = P ⋅ Δt

ΔE = 2,4 ⋅ 120

ΔE = 288 kWh

Questão 2

(UFR) Um chuveiro elétrico de 3,2 kW ligado a 110 V, consome, em 15 min:

A) 29 J

B) 2,31 kWh

C) 0,80 kWh

D) 4,3 kJ

E) 1,1 kJ

Resolução:

Alternativa C.

Sabendo que 15 min é igual a \(\frac{1}{4}\) de hora, então o intervalo de tempo é Δt = 0,25 h. Usando a fórmula da energia elétrica:

ΔE = P ⋅ Δt

ΔE = 3,2 ⋅ 0,25

ΔE = 0,80 kWh

Crédito de imagem

^[1] GuidoB / Wikimedia Commons (reprodução)

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Eletromagnetismo (vol. 3). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.