Tensão elétrica
Tensão é a quantidade de energia potencial específica disponível entre dois pontos em um circuito elétrico. Energia potencial é a energia potencialmente disponível para realizar trabalho. Olhando isto de uma perspectiva da física clássica, a energia potencial é o que acumulamos quando levantamos um peso acima do nível do solo, ou quando comprimimos uma mola:
Em ambos os casos, a energia potencial é calculada pelo trabalho realizado ao exercer uma força ao longo de uma distância paralela. No caso do peso, a energia potencial (Ep) é o simples produto do peso (gravidade (g) agindo sobre a massa (m)) e altura (h):
Os cálculos de energia para molas são mais complexos do que para pesos. A força exercida pela mola contra o movimento de compressão aumenta com a compressão (F=kx, onde k é a constante elástica da mola). Não permanece estável como a força do peso faz para a massa levantada. Portanto, a equação da energia potencial é não linear:
Liberar a energia potencial armazenada em sistemas mecânicos é tão simples como soltar um objeto pesado ou deixar uma mola se expandir. Essa energia retorna a zero quando os objetos param em suas posições originais. Se conectarmos um dispositivo para aproveitar esse movimento de retorno, podemos usar essa energia armazenada para realizar tarefas úteis.
A energia potencial pode ser definida da mesma forma para qualquer situação em que aplicamos uma força ao longo de uma distância, independentemente da origem da força ou da distância percorrida. Por exemplo, a sensação de puxão ao tirar uma meia de lã da secadora é um exemplo disso. Ao puxar a meia de outra peça de roupa contra a “aderência estática”, estamos realizando trabalho e armazenando energia potencial na tensão entre a meia e a roupa. Essa energia armazenada pode ser usada se conectarmos a meia a algum dispositivo que aproveite seu movimento de volta à pilha de roupa suja, devido à atração elétrica estática.
Quando movemos cargas elétricas, o princípio é o mesmo. Afastar cargas atraentes significa realizar trabalho (uma força ao longo de uma distância) e armazenar energia potencial nessa tensão física. Quando usamos reações químicas para mover elétrons de uma placa de metal para outra em uma solução, ou quando giramos um gerador para motivar eletricamente os elétrons a se moverem, estamos transferindo energia potencial para esses elétrons. Essa energia potencial em sistemas elétricos é medida em Volts, em homenagem ao inventor da bateria eletroquímica, Alessandro Volta. É a quantidade de energia potencial disponível por uma quantidade específica de carga elétrica (um número de elétrons). Isso é conhecido como potencial elétrico ou tensão.
Vamos falar sobre duas coisas: “tensão elétrica” (ou “potencial elétrico”) e “energia potencial”. Ambas compartilham uma característica comum: são medidas em relação a dois pontos. Isso significa que não podemos determinar a quantidade de energia ou tensão em um único lugar; sempre deve ser comparada a outro ponto.
Por exemplo, se afastássemos 6,24 x 10^18 elétrons (isso é um Coulomb) de uma área com carga positiva e gastássemos 1 Joule para fazer isso, teríamos gerado 1 Volt de potencial elétrico.
Da mesma forma, quando elevamos um objeto do chão, ele ganha uma quantidade de energia potencial, mas isso depende de quão alto o levamos em relação ao chão. Se pegarmos um objeto de 1 quilo e o levantarmos 1 metro acima do chão, ele terá 9,81 joules de energia potencial. Isso ocorre porque o objeto pesa 9,81 Newtons na Terra e subiu 1 metro. No entanto, essa energia é sempre relativa à altura em que o objeto está em relação ao chão.
Portanto, tanto na eletricidade quanto na física, a ideia é a mesma: a energia ou a tensão é sempre uma medida entre dois lugares, nunca apenas em um lugar.
Se soltarmos o objeto sobre o mesmo local de onde o levantamos, ele liberará toda a energia potencial que investimos nele: 9,81 joules. A partir deste exemplo, parece muito claro que o objeto tinha 9,81 joules de energia potencial quando foi levantado. No entanto, a situação se torna mais complicada se carregarmos o objeto até a mesa e o soltarmos lá. Como o objeto agora só pode cair meio metro, ele liberará apenas 4,9 joules de energia no processo. Quanta energia potencial o objeto tinha quando suspenso acima da mesa? Se argumentarmos que o objeto tinha 9,81 joules de energia potencial a essa altura original, por que não podemos realizar todo esse potencial quando o soltamos sobre a mesa? Podemos realmente dizer que um objeto possui energia potencial se não pudermos realizar esse potencial?
A seguir, imagine que levantamos um objeto de 1 kg a 1 metro do chão e o levamos até a beira de um penhasco com uma queda de 300 metros. Se soltarmos o objeto aqui, ele cairá 301 metros antes de atingir o chão. Isso representa 2,95 kilojoules (kJ) de energia! Como podemos argumentar que o objeto tinha uma energia potencial de 9,81 joules quando levantado a um metro do chão e, sem acrescentar mais energia ao objeto, de repente somos capazes de realizar mais de 300 vezes essa quantidade de energia?
A resposta para esse paradoxo é que a energia potencial é sempre relativa entre a altura inicial do objeto e sua altura após a queda. É tecnicamente incorreto dizer que o objeto possui 9,81 joules de energia potencial quando levantado a 1 metro do chão, como se a energia potencial fosse uma quantidade absoluta. Em vez disso, é mais preciso dizer que o objeto adquiriu 9,81 joules de energia potencial após ser levantado a 1 metro do chão, o que implica que o objeto poderia ter tido energia potencial (com referência ao fundo do penhasco) mesmo enquanto estava no chão (acima do penhasco).
Da mesma forma, a tensão elétrica (como expressão de energia potencial) é uma quantidade relativa entre dois pontos. A tensão elétrica é simbolizada pela variável V e medida na unidade de Volt. Assim como precisamos conhecer a posição do objeto em relação ao ponto onde ele cairá antes de quantificar sua energia potencial, também devemos saber a posição de uma carga elétrica em relação ao seu ponto de retorno antes de quantificar sua tensão. Considere uma série de baterias conectadas como mostrado:
A tensão medida entre quaisquer dois pontos diretamente em uma única bateria será de 1,5 volts:
Vab = 1,5 volts
Vbc = 1,5 volts
Vca = 1,5 volts
Se, no entanto, abrangermos mais de uma bateria com as conexões do voltímetro, nosso voltímetro registrará mais de 1,5 volts:
Vca = 3,0 volts
Vbd = 3,0 volts
Vad = 4,5 volts
Assim, vemos que não existe “tensão” em um único ponto de um circuito. O conceito de tensão só tem significado entre pares de pontos num circuito, tal como o conceito de energia potencial para uma massa só tem significado entre dois locais físicos: onde está a massa e onde pode potencialmente cair.
As coisas ficam interessantes quando conectamos fontes de tensão em diferentes configurações. Considere o exemplo a seguir, idêntico à ilustração anterior, exceto que a bateria do meio foi invertida:
Observe atentamente os sinais ” +” e ” – ” nas extremidades das baterias. Esses sinais indicam a polaridade da tensão de cada bateria. Além disso, note como as duas leituras do voltímetro diferem das anteriores. Aqui, temos um exemplo de um potencial negativo, onde a bateria do meio está conectada de forma oposta às outras duas baterias.
Enquanto as baterias superior e inferior estão aumentando o potencial elétrico (de D para A), a bateria do meio está diminuindo o potencial (de C para B). É como dar um passo adiante e, em seguida, dar um passo para trás, para novamente dar um passo adiante. Ou, talvez de forma mais apropriada, é como levantar um objeto 1,5 metros acima do chão, depois baixá-lo 1,5 metros e, em seguida, elevá-lo novamente 1,5 metros. As etapas inicial e final acumulam energia potencial, enquanto a etapa intermediária libera energia potencial.
Isso explica a importância de instalar várias baterias da mesma forma em dispositivos alimentados por bateria, como rádios e lanternas. As tensões das baterias devem somar para atingir o total necessário para alimentar o dispositivo. Se uma ou mais baterias forem conectadas de forma invertida, a energia será perdida em vez de ganha, e o dispositivo não receberá a voltagem necessária.
Neste contexto, é fundamental prestar atenção à maneira como usamos nosso voltímetro, pois a polaridade desempenha um papel crucial. Todos os voltímetros têm padrões de cores para suas pontas de prova: vermelho e preto. Para entender as leituras do voltímetro, em particular o sinal positivo ou negativo, é fundamental compreender o significado das cores vermelha e preta nas pontas de prova:
