UNIVATES
Física – Eletromagnetismo
Resumo de aula ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA
1. Energia
Em nosso cotidiano, nos meios de comunicação, sempre se ouve falar de energia, de seu consumo, das fontes, das alternativas. Energia permeia nossa vida. Sem ela não vivemos!
Mas o que seria energia? Como lidar com ela?
Conhecemos hoje diversas formas de manifestação da energia (solar, eólica, nuclear, elétrica, térmica, química, entre outros). Sabemos lidar com a energia, transformá-la, a partir de fontes e formas diversas, em outras formas que nos sejam de mais fácil utilização. Sabemos quantificar a energia, identificar os fatores que interferem nestas quantificações, sejam eles diretos ou indiretos. Sabemos determinar consumo, degradação, realizar previsões de escassez, etc. Mas, apesar de todos estes conhecimentos, ainda não há uma definição suficientemente abrangente para energia, o que quer dizer que ainda não sabemos dizer o que é energia!
Mas não há problemas maiores quanto a isto, o que interessa para que possamos utilizá-la já é de nosso domínio.
O que é importante conhecer?
Em primeiro lugar, é importante conhecer as diversas formas sob as quais a energia pode se manifestar, e identificar a possibilidade de existência de certa quantidade de energia ou não sob cada uma destas formas, para cada situação a ser analisada. Para tanto é necessário considerar que:
- A energia é uma grandeza escalar, portanto sua quantidade fica completamente expressa por um número com sinal (é algébrico).
- A unidade de medida de energia no SI é o Joule (1J=1N.m).
- Outras unidades também utilizadas para quantificar energia:
1 caloria (1cal)=4,18 J
1kcal (1kcal ou 1Cal)=4,18.103 J
1quilowatthora (1kWh)=3,6.106 J
1 elétron-volt= 1,6.10-19 J
Em segundo lugar, ter conhecimento e compreensão do princípio de conservação de energia, segundo o qual toda a energia existente hoje no universo sempre existiu e sempre existirá, a energia não pode ser destruída nem criada, apenas vai sendo transformada de um tipo em outro.
Em terceiro lugar, para facilitar a identificação dos processos de transferência e de transformação da energia, e a própria utilização do princípio de conservação, é importante saber que, de toda a longa lista de tipos de energia que se pode enumerar, podemos identificar basicamente dois grandes e genéricos tipos de energia: As energias associadas ao movimento (CINÉTICAS) e as energias associadas à posição relativa de um corpo ou objeto em relação ao interior de um campo de forças (POTENCIAIS).
Dentre as energias cinéticas podemos enquadrar, por exemplo, a energia eólica (devida ao movimento do ar) e a energia térmica (relacionada à agitação molecular).
Dentre as energias potenciais, podemos enquadrar a energia potencial química (posição relativa dos átomos constituindo moléculas), que no fundo é um tipo de energia potencial elétrica, e a energia nuclear (posição relativa dos nucleons).
Por fim, mas não menos importante, precisamos conhecer os processos de transformação e de transferência de energia. No modelo que utilizaremos existem somente dois processos para que isto ocorra: o calor e o trabalho.
2. Processos de transformação e de transferência de energia.
No modelo que estamos trabalhando há apenas dois processos de transformação e/ou transferência de energia: o calor e o trabalho.
O calor é um processo de transferência de energia entre dois corpos que ocorre exclusivamente por diferença de temperaturas. Este processo é detalhado no estudo da física térmica e não será nosso foco neste momento.
O trabalho é um processo através do qual se pode transferir e transformar energia a partir dos efeitos das forças. No caso do estudo da eletricidade, a força responsável por estas transformações e transferências é a força elétrica.
Vamos utilizar, para representar o trabalho a letra W (trabalho=work em inglês). O Trabalho depende da força exercida, do deslocamento do corpo que sofre esta força, durante o tempo em que a força está sendo exercida, e do ângulo entre o vetor força e o vetor deslocamento:
W=F.d Unidade SI: joule (1 J = 1N.m)
Se colocarmos a equação desta forma, temos a indicação de que as grandezas que fornecem o trabalho são VETORIAIS, porém o resultado da operação é ESCALAR, pois, como trabalho é a quantidade de energia transformada então, assim como a energia, o trabalho é um escalar. Então a operação acima indica um PRODUTO ESCALAR entre dois vetores. Se quisermos colocar a equação em termos dos módulos dos vetores teremos:
W = F.d.cosθ
Se o valor da força for constante durante todo o trajeto, assim como o ângulo entre a força e o deslocamento, então conhecer a equação acima é suficiente.
Porém, caso haja variações, teremos que somar as contribuições de cada valor de força ao longo de pedacinhos infinitesimais de deslocamento que podem ser associados a cada um destes valores de força. Para generalizar esta situação podemos utilizar a integração, que nada mais é do que uma soma de parcelas infinitamente pequenas:
3. Sistemas Conservativos
Para representar a energia, sem confundi-la com o campo elétrico, vamos usar a letra grega épslon (ε) (ou o “e” maiúsculo redondinho!). Como trabalho é um processo de transformação e de transferência de energia, ele pode ser quantificado a partir da variação da energia.
W=Δε
Mas na maioria dos processos de transferência e de transformação há mais de um tipo de energia sofrendo variações. A qual energia devemos nos referir para quantificar o trabalho? A forma como o modelo mecânico para transformações de energia foi construído, relaciona o trabalho diretamente com as variações da energia cinética:
W=Δεc
Um SISTEMA CONSERVATIVO é aquele no qual todas as forças envolvidas são conservativas (exemplo: força gravitacional, força elétrica), quando temos uma situação deste tipo, toda a energia cinética é transformada em energia potencial e vice-versa, as energias envolvidas são sempre reaproveitáveis.
Um SISTEMA DISSIPATIVO é aquele no qual há forças dissipativas envolvidas (exemplo: atrito, impacto inelástico), e uma parcela da energia é transformada em energia não aproveitável, como energia de deformação, ruído ou aquecimento (aumento da entropia).
No caso de termos um sistema conservativo, a variação da energia cinética, Δεc, tem mesmo valor da variação da energia potencial, Δεp, porém com sinal contrário, pois quando uma aumenta a outra diminui na mesma quantidade, devido ao princípio de conservação. Podemos então escrever:
Δεc=εcf-εci è ΔεP=εPf-εPi è Δεc= - ΔεP
Então, como W=Δεc podemos relacionar também trabalho com energia potencial elétrica: W= - ΔεP
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