A tensão elétrica é igual ao trabalho realizado pelo campo elétrico para mover cargas elétricas de uma posição (A) para outra (B). O trabalho, por sua vez, equivale ao módulo da variação da energia potencial elétrica, devido ao deslocamento das cargas entre os pontos A e B, onde as cargas se posicionarão.
Quando uma tensão é aplicada nos extremos de um condutor, ela gera um campo elétrico que impulsiona os elétrons, fazendo-os se mover no sentido do menor potencial elétrico para o maior. Esse movimento dos elétrons em uma única direção é chamado de corrente elétrica.
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Tópicos deste artigo
- 1 - O que é tensão elétrica?
- 2 - Fórmulas da tensão elétrica
- 3 - Exemplos de cálculo da tensão elétrica
- 4 - Tensão elétrica x corrente elétrica
- 5 - Exercícios resolvidos sobre a tensão elétrica
O que é tensão elétrica?
A tensão elétrica é o resultado do movimento de carga devido à presença de um campo elétrico. Na presença de um campo elétrico, as cargas presentes na sua região que possuem o mesmo sinal da carga que o gerou são repelidas por uma força de repulsão entre a carga que gerou o campo e as cargas presentes na região (lei de Coulomb). A grandeza física associada ao deslocamento de um corpo devido à ação de uma força é o trabalho.
De acordo com a Mecânica, o trabalho de uma força para deslocar um corpo equivale à diferença entre as energias potenciais dos pontos de partida (ponto A) e de chegada do (ponto B) corpo. Em cada ponto, a razão entre a energia potencial e a carga transportada é chamada de potencial elétrico. Sendo assim, há um potencial elétrico no ponto A e um no ponto B.
É possível concluir, portanto, que a tensão elétrica é a diferença entre os potenciais elétricos nos pontos A e B ou a variação entre as energias potenciais elétricas nos pontos A e B por unidade de carga. De acordo com os conceitos mencionados, a tensão elétrica também pode ser chamada de diferença de potencial (ddp), força eletromotriz (FEM) ou, popularmente, como voltagem.
Fórmulas da tensão elétrica
A fórmula da tensão elétrica (U) é representada pela razão entre a variação das energias potenciais elétricas nos pontos A e B (ΔEpe), medida em Joule (J), e a carga elétrica transportada (q), medida em Coulomb (C).
\(U=\frac{∆E_{pe}}{q}\)
Tanto a energia quanto a carga são grandezas escalares; consequentemente, a tensão elétrica também será, e sua unidade de medida é o Volt (V), em homenagem a Alessandro Volta. Como o trabalho (TAB) para transportar a carga do ponto A ao ponto B é igual à variação da energia potencial, a equação anterior pode ser reescrita.
\(U=\frac{T_{AB}}{q}\)
A tensão também pode ser considerada como a diferença entre os potenciais elétricos no ponto A (UA) e no ponto B (UB), ambos medidos em Volts.
\(U=\ U_A-U_B\)
Relacionando a tensão e campo elétrico (E), tem-se que a tensão equivale ao produto entre o campo elétrico e a distância (dAB), entre os pontos A e B, em que a carga foi transportada.
\(U=E·d_{AB}\)
Devido a essa notação, o campo elétrico pode ser medido em Newtons por Coulomb (N/C) ou Volts por metro (V/m).
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Exemplos de cálculo da tensão elétrica
Exemplo 1: Um campo elétrico de 1,2·10-3 N/m faz com que uma carga de 3μC se desloque por 0,4 m. Qual é o trabalho necessário para isso ocorrer?
Resolução
Extraindo os dados do problema
-
E = 1,2·10-3 N/m
-
q = 3μC = 3·10-6 C
-
dAB = 0,4 m
-
TAB = ?
Primeiramente, deve-se calcular a tensão elétrica, já que ela é a única grandeza em comum entre as fórmulas do trabalho e do campo elétrico:
\(U=E.d_{AB}={1,2\cdot10}^{-3}·0,4=0,48\cdot10-3=4,8\cdot10-4 V\)
Substituindo o valor de U encontrado na fórmula do trabalho:
\(U=\frac{T_{AB}}{q}\)
\(4,8\cdot{10}^{-4}=\frac{T_{AB}}{3\cdot{10}^{-6}}\)
\(T_{AB}=4,8\cdot{10}^{-4}\cdot3\cdot{10}^{-6}=14,4\cdot{10}^{-10}\)
\(T_{AB}=1,44\cdot{10}^{-9}\ J\)
Exemplo 2: Uma carga q foi levada do ponto A, de potencial elétrico x, ao ponto B, cujo potencial equivale a dois terços do potencial de A. Considere que a ddp seja igual a 24 V. Qual é o valor do potencial elétrico em A e em B?
Resolução
Extraindo os dados do problema
-
U = 24 V
-
UA = x = ?
-
UB = \(\frac{2\cdot U_A}{3}=\frac{2\cdot x}{3}\) = ?
\(U=U_A-U_B\)
\(24=x-\frac{2\cdot x}{3}\)
No lado direito da conta, há uma subtração com uma fração, logo multiplicam-se os denominadores de cada integrante. O produto resultante deve ser dividido pelos denominadores originais, e o resultado, multiplicado pelos numeradores.
\(24=\ \frac{x}{1}-\frac{2\cdot x}{3}=\frac{3\cdot x-2\cdot x}{3}=\frac{x}{3}\)
\(24=\frac{x}{3}\)
\(\frac{x}{3}=24\)
\(x=24\cdot3=72\ V\)
\(U_A=72\ V\)
\(U_B=\frac{2\cdot U_A}{3}=\frac{2\cdot72}{3}=48\ V\)
Tensão elétrica x corrente elétrica
Os metais possuem como característica a facilidade em perder elétrons. Dessa forma, quando se tem um fio metálico, devido às ligações metálicas, forma-se uma rede cristalina com vários elétrons livres que se movem livremente. A esses elétrons livres dá-se o nome de mar de elétrons ou nuvens eletrônicas.
Se nas extremidades forem ligados potenciais elétricos distintos, no interior do fio condutor surgirá um campo elétrico que fará com que o movimento dos elétrons, que era irregular, passe a ser ordenado no sentido do menor para o maior potencial elétrico, como é demonstrado na figura a seguir.
O condutor, tendo ambas as suas extremidades ligadas em potenciais distintos, forma um circuito fechado, e o fluxo ordenado de elétrons nesse circuito, em um determinado tempo, resulta na corrente elétrica. Quanto maior a tensão elétrica no condutor, maior será a corrente elétrica gerada.
No caso da tensão obtida nas tomadas, cada um dos buracos possui um potencial, ou seja, são fontes de tensão elétrica. Logo, a corrente elétrica em dispositivos eletrônicos flui do potencial negativo para o positivo, de acordo com o sentido convencional da corrente. Outros exemplos de fontes de tensão são as baterias de todos os tipos, pilhas e geradores.
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Exercícios resolvidos sobre a tensão elétrica
Questão 01
Uma ddp de 16mV é gerada quando uma carga q se move do ponto A, onde a energia potencial elétrica é de 12 J, para o ponto B, cuja energia potencial vale 4 J. Marque a alternativa que representa o valor da carga que foi transportada entre A e B.
a) 80 C
b) 12 J
c) 89 V
d) 500 C
e) 10 A
Resolução
Letra D
Extraindo os dados do problema
-
U = 16 mV = 16·10-3 V
-
EpA = 12 J
-
EpB = 4 J
-
q = ?
A variação da energia potencial elétrica implica que se trata da diferença entre a energia no ponto A e a energia no ponto B:
\(∆E_{pe}=E_{pA}-E_{pB}=\) 12 – 4 = 8 J
\(U=\frac{∆E_{pe}}{q}\)
\(16\cdot{10}^{-3}=\frac{8}{q}\)
Como a incógnita se encontra no denominador, troca-se a posição dela com o valor que está antes da igualdade.
\(q=\frac{8}{16\cdot{10}^{-3}}=0,5\cdot{10}^3=0,5\cdot1000\)
q = 500 C
Questão 02
Para um projeto de ciências, utilizou-se um cabo de aço, e em cada uma de suas extremidades foi ligado um potencial elétrico distinto, UA e UB, sendo que o potencial elétrico de A é maior do que o de B. Quanto a isso, marque a alternativa correta:
a) A corrente elétrica e a tensão elétrica são inversamente proporcionais.
b) Quanto maior o módulo da diferença entre os potenciais dos pontos A e B, maior será o fluxo de elétrons no condutor.
c) As cargas elétricas irão fluir de UA para UB.
d) A experiência é possível devido ao fato ser um tipo de liga metálica, em que os metais são caracterizados por terem seus elétrons fortemente ligados ao núcleo do átomo.
e) O fato de haver um potencial elétrico distinto em cada uma das extremidades do cabo de aço implica que haverá trabalho da força elétrica, porém, não há campo elétrico.
Resolução
Letra B
a) Falsa: quanto maior a tensão, maior a corrente resultante desse aumento — são grandezas diretamente proporcionais.
b) Verdadeira: quanto maior a diferença entre os valores dos potenciais em A e B, maior a tensão e, consequentemente, maior a corrente elétrica.
c) Falsa: as cargas sempre fluem do menor potencial para o maior, logo teriam que ser de A para B.
d) Falsa: nos metais, os elétrons se desprendem facilmente do núcleo do átomo.
e) Falsa: para ocorrer trabalho no deslocamento dos elétrons, é necessária força elétrica. Para ela ocorrer, é obrigatória a presença de campo elétrico.
