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Potência e Energia - Teoria

Teremos uma aula com dois exercícios, além as definições de Potência e Energia Elétrica, para você reforçar ainda mais esses conceitos.

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  • play_arrowCapacitância e Capacitores - Teoria

    lockCorrente e Resistência - Teoria

    lockPotência e Energia - Teoria

    lockLeis de Kirchhoff - Teoria

    lockCircuitos RC - Teoria

    lockExercícios de circuitos elétricos - Exercícios

    lockResumo - circuitos elétricos - Resumo

  • E aí, pessoal, tudo bem? Eu sou o Vitor, e eu vou ensinar pra vocês Física 3.
    O tema da nossa aula de hoje é potência e energia. Os nossos pré-requisitos são potencial elétrico, corrente e resistência elétrica.
    E hoje nós vamos aprender energia elétrica, entender um pouco o que é potência elétrica e fazer alguns exercícios para finalizar a aula. Então, entrando em energia elétrica, um circuito precisa de energia para que a corrente flua pelos seus componentes, e a energia do circuito é fornecida por uma fonte de força eletromotriz, que produz a nossa diferença de potencial.
    Então, a energia que é produzida na fonte é transferida para os componentes do sistema. E como isso acontece?
    Então, as cargas de um circuito são aceleradas por uma diferença de potencial delta "V" da fonte. Se nós lembrarmos do tema 1 na aula 5, nós estudamos energia potencial elétrica, que é definida com a letra delta "U".
    Então, energia potencial elétrica, que é o delta "U", é igual à carga vezes a diferença de potencial. Vamos olhar nosso circuito.
    O circuito tem uma corrente que flui nessa direção. Agora, vamos imaginar o elétron.
    O elétron tem a direção contrária à corrente. Então, o elétron vai ser acelerado por uma fonte.
    Então, o elétron, como vem na direção contrária, ele desceria aqui, ganharia energia sendo acelerado pela fonte, atravessaria o resistor, e perderia energia no resistor através da formação de calor no resistor. Aí, esse elétron, com a energia gasta pelo resistor, chegaria até a fonte novamente e ganharia mais um pouco de energia, e essa energia seria gasta pelo resistor, e esse elétron ia ficar circulando nesse circuito.
    Só que nós sabemos que a corrente é no sentido contrário ao movimento dos elétrons. Só que eu disse aqui que o resistor gera calor.
    Como nós podemos observar isso no dia-a-dia? Se nós olharmos o chuveiro de casa, ele tem uma resistência.
    A gente sabe que o chuveiro funciona com uma resistência elétrica. Então, a resistência do chuveiro Quando passa uma corrente por essa resistência, a resistência esquenta, gera calor, e esse calor serve para aquecer a água que cai do chuveiro.
    Então, vamos calcular aqui a taxa de perda de energia no resistor, para saber como acontece esse balanço de energia. Então, aqui a gente tem uma fonte delta "V", com um terminal positivo e negativo, a corrente que flui no sistema e atravessa o resistor que libera calor.
    Lembrando a expressão, energia potencial elétrica é igual à carga vezes a diferença de potencial. A taxa de perda de energia é a derivada da energia em relação ao tempo.
    Como a diferença de potencial na fonte não muda, é constante, ela sai dessa derivada, e aí, nós temos que a derivada da energia potencial em função do tempo é igual à diferença de potencial vezes a derivada da carga em função do tempo. Só que, se nós lembrarmos da aula sobre corrente elétrica, dq/dt é a corrente elétrica.
    Então, se nós pegarmos a expressão anterior, a derivada da energia em relação ao tempo é igual à corrente vezes a diferença de potencial. Então, a energia do sistema está relacionada a isso.
    Só que um delta "U" dividido por um delta "t", ou energia dividida por tempo, a gente chama de potência. Então, a gente chega à relação de que a potência do sistema é igual à corrente que flui no sistema vezes a diferença de potencial do componente que nós estivermos analisando.
    A unidade de potência é watt. Então, a potência no resistor está relacionada à diferença de potencial e à corrente que passa nesse resistor.
    Já a energia elétrica é potência vezes o tempo, e a unidade de energia elétrica é em joule. Se nós olharmos nossa conta de eletricidade, a energia elétrica que é consumida em casa é dada por uma unidade chamada kilowatt hora.
    O que quer dizer isso aqui? Quer dizer que eu tenho 1000 watts em uma hora, que representa 3600 segundos.
    Então, 1 kilowatt hora representa 3,6 vezes 10^6 joule. Agora que nós conhecemos o que é uma potência elétrica, vamos conhecer qual é a potência elétrica do resistor.
    Então, a fonte de força eletromotriz, a nossa fonte do sistema, com diferença de potencial delta "V", acelera elétrons, que vão se movimentar em forma de corrente e atravessarão um resistor. Tem a corrente, que atravessa o resistor, e a diferença de potencial a que esse resistor está submetido, que é a mesma diferença de potencial da fonte nesse exemplo.
    Então, lembrando a expressão, potência é igual à corrente vezes a diferença de potencial. E a potência no resistor depende da diferença de potencial no resistor.
    A diferença de potencial no resistor, se nós lembrarmos da Lei de Ohm, é delta "V" igual a R.I.
    Ou a gente pode isolar a corrente do resistor. Então, corrente é igual a delta "V" dividido por "R".
    E aí, nós pegamos essa expressão aqui e colocamos na diferença de potencial. Aí, nós obtemos o seguinte Que a potência do resistor é igual à corrente vezes "R" vezes "I".
    Agrupando os termos aqui, nós temos que a potência no resistor pode ser escrita como a corrente no resistor ao quadrado vezes a resistência. Só que, se nós pegarmos a parte da corrente, nós conseguimos escrever, para o resistor, a corrente de outra forma, como delta "V" dividido por "R".
    Então, vamos pegar essa expressão e colocar dentro dessa conta aqui. Então, a potência no resistor, que é a corrente ao quadrado vezes a resistência vira a diferença de potencial ao quadrado dividida pela resistência ao quadrado vezes a resistência.
    Cortando a resistência com a resistência, vai sobrar que a potência no resistor é igual à diferença de potencial nesse resistor elevado ao quadrado dividido pela resistência do resistor. Pessoal, para chegar ao final da nossa aula, vamos fazer alguns exercícios de fixação.
    O primeiro exercício é o seguinte Encontre a corrente e a resistência em uma lâmpada de 120 volts com 150 watts de potência. Então, vamos olhar o nosso circuito.
    Nós temos uma lâmpada, que tem uma resistência interna que nós não conhecemos, e essa lâmpada gera luz e calor. Então, ela perde energia gerando luz e calor.
    Se nós ligarmos essa lâmpada a um sistema com uma fonte de 120 volts, uma fonte com um terminal positivo e um terminal negativo, a corrente vai fluir no sistema, alimentar essa resistência, que vai gerar luz para a gente. Vamos lembrar da expressão da potência elétrica.
    A potência é igual à corrente vezes a diferença de potencial. Se nós isolarmos a corrente, ela é igual à potência dividida pela diferença de potencial.
    Então, a corrente que passa na lâmpada vai ser a potência de 150 watts dividida por 120 volts. A resposta dessa conta é igual a 1,25 ampères.
    Agora, para determinar a diferença de potencial Na verdade, para determinar a resistência da fonte, a gente tem que se lembrar da Lei de Ohm. Delta "V" é igual a "R" vezes "I".
    Então, a resistência é igual a delta "V" dividido por "I", e nós dividimos, então para achar a resistência da fonte, a diferença de potencial da fonte, que são 120 volts, pela corrente que atravessa a lâmpada. Então, nós temos 120 dividido por 1,25, que é igual a 96 ohm.
    E agora, nós chegamos ao segundo exercício, que é um pouco mais complexo. Então, eu vou ler o enunciado com vocês.
    Depois de uma queda de energia Então, quando cai a força em casa. Quando a eletricidade volta, geralmente ocorre um pico de tensão.
    Então, a eletricidade volta com um pico, uma tensão um pouco mais alta do que a normal. Vamos supor que a tensão suba em um instante Ou seja, em um intervalo de tempo muito pequeno.
    De 110 volts para 140 volts. Aí, a nossa pergunta é a seguinte Quanto vai aumentar a potência de uma lâmpada de 110 volts e 75 watts?
    Vamos assumir que a resistência não se altera. Então, quanto a potência vai subir?
    Vamos nos lembrar da expressão de potência. Potência, para um elemento que tem resistência, é igual a "R" vezes I².
    Então, aqui está o nosso circuito, a nossa lâmpada com uma resistência "R" em um circuito alimentado por 110 volts, com uma corrente A diferença de potencial da nossa lâmpada é igual à resistência da lâmpada vezes a corrente. Se nós isolarmos aqui, a corrente é igual à diferença de potencial dividida pela resistência.
    Vamos voltar para a expressão da potência. Potência, nós lembramos, é igual à diferença de potencial vezes a corrente, ou a potência e a diferença de potencial ao quadrado divididida pela resistência.
    Então, essa é uma das expressões de potência para resistores. Usando essa expressão aqui, nós chegamos ao seguinte A potência do pico é igual à diferença de potencial do pico de tensão, ou seja, o delta "V" do pico, elevado ao quadrado, dividido pela resistência da lâmpada, que não se altera.
    Os únicos dados que foram fornecidos foram a diferença de potencial e a potência da lâmpada. Então, se nós fizermos uma manipulação da seguinte forma.
    A potência do pico dividida pela potência normal da lâmpada ...

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