Potencial elétrico e eletrodinâmica - O movimento da carga elétrica

Atualizado em 15/02/2016, às 8h51.

Podemos entender mais facilmente a ideia de como o potencial elétrico se transforma em energia elétrica a partir de um exemplo que utiliza os similares mecânicos dessas grandezas.

Nas usinas hidrelétricas, as águas do lago, enquanto em repouso, possuem energia potencial gravitacional, que é diretamente proporcional às massas disponíveis. Quando escoadas através do vertedouro, essa energia potencial se transforma em energia cinética, que pode ser transferida para as turbinas na forma de energia mecânica.

De modo semelhante, o potencial elétrico de um ponto está associado às interações capazes de colocar uma carga elétrica em movimento, que é o que mais nos interessa quanto a esta propriedade.

Para medir o potencial elétrico

O potencial elétrico de um ponto é medido a partir da quantidade de energia potencial adquirida por uma carga elétrica de prova, colocada sob a ação do campo elétrico testado.

O resultado, medido em Volts [V], é definido pela equação:

Onde:

V = potencial elétrico (V);
Ep = Energia potencial (J);
q = carga de prova (C).

Movimento das cargas elétricas

Prosseguindo na analogia entre grandezas elétricas e mecânicas, sabemos que as águas do lago fluem espontaneamente de um ponto mais alto para outro mais baixo, ou seja, de um ponto de maior potencial gravitacional para outro de menor, transformando energia potencial em cinética nesse processo.

Da mesma forma o fluxo de cargas elétricas também é causada por uma diferença de potencial, só que no caso, uma diferença de potencial elétrico, também chamada tensão elétrica.

O movimento das cargas elétricas ocorre quando existe uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos, seguindo as cargas do pólo negativo para o pólo positivo. Esta diferença de potencial elétrico é o que cotidianamente chamamos de voltagem, por ser medida em Volts.

Corrente elétrica

Quando esta diferença de potencial é aplicada sobre um fio condutor metálico, os elétrons livres que se movem de modo caótico entre as moléculas do metal passam a se mover de modo ordenado, na direção do pólo positivo. Esta movimentação ordenada de cargas elétricas ao longo de um condutor é o que chamamos de corrente elétrica.

A corrente elétrica é medida em ampères [A], sendo que um ampère representa um fluxo de cargas de 1 coulomb por segundo ao longo do condutor.

A corrente elétrica é um deslocamento orientado de elétrons por um condutor. Esse deslocamento nunca será totalmente livre, uma vez que as características físicas dos condutores definirão uma propriedade conhecida como resistência elétrica, cuja unidade de medida é o ohm, frequentemente representado pela letra grega ômega [].

Material e geometria

A resistência elétrica é definida pelo material de que o condutor é feito e pela geometria do condutor, sendo tanto menor quanto maior a área da secção transversal e tanto maior quanto maior o comprimento do condutor.

Mais uma vez podemos recorrer à comparação com um fluxo de água, cuja resistência ao passar por um tubo diminuirá à medida que o diâmetro do tubo aumentar.

As três grandezas que vimos até aqui - diferença de potencial elétrico, corrente elétrica e resistência elétrica - definem uma das equações fundamentais da eletricidade, a lei de Ohm, descrita pelo enunciado abaixo:

Onde:

U = Diferença de potencial elétrico (medido em Volts [V]);
R = Resistência elétrica do condutor (medida Ohms [];
I = Corrente Elétrica (medida em Ampéres [A]).

A diferença de potencial, chamada de tensão ou voltagem, pode ser representada também pela letra V.

Circuito simples

A figura abaixo mostra um circuito elétrico simples, em que uma corrente elétrica I, produzida por uma diferença de potencial V, circula por um condutor e passa pela resistência R.

O coração do circuito elétrico é o gerador. Geradores fornecem a força eletromotriz que coloca os elétrons em movimento orientado, formando a corrente elétrica.

Como vimos anteriormente, essa força eletromotriz se manifesta na forma de uma diferença de potencial, que fará com que a corrente se desloque do ponto de maior para o de menor potencial elétrico.

Eletromagnetismo

Os geradores são aplicações práticas dos princípios do eletromagnetismo. Basicamente, um gerador elétrico é constituído de um enrolamento de fio condutor e de um imã. A diferença de potencial é gerada pelo movimentação dos pólos norte e sul do campo magnético em relação ao enrolamento, conforme a figura que segue:

Estruturalmente, não existe diferença entre motores e geradores elétricos. Podemos dizer que um gerador elétrico é um motor elétrico invertido e vice-versa.

No gerador, fornecemos movimento às partes móveis para que a rotação do enrolamento elétrico entre os pólos magnéticos produza uma diferença de potencial e uma corrente elétrica.

No motor elétrico, formado pelos mesmos componentes, fornecemos uma diferença de potencial e uma corrente, obtendo como resultado o movimento fornecido pelo motor.