Energia elétrica: o que é, quem inventou e unidade de medida

Nesta aula, vamos explorar o conceito de energia elétrica, essencial no cotidiano moderno. Veremos o que é energia elétrica, suas unidades de medida, como ela é gerada e transportada até nossas casas. Além disso, discutiremos suas fontes, sua conversão em outras formas de energia e dicas práticas para o uso consciente. Também faremos uma breve viagem pela história, abordando as figuras importantes que contribuíram para o avanço dessa tecnologia.

O que é energia elétrica?

A energia elétrica é uma forma de energia associada ao movimento de partículas carregadas eletricamente, como os elétrons. Essa energia é gerada quando uma diferença de potencial (ou tensão elétrica) é estabelecida entre dois pontos de um circuito, fazendo com que as cargas elétricas se movimentem.

Ela é essencial para o funcionamento de praticamente todos os dispositivos que usamos no dia a dia, desde lâmpadas e celulares até máquinas industriais. Por ser fácil de transportar e converter em outras formas de energia (como térmica, luminosa ou mecânica), a energia elétrica é uma das fontes de energia mais utilizadas no mundo.

A energia elétrica pode se manifestar de diferentes formas:

Corrente elétrica: é o fluxo ordenado de elétrons em um condutor, como em fios de cobre.
Armazenamento de energia: como em baterias e capacitores, que mantêm energia elétrica acumulada para uso posterior.
Eletrostática: quando cargas elétricas estão em repouso, como no atrito entre materiais que gera eletrização.

Quem inventou a energia elétrica?

Embora a energia elétrica seja um fenômeno natural observado desde a antiguidade (como nos relâmpagos), seu uso prático é fruto do trabalho de muitos cientistas e inventores ao longo da história. Alguns marcos importantes incluem:

Benjamin Franklin: com seus experimentos com raios, mostrou que os relâmpagos são uma forma de eletricidade.
Michael Faraday (1791-1867): descobriu a indução eletromagnética, fundamento para a geração de energia elétrica em usinas elétricas.
Nikola Tesla (1856-1943): desenvolveu o sistema de corrente alternada (CA), usado na distribuição de energia elétrica até hoje.
Thomas Edison (1847-1931): criou a primeira rede de corrente contínua (CC) e contribuiu para a popularização da energia elétrica com invenções como a lâmpada incandescente.

Esses pioneiros permitiram que a energia elétrica fosse gerada, distribuída e utilizada em larga escala, transformando o mundo moderno.

Fontes de energia elétrica

A energia elétrica é gerada a partir de diversas fontes, que podem ser classificadas em fontes renováveis e não renováveis. Essas fontes variam em termos de impacto ambiental, custo, disponibilidade e eficiência. A escolha da fonte está frequentemente relacionada à necessidade de equilíbrio entre sustentabilidade, custos e confiabilidade da geração de energia.

Fontes não renováveis de energia elétrica

As fontes não renováveis são aquelas que dependem de recursos naturais finitos, ou seja, uma vez consumidos, esses recursos não podem ser repostos em escala humana. As principais fontes não renováveis de energia elétrica incluem:

Termelétricas (carvão, petróleo e gás natural)

As termelétricas queimam combustíveis fósseis (carvão, petróleo ou gás natural) para aquecer a água e gerar vapor, que aciona turbinas ligadas a geradores, produzindo eletricidade. Emitem grandes quantidades de gases de efeito estufa (CO₂), contribuindo para o aquecimento global e a poluição do ar.

Usinas termelétricas a carvão

Exemplo: Usinas termelétricas a carvão, como as encontradas em várias partes do mundo, que geram eletricidade de forma eficiente, mas com impacto ambiental significativo.

Nucleares

Usinas nucleares utilizam a fissão de átomos de urânio ou plutônio para gerar calor, que aquece a água e gera vapor. Esse vapor aciona turbinas conectadas a geradores elétricos. Embora não emita CO₂ durante a geração de energia, a energia nuclear gera resíduos radioativos, que precisam ser armazenados por milhares de anos, e possui riscos de acidentes nucleares (como o ocorrido em Chernobyl e Fukushima).

Usinas nucleares como a de Angra

Exemplo: Usinas nucleares como a de Angra, no Brasil.

Fontes renováveis de energia elétrica

As fontes renováveis são aquelas cujos recursos são naturalmente reabastecidos de forma contínua. Elas são geralmente mais sustentáveis e menos poluentes, sendo preferidas em um cenário de crescente demanda por soluções energéticas mais limpas.

Hidrelétricas

A energia das águas é convertida em eletricidade por meio da força da água que passa por turbinas, gerando movimento e acionando geradores. As hidrelétricas podem causar impactos ambientais significativos, como a submersão de grandes áreas para a construção de barragens e alterações no ecossistema local. No entanto, elas são fontes limpas de energia e não emitem poluentes diretamente.

Usina Hidrelétrica de Itaipu

Exemplo: A Usina Hidrelétrica de Itaipu, uma das maiores do mundo, localizada na fronteira entre Brasil e Paraguai.

Solar fotovoltaica

Os painéis solares convertem a luz do sol diretamente em eletricidade por meio de células fotovoltaicas. Quando a luz atinge o painel, ela excita os elétrons, gerando corrente elétrica. A energia solar é limpa e renovável, sem emissões de poluentes ou impactos negativos diretos ao meio ambiente. No entanto, depende da disponibilidade de luz solar, o que pode ser um desafio em regiões com pouco sol ou à noite.

Sistemas fotovoltaicos

Exemplo: Sistemas fotovoltaicos usados em residências, prédios comerciais e até grandes usinas solares no deserto do Atacama, no Chile.

Eólica

As turbinas eólicas convertem a energia cinética do vento em eletricidade. Quando o vento passa pelas lâminas das turbinas, elas giram, acionando um gerador. A energia eólica é limpa e renovável, mas pode impactar a fauna local, como aves e morcegos, e também geram ruído. Além disso, a produção depende da intensidade do vento.

Parques eólicos no interior do Brasil

Exemplo: Parques eólicos no interior do Brasil e em várias partes do mundo, como no mar (offshore).

Biomassa

A biomassa utiliza matéria orgânica (como madeira, resíduos agrícolas e lixo orgânico) para gerar calor, que é convertido em eletricidade por meio de turbinas a vapor, semelhante às termelétricas. Embora considerada renovável, a biomassa pode gerar emissões de CO₂, especialmente quando não é utilizada de maneira sustentável.

Usinas de biomassa

Exemplo: Usinas de biomassa que utilizam resíduos de madeira ou cana-de-açúcar para gerar energia elétrica.

Geotérmica

A energia geotérmica utiliza o calor proveniente do interior da Terra para gerar eletricidade. Esse calor aquece a água subterrânea, transformando-a em vapor, que é então utilizado para mover turbinas geradoras de eletricidade. A energia geotérmica é uma fonte limpa, mas é limitada geograficamente a áreas com atividade tectônica, como vulcões ou gêiseres.

Usinas geotérmicas na Islândia

Exemplo: Usinas geotérmicas na Islândia, que aproveitam a atividade vulcânica para gerar energia.

Como a energia elétrica chega em nossas casas?

O processo que leva a energia das usinas elétricas até nossas casas envolve uma série de etapas complexas, que garantem que a eletricidade gerada seja transportada de maneira eficiente e segura até o ponto de consumo.

Como a energia elétrica chega em nossas casas?

Vamos entender como esse processo funciona:

Geração de energia: O primeiro passo é a geração da energia, que ocorre nas usinas elétricas. A energia pode ser gerada por diferentes fontes, como hidrelétricas, termelétricas, usinas solares, parques eólicos, entre outras. A forma mais comum de geração é por meio de turbinas, acionadas por força mecânica (como a água nas hidrelétricas ou o vapor nas termelétricas) que gira um gerador. Esse gerador converte a energia mecânica em energia elétrica, que é então distribuída para as linhas de transmissão.
Transmissão de alta tensão: Após a geração, a energia elétrica é enviada para a rede de transmissão, que consiste em uma série de linhas de alta tensão (torres e cabos). A razão pela qual a eletricidade é transmitida em alta tensão é que, a altas tensões, a energia elétrica pode ser transportada de forma mais eficiente, com menores perdas de energia. A alta tensão permite que a eletricidade percorra longas distâncias sem muita dissipação de energia. Subestações de transmissão são responsáveis por interligar as diferentes linhas de alta tensão e direcionar a energia para as regiões adequadas.
Subestações de redução de tensão: Quando a energia elétrica se aproxima das áreas residenciais ou comerciais, a tensão da eletricidade precisa ser reduzida. Isso acontece nas subestações, onde transformadores diminuem a tensão da eletricidade de níveis muito altos (como 110 kV ou 220 kV) para níveis mais baixos, adequados para o uso doméstico e industrial, como 110V ou 220V.
Distribuição de energia: A energia, agora com uma tensão mais baixa, é transportada pelas linhas de distribuição. Essas linhas podem ser subterrâneas ou aéreas e conectam as subestações aos transformadores de rua, que são os responsáveis por reduzir ainda mais a tensão, tornando-a adequada para o uso doméstico.
Medidores de energia elétrica: Antes que a eletricidade chegue à sua residência, ela passa pelo medidor de energia elétrica, também conhecido como relógio de luz. Esse dispositivo registra o consumo de energia da sua residência em kilowatt-hora (kWh). O medidor é importante para calcular o valor da conta de energia, pois ele monitora a quantidade de energia utilizada ao longo do mês.
Distribuição dentro de casa: Depois que a energia elétrica passa pelo medidor, ela segue para o painel de distribuição (quadro de disjuntores de energia) dentro da sua casa. O painel distribui a eletricidade para os diferentes circuitos elétricos da casa, como iluminação, eletrodomésticos e equipamentos eletrônicos. O disjuntor de energia serve para interromper o fornecimento de eletricidade em caso de sobrecarga, protegendo sua residência e evitando acidentes.
Consumo final: Agora, a energia chega às suas tomadas, onde pode ser usada para alimentar aparelhos elétricos, luzes e outros dispositivos. A eletricidade, ao ser convertida em outras formas de energia (como luz, calor e movimento), alimenta os equipamentos de sua casa, permitindo o funcionamento de itens essenciais no cotidiano, como lâmpadas, televisores, computadores, geladeiras e ar-condicionados.

Conversão de energia

A conversão de energia é o processo no qual a energia de uma forma é transformada em outra, sem que haja perda de energia total, apenas uma mudança de tipo. No caso da energia elétrica, ela pode ser convertida em diferentes formas de energia, como energia térmica, mecânica, lumínica, química, entre outras.

A Lei da Conservação de Energia afirma que a energia total em um sistema isolado permanece constante, podendo apenas ser transformada de uma forma para outra. Essa transformação ocorre em muitos dispositivos e máquinas do cotidiano.

Tipos de conversão de energia elétrica

Energia Elétrica para Energia Térmica (Calor): Quando a corrente elétrica passa por um resistor, a energia elétrica é convertida em calor. Esse princípio é utilizado em equipamentos como aquecedores elétricos, ferros de passar roupa, torradeiras e chuveiros elétricos. Exemplo: Um resistor em um chuveiro converte a energia elétrica em calor, aquecendo a água.
Energia Elétrica para Energia Mecânica (Movimento): Motores elétricos convertem a energia elétrica em energia mecânica, resultando em movimento. Esse processo é fundamental para o funcionamento de aparelhos como ventiladores, motores de carros elétricos, elevadores e barris de centrifugação. Exemplo: Um ventilador converte energia elétrica em movimento (gerando vento).
Energia Elétrica para Energia Lumínica (Luz): Lâmpadas elétricas convertem energia elétrica em luz. As lâmpadas incandescentes, fluorescentes e de LED operam com base nesse princípio. A maior parte da energia elétrica nas lâmpadas incandescentes é convertida em calor, enquanto nas lâmpadas LED, a conversão é mais eficiente, produzindo mais luz e menos calor. Exemplo: A luz emitida por uma lâmpada LED é uma conversão de energia elétrica para energia luminosa.
Energia Elétrica para Energia Química: Em dispositivos como baterias e acumuladores, a energia elétrica é usada para provocar reações químicas reversíveis. Durante a carga, a energia elétrica é convertida em energia química, e na descarga, ocorre a conversão de volta para energia elétrica. Exemplo: Durante o carregamento de um celular, a energia elétrica converte-se em energia química dentro da bateria.
Energia Elétrica para Energia Sonora: Em alto-falantes, a energia elétrica é convertida em energia sonora. O fluxo de corrente elétrica gera um campo magnético que move uma membrana, produzindo som. Exemplo: O som de um rádio é gerado pela conversão de energia elétrica em energia sonora.

Eficiência na conversão de energia

Em qualquer processo de conversão, a eficiência é uma consideração importante. Nenhuma conversão é 100% eficiente, ou seja, sempre há perdas de energia na forma de calor ou outras formas. Por exemplo, um motor elétrico pode ter perdas devido ao atrito e à resistência elétrica, enquanto uma lâmpada incandescente perde uma grande parte da energia na forma de calor.

A eficiência energética é um parâmetro usado para medir a quantidade de energia útil obtida a partir da energia consumida. Quanto mais eficiente for a conversão, menos energia será desperdiçada.

Unidades de energia (Joule, kilowatt-hora)

A energia elétrica pode ser medida em diferentes unidades, dependendo do contexto em que é usada. As principais unidades são o Joule (J) e o kilowatt-hora (kWh), cada uma com aplicações específicas.

Joule (J)

O Joule é a unidade padrão de energia no Sistema Internacional de Unidades (SI). Ele é definido como a quantidade de energia necessária para realizar o trabalho de mover um objeto por uma distância de 1 metro com uma força de 1 Newton.

Na eletricidade, o Joule está relacionado ao trabalho realizado pela corrente elétrica em um circuito e pode ser calculado por:

Joule (J)

Onde:

E é a energia (em Joules),
P é a potência (em Watts),
t é o tempo (em segundos).

Exemplo prático: Se uma lâmpada de 60W opera por 5 segundos, a energia consumida será:

Joule (J): Exemplo prático

Kilowatt-hora (kWh)

O kilowatt-hora (kWh) é uma unidade prática usada para medir o consumo de energia elétrica em residências, indústrias e comércios. Um kilowatt-hora equivale à energia consumida por um aparelho com potência de 1000 Watts funcionando por 1 hora.

A relação entre o kilowatt-hora e o Joule é a seguinte:

Kilowatt-hora (kWh)

Essa unidade é a mais comum para calcular e registrar o consumo de energia elétrica nas contas de luz. O consumo mensal de uma residência, por exemplo, é geralmente expresso em kWh.

Exemplo prático: Um ar-condicionado de 2000W ligado por 3 horas consome:

Kilowatt-hora (kWh): Exemplo prático

Como economizar energia elétrica?

Aqui estão algumas dicas simples e eficazes para economizar energia em casa:

Troque para lâmpadas de LED: As lâmpadas LED consomem até 80% menos energia do que as lâmpadas incandescentes e têm uma vida útil mais longa.
Desligue aparelhos em stand-by: Muitos aparelhos continuam consumindo energia mesmo quando estão em modo stand-by. Desligue completamente dispositivos como televisores, computadores e micro-ondas quando não estiverem em uso.
Utilize eletrodomésticos de forma eficiente: Use a máquina de lavar roupa e a geladeira de maneira otimizada, evitando deixá-las abertas por longos períodos e utilizando-as apenas quando necessário.
Aproveite a luz natural: Durante o dia, sempre que possível, utilize a luz natural ao invés de acender as lâmpadas. Isso reduz o consumo de energia.
Utilize ventiladores ao invés de ar-condicionado: Os ventiladores consomem muito menos energia que o ar-condicionado, especialmente em dias mais frescos.
Regule a temperatura do ar-condicionado e aquecedores: Ajuste esses aparelhos para uma temperatura confortável, mas não excessiva. Manter a temperatura muito baixa ou muito alta aumenta o consumo de energia.
Descongele o freezer regularmente: O acúmulo de gelo no freezer pode aumentar o consumo de energia. Descongele-o periodicamente para manter sua eficiência.

Adotar essas práticas no cotidiano pode resultar em uma redução significativa no consumo de energia elétrica e, consequentemente, na conta de luz. Além disso, contribui para um uso mais sustentável dos recursos energéticos.