Tensão elétrica: o que é, como calcular e exercícios

Nesta aula, vamos explorar o conceito de tensão elétrica, também conhecida como diferença de potencial, que desempenha um papel fundamental em qualquer circuito elétrico. Discutiremos sua definição, a unidade de medida utilizada (Volt), e como ela se relaciona com a energia elétrica. Além disso, veremos como calculá-la a partir da fórmula básica e analisaremos exemplos práticos que ajudam a entender sua aplicação no dia a dia. Para consolidar o aprendizado, finalizaremos com exercícios resolvidos.

O que é tensão elétrica?

A tensão elétrica, também chamada de diferença de potencial, é uma grandeza física que mede a capacidade de movimentação das cargas elétricas em um circuito. Em termos simples, ela é a “força” que impulsiona os elétrons a se moverem através de um condutor, gerando a corrente elétrica.

Podemos a imaginar como uma diferença de altura em um rio: a água flui naturalmente do ponto mais alto para o mais baixo. De forma similar, as cargas elétricas fluem de um ponto de maior potencial elétrico para um de menor potencial, quando há um caminho condutor disponível.

Essa grandeza é gerada por fontes de energia elétrica, como pilhas, baterias ou tomadas, que criam uma diferença de potencial entre dois terminais. É essa diferença que “empurra” as cargas e permite o funcionamento de dispositivos elétricos, como lâmpadas e eletrodomésticos.

Qual a unidade de medida da tensão elétrica?

A unidade de medida da tensão elétrica no Sistema Internacional (SI) é o Volt (V), em homenagem ao cientista italiano Alessandro Volta, que contribuiu significativamente para o estudo da eletricidade e a invenção da bateria elétrica.

O Volt é definido como a quantidade de energia elétrica necessária para mover uma carga de 1 Coulomb com 1 Joule de energia. Ou seja:

1 Volt = 1 Joule / 1 Coulomb

Na prática, o Volt mede a diferença de potencial entre dois pontos de um circuito elétrico. Por exemplo:

• Quando dizemos que uma lâmpada opera em uma tensão de 110V, significa que cada Coulomb de carga elétrica transferido para a lâmpada recebe 110 Joules de energia.
• Em redes elétricas domésticas, os valores típicos de tensão são 110V ou 220V, dependendo do país e da região.

Além do Volt, outras unidades derivadas são utilizadas em aplicações práticas:

• Milivolt (mV): 1 mV = 0,001 V
• Quilovolt (kV): 1 kV = 1.000 V

Essas variações de unidade são úteis para descrever tensões que vão desde pequenas em circuitos eletrônicos até grandes em linhas de transmissão de energia elétrica.

Como calcular a tensão elétrica?

Seu cálculo é baseado na relação entre a energia elétrica transferida, a carga elétrica e a diferença de potencial entre dois pontos. A fórmula básica é:

Onde:

• V = Tensão elétrica (em Volts, V)
• E = Energia elétrica transferida (em Joules, J)
• Q = Carga elétrica (em Coulombs, C)

Essa equação mostra que a tensão é a energia elétrica necessária para mover uma determinada quantidade de carga elétrica entre dois pontos de um circuito.

Tensão elétrica em circuitos

Na prática, a tensão elétrica também pode ser calculada utilizando a Lei de Ohm, uma relação amplamente usada em circuitos elétricos:

Onde:

• V = Tensão elétrica (em Volts, V)
• I = Corrente elétrica (em Ampères, A)
• R = Resistência elétrica (em Ohms, Ω)

Essa fórmula é útil para determinar a tensão em resistores ou em circuitos simples onde a corrente elétrica e a resistência são conhecidas.

Relação entre tensão e energia elétrica

A tensão elétrica está diretamente relacionada à energia elétrica, pois representa a quantidade de energia necessária para deslocar uma unidade de carga elétrica entre dois pontos. É a diferença de potencial elétrico que “empurra” as cargas ao longo de um circuito, permitindo que a energia elétrica seja transferida e convertida em outros tipos de energia, como calor, luz ou movimento.

Como vimos anteriormente, a relação entre tensão, energia e carga elétrica pode ser expressa pela fórmula:

A relação entre tensão e energia elétrica pode ser interpretada da seguinte forma:

• Maior tensão, mais energia por carga: Se a tensão elétrica em um circuito é alta, cada carga elétrica que se desloca pelo circuito transporta mais energia. Por isso, dispositivos que operam em tensões maiores, como eletrodomésticos de 220V, podem fornecer mais energia do que os de 110V, a mesma carga percorrendo esses dispositivos possui mais energia armazenada.
• Conversão de energia elétrica: A energia transferida pela tensão pode ser convertida em diferentes formas de energia, dependendo do dispositivo:
  • Em uma lâmpada, a energia elétrica é convertida em luz e calor.
  • Em um motor, a energia elétrica é transformada em energia mecânica.
  • Em um aquecedor, é transformada predominantemente em energia térmica.

Relação com circuitos reais

No funcionamento de dispositivos elétricos, a tensão é essencial para determinar quanta energia pode ser fornecida ou consumida em um circuito. Por exemplo:

• Uma bateria de 9V fornece energia suficiente para dispositivos de baixa potência, como lanternas.
• Redes elétricas de 110V ou 220V fornecem energia para eletrodomésticos e aparelhos de maior consumo.

A tensão atua como o “motor” que impulsiona as cargas elétricas, transferindo energia para realizar trabalho útil.

Diferenças entre tensão nominal e tensão real

A tensão nominal e a tensão real referem-se a diferentes aspectos da tensão elétrica em sistemas e dispositivos. Aqui está a diferença entre ambas:

Tensão nominal

A tensão nominal é o valor de tensão para o qual um dispositivo, aparelho ou sistema foi projetado para operar de maneira eficiente e segura. É uma referência teórica e padrão estabelecida pelos fabricantes ou pelas normas técnicas para o funcionamento adequado dos aparelhos ou para a distribuição de energia elétrica em uma região ou país.

Por exemplo, a tensão nominal de uma tomada em muitos países é de 127 V ou 220 V. Isso significa que esses dispositivos e sistemas são projetados para operar com essa tensão em condições ideais, de modo a garantir seu desempenho correto e evitar danos.

Exemplos de tensão nominal:

• Tomadas de energia em residências: 110 V ou 220 V (dependendo da região).
• Baterias: A tensão nominal de uma bateria de 9V ou de um celular pode ser, por exemplo, 3,7 V.

Tensão real

A tensão real é a tensão efetivamente medida em um sistema ou dispositivo em funcionamento. Essa tensão pode variar ligeiramente em relação à tensão nominal devido a diversos fatores, como a resistência do fio, perdas em cabos, distâncias entre fontes e consumidores de energia, entre outros. Em redes de distribuição de energia elétrica, a tensão real pode variar devido a flutuações de carga ou à qualidade do fornecimento.

Por exemplo, uma tomada que deveria fornecer 220 V pode apresentar uma tensão real de 210 V ou 230 V, dependendo da carga no sistema, da distância do ponto de distribuição ou de problemas na rede elétrica.

Exemplos de tensão real:

• Tomadas de energia: Quando medimos a tensão de uma tomada em uma residência, a tensão real pode ser ligeiramente maior ou menor que os 110 V ou 220 V nominalmente especificados.
• Baterias: A tensão real de uma bateria em uso pode ser menor do que sua tensão nominal devido ao desgaste ou à carga.

Tensão elétrica: exercícios resolvidos

Exercício 1: Cálculo da tensão elétrica

Um resistor conduz uma corrente elétrica de 2A e dissipa 20J de energia em 5 segundos. Qual é a tensão elétrica no resistor?

Resolução: A energia elétrica dissipada é dada por:

Sabemos que:

Logo:

Substituímos na fórmula da energia:

A tensão elétrica no resistor é 2V.

Exercício 2: Diferença de potencial em uma carga

Uma carga elétrica de 5C é deslocada entre dois pontos de um circuito. Durante esse deslocamento, 45J de energia são transferidos. Qual é a diferença de potencial (tensão elétrica) entre os pontos?

Resolução: Usamos a fórmula:

Substituímos os valores:

A diferença de potencial é 9V.

Exercício 3: Energia transferida por uma bateria

Uma bateria de 12V transfere 240C de carga para um circuito. Qual é a energia elétrica transferida pela bateria?

Resolução: A energia transferida é dada por:

Substituímos os valores:

A energia elétrica transferida pela bateria é 2880J.

Exercício 4: Relação entre potência, corrente e tensão

Um aparelho elétrico funciona com uma potência de 100W e consome uma corrente de 5A. Qual é a tensão elétrica que o alimenta?

Resolução: Sabemos que a potência elétrica é dada por:

Rearranjamos a fórmula para calcular a tensão:

Substituímos os valores:

A tensão elétrica que alimenta o aparelho é 20V.