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Energia e transferência de energia

Trabalho: Realiza-se trabalho quando algo é movido contra uma força resistiva. Por exemplo, realizamos trabalho quando um peso é levantado contra a atração da gravidade (figura 1), ou quando empurramos um engradado a uma determinada distância (figura 2).

Figura - Halterofilista realiza trabalho enquanto ergue o peso.

Figura - Realização de trabalho ao deslocar a caixa.

O trabalho realizado é obtido através do produto da força aplicada pela distância através da qual a força se move, isto é:

Trabalho = força x distância

A unidade de trabalho no sistema internacional de medidas (SI) é o joule usualmente abreviado por J. O joule representa o trabalho realizado quando uma força de um newton age através de uma distância de um metro (1 J = 1 N.m).

Energia: Energia é a capacidade de realizar trabalho; o trabalho também pode ser visto como uma transferência de energia. A energia mecânica é medida nas mesmas unidades que o trabalho. Por exemplo, quando um peso é levantado, o corpo humano ou o dispositivo de içamento que o moveu despende energia. O peso, por outro lado, adquire energia potencial, em virtude de haver sido elevado acima do chão. Essa energia potencial armazenada no peso levando pode ser utilizada, por exemplo, para levantar outro peso através de um sistema de polias ou pode ser deixado cair como em um bate-estaca transferindo a sua energia para a estaca no momento do impacto.

Figura - Transferência de energia através de polias.

Figura - Transferência de energia em um bate-estaca.

Um princípio geral aplicável a todos o sistemas físicos é o princípio da conservação de energia, o qual estabelece que a energia não é criada nem destruída, apenas muda de forma. A energia pode ser transformada em calor, em luz ou em som; ela pode ser energia mecânica de posição ou de movimento, pode ser armazenada numa bateria ou em uma mola; mas não pode ser criada nem destruída.

Potência: Para propósitos práticos, existe muito interesse na velocidade de realização de trabalho ou liberação de energia. Esta velocidade é chamada potência. No sistema internacional de medidas, a potência é medida em watts (abreviatura W), sendo um watt igual a um joule por segundo. Então, a partir da definição de potência, se W é o trabalho realizado ou a energia dissipada ou liberada no tempo t, a potência média neste período é:

Devida à íntima relação entre potência e energia, encontramos freqüentemente a energia expressa em tais unidades como watt-segundo (W.s) ou quilowatt-horas (kWh)(1kWh=1000 x 3600)

Carga Elétrica

A grandeza elétrica mais elementar é a carga elétrica. Um dos primeiros fatos ao estudarmos os efeitos das cargas elétricas é que estas cargas são de dois tipos diferentes. Estes tipos são arbitrariamente chamados positivo (+)e negativo (-). O elétron, por exemplo, é uma partícula carregada negativamente. Um corpo descarregado possui o mesmo número de cargas positivas e negativas. Um corpo está carregado positivamente quando existe uma deficiência de elétrons e uma carga negativa significa um excesso de elétrons.

A carga elétrica é representada pela letra Q e medida em Coulombs (abreviado C).

A carga de um elétron é –1,6 x 10-19 C, ou seja, um Coulomb equivale à carga aproximada de 6,25 x 1018 elétrons.

Um dos efeitos mais significativos de uma carga elétrica é que ela pode produzir uma força. Especificamente, uma carga repelirá outras cargas de mesmo sinal e atrairá cargas de sinal contrário como apresenta a figura 5. Deve-se notar que a força de atração ou de repulsão é sentida de modo igual pelos dois corpos ou partículas carregados.

Figura - Força entre cargas.

Campo Elétrico

Existe uma região de influência em torno de uma carga elétrica tal que uma força tornar-se-á tanto menor quanto mais afastada estiver a carga. Uma região de influência como está é chamada Campo. O campo estabelecido pela presença de cargas elétricas é chamado de Campo Elétrico e quando as cargas elétricas estão em repouso esse campo será chamado de Campo Eletrostático.

O campo elétrico pode ser representado por linhas de campo radias orientadas e a sua unidade é o newton/coulomb [N/C]. Se a carga for positiva, o campo é divergente, isto é, as linhas de campo saem da carga e se a carga for negativa, o campo é convergente, isto é, as linhas de campo chegam à carga conforme mostra a figura 6.

Figura - Linhas de campo.

Quando duas cargas de sinais contrários estão próximas, as linhas de campos convergem da carga positiva para a carga negativa conforme a figura 7. Em cargas próximas de mesmo sinal as linhas de campo se repelem, figuras 8 e 9.

Figura - Linhas de campo entre cargas de sinais contrários.

Figura - Linhas de campo entre cargas positivas.

Figura - Linhas de campo entra cargas negativas.

Quando duas placas paralelas são eletrizadas com cargas de sinais contrários, surge entre elas um campo elétrico uniforme, caracterizado por linhas de campo paralelas.

Figura - Linhas de campo entre duas placas paralelas eletrizadas com cargas contrárias.

A expressão matemática do campo elétrico é dada por:

onde: K = constante dielétrica = 9x109 N.m2 / C2 (no vácuo e no ar)

Q = módulo da carga elétrica, em Coulomb [C]

d = distância, em metro [m]

Força Elétrica

Um carga Q colocada em um campo elétrico uniforme, ficará sujeita a uma força , cuja unidade de medida é newton [N] e cujo módulo é:

F = QE

onde: Q = módulo da carga elétrica, em Coulomb [C]

E = módulo do campo elétrico, em Newton/Coulomb [N/C]

A amplitude da força entre duas partículas carregadas é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Isto é, a força F entre duas partículas carregadas com cargas Q1 e Q2 é dada por:

onde d é a distância entre as cargas e k é uma constante que depende das unidades usadas e do meio que envolve as cargas. Esta equação é conhecida como Lei de Coulomb ou Lei do Inverso do Quadrado

Figura - Força entre cargas de sinais contrários.

Figura - Força entre cargas de sinais opostos.

Potencial Elétrico

Dizer que uma carga elétrica fica sujeita a uma força quando esta numa região submetida a um campo elétrico, significa dizer que, em cada ponto dessa região existe um potencial para a realização de trabalho. O potencial elétrico (V) é expresso em volts e é dado pela expressão:

O potencial elétrico é uma grandeza escalar, podendo ser positivo ou negativo, dependendo do sinal da caga elétrica. Pela expressão acima, podemos verificar que o potencial em uma superfície onde todos os pontos estão a uma mesma distância da carga geradora, possui sempre o mesmo valor. Essas superfícies são denominadas de superfícies equipotenciais.

Figura - Superfícies equipotenciais.

Diferença de Potencial - ddp

Seja uma região submetida a um campo elétrico E criado por uma carga Q positiva conforme mostra a figura 14. Colocando um elétron –q no ponto A, situado a uma distância dAda carga Q, ele se movimentará no sentido contrário do campo, devido à força F que surge no elétron, indo em direção ao ponto B, situado a uma distância dBda carga Q.

Figura - Carga -q colocada no ponto A de uma região submetida a um campo E.

Como dA > dB, o potencial do ponto A é menor que o do ponto B, uma vez que o potencial é dado pela expressão . Assim podemos escrever que VA < VB.

Figura - Potencial no ponto A é menor que no ponto B.

Conclui-se, então, que uma carga negativa move-se do potencial menor para o maior. Se uma carga positiva +q fosse colocada no ponto B, ela se movimentaria na mesma direção do campo elétrico, indo do potencial maior para o menor.

Figura - Carga +q colocada no ponto B de uma região submetida a um campo E.

Assim, para que uma carga se movimente, isto é, para que haja condução de eletricidade, é necessário que ela esteja submetida a uma diferença de potencial ou ddp.

Agora já estamos em condições de relacionar trabalho e transferência de energia com forças elétricas. Suponha que movamos uma partícula carregada positivamente em sentido contrário ao de um campo elétrico no qual esteja mergulhada, isto é, contra a força exercida sobre elas por outras cargas elétricas. Se por exemplo, o campo fosse devido à presença de uma carga negativa próxima, afastaríamos a carga positiva dela. Com isto, ao mover-se a carga contra forças que atuam sobre ela, seria realizado um trabalho equivalente ao levantar-se um peso no campo gravitacional terrestre. Além disso, seria aplicável a lei da conservação da energia; isto é, a partícula estaria agora em uma posição potencial mais elevada, do mesmo modo que um peso levantado possui maior energia potencial. Já estamos familiarizados com os dispositivos para realização de trabalho útil através de pesos que passam a posições de potencial mais baixo no campo gravitacional da terra. Talvez o dispositivo que melhor exemplifique este estudo seja uma roda hidráulica obtendo trabalho a partir de uma queda d’água. De um modo mais ou menos análogo, podemos obter trabalho de um fluxo de cargas que se movam sob a influência de forças elétrica para uma posição de potencial mais baixo.

Figura - Roda hidráulica.

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