O que é a Tensão Elétrica? - Eletricista Florianópolis

Dos principais conceitos do Eletromagnetismo, a ideia de tensão elétrica é provavelmente a mais difícil de explicar e de entender.

Resumindo, a tensão elétrica é uma indicação de quanta energia é envolvida na movimentação de uma carga elétrica entre dois pontos no espaço. Portanto, ela tem uma forte relação com a energia potencial elétrica e, mais ainda, com o campo elétrico. A tensão e o campo elétrico são duas formas diferentes de descrever o mesmo fenômeno físico. Nas aplicações elétricas, um aumento de tensão equivale a um aumento do campo elétrico, que, por sua vez, resulta no aumento da capacidade de armazenamento de energia potencial elétrica no sistema.

De forma a aprofundar a compreensão dessa definição abstrata da tensão, vamos iniciar nossa explicação completa a partir da revisão de alguns conceitos da Física e da análise de um caso básico do Eletromagnetismo.

Trabalho e Energia Potencial

Na situação ilustrada na Figura 1 (placas de grande extensão e com polaridades elétricas opostas), sabemos, pela lei de força de Lorentz, que a força causada pelo campo elétrico $\vec{E}$ sobre a carga $q$ é igual a

$\begin{equation*}\vec{F}_{campo} = q\vec{E}\end{equation*}$ (1)

força do campo elétrico

FIGURA 1: FORÇA CAUSADA SOBRE A CARGA PELO CAMPO ELÉTRICO.

Já na situação da Figura 2, para deslocarmos a carga $q$ do ponto inicial ao ponto final, precisamos realizar um trabalho externo $W_{ext}$ contra a força $\vec{F}_{campo}$ . Considerando o campo elétrico constante e designando a distância percorrida como $\Delta l$ , temos então:

$\begin{equation*}W_{ext} = \vec{F}_{ext} \cdot \Delta \vec{l} = -\vec{F}_{campo} \cdot \Delta \vec{l} = -W_{campo}\end{equation*}$

Força do agente externo

FIGURA 2: FORÇA CAUSADA POR UM AGENTE EXTERNO CONTRA O CAMPO ELÉTRICO.

A variação na energia potencial $\Delta U$ de um sistema é definida como o trabalho feito por um “agente externo” contra o campo ou como o negativo do trabalho feito pela “força do campo”, isto é,

$\begin{equation*}\Delta U = U_{f} \ - \ U_{i} \triangleq W_{ext} = -W_{campo}\end{equation*}$

Sobre a energia potencial e a sua variação $\Delta U$ , é importante ressaltar que:

Não é correto falar em energia potencial de uma única partícula. A teoria mais aceita atualmente considera que a energia potencial está presente nos diferentes campos que existem nas interações dos sistemas físicos (campo gravitacional, campo eletromagnético, etc.) e não nos objetos que compõem estes sistemas. Na Figura 2, nas situações inicial e final, a energia potencial está armazenada nos campos elétricos entre as partículas carregadas (entre a carga $q$ e a placa positiva, entre a carga $q$ e a placa negativa, e entre as placas, cujo caso é o único ilustrado na Figura 2. O campo resultante considerando os três casos pode ser visto nesta simulação do Wolfram).
A relação $\Delta U$ só vale para as forças conservativas, que são aquelas nas quais o trabalho de mover um objeto entre dois pontos é independente do caminho escolhido.

Se o campo elétrico não é constante, o trabalho realizado envolve uma integral. Nesse caso, substituindo as Equações (1) e (2) em (3), temos:

$\begin{equation*}\displaystyle \Delta U = -W_{campo} = \int_{i}^{f} -\vec{F}_{campo} \cdot \text{d}\vec{l} = -q \int_{i}^{f} \vec{E} \cdot \text{d}\vec{l}\end{equation*}$

Definição da Tensão Elétrica

Chegamos à tensão elétrica dividindo a Equação (4) por $q$ :

$\begin{equation*}\displaystyle \Delta V \triangleq \dfrac{\Delta U}{q}\end{equation*}$

ou ainda:

$\begin{equation*}\displaystyle V_{f} \ - \ V_{i} = -\int_{i}^{f} \vec{E} \cdot \text{d}\vec{l}\end{equation*}$

As equações acima nos levam às seguintes conclusões sobre a tensão elétrica:

Ela é uma taxa de variação da energia potencial elétrica por carga;
O sinal negativo na Equação (6) indica que o vetor campo elétrico aponta no sentido da diminuição da tensão; e
Altas tensões correspondem a campos elétricos de grande magnitude.

O que é tensão elétrica

FIGURA 3: VISUALIZAÇÃO DAS EQUAÇÕES 5 E 6

Potencial Elétrico e Diferença de Potencial

Somente as mudanças na energia potencial e na tensão têm um significado físico. Contudo, às vezes é vantajoso utilizarmos, durante a resolução de problemas, uma abstração física chamada potencial elétrico $V$ , que é definido por:

$\displaystyle V = \ - \int_{\infty}^{f} \vec{E} \cdot \text{d}\vec{l}$

Nesse caso, a energia potencial no infinito é feita igual a zero. Dizer que o potencial em um ponto do espaço é igual a $V$ significa que, se uma carga $q$ for movida desde o infinito até o ponto em questão, a energia potencial da carga será igual a $U=qV$ . Se a carga for movida então daquele ponto para outro, é possível demonstrar que a mudança na energia potencial será igual a $\Delta U=q\Delta V$ . Por isso, a tensão elétrica é chamada também de diferença de potencial.

Curvas Equipotenciais

Vimos, especialmente no artigo sobre a carga elétrica, que no espaço ao redor de uma partícula carregada existe um campo elétrico, que é um campo vetorial. Mas há também um campo potencial elétrico, que é um campo escalar. Na Figura 4, podemos ver a presença das linhas de força do campo elétrico (vetores laranjas) e as curvas equipotenciaisdo potencial elétrico (linhas tracejadas azuis) em duas configurações diferentes de cargas.

Curvas Equipotenciais

FIGURA 4: LINHAS DE FORÇA DO CAMPO ELÉTRICO E CURVAS EQUIPOTENCIAIS DO POTENCIAL.

As curvas equipotenciais são as aquelas nas quais o potencial é igual em todos os pontos ( $\Delta V=0$ sobre as curvas). E elas são sempre perpendiculares às linhas de força do campo elétrico.

Unidade de Medida: o volt

No Sistema internacional de medidas (SI), a unidade de medida da tensão é o volt $(\text{V})$ , que tem esse nome em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta (1745-1827). Um volt corresponde a seguinte razão:

$\displaystyle \text{V} = \dfrac{J}{C}$

Já em função das unidades básicas do SI:

$\text{V} = \dfrac{\text{m}^2 \cdot \text{kg}}{\text{s}^{3} \cdot \text{A}}$

A tabela abaixo mostra alguns prefixos de engenharia do SI que são utilizados com a tensão elétrica e também aparições típicas por ordem de grandeza.

Valores de referência de tensão

Adicionalmente, cabe dizer que a maioria das aplicações elétricas que conhecemos tem como princípio operativo a variação de forças magnéticas dentro ou ao redor de bobinas condutoras. Podemos chamá-las de “motores de corrente”. Entretanto, existem também “motores de tensão”. Eles operam a partir das forças-tensões entre partículas carregadas. Os motores microscópicos usados na nanotecnologia de ponta são motores de tensão. Outros exemplos incluem sistemas biológicos como as enzimas mecânicas que constroem as moléculas de ATP.

Outros Conceitos e Terminologias

Já foram explicados os conceitos de tensão elétrica e diferença de potencial, que são sinônimos. Outras terminologias referentes à tensão são a força eletromotriz (fem ou emf, em inglês) e a voltagem.

Força Eletromotriz

A primeira coisa a se dizer sobre a força eletromotriz é que ela não é uma força. Mas a confusão não termina por aí. A força eletromotriz, que também é medida em volts, algumas vezes é utilizada para designar fontes de energia, como baterias ou geradores, em contraponto com a queda de tensão nos elementos passivos ao longo dos circuitos elétricos. Nesse sentido, toda fem é uma tensão elétrica, mas nem toda tensão é uma fem. Em circuitos lineares, a tensão de circuito aberto do equivalente de Thévenin também é chamada às vezes de força eletromotriz.

Voltagem

A voltagem, que provavelmente surgiu a partir da palavra volt, é um termo popular entre os leigos para a tensão elétrica. Mas não é incomum, lamentavelmente, a sua utilização entre alguns professores de Física. A pergunta típica envolvendo a voltagem é: “qual a voltagem deste equipamento?”, que em termos técnicos pode ser traduzida como: “qual a tensão nominal (ou tensão de operação) deste equipamento?”.

Como curiosidade, é interessante citar que em inglês, o termo onipresente há mais de um século é voltage. Por outro lado, o francês utiliza a tension électrique, o espanhol usa a tensión eléctrica, e o alemão, a elektrische Spannung.

Tensão nos Circuitos Elétricos

Como as tensões elétricas estão associadas principalmente aos circuitos elétricos, é de se estranhar que a maioria dos livros não descreva com mais detalhes a relação dos dois. Ou vemos a equação formal (6) nos livros de Física ou as fontes de tensão e quedas de tensãonos livros de Análise de Circuitos.

Quanto a esses dois últimos pontos, podemos resumi-los assim: a fonte de tensão em um circuito elétrico funciona como uma “pressão” que “mantém” o fluxo de cargas (corrente elétrica) através do sistema elétrico. Nos elementos resistivos, o acúmulo de cargas nas suas fronteiras gera uma diferença entre as energia potenciais dos terminais, suficientes para superar as colisões com outras partículas e repulsões com cargas similares, ocasionando uma queda de tensão no elemento (novamente, $\Delta U = q \Delta V$ ).

Podemos representar visualmente a queda de tensão ao longo de um circuito simples como na Figura 5.

Representação da queda de tensão

FIGURA 5: REPRESENTAÇÃO DA QUEDA DE TENSÃO COM REFERENCIAL ZERO NO TERMINAL NEGATIVO DA BATERIA.

A explicação dada acima é insuficiente, contudo, para explicar o funcionamento dos circuitos elétricos em geral. As fontes de tensão mantêm a corrente elétrica, mas nada dizem sobre o direcionamento da corrente, a acumulação das cargas nos elementos ou o fluxo de energia através do circuito. Para entender esses fenômenos, é essencial conhecer a importância das cargas superficiais em qualquer circuito.

Terra dos Circuitos

Assim como escolhemos arbitrariamente o plano da terra ou o nível do mar como o zero do potencial gravitacional, podemos escolher um ponto conveniente para o zero do potencial elétrico dos circuitos. Os engenheiros eletricistas chamam esse ponto de o terrado circuito, pois na maioria das aplicações práticas esse ponto é criado a partir de eletrodos metálicos enterrados à terra.

Nos problemas de Análise de Circuitos, quando representamos a tensão em um nó, por exemplo, por $V_1$ , omitimos o segundo subscrito, que normalmente é a referência a um nó aterrado do circuito.

Fonte e credibilidade: http://www.energiaeletrica.net/tensao-eletrica/