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Analise de
Circuitos em Corrente Continua
Aula03: Potência
- Energia - Efeito Joule
Bibliografia:
Analise de Circuitos em
Corrente Continua - Rômulo O. Albuquerque - Editora Érica
Analise e Simulação de Circuitos no
Computador - MultSIM2001 - Rômulo O. Albuquerque - Editora Érica
1.Conceito de Potência e Energia
Trabalho e energia em física são sinônimos. Toda vez
que um trabalho é realizado uma certa quantidade de energia é
transformada e uma força estará atuando em algum corpo( mesmo que você
não veja!! ). E não se esqueça :
A energia está sempre sendo transformada. O gênio humano está sempre empenhado em construir
dispositivos que possam converter algum tipo de energia em uma energia que nos seja útil. Por exemplo: Aquele banho quentinho que você
toma no inverno só é possível, porque alguém há muito tempo
atrás descobriu como converter algum tipo de energia em energia elétrica,
e depois outra descobriu como converter energia elétrica em calor.
2.Unidades de Trabalho ( Energia )
Como potência e energia (trabalho) são grandezas físicas,
necessitamos de unidades para especifica-las adequadamente.
Joule(J) é a unidade oficial de energia e trabalho , mas existem outras
como a caloria (cal) e o KW.h que são mais usadas na
prática. É claro que existe uma relação entre
elas:
1Cal = 4,18J
e 1KWh = 3,6.106 J
O KWh é a unidade usada para especificar consumo residencial e industrial,
mas
muitas vezes usamos também a caloria.
3.Unidades de Potência
Watt(W) é a unidade oficial, mas existem outras como o H.P, sendo que 1HP =746W
Potência é definida como sendo o trabalho realizado por unidade de tempo ( energia trocada por unidade de tempo ), ou matematicamente:
P = t/t onde t( tau ) é a quantidade de energia que estará sendo trocada( transformada) e que é igual ao trabalho realizado. Istoé :
1W = 1J/s (
inicio )
Obs: Alguns livros costumam usar a letra W para designar trabalho ( work
em inglês ), não usaremos para não confundir com o símbolo da
unidade de potência, o Watt ( W ).
Confuso ? Então vamos a um exemplo:
1) Imagine você
deslocando um saco de açúcar de 5Kg de uma altura de 1m em 1s.Sem
dúvida nenhuma que :
a) Você gastou uma certa quantidade de energia, portanto realizou um TRABALHO
b) Esse trabalho foi
realizado porque você tem potência.
Calculemos então todos os valores de
potência e de energia envolvidos.
De acordo com a física, se um corpo de massa M, se desloca contra a força da gravidade a energia potencial desse corpo sofrerá uma alteração ( aumentará ), e será dada por:
DE = M.g.DH onde DE será a variação da energia = trabalho realizado( em J) e DH a variação de altura(em m), g é uma constante chamada de aceleração da gravidade, sendo que o seu valor depende do ponto em relação ao centro da terra, valendo aproximadamente 9,8m/s2 na superfície. Qual foi mesmo o trabalho que você realizou ?
Como M = 5Kg e DH =1m
então DE = 5.9,8.1 = 49J = t
=
trabalho realizado
como o tempo para realizar esse trabalho foi de 1s , então a
potência desenvolvida por você foi de:
P = 49J/1s = 49J/s = 49W !! (
inicio ) ( Uma lâmpada média tem potência de
60W)
Através de uma regra de três simples você pode saber qual a sua
potencia em HP.
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| Fig01: Realizando um trabalho ( transformando energia ) | |
2) Qual seria a potência
desenvolvida , se o tempo para realizar o mesmo trabalho , fosse
0,5s ?
R: P = 49J / 0,5s = 98J/s ou 98W a sua potência teria
que ser o dobro !!
Quanto maior a potência maior o trabalho que pode ser realizado.
Podemos pensar às avessas, isto é , matematicamente:
t = P.t
, sendo P em W, t em
segundos, t em
Joules
Como o Joule é muito pequeno, na prática especificamos o consumo de
energia em KWh, isto é, na expressão acima P em
KW, t em horas(h), t
será especificado em KWh
agora você já sabe porque a sua mãe se irrita quando você fica demorando muito tempo (t) em baixo do chuveiro , que é o dispositivo que vai realizar o trabalho( consumir energia elétrica, convertendo-a em calor ), pois tem uma potência (P).
3) Qual a quantidade de energia consumida num banho de 30min. se o chuveiro tem uma potencia de 5000W (5KW)?
R: Dos dados temos P = 5000W = 5000J/s=5KW isto é esse chuveiro consome 5000J de energia a cada segundo, logo em 30min consumirá: t=P.t = 5000W.1800s = 90.105 J = 9.000.000 J, como você vê é um número muito grande e nada prático por isso , quando se trata de consumo alto a unidade usada é o KWh e portanto no exemplo
t=P.t = 5KW.0,5h = 2,5KWh ( inicio )
Os elétrons da corrente elétrica ao se
deslocarem pelo interior do condutor se chocam contra os átomos
do mesmo aumentando a sua agitação térmica ( temperatura ). A esse fenômeno
da eletricidade chamamos de efeito Joule.
Portanto o efeito Joule consiste na transformação da energia elétrica
em Calor . Um resistor é um dispositivo que transforma toda
a energia elétrica que recebe em calor . Dizemos que ele dissipa
toda a energia elétrica em calor, portanto ele aquece. Se as suas
dimensões não estão de acordo coma a potência que ele pode
dissipar então ele "queimará". Os resistores são construídos
de tamanhos diferentes para dissipar potências também diferentes, quanto
maior o seu tamanho físico maior a sua capacidade em dissipar calor. Como
podemos calcular a potência que um resistor está dissipando?
Em
primeiro lugar devemos dizer que para qualquer dispositivo da
eletricidade ( eletrônica ), a sua potência elétrica é dada por
:
P = U.I (1)
onde U é a tensão aplicada nos
terminais do dispositivo em voltas (V) I é a
intensidade da corrente que está percorrendo o dispositivo em amperes (A)
e P será a potência elétrica do dispositivo. Cabe aqui uma
observação importante.
Se o dispositivo é receptor P=U.I é potência elétrica consumida, se o dispositivo é um gerador então P=U.I é a potência elétrica fornecida. ( inicio )
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| Fig02: convenção de polaridades para bipolos receptor e gerador | |
Bipolo Receptor
Bipolo Gerador
Para um resistor sabemos que a relação entre
tensão ( U ), corrente ( I ) e resistência ( R ) é dada pela lei de Ohm, U = R.I , logo se substituirmos na expressão da potência (1) resulta:
P = U.I = (R.I).I = R.I2 P = R.I2 (2)
ou se substituímos I =U/R na mesma
expressão resultará:
P = U.I = U.(U/R) = U2/R
P=U2/R (3)
Qualquer uma dessas três expressões cima permite o
cálculo da potência dissipada em um resistor.
(
inicio )
1) Qual a potência elétrica que o gerador está fornecendo para o circuito ? Qual a quantidade de energia elétrica consumida pelo circuito em 30min. ? E em 2h ?
|
Solução:
|
logo, P = 12V.1,2A = 14,4W = 14,4J/s ( Joules por segundo
), observe que o circuito é só o resistor de 10W
logo a potência eletrica do resistor que é igual à potência
dissipada é 14,4W.
A energia que o circuito ( resistor ) consumirá em
30min ( 1800s) será :
t =
P.t = 14,4W.1800s =
25920J ou se a potência
estiver expressa em W e o tempo em horas o resultado será W.h
t = 14,4W.0,5h =7,2W.h
Em
2h o consumo será : t
= 14,4W.2h =28,8W.h
2) Um chuveiro tem as especificações 4000W/220V. Qual o consumo de energia de um banho de 15min ? Qual o valor da resistência do chuveiro ?
Solução:
Como
a potência do chuveiro é 4000W = 4KW e o tempo é 15min= 1/4h,
então o consumo em KW.h será:
t
= P.t = 4KW.1/4h = 1KW.h ( consulte a conta de luz de sua casa para
ter uma idéia de quanto custa 1KWh de energia ).
A resistência
de um condutor está relacionada com a potência e com a tensão por : P=U2/R
logo,
R =U2/
P
ou R = 2202 /4000 = 12, 1W
6. Exercicios
Propostos (
inicio )
1) A unidade de energia é:
a) KWh
b) KW por hora c)
Watt d)
Ohm
2) A unidade de potência em eletricidade é:
a) Joule
b) KWh
c) Watt d)
Ohms
3) Um motor ligado em uma tensão de 100V consome 10A. A sua
potência elétrica será:
a) 100W b) 10W
c)
1000W d)
1000KWh
4) Uma lâmpada tem as especificações 120W/120V. A corrente que ela consome é:
a) 2A
b) 12A
c) 1A d) 1Joule
7. Experiência02 (
EWB5.12
MultiSIM2001
)
1) Abra o arquivo EXpCC02a e
identifique o circuito da figura3. Para cada posição da chave calcule o
valor da corrente que é consumida por cada lâmpada ( L1 e L2 ). Anote na
tabela I.
Ative o circuito, e para cada posição da chave anote o valor da corrente
medida consumida pela lâmpada na tabela I. Observe a potência das
lâmpadas.
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| Fig03: Circuito 1 para experiência2 - Potência elétrica |
Tabela I
| Valor Calculado de I | Valor Medido de I | ||
| Posição A | Posição B | Posição A | Posição B |
8. Conclusões:
( inicio )
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