Artigo sobre energia potencial elétrica
Antes de estudar este tópico, é preciso compreender o trabalho, as forças conservativas, a relação entre as forças conservativas e a energia potencial , as forças elétricas e o campo elétrico.
A força elétrica é uma força conservativa.
Além da força gravitacional e da força elástica, outro exemplo de força conservativa é a força elétrica. Para entender melhor por que a força elétrica é chamada de força conservativa, veja a explicação a seguir.
Suponha que existam duas placas eletricamente carregadas, como mostrado na figura. A placa da esquerda está carregada positivamente e a placa da direita está carregada negativamente. A seta entre as duas placas representa as linhas do campo elétrico que saem da carga positiva em direção à carga negativa. Uma carga positiva está próxima de uma placa eletricamente carregada positivamente.
A presença do campo elétrico faz com que a carga positiva sofra uma força elétrica na direção do campo elétrico, acelerando-a para a direita em direção à placa carregada negativamente. A força elétrica atua para a direita, na direção do movimento da carga, de modo que realiza um trabalho positivo sobre a carga. Matematicamente, o trabalho realizado pela força elétrica sobre a carga positiva é dado por W = F d = q E d, onde W = trabalho, F = força elétrica, d = distância entre as duas placas, q = carga positiva e E = campo elétrico.
Após se aproximar da placa carregada negativamente, para que a carga positiva retorne à sua posição original próxima à placa carregada negativamente, é necessária uma força externa. Quando a carga positiva é movida para a esquerda em direção à placa carregada positivamente, a força elétrica permanece direcionada para a direita, de modo que realiza um trabalho negativo sobre a carga. Matematicamente, o trabalho realizado pela força elétrica sobre a carga positiva é W = – F d = – q E d.
O trabalho total realizado pela força elétrica sobre a carga positiva, quando a carga se move para a direita e depois para a esquerda até sua posição original, é W = qE d – qE d = 0. Se o trabalho resultante da força sobre o objeto, quando o objeto se afasta de sua posição original e depois retorna a ela, for igual a zero, então a força é conservativa. Com base na explicação acima, pode-se concluir que a força elétrica é conservativa.
Força elétrica e energia potencial elétrica
O trabalho realizado por forças conservativas está relacionado a mudanças na energia potencial. Por exemplo, o trabalho realizado pela força gravitacional sobre um objeto com massa altera a energia potencial gravitacional desse objeto. Da mesma forma, o trabalho realizado pela força elétrica sobre uma carga elétrica altera a energia potencial elétrica da carga.
A carga positiva no campo elétrico homogêneo
As duas imagens abaixo ilustram exemplos de trabalho realizado por forças conservativas que causam mudanças na energia potencial. A explicação do trabalho realizado pela força da gravidade e as mudanças na energia potencial gravitacional são usadas como comparação.
Para facilitar a compreensão do trabalho realizado pela força elétrica e das mudanças na energia potencial elétrica.
A imagem à esquerda mostra um objeto caindo livremente em direção à superfície do solo. No ponto mais alto, o objeto possui energia potencial gravitacional máxima. Ao descer, a força gravitacional atua sobre o objeto. A direção da força gravitacional coincide com a direção do movimento descendente do objeto, de modo que a força gravitacional realiza trabalho positivo. Ao ser acelerado para baixo, a altura do objeto diminui, fazendo com que sua energia potencial gravitacional também diminua. Ao atingir o solo, a energia potencial gravitacional é mínima. Conclui-se que o trabalho positivo realizado pela força gravitacional sobre o objeto reduz sua energia potencial gravitacional. A energia potencial gravitacional não se perde, mas se transforma em energia cinética, o que é indicado pelo aumento da velocidade do objeto durante a queda.
A figura à direita mostra a carga positiva próxima à placa carregada positivamente. Quando próxima a uma placa carregada positivamente, a energia potencial elétrica atinge seu valor máximo. A presença de um campo elétrico entre as duas placas faz com que a carga seja acelerada pela força elétrica da placa carregada positivamente em direção à placa carregada negativamente. Quando a carga se move para a direita, a força elétrica também atua na direção do deslocamento da carga para a direita, de modo que a força elétrica realiza trabalho positivo. Durante o movimento para a direita, a energia cinética da carga aumenta enquanto a energia potencial elétrica diminui.
Ao se aproximar da placa com carga negativa, a energia potencial elétrica atinge seu valor mínimo. Conclui-se que o trabalho positivo realizado pela força elétrica sobre a carga reduz sua energia potencial elétrica. Por outro lado, se a carga positiva retornar à sua posição original, sua direção se inverte para a esquerda, opondo-se à direção da força elétrica, que é para a direita. Devido à direção oposta, a força elétrica realiza trabalho negativo sobre a carga positiva. Ao se mover para a esquerda, a energia potencial elétrica aumenta. Portanto, conclui-se que o trabalho negativo realizado pela força elétrica sobre a carga aumenta sua energia potencial elétrica.
Carga negativa em um campo elétrico homogêneo
Ao contrário da carga positiva, a carga negativa possui a energia potencial elétrica máxima quando está próxima da placa carregada negativamente e a energia potencial elétrica mínima quando está próxima da placa carregada positivamente. Naturalmente, a carga elétrica se move de um potencial alto para um potencial baixo, portanto, a carga negativa também se move da placa carregada negativamente para a placa carregada positivamente. A direção do deslocamento da carga negativa é para a esquerda, enquanto a direção da força elétrica é para a direita, de modo que a força elétrica realiza trabalho negativo. Ao se mover para a esquerda, a energia potencial elétrica da carga negativa diminui e atinge um valor mínimo quando a carga negativa se aproxima da placa carregada positivamente. Pode-se concluir que o trabalho negativo realizado pela força elétrica reduz a energia potencial elétrica da carga negativa. A energia potencial elétrica não é perdida, mas se transforma em energia cinética, que se caracteriza pelo aumento da velocidade da carga ao se mover em direção à placa carregada positivamente.
Energia potencial elétrica em um campo elétrico homogêneo
A energia potencial elétrica de uma carga, quando esta se encontra em uma determinada posição, tem um valor desconhecido. No entanto, se a carga se desloca de um lugar para outro, é possível calcular a variação da sua energia potencial elétrica. Portanto, o que importa é a variação da energia potencial. A variação da energia potencial elétrica (ΔEP) pode ser determinada quando uma carga positiva se desloca de um potencial elevado (placa carregada positivamente) para um potencial baixo (placa carregada negativamente).
Para efeito de comparação, quando a manga está em seu caule, ela possui energia potencial gravitacional, mas seu valor é desconhecido. Se a manga for acelerada em direção ao solo pela força gravitacional, a variação de sua energia potencial gravitacional pode ser calculada pela fórmula W = ΔEP = mgh.
onde m = massa, g = aceleração gravitacional, h = distância entre a manga e a superfície do solo.
Da mesma forma, as mudanças na energia potencial elétrica de uma carga podem ser conhecidas quando a força elétrica acelera a carga de um ponto a outro. Como explicado anteriormente, se a carga positiva se move da placa carregada positivamente para a placa carregada negativamente,
A variação da energia potencial elétrica é calculada usando a fórmula W = ΔEP = q E d, onde q = a carga elétrica, E = o campo elétrico e d = a distância entre um ponto e outro. Da mesma forma, se a carga negativa se move da placa negativamente carregada para a placa positivamente carregada, o aumento na energia potencial elétrica da carga negativa é calculado usando a fórmula W = ΔEP = q E d.
A energia potencial elétrica das duas cargas pontuais
As mudanças na energia potencial elétrica não são experimentadas apenas pela carga em um campo elétrico homogêneo, mas também pelo campo elétrico produzido pela carga elétrica individual. Suponha que exista uma carga individual Q que produza um campo elétrico e que uma carga q esteja a uma distância r da carga Q.
Q = carga elétrica que causa um campo elétrico
q = carga elétrica deslocada no campo elétrico produzido pela carga Q
d = r = distância da carga q à carga Q.
Se ambas as cargas tiverem o mesmo sinal, + ou -, então as duas cargas se repelem ou se afastam uma da outra, de modo que as variações na energia potencial sejam positivas (a energia potencial elétrica aumenta). Isso é semelhante a um objeto com massa que se move para cima, afastando-se da Terra, de modo que sua altura e sua energia potencial gravitacional aumentam. Por outro lado, se o sinal de ambas as cargas não for o mesmo, as duas cargas se atraem ou se aproximam, de modo que a variação na energia potencial seja negativa (a energia potencial elétrica diminui). Isso é semelhante a um objeto com massa que se move para baixo, aproximando-se da superfície da Terra, de modo que sua altura e sua energia potencial gravitacional diminuem.
A força elétrica é uma força conservativa; portanto, o formato da trajetória da carga não afeta as variações na energia potencial elétrica. O que influencia o valor das variações na energia potencial elétrica é a posição inicial e a posição final da carga.
O próximo tópico abordará o potencial elétrico, grandezas físicas que estão fortemente relacionadas à energia potencial elétrica.
