Definição do potencial elétrico
O potencial elétrico é definido como a energia potencial elétrica por unidade de carga. Suponha que, quando estiver no ponto a, a carga q tenha energia potencial elétrica igual a EP<sub> a</sub> ; então, o potencial elétrico no ponto a é formulado da seguinte forma:
V = potencial elétrico, EP = energia potencial elétrica, q = carga elétrica
O potencial V não está presente apenas no ponto a, mas em todos os pontos do campo elétrico. O ponto a é usado como exemplo. Como será explicado posteriormente, o potencial V não depende da carga q.
A potência elétrica (PE) e a carga elétrica são grandezas escalares, portanto a tensão (V) também inclui grandezas escalares. A unidade do Sistema Internacional de Unidades (SI) para PE é o Joule e a unidade do SI para carga elétrica é o Coulomb, de modo que a unidade do SI para V é Joule por Coulomb (J/C). Outro nome para J/C é Volt, derivado do nome do cientista italiano e inventor da bateria elétrica, Alessandro Volta (1745-1827).
Diferença de potencial elétrico
O valor de V em um ponto, como V no ponto a, ou seja, V<sub> a</sub> , não pode ser determinado porque o mais importante é a variação do potencial elétrico. As variações do potencial elétrico podem ser conhecidas pelo seu valor, seja por meio de cálculos ou medições. O valor de V varia quando uma carga q se move de um ponto a outro. Suponha que a carga q se mova do ponto a para o ponto b; então, a variação de V é:
Vab é a diferença de potencial (V) entre dois pontos em um campo elétrico, por exemplo, os pontos a e b. A diferença de potencial entre os pontos a e b (Vab ) é igual ao trabalho realizado pela força elétrica na carga elétrica ao se mover do ponto a para o ponto b, por unidade de carga (Wab / q). Deve-se notar que o trabalho realizado pela força elétrica na carga q ao se mover do ponto a para o ponto b (Wab ) é igual à variação da energia potencial elétrica da carga q (ΔEP). Portanto, na equação acima, ΔEP pode ser substituído por Wab.
Quando um objeto está a uma certa altura acima da superfície do solo, ele possui energia potencial gravitacional, considerando a superfície do solo como ponto de referência. Nesse caso, a altura da superfície do solo e a energia potencial gravitacional exatamente na superfície do solo são consideradas zero. De forma semelhante à energia potencial gravitacional, quando afirmamos que um ponto possui um determinado potencial elétrico, é necessário utilizar outro ponto como referência, considerando apenas a diferença de potencial elétrico que pode ser calculada. Normalmente, o solo ou condutores elétricos conectados ao solo são escolhidos como pontos de referência, onde o potencial elétrico do condutor ou o potencial elétrico no solo é considerado zero. Assim, se um ponto tem um potencial elétrico de 12 Volts, a diferença de potencial elétrico entre esse ponto e o solo é de 12 Volts. Em uma bateria de 6 Volts, a diferença de potencial elétrico entre o terminal positivo e o terminal negativo é de 6 Volts. Como a unidade da diferença de potencial elétrico é o Volt, a diferença de potencial elétrico entre dois pontos é geralmente chamada de voltagem.
A equação da diferença de potencial elétrico acima pode ser reescrita da seguinte forma:
Se a carga q passa por uma diferença de potencial elétrico V<sub> ab</sub> , a energia potencial varia em ΔEP. Por exemplo, se uma carga de 2 Coulombs passa por uma diferença de potencial elétrico de 12 Volts, a energia potencial elétrica varia em (2 C)(12 V) = 24 Joules. Da mesma forma, se uma carga de 4 Coulombs passa por uma diferença de potencial elétrico de 24 Volts, a energia potencial elétrica varia em (4 C)(24 V) = 96 Joules.
Assim, a variação da energia potencial elétrica (ΔEP) é proporcional à carga (q) e à voltagem (Vab ) . Quanto maiores a carga elétrica e a voltagem, maior a variação da energia potencial elétrica. A energia potencial está relacionada à capacidade de realizar trabalho, de modo que, se as variações na energia potencial elétrica forem significativas, a capacidade de realizar trabalho também será significativa.
A equação da diferença de potencial (V) acima ainda é geral. Para obter uma equação de V mais detalhada, revise a diferença de potencial elétrico em um campo elétrico homogêneo e a diferença de potencial elétrico produzida por uma única carga.
O potencial elétrico no campo elétrico homogêneo
A diferença de potencial (V) entre dois pontos em um campo elétrico homogêneo, por exemplo, o ponto a e o ponto b, pode ser calculada usando a equação abaixo:
V <sub>ab</sub> = diferença de potencial (V) entre dois pontos, E = campo elétrico e d = distância entre dois pontos.
V produzido pela carga única
A tensão V em um ponto, devido a uma única carga que gera o campo elétrico, pode ser calculada usando a equação:
V <sub>ab</sub> = diferença de potencial (V) entre dois pontos, k = constante de Coulomb, Q = carga única que produz o campo elétrico, r = distância entre a carga Q e o ponto em que o potencial (V) é calculado.
A relação entre o campo elétrico (E) e o potencial elétrico (V)
O campo elétrico E é uma grandeza vetorial, enquanto V é uma grandeza escalar. Grandezas vetoriais envolvem a direção, o que torna seu cálculo mais complexo em comparação com o cálculo de grandezas escalares. Para facilitar o cálculo do campo elétrico, utiliza-se uma equação que relaciona o campo elétrico com V.
A equação da diferença de potencial descrita anteriormente é reescrita da seguinte forma:
Matematicamente, o trabalho é o produto da força pelo deslocamento, onde a força é o produto da carga pelo campo elétrico. A relação entre trabalho, força e deslocamento é expressa pela equação abaixo:
Se as duas equações acima forem combinadas, a nova equação gerada será a seguinte:
E = campo elétrico, V <sub>ab</sub> = diferença de potencial elétrico entre dois pontos, como os pontos a e b, d = distância entre dois pontos.
A unidade de diferença de potencial é o Volt, e a unidade de distância é o metro, de modo que o campo elétrico pode ser expresso em unidades de Volts por metro (V/m).
Esta equação pode ser usada para determinar o campo elétrico (homogêneo), conhecido como a diferença de potencial entre dois pontos e a distância entre eles. De acordo com a equação, o campo elétrico é proporcional à tensão (V) e inversamente proporcional à distância. Isso significa que quanto maior a tensão (V), maior o campo elétrico e, quanto maior a distância, menor o campo elétrico.
