Potencial elétrico

Definição

O potencial elétrico é definido como a energia potencial por unidade de carga elétrica . Suponha que, no ponto a, a carga q tenha uma energia potencial de EP _a ; então, o potencial no ponto a é formulado da seguinte forma:

Descrição: V = potencial elétrico, EP = energia potencial elétrica, q = carga elétrica.

O potencial V existe não apenas no ponto a, mas também em todos os pontos do campo elétrico . O ponto a é usado como exemplo. Como será explicado posteriormente, seu valor não depende da carga q.

A potência elétrica (PE) e a carga elétrica são grandezas escalares, portanto a tensão (V) também é uma grandeza escalar. A unidade do Sistema Internacional de Unidades (SI) para PE é o Joule e a unidade do SI para carga elétrica é o Coulomb, logo, 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 potencial V em um ponto, por exemplo V no ponto a, ou seja, V_{_a} , não pode ser conhecido porque o que importa é a variação do potencial. O valor da variação do potencial pode ser conhecido por meio de cálculo ou medição. O potencial 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 do potencial é:

Vab é a diferença de potencial 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 sobre a carga elétrica quando esta se move do ponto a para o ponto b, por unidade de carga (Wab _/ q). Deve-se notar que o trabalho realizado pela força elétrica sobre a carga q quando esta se move do ponto a para o ponto b (Wab ₎ é igual à variação da energia potencial da carga q (ΔEP). Portanto, na equação acima, ΔEP pode ser substituído por _Wab.

Quando um objeto está a uma certa altura acima do solo, ele possui energia potencial gravitacional, sendo a superfície do solo utilizada 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, outro ponto deve ser utilizado como ponto de referência, considerando que apenas a diferença de potencial pode ser calculada. Normalmente, o solo ou um condutor elétrico conectado ao solo é escolhido como ponto de referência, onde o potencial no condutor ou o potencial no solo é considerado zero. Assim, se um ponto tem uma tensão (V) de 12 Volts, a diferença de potencial entre esse ponto e o solo é de 12 Volts. Em uma bateria de 6 Volts, a diferença de potencial entre o terminal positivo e o terminal negativo é de 6 Volts. Como a unidade de diferença de potencial é o Volt, a diferença de potencial entre dois pontos é geralmente chamada de tensão elétrica.

A equação da diferença de potencial acima pode ser reescrita como abaixo:

Se uma carga q passar por uma diferença de potencial V_ab Então, a energia potencial varia em ΔEP. Por exemplo, se uma carga de 2 Coulombs passa por uma diferença de potencial de 12 Volts, a energia potencial varia em (2 C)(12 V) = 24 Joules. Da mesma forma, se uma carga de 4 Coulombs passa por uma diferença de potencial de 24 Volts, a energia potencial varia em (4 C)(24 V) = 96 Joules.

Assim, a variação da energia potencial (ΔEP) é proporcional à carga (q) e à tensão elétrica (Vab ₎ . Quanto maior a carga elétrica e/ou a tensão elétrica, maior a variação da energia potencial. A energia potencial está relacionada à capacidade de realizar trabalho; portanto, se a variação da energia potencial for grande, a capacidade de realizar trabalho também será grande.

A equação da diferença de potencial acima ainda é geral. Para obter uma equação de V mais detalhada, considere a diferença de potencial em um campo elétrico homogêneo e aquela gerada por uma única carga.

Campo elétrico homogêneo

A diferença de potencial entre dois pontos em um campo elétrico homogêneo, por exemplo, o ponto a e o ponto b, pode ser calculada usando a equação abaixo:

Descrição: V _{_ab} = diferença de potencial entre dois pontos, E = campo elétrico e s = distância entre dois pontos.

carga única

O potencial em um ponto devido à presença de uma única carga que produz um campo elétrico pode ser calculado usando a equação:

Descrição: V _{_ab} = diferença de potencial entre dois pontos, k = constante de Coulomb, Q = carga única que produz um campo elétrico, r = distância entre a carga Q e o ponto onde o potencial é calculado.

A relação entre campo elétrico e potencial

O campo elétrico é uma grandeza vetorial, enquanto o potencial é uma grandeza escalar. Grandezas vetoriais possuem direção, o que as torna mais difíceis de calcular do que as grandezas escalares. Para simplificar os cálculos, utiliza-se uma equação que expressa a relação entre o campo elétrico e o potencial.
A equação da diferença de potencial explicada anteriormente é reescrita como abaixo:

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, obtém-se uma nova equação, como abaixo:

Descrição: E = Campo elétrico, V _{_ab} = diferença de potencial entre dois pontos, por exemplo, 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 Volt por metro (V/m).
Esta equação pode ser usada para determinar um campo elétrico (homogêneo) se a diferença de potencial entre dois pontos e a distância entre eles forem conhecidas. De acordo com a equação, o campo elétrico é proporcional ao potencial e inversamente proporcional à distância. Isso significa que quanto maior o potencial, maior o campo elétrico, e quanto maior a distância, menor o campo elétrico.