Os equipamentos elétricos e eletrônicos convertem a energia elétrica em trabalho, e/ou em outras formas de energia.
Por exemplo, um ventilador converte energia elétrica em trabalho para movimentar o ar (produzir o vento), além de energia térmica (energia da agitação em escala microscópica dos átomos e moléculas); por isso, todo motor aquece um pouco ao funcionar.
Lembre-se!
Temperatura: grau de agitação térmica dos átomos e moléculas de um corpo ou substância.
Calor: energia térmica que se transfere espontaneamente de um corpo (ou sistema) com maior temperatura para outro(s) com temperatura menor.
Uma lâmpada transforma energia elétrica em luz (energia radiante) e energia térmica. Por isso, aquece muito ao ser ligada.
As lâmpadas incandescentes, muito usadas até poucos anos atrás, funcionam a partir de um filamento de tungstênio (finíssimo) que apresenta grande resistência elétrica. Ao ser atravessado por uma corrente elétrica, aquece muito devido ao Efeito Joule, a ponto de emitir luz (incandescência), mas também produz muito calor.
Uma lâmpada ideal seria aquela que transformaria toda energia elétrica recebida apenas em luz. Mas ainda não temos lâmpadas com tal eficiência.
Para diminuirmos o desperdício de energia elétrica, outros tipos de lâmpadas foram criadas. Elas possuem uma eficiência muito maior que as incandescentes.
As lâmpadas fluorescentes compactas funcionam a partir de um plasma frio (gás ionizado que emite luz) produzido pela corrente elétrica que atravessa um gás confinado em um tubo de vidro.
As lâmpadas mais eficientes utilizadas atualmente são as de LED. Elas funcionam a partir da associação de vários LEDs (diodos emissores de luz - light-emitting diode).
Potência Elétrica (P)
Todo equipamento elétrico e eletrônico apresenta uma "taxa" que representa a quantidade de energia elétrica consumida por unidade de tempo para realizar o que foi projetado, a chamada "potência elétrica" (P).
Geralmente a potência elétrica é dada em watts (W), que é a unidade de potência do Sistema Internacional (S.I) de unidades.
1 watt (1W) corresponte a 1 joule consumido em 1 segundo:
1W=1J/s
Quando compramos uma lâmpada, por exemplo, as características mais importantes a serem observadas são:
- A voltagem (normalmente 127V),
- A potência elétrica.
Se você precisa de muita luz em um ambiente, precisará também de uma lâmpada de maior potência elétrica; ou seja, que a lâmpada transforme mais energia elétrica em luz (energia luminosa) a cada segundo, para que o ambiente fique bem iluminado.
Uma lâmpada de LED de 20W produz uma quantidade de luz maior que uma incandescente de 110W. Ou seja, usar lâmpadas incandescentes é jogar muito dinheiro fora.
Alguns eletrodomésticos e equipamentos elétricos têm potência elétrica muito alta, como os aparelhos de ar condicionado, os micro-ondas, os chuveiros e duchas elétricas, bombas d'água, compressores de ar; assim, é comum que a potência elétrica seja dada em quilowatt (kW).
1kW=1000W
Potência Elétrica em um Circuito
Considere os elétrons sendo forçados a percorrerem um condutor metálico de comprimento ℓ devido à diferença de potencial elétrico (ddp) entre as suas extremidades:
Em certo intervalo de tempo ∆t o condutor é atravessado por uma quantidade total de carga elétrica Q. A corrente elétrica i corresponde à razão entre essa quantidade de carga elétrica pelo intervalo de tempo:
Vamos imaginar que a carga elétrica Q fosse de uma única partícula eletrizada. Qual o trabalho (energia) para mover esta partícula uma distância ℓ ?
Vimos que esse trabalho (W) corresponde ao produto da carga elétrica Q pela diferença de potencial elétrico ∆V entre o pontos separados por ℓ :
Dividindo esse trabalho pelo intervalo de tempo ∆t , obtemos a potência elétrica (P) do condutor (energia por unidade de tempo):
Mas,
Assim:
Ou simplesmente:
Onde ∆V = V (diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor).
Exemplo
No circuito elétrico abaixo, qual a potência elétrica (P) de cada resistor?
Resolução:
Para determinarmos a potência de cada resistor, precisamos conhecer as correntes elétricas que os atravessam, e as ddps entre os seus terminais.
O circuito acima pode ser simplificado assim:
De acordo com a 2ᵃ Lei de Ohm, a corrente elétrica i, é:
A ddp sobre os resistores, é:
Resistores 1 e 2:
A corrente elétrica i se divide em i₁ =i₂=0,60A (associados em paralelo), logo:
P₁ = i₁ . V₁
P₁ = 0,60 . 4,8 = 2,9W
P₂ = i₂ . V₂
P₂ = 0,60 . 4,8 = 2,9W
Resistor 3:
P₃ = i₃ . V₃P₃ = 1,2 . 1,2 = 1,4W
Resistores 4 e 5:
A corrente elétrica i se divide, novamente, em i₄ = i₅=0,60A (associados em paralelo), logo:
P₄ = i₄ . V₄
P₄ = 0,60 . 6,0 = 3,6W
P₅ = i₅ . V₅
P₅ = 0,60 . 6,0 = 3,6W
Se considerarmos a 2ᵃ Lei de Ohm diretamente no cálculo da potência elétrica, obtemos:
ou:
Assim, poderíamos obter a potência conhecendo apenas a corrente e a resistência elétrica, ou a ddp e a resistência elétrica. Por exemplo, para sabermos a potência do resistor 3, poderíamos usar a corrente elétrica i=1,2A, e a resistência R₃=1,0Ω:
Potência Elétrica Útil (Pᵤ)
Corresponde à parte da potência do aparelho elétrico/eletrônico utilizada para realizar a tarefa para a qual o aparelho foi, especificamente, desenvolvido.
Por exemplo, a finalidade da lâmpada é produzir luz (energia radiante), no entanto, 95% da sua potência é dissipada como calor, e apenas 5% é convertida realmente em luz. Desse modo, para uma lâmpada incandescente de 60W, por exemplo, sua potência útil será apenas de 3W.
Eficiência Elétrica (e)
Corresponde ao percentual obtido através da razão entre a potência útil (Pᴜ) e a potência (P):
A eficiência de uma lâmpada incandescente de 60W que tem potência útil de 3W, é:
Isso nos diz que apenas 5% da energia elétrica utilizada em certo intervalo de tempo é convertida efetivamente em luz, o resto é desperdiçado como calor.
Exemplo
Uma bomba d´'agua deve elevar 0,55 litros de água a uma altura de 26m, por segundo. Para realizar este trabalho, sua potência útil é Pᴜ =55W. A potência elétrica da bomba é 0,37kW (370W).
a) Qual a eficiência dessa bomba?
b) Durante o seu funcionamento, o restante da energia elétrica é convertida em quê?
Resolução:
Os custos de produção e distribuição de energia elétrica são muito grandes, por isso, os valores cobrados aos consumidores residenciais, comerciais e industriais também são, em geral, muito altos.
Escolher um aparelho elétrico que ofereça uma eficiência maior que outros é fundamental. Nesse sentido, foi instituído, em 1993, o Selo Procel.
A etiqueta apresentada nos eletrodomésticos, classifica o consumo de energia e seu grau de eficiência energética, que varia de A (mais eficiente) a G (menos eficiente).
Ao comprar um eletrodoméstico de uma mesma categoria, e mesma potência elétrica, é muito importante comparar a eficiência indicada através da letra no selo Procel que acompanha os produtos. Uma boa escolha pode gerar uma economia de energia (e dinheiro) por muito anos.
Lembre-se! Só faz sentido comparar os selos de equipamentos similares de MESMA POTÊNCIA!
Energia Elétrica (Eₑₗ)
Ao estudarmos energia e trabalho, vimos que energia não é uma grandeza que podemos definir com facilidade. Mesmo os físicos mais famosos já externaram essa dificuldade.
Existe uma expressão que diz que "a energia move o mundo". Nessa direção, e para evitarmos especulações mal intencionadas em relação a essa grandeza física, podemos definir energia como a capacidade de realizar trabalho.
E, trabalho, como uma grandeza que representa o quanto uma força (ou uma resultante de forças) tem influência sobre o deslocamento de um corpo (ou no deslocamento de certa massa); por isso a unidade de trabalho é a mesma da energia. Vemos então que a partir dessa definição, a expressão acima faz todo sentido, "a energia move o mundo".
Energia elétrica corresponde, a partir dessa definição, à capacidade de realizar trabalho a partir do movimento das partículas portadoras de carga elétrica, a corrente elétrica, ou simplesmente, a eletricidade.
A unidade de energia no Sistema Internacional (S.I) de unidades é o joule (J).
Quando um equipamento elétrico fica ligado por um intervalo de tempo ∆t, o mesmo converte uma quantidade total de energia elétrica E em outra(s) forma(s) de energia.
Para se determinar a energia elétrica E que um aparelho elétrico/eletrônico consome em um intervalo de tempo ∆t, basta multiplicar a sua potência P (quantidade de energia consumida por unidade de tempo) pelo respectivo intervalo de tempo:
Ou, se você conhece a energia elétrica E que um aparelho elétrico/eletrônico consumiu em um intervalo de tempo ∆t, e quer saber a sua potência elétrica, basta dividir E por ∆t:
Na prática, o joule (J) é uma unidade de energia muito pequena para medirmos o consumo de energia elétrica de uma residência durante um mês, assim, é usado o quilowatt-hora (kWh) como unidade de energia elétrica.
1 kWh equivale a uma quantidade de energia elétrica que um aparelho com potência de 1kW consome em 1h de funcionamento.
Por isso, é sempre importante para o cálculo do consumo de energia elétrica, utilizar a potência de um aparelho em kW, e o intervalo de tempo de funcionamento em horas.
Exemplo
Um ventilador tem potência elétrica máxima (na maior rotação) de 130W. Durante o verão, fica ligado durante 12h por dia. Qual a quantidade de energia elétrica gasta por este aparelho:
a) durante um dia no verão?
b) durante um mês no verão?
Resolução:
a) P=130W=0,130kW
Eᖱ = P . ∆t
Eᖱ = 0,130kW . 12h
Eᖱ = 1,56kWh
b) ∆t = 30 . 12h = 360h (12h de funcionamento por 30 dias)
Eₘ= P . ∆t
Eₘ= 0,130kW . 360h
Eₘ= 46,8kWh
Uma outra forma de responder, é multiplicar o consumo diário de energia por 30 (dias no mês):
Eₘ= 30 . Eᖱ
Eₘ= 30 . 1,56kWh
Eₘ= 46,8kWh
O Consumo Residencial de Energia Elétrica
A energia elétrica utilizada (e também desperdiçada) em nossas casas é feita por um medidor instalado pelas empresas distribuidoras de energia elétrica, como a ENEL e a Light, no Estado do Rio, que nos cobram por esse fornecimento, e por sua vez, compram energia elétrica das empresas geradoras, como Furnas, Eletrobras, entre outras. A medida é feita em quilowatt-hora (kWh).
Os medidores mais antigos eram analógicos (a medida é indicada por ponteiros).
Os medidores atuais são digitais (a medida é mostrada num display digital).
Algumas distribuidoras passaram a instalar chips nas entradas das redes elétricas (ainda na rua), suprimindo os medidores internos, através dos quais os clientes podem medir paralelamente o próprio consumo. Essa prática evita o furto de energia, mas tira dos clientes esse controle, além de diminuir a transparência do processo de cobrança, o que gera desconfiança por parte dos clientes.
A sofisticação e automação do sistema chegou a tal ponto que tais chips podem enviar (via internet) o consumo diretamente à distribuidora, sem precisar de um funcionário para fazer a leitura.
No Brasil, grande parte da energia elétrica ainda é produzida nas hidrelétricas, que depende completamente da regularidade das chuvas. Quando chove menos que o normal em certo ano, e os reservatórios ficam com o nível muito baixo, as termelétricas são ligadas, e passam a produzir energia a custo muito maior, fazendo o preço da energia elétrica disparar.
Para garantir a produção de energia, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) criou um sistema de cobrança com bandeiras tarifárias.
O referido sistema sinaliza aos consumidores os custos reais da geração de energia elétrica. O funcionamento é simples: as cores das Bandeiras (verde, amarela, vermelha 1 e vermelha 2) indicam se a energia custará mais ou menos em função das condições de geração de eletricidade.
Com as Bandeiras, a conta de luz fica mais transparente e o consumidor passa a saber que deve usar a energia elétrica de forma ainda mais consciente, e com muito mais cuidado para não se surpreender com o valor da conta.
Exemplo
A figura abaixo representa a leitura de um medidor de energia elétrica em um intervalo de um mês. Sabe-se que o preço do quilowatt-hora para um consumidor residencial que gasta entre 101 kWh até 220 kWh é R$0,41428, e que a bandeira tarifária está na cor amarela, ou seja, haverá um acréscimo de R$1,40 para cada 100kWh consumido. Qual o preço da conta de energia elétrica naquele mês, sem a incidência dos impostos?
Resolução
A energia elétrica consumida em uma residência é obtida através da diferença entre as medidas atual e anterior separadas por um mês:
Inicialmente o custo seria:
R$0,41428 x 203 = R$84,10
Mas para cada 100kWh há um acréscimo de R$1,40 por kWh devido à bandeira amarela, assim, o custo final será:
R$84,10 + R$2,80= R$86,90
Mas não podemos esquecer que incidem ainda os impostos PIS/COFINS sobre o valor anteriormente calculado.
