Potência Elétrica

O calor gerado pela corrente elétrica em qualquer dispositivo que dela se utilize é um efeito que precisa ser previsto, tanto para o projeto quanto para o funcionamento de um dispositivo. Cuidados especiais devem ser tomados para se eliminar este calor, pois a elevação da temperatura das partes de um equipamento pode comprometer seu funcionamento e a própria segurança dos operadores.

Todo profissional da área (eletrônica e eletrotécnica) deve saber como calcular o calor gerado pela corrente que atravessa um resistor ou qualquer elemento que apresente certa resistência. Este calor é consequência do efeito térmico, ou efeito Joule, abordado aqui no blog em seu aspecto qualitativo em Efeitos da Corrente Elétrica.

Agora veremos o aspecto quantitativo do efeito térmico, calculando o calor gerado em função da intensidade da corrente e das demais grandezas envolvidas no processo. Esse cálculo é regido pela lei de Joule.

Aqui veremos informações sobre:

• como a potência e a energia são medidas;
• o que é watt;
• como calcular a quantidade de calor gerada num resistor ou dispositivo que tenha certa resistência;
• dispositivos práticos que aproveitam o efeito Joule.

Energia Elétrica

A energia não pode ser criada, nem destruída, somente transformada. Quando, em um outro artigo analisamos os efeitos da corrente elétrica, vimos que a energia elétrica proveniente de um gerador pode se transformar em outras formas de energia como luz, calor, energia mecânica (no caso dos motores), etc.

Dentre essas formas de energia, uma merece especial atenção dos profissionais que lidam com a eletricidade: a energia térmica. Calcular a quantidade de energia elétrica que se converte em calor quando uma corrente atravessa determinado meio condutor é algo que todo profissional precisa saber.

É dito que um sistema possui energia quando ele tem a capacidade de realizar algum tipo de trabalho. Exemplificando, podemos dizer que uma mola contraída possui energia, no sentido de que ela pode movimentar um relógio ou um brinquedo por um certo tempo, ou seja, realizar um trabalho.

Da mesma forma, uma pilha possui energia armazenada porque ela pode alimentar uma lâmpada ou qualquer outro dispositivo durante um certo tempo, conforme mostra a figura abaixo.

Pilha e lâmpada

A energia é medida em joules (J).

Potência Elétrica

Vamos imaginar uma experiência simples. Ligando duas lâmpadas, uma mais forte que a outra, em duas pilhas iguais. Verificamos que a pilha que fornece energia para a lâmpada mais forte (isto é, que brilha mais) dura menos. Intuitivamente, o leitor já sabe que a lâmpada que brilha mais é mais potente. Mas o que significa isso?

Significa que a lâmpada que brilha mais, precisa que a pilha lhe forneça energia mais rapidamente, ou seja, mais energia por unidade de tempo. É este o conceito de potência elétrica: a quantidade de energia que a lâmpada recebe e converte em calor, ou que a pilha fornece através de uma corrente.

Se a energia é medida em joules (J) e o tempo em segundos (s), podemos medir a potência elétrica pela quantidade de joules fornecidos a cada segundo. Só que, em lugar de joules por segundo, uma outra unidade é adotada: o Watt, abreviado por W.

Assim, se uma lâmpada converte 100 joules por segundo de energia em luz, esta lâmpada tem uma potência de 100 watts, ou 100 W.

É comum o uso de prefixos para indicar múltiplos e submúltiplos do Watt:

Quilowatt (kW) para 1.000 W
Megawatt (MW) para 1.000.000 W
Miliwatt (mW) para 0,001 W
Microwatt (uW) para 0,000001 W
Nanowatt (nW) para 0,000000001 W

Lei de Joule

A quantidade de energia elétrica que se converte em calor num meio que oferece certa resistência pode ser determinada pela lei de Joule.

Esta quantidade depende da intensidade da corrente que circula pelo meio condutor e da resistência desse meio. Como a intensidade da corrente depende da tensão e da resistência, podemos dizer que a quantidade de calor convertido pode ser calculada conhecendo-se duas quaisquer das três grandezas envolvidas. Assim, chamando de:

P a potência elétrica convertida em calor (em watts)
U a tensão aplicada ao circuito (em volts)
R a resistência do circuito (em ohms)
I a intensidade da corrente (em ampères)

Podemos escrever:

(I) P = U . I (multiplicação)

(II) P = U² / R (divisão)

(III) P = R . I² (multiplicação)

Usamos a primeira fórmula (I) quando temos a tensão e a corrente e desejamos calcular a potência; usamos a segunda quando temos a tensão e a resistência; e usamos a terceira quando conhecemos a resistência e a corrente.

Exemplo: um fio de resistência de 5 ohms é percorrido por uma corrente de 2 ampères. Qual é, neste condutor, a potência elétrica convertida em calor devido ao Efeito Joule?

Neste caso temos:

R = 5 ohms I = 2 ampères P = ?

A fórmula que usa R e I, que são as grandezas cujos valores conhecemos, é a (III). Aplicando-as temos:

P = R . I² = 5 . 2² = 5 . 4 = 20W

Recordando o que vimos aqui:

• Energia é a capacidade de realizar um trabalho.
• A energia é uma característica dos sistemas que podem realizar trabalho: como uma mola contraída ou uma pilha.
• Energia fornecida por unidade de tempo é potência.
• Potência é medida em watts (W).
• A potência convertida em calor num resistor, ou elemento que se comporte como tal, é calculada pela lei de Joule.
• A potência depende da intensidade da corrente e da tensão.
• Como a corrente depende também da resistência, podemos calcular a potência conhecendo duas das três grandezas.
• Existem então três fórmulas básicas para o cálculo da potência.

O calor gerado nos diversos tipos de equipamentos elétricos e eletrônicos é uma preocupação constante do profissional, que precisa saber como tratá-lo e, principalmente, como calculá-lo. De um lado, é preciso saber quanto calor é gerado para se evitar que a temperatura suba e cause danos aos equipamentos. De outro, é preciso saber quanta energia se perde em forma de calor, de modo a se otimizar um projeto.

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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica