Potência elétrica

Por que é mais interessante substituir uma lâmpada incandescente (de filamento) por uma de LED? Veja como entender essa troca, partindo da potência elétrica dissipada/consumida em um circuito elétrico. Estude Física para o Enem!

O grande motivo dessa troca mencionada no título está no fato de que a potência elétrica consumida pelas lâmpadas de LED é muito menor do que em relação às lâmpadas incandescentes, para promover o mesmo ou até um brilho maior. Diversos aparelhos estão disponíveis no mercado, porém uns mais eficientes que outros e mais potentes nesse caso.

Hoje vamos nos debruçar sobre os conhecimentos de eletrodinâmica e aprender um pouco mais sobre o conceito de potencia elétrico de um dispositivo elétrico e como relacionar a potencia em um circuito elétrico, envolvendo os conceitos de corrente elétrica, tensão e resistência elétrica.

Potência elétrica - lâmpadas
Evolução das lâmpadas comerciais, incandescentes, fluorescente e de LED.

As lâmpadas incandescentes sempre terão seu lugar de destaque quando o assunto for eletricidade, remetendo ao início dos avanços tecnológicos, quando Thomas Edison apresenta a primeira lâmpada comercializável.

O grande problema dessas lâmpadas se dá pelo fato de consumirem muita energia elétrica, tendo uma potencia muito alta, e o pior de tudo é que essa potência não é fornecida em forma de luz, mas também em grande parte em forma de calor (Efeito Joule, aquecimento do filamento).

Hoje em dia com os grandes avanços tecnológicos e tendo o domínio da tecnologia das lâmpadas de LED, podemos ter um fornecimento de luminosidade muito maior, com uma potência muito mais baixa e muito menos aquecimento.

Sempre que precisamos ligar um dispositivo elétrico para realizarmos uma função qualquer, seja passar roupa, ventilar ou iluminar um ambiente dentre outras funções, precisamos conectar os respectivos dispositivos na tomada, uma fonte de tensão. Assim estabelecemos naquele aparelho uma corrente elétrica que o fará funcionar corretamente.

Em uma corrente elétrica, cargas elétricas em movimento acabam transferindo parte de sua energia elétrica para o aparelho executar uma função específica, transformar energia elétrica em energia térmica, luminosa, sonora etc.

Quanto mais energia o dispositivo puder transformar em um intervalo de tempo (como no caso do chuveiro aquecendo a água), mais potente ele será. Definimos então como potencia elétrica a razão entre a energia fornecida/consumida no aparelho e o tempo gasto nessa ação, portanto:

Potência elétrica - razão entre energia e tempo
Definição de potência elétrica, razão entre energia e tempo

Com isso podemos ver que a unidade da potencia elétrica é o W (watt), que representa a razão entre joule e segundos:

1 J/s = 1 W [watt]

Dentro de um circuito com dispositivos como chuveiros, lâmpadas entre outros, considerados como resistivos possuem, portanto uma resistência associada. Podemos então escrever a potência elétrica em termos desses parâmetros, como:

Potência elétrica - circuito elétrico
Relações de potencial em termos de U, R e i em um circuito elétrico

 

Onde P é a potência elétrica, U é a tensão fornecida pela fonte, R é a resistência dos aparelhos resistivos dos circuitos (ou os resistores nos exercícios, lembra?) e i é a corrente elétrica.

As indicações de potência aparecem nos aparelhos e lâmpadas que utilizamos frequentemente, na foto podemos ver uma lâmpada com as inscrições 70 W/ 220 V, essas são as indicações do fabricante para a instalação da lâmpada, ela significa que quando a lâmpada for ligada em uma fonte de tensão de 220 volts, ela fornecerá ao cliente uma potência de 70 watts, ou seja, é capaz de transformar energia elétrica em energia luminosa e térmica a uma taxa de 70 J/s.

Se instalada em uma fonte de tensão menor, a lâmpada apresentará uma potencia menor do que a indicada pelo fabricante, já se for ligada a uma fonte de tensão maior, esta fornecerá uma potencia maior do que a informada pelo fabricante.

Lâmpada incandescente de 70 W / 220 V, fornece 70 watts quando ligada em uma ddp de 220 volts. Fonte: imagem elaborada pelo autor

Se ligada em uma fonte de tensão maior do que a especificada, podemos ter problemas tendo em vista que parte da energia elétrica é transformada, por efeito joule, em energia térmica, que quando ocorrer em excesso pode causar a queima de algum componente da lâmpada, como o filamento, impossibilitando seu uso.

A potência elétrica é útil também quando pretendemos determinar a energia elétrica gasta em um circuito (de uma casa, por exemplo), na definição de potencia podemos isolar o termo que diz respeito à energia estabelecer outra maneira de entender a energia elétrica de um circuito.

No comércio é fácil identificar essa forma de escrever a energia quando na conta de luz da sua casa aparece escrito o gasto mensal em quilowatt-hora (kWh), essa unidade permite escrever de forma mais simplificada o quanto de energia foi gasto uma vez que:

1 watt = 1 J/s

Sendo Assim,

1 kW = 1000 W = 1000 J/s

Potência elétrica - consumo de energia elétrica
Fatura mensal de consumo de energia elétrica, unidade medida kWh. Fonte: imagem elaborada pelo autor.

Se olharmos a definição de potência e isolarmos o termo da energia, veremos que:

Potência elétrica - Energia elétrica
Energia elétrica em função da potência elétrica

Em uma hora (3600s) teremos então:

 = 1 kWh = 1 kW . 1 h = 1000 W. 3600 s = 3600000 J

Dessa forma podemos observar que um único quilowatt-hora representa milhões de joules

1 kWh = 3,6 x 106 J

Portanto em uma conta onde se gastam 358 kWh, como na imagem, seria necessário utilizar um número muito maior, 1288800000 J, logo é mais fácil analisar o gasto de energia elétrica na forma definida acima, em kWh e não em joules.

Material de consulta
  • Física 3: eletromagnetismo / GREF – 5. ed. Reimpr. – São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2006.
  • Física conceitual [recurso eletrônico] / Paul G. Hewitt ; tradução: Trieste Freire Ricci ; revisão técnica: Maria Helena Gravina. – 12. ed. – Porto Alegre : Bookman, 2015.
  • Física III: Eletromagnetismo / Young e Freedman – 12 e. – São Paulo : Addison Wesley, 2009.
Antes de resolver nossos exercícios, confira a aula do prof. Rossetto e tire todas as suas dúvidas!
Agora tendo estudado um pouco mais sobre potência elétrica vamos resolver três exercícios. Bons estudos e sucesso!

Questão 01)  

Em 2016, as lâmpadas incandescentes tiveram sua venda definitivamente proibida no país, por razões energéticas. Uma lâmpada fluorescente, considerada energeticamente eficiente, consome 28 W de potência e pode produzir a mesma intensidade luminosa que uma lâmpada incandescente consumindo a potência de 100 W. A vida útil média da lâmpada fluorescente é de 10.000 h e seu preço médio é de R$ 20,00, enquanto a lâmpada incandescente tem vida útil de 1.000 h e cada unidade custaria, hoje, R$ 4,00. O custo da energia é de R$ 0,25 por quilowatt‑hora. O valor total, em reais, que pode ser poupado usando uma lâmpada fluorescente, ao longo da sua vida útil, ao invés de usar lâmpadas incandescentes para obter a mesma intensidade luminosa, durante o mesmo período de tempo, é

a) 90,00.

b) 140,00.

c) 200,00.

d) 250,00.

e) 290,00.

Questão 02)

Quatro pessoas, em uma casa, levam em média 30,0 min para tomar um banho, cada uma, por dia, utilizando um chuveiro elétrico, cujas especificações elétricas são: 220 V – 6000 W. Sabendo-se que o custo de 1 kWh, cobrado pela concessionária é de R$ 0,50, nestas condições ao final de 30 dias, o custo total deste consumo será de

a) R$ 6,00.

b) R$ 12,00.

c) R$ 18,00.

d) R$ 180,00.

e) R$ 1800,00.

Questão 03)

  O dimer é um aparelho usado para controlar o brilho de uma lâmpada ou a potência de um outro aparelho, como um ventilador. Um dimer foi usado para controlar o brilho de uma lâmpada cujas especificações são 24,0 W e 12,0 V. A lâmpada foi associada em série ao dimer e ligada a uma bateria de 12,0 V, conforme representado no diagrama.

Potência elétrica - exercício

Sabendo-se que o dimer foi regulado para que a lâmpada dissipasse 81% de sua potência, a potência que ele dissipa, em W, é

a) 2,16.

b) 4,56.

c) 4.

d) 21,6.

GABARITO:

1) C, 2) D e 3) A

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pelo professor Marcelo Alves para o Blog do Enem. Marcelo cursou licenciatura em física pela Universidade Federal de Santa Catarina. Leciona Física em escolas da Grande Florianópolis desde 2015. Facebook: https://www.facebook.com/luizlma