Energia e potência da corrente elétrica

Borges e Nicolau

Uma bateria (gerador elétrico) é ligada a uma lâmpada (figura a) ou a um motor elétrico (figura b). Cada uma das situações representa um circuito elétrico, isto é, um conjunto de aparelhos com os quais pode-se estabelecer uma corrente elétrica.

Clique para ampliar

Seja Eel a energia elétrica consumida pela lâmpada ou pelo motor elétrico, durante um certo intervalo de tempo Δt.
A potência elétrica P consumida pela lâmpada ou pelo motor elétrico é, por definição, dada por:

P = Eel/Δt

No Sistema internacional, a unidade de energia Eel é o joule (J) e a de intervalo de tempo Δt é o segundo (s). Assim, a unidade de potência P é o joule/segundo (J/s) que recebe o nome de watt (W).
Portanto,  1³W = 1 J/s
Múltiplos:  1 kW = 10³ W (k: quilo); 1 MW = 10⁶ W (M: mega)

De P = Eel/Δt, vem:

Eel = P.Δt

Uma unidade de energia muito usada em Eletricidade é o quilowatt-hora (kWh). Para obtermos a energia em kWh, devemos expressar a potência em kW e o tempo em h. 

Resumindo:

 Eel = P.Δt
 J = W.s
 kWh = kW.h

Outra expressão para a potência

Vamos considerar a corrente elétrica no sentido convencional: no gerador entra pelo pólo negativo (B) e sai pelo pólo positivo (A). Seja i a intensidade da corrente e U a diferença de potencial (ddp) entre os pólos A (positivo) e B (negativo). Seja Δq a carga elétrica que atravessa a lâmpada ou o motor elétrico no intervalo de tempo Δt. A energia elétrica que estes elementos consomem, que é a energia elétrica fornecida pelo gerador, é dada pelo trabalho da força elétrica no deslocamento de A até B:

Eel = τAB = Δq.(VA - VB) = Δq.U
De P = Eel/Δt, vem: P = (Δq.U)/Δt. Mas sendo Δq/Δt = i, resulta:

P = U.i

P => watt (W)
U => volt (V)
i => ampère (A) 

Exercícios básicos 

Exercício 1:
Uma lâmpada de potência 60 W fica acesa durante 10 h por dia.

a) Qual é a energia elétrica, em kWh, que a lâmpada consome em um mês (30 dias)?
b) Sabendo-se que o preço de 1 kWh de energia elétrica é de R$ 0,40, qual é o custo mensal da energia elétrica consumida pela lâmpada?
c) Sendo de 127 V a ddp aplicada à lâmpada, qual é a intensidade da corrente elétrica que a atravessa?


Exercício 2:
Vamos supor que num dia frio você coloca a chave seletora do seu chuveiro elétrico na posição "inverno". Considere que a potência elétrica do chuveiro seja de 5.600 W e que seu banho tenha a duração de 15 minutos.

a) Calcule a energia elétrica consumida durante o banho.
 b) Qual é o custo da energia elétrica consumida durante o banho. Considere que 1xkWh custa R$ 0,40.
 c) Considerando que em sua casa morem quatro pessoas, que tomam um banho por dia, de 15 minutos cada, com a chave na posição inverno, qual é o gasto mensalx(30 dias)?
d) Passando a chave seletora para a posição "verão", a potência do chuveiro diminui para 3.200 W. Considerando ainda a casa com 4 pessoas, tomando um banho diário de 15 minutos cada, qual será a economia durante um mês na "conta de luz"? O preço de 1 kWh continua R$ 0,40.


Exercício 3:
Quantas horas uma lâmpada de 60 W poderia ficar acessa se consumisse a mesma energia elétrica de um chuveiro elétrico de potência 4.500 W, durante um banho de 20 minutos?


Exercício 4: 
O medidor de energia elétrica 
O medidor de energia elétrica de uma residência, comumente chamado de "relógio de luz", é constituído de quatro reloginhos, conforme está esquematizado abaixo.

Clique para ampliar

A leitura deve ser feita da esquerda para a direita. O primeiro reloginho indica o milhar e os demais fornecem, respectivamente, a centena, a dezena e a unidade. A medida é expressa em kWh. A leitura é sempre o último número ultrapassado pelo ponteiro no seu sentido de rotação. O sentido de rotação é o sentido crescente da numeração.

a) qual é a leitura do medidor representado acima? 
b) Vamos supor que após um mês da medida efetuada, o funcionário da companhia de energia elétrica retorna à residência e realiza uma nova leitura, com os ponteiros assumindo as posições indicadas abaixo. Qual é a leitura neste nova situação?

Clique para ampliar

c) Qual foi o consumo de energia elétrica no mês em questão?


Exercício 5:
Quem consome mais energia elétrica: uma lâmpada de 100 W que fica ligada 0,5 h ou um liquidificador de 450 W que fica ligado durante 8 minutos?


Exercício 1: resolução
 
a) Eel = P.Δt = 60/1000(kW).300(h) => Eel = 18 kWh
b) 1 kWh = R$ 0,40 => 18 kWh = 18x0,40 = R$ 7,20
c) P = U.i => 60 = 127.i => i ≅ 0,47 A

Respostas:
a) 18 kWh
b) R$ 7,20
c) aproximadamente 0,47 A

Exercício 2: resolução
 
a) Eel = P.Δt = 5600/1000(kW).(1/4)(h) => Eel = 1,4 kWh
b) 1 kWh = R$ 0,40 => 1,4 kWh = 1,4x0,40 = R$ 0,56
c) Gasto mensal: R$ 0,56x4x30 => R$ 67,20
d) Energia elétrica consumida por banho com a chave na posição verão: 
Eel = P.Δt = 3200/1000(kW).(1/4)(h) => Eel = 0,80 kWh
Energia elétrica economizada com a chave na posição verão (por banho):
1,4 kWh - 0,80 kWh = 0,60 kWh
Energia elétrica economizada com a chave na posição verão (por mês, 30 dias, 4 pessoas):
0,60 kWhx4x30 = 72 kWh
Economia na “conta de luz”: 
1 kWh = R$ 0,40 => 72 kWh = 72x0,40 = R$ 28,80

Respostas:
a) 1,4 kWh
b) R$ 0,56
c) R$ 67,20
d) R$ 28,80


Exercício 3: resolução

(Eel)lâmpada = (Eel)chuveiro => 60.Δt = 4500.20 => Δt = 1500 min = 25 h 

Resposta: 25 horas


Exercício 4: resolução
 
a) Primeira leitura: 2614 kWh
b) Segunda leitura: 3045 kWh
c) Consumo de energia elétrica no mês: 3045 kWh-2614 kWh = 431 kWh

Respostas:
a) 2614 kWh
b) 3045 kWh
c) 431 kWh

Exercício 5: resolução
x
Energia elétrica consumida pela lâmpada: 
Eel = P.Δt = 100/1000(kW).(0,5)(h) => Eel = 0,05 kWh

Energia elétrica consumida pelo liquidificador:
Eel = P.Δt = 450/1000(kW).(8/60)(h) => Eel = 0,06 kWh

Resposta: Nas condições descritas o liquidificador consome mais energia elétrica.