O conceito de potencial eléctrico é uma base importante para a teoria da electrostática e da electrodinâmica. A compreensão da sua essência é um pré-requisito para o estudo mais aprofundado destes ramos da física.
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O que é um potencial eléctrico
Deixe uma unidade de carga q ser colocada no campo criado por uma carga estacionária Q, que é influenciada por Força coulomb F=k*Qq/r.
A seguir k=((1/4)*π* ε* ε), onde ε0 — é a constante eléctrica (8,85*10-12 F/m), e ε constante dieléctrica de meio.
Introduzido por taxa pode mover-se sob a acção desta força, e a força fará algum trabalho para o fazer. Isto significa que um sistema de duas cargas tem uma energia potencial dependendo da magnitude de ambas as cargas e da distância entre elas, e a magnitude desta energia potencial é independente da magnitude da carga q. É aqui que é introduzida a definição do potencial eléctrico - é igual à razão entre a energia potencial do campo e a magnitude da carga:
φ = W/q,
onde W é a energia potencial do campo criada pelo sistema de cargas, e o potencial é a energia característica do campo. Para mover uma carga q num campo eléctrico a alguma distância, é necessário despender algum trabalho para ultrapassar a força Coulomb. O potencial de um ponto é igual ao trabalho necessário para mover uma carga unitária desse ponto para o infinito. É de notar que:
- este trabalho será igual à perda de energia potencial da carga (A=W2-W1);
- o trabalho é independente da trajectória da carga.
No sistema SI, a unidade de potencial é um Volt (na literatura russa, denotado por V, na literatura estrangeira por V). 1 V=1J/1Kl, ou seja, podemos falar do potencial de um ponto de 1 Volt, se for preciso trabalho de 1 Joule para mover uma carga de 1Kl para o infinito. O nome é escolhido depois do físico italiano Alessandro Volta, que deu um contributo significativo para o desenvolvimento da engenharia eléctrica.
Para visualizar o potencial, pode ser comparado com a temperatura de dois corpos ou a temperatura medida em pontos diferentes no espaço. A temperatura é uma medida de aquecimento dos objectos e o potencial é uma medida de carga eléctrica. Diz-se que um corpo é mais aquecido do que outro; também se pode dizer que um corpo é mais carregado e o outro menos. Estes corpos têm diferentes potenciais.
O valor do potencial depende da escolha do sistema de coordenadas, pelo que algum nível tem de ser tomado como zero. Ao medir a temperatura, a temperatura do gelo fundente, por exemplo, pode ser tomada como um limite de referência. Para um potencial, o potencial de um ponto infinitamente distante é normalmente tomado como zero, mas para algumas aplicações, o potencial da terra ou o potencial de um dos enrolamentos de um condensador, por exemplo, pode ser tomado como zero.
Propriedades de um potencial
Algumas propriedades importantes de um potencial são
- se o campo for gerado por várias cargas, o potencial num determinado ponto será igual ao algébrico (tendo em conta o sinal da carga) soma dos potenciais gerados por cada uma das cargas φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+φn;
- se as distâncias das cargas forem tais que as próprias cargas possam ser consideradas como pontos, o potencial total é calculado pela fórmula φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), onde r é a distância da carga correspondente até ao ponto em questão.
Se o campo for formado por um dipolo eléctrico (duas cargas relacionadas de sinal contrário), o potencial em qualquer ponto localizado a uma distância r do dipolo é φ=k*p*cosά/r2onde:
- p é o braço eléctrico do dipolo, igual a q*l, onde l é a distância entre as cargas;
- r é a distância até ao dipolo;
- ά é o ângulo entre o braço dipolo e o vector de raio r.
Se o ponto estiver no eixo dipolo, cosά=1 e φ=k*p/r2.
Potencial diferença
Se dois pontos tiverem um certo potencial, e se não forem iguais, diz-se que existe uma diferença potencial entre os dois pontos. Ocorre uma diferença potencial entre os pontos
- cujo potencial é determinado por cargas de sinais diferentes;
- um ponto com potencial a partir de qualquer sinal de uma carga e um ponto com potencial zero
- pontos com um potencial de sinal igual mas diferente no modulo.
Ou seja, a diferença potencial não depende da escolha do sistema de coordenadas. Uma analogia pode ser feita com piscinas de água localizadas a diferentes alturas relativamente ao nível do solo (por exemplo, nível do mar).
A água de cada piscina tem uma certa energia potencial, mas se ligar duas piscinas por um tubo, haverá um fluxo de água em cada piscina, cujo fluxo é determinado não só pelo tamanho do tubo, mas também pela diferença de energias potenciais no campo de gravidade da Terra (ou seja, a diferença de altitude). Neste caso, o valor absoluto das energias potenciais não importa.
Da mesma forma, se ligar dois pontos com um potencial diferente a um condutor, este transportará uma corrente eléctricadeterminado não só pela resistência do condutor mas também pela diferença potencial (mas não pelo seu valor absoluto). Continuando com a analogia da água, podemos dizer que a água na bacia superior se esgotará em breve, e a menos que se encontre uma força para mover a água de volta para cima (como uma bomba), o fluxo irá parar muito rapidamente.
É o mesmo num circuito eléctrico - para manter a diferença potencial a um determinado nível, será necessária uma força que transporte cargas (ou melhor, portadores de cargas) até ao ponto com o potencial mais elevado. Esta força é chamada de força electromotriz e é abreviada como FME. Os campos electromagnéticos podem ser de várias naturezas - electroquímica, electromagnética, etc.
Na prática, é principalmente a diferença potencial entre o ponto de partida e o ponto final da trajectória dos portadores da carga que importa. Neste caso, esta diferença é chamada de tensão, e em SI também é medida em volts. Pode-se dizer uma voltagem de 1 Volt se o campo fizer o trabalho de 1 Joule ao mover uma carga de 1 Coulomb de um ponto para outro, ou seja 1V=1J/1Kl, e J/Kl também pode ser a unidade de medida da diferença potencial.
Superfícies equipotenciais
Se o potencial de vários pontos for o mesmo e esses pontos formarem uma superfície, essa superfície é chamada de equipotencial. Uma esfera circunscrita em torno de uma carga eléctrica, por exemplo, tem esta propriedade, uma vez que o campo eléctrico diminui igualmente em todas as direcções com a distância.
Todos os pontos desta superfície têm a mesma energia potencial, pelo que nenhum trabalho será gasto ao mover uma carga sobre tal esfera. As superfícies equipotenciais de sistemas de várias cargas têm uma forma mais complexa, mas têm uma propriedade interessante - nunca se cruzam. As linhas de força do campo eléctrico são sempre perpendiculares às superfícies com o mesmo potencial em cada um dos seus pontos. Se a superfície equipotencial for dissecada por um plano, obtemos uma linha de potenciais iguais. Tem as mesmas propriedades que uma superfície equipotencial. Na prática, os pontos na superfície de um condutor colocado num campo electrostático, por exemplo, têm um potencial igual.
Depois de ter compreendido o conceito de potencial e diferença potencial, pode começar a aprender mais sobre os fenómenos eléctricos. Mas não antes, porque sem uma compreensão dos princípios e conceitos básicos, não será possível aprofundar os seus conhecimentos.
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