Antes de iniciar o assunto sobre potência elétrica, precisamos esclarecer os conceitos de tensão e corrente elétrica.
Um campo elétrico gerado por uma carga positiva forma linhas de campo de afastamento da carga, enquanto que o campo gerado por uma carga negativa, forma linhas de campo de aproximação desta carga. Suponhamos uma carga positiva Q, com suas linhas de afastamento, conforme figura 1.
Figura 1. Campo elétrico de uma carga positiva Q, com uma carga de prova q para medir a d.d.p. de A a B.
Se colocarmos uma carga de prova q, pela repulsão de cargas com sinais iguais, a carga de prova q tende a ir da posição A para B na figura 1. A energia de repulsão em A é maior que a energia de repulsão em B, pois quanto mais perto da carga fonte Q, maior o potencial. A esta diferença de energia entre A e B chamamos de diferença de potencial (ddp), ou tensão U.
Toda vez que movimentamos uma carga de prova neste campo, há um trabalho (τ) sendo feito, ou pelo próprio campo, se a favor das linhas, ou por uma força externa, se contrário às linhas. Desta forma, a tensão elétrica U é definida como:
U=\frac{\tau}{Q}\hspace{1cm}(1)
onde o trabalho τ é dado em joule (J), a carga fonte Q é dada em coulomb (C) e a tensão U é dada em volt (V), se considerarmos as medidas no S.I.
Já a corrente elétrica, sabemos que é o fluxo ordenado de elétrons, do polo negativo do gerador para o positivo (sentido real). Contudo, a comunidade científica adota o sentido do polo positivo do gerador para o negativo (sentido convencional). Veja o fluxo de elétrons na ampliação de um trecho do fio condutor na figura 2.
Figura 2. Ampliação de um fio condutor em um circuito a fim de ver o fluxo de elétrons (sentido real da corrente), enquanto a corrente i está no sentido convencional.
A corrente elétrica (i) é medida pelo tanto de carga (Q), número de elétrons, que passa em uma seção do fio por um instante de tempo (Δt)
i=\frac{Q}{\Delta t}\hspace{1cm}(2)
onde i é dado em ampère (A), Q em coulomb (C) e o tempo em segundo (s).
Até agora vimos as definições de tensão elétrica e corrente elétrica. O objetivo é definir a potência elétrica. Na mecânica, a potência P é o quão rápido podemos fazer um trabalho, por isso é dada pela taxa de trabalho pelo tempo:
p=\frac{\tau}{\Delta t}\hspace{1cm}(3)
A potência elétrica possui a mesma característica, diferindo apenas na forma de trabalho, que é devido a natureza elétrica. Deste modo, se isolarmos o traballho na equação (1)
\tau=U\cdot Q
e a variação de tempo na equação (2)
\Delta t=\frac{Q}{i}
substituindo ambos na equação (3), obtemos a equação da potência elétrica:
P=\frac{\tau}{\Delta t}=\frac{U\cdot Q}{\frac{Q}{i}}=\frac{U\cdot Q\cdot i}{Q}=U\cdot i
A potência elétrica (P) é a taxa com que a energia elétrica é transformada em outra forma de energia, seja térmica, mecânica, luminosa, entre outras. Ela é dada pela corrente elétrica (i) multiplicada pela tensão elétrica (U), como demonstrado anteriormente:
P=U\cdot i\hspace{1cm}(4)
No S.I. ela é dada em Watt, que é o produto de ampère (corrente) por volt (tensão).
A potência elétrica é um assunto muito cobrado em grandes exames vestibulares e provas nacionais, como o ENEM, por exemplo. Isso é devido a sua presença e importância no cotidiano, pois o termo está presente na análise do consumo diário de energia, seja residencial ou comercial. Também é necessário seu entendimento para compreender as formas de transformação de energia, bem como o funcionamento de sua fonte geradora, no caso do Brasil, as usinas hidrelétricas em sua maior parte.
No momento em que nos deparamos com a conta de energia, percebemos a presença dos termos potência e energia elétrica e precisamos não só interpretar e identificar valores, mas também entender os cálculos que foram feitos. Veja um exemplo a seguir:
Em uma cidade o kWh custa R$ 0,30. A média de tempo do banho de Pedro é de 10 minutos. Se o chuveiro dele está submetido a uma tensão de 220 V e a corrente elétrica é de 30 A, então
a) qual seria a potência do chuveiro?
P = U . i = 220 . 30 = 6600 W = 6,6 kW.
b) e o gasto em reais de Pedro, em um mês, supondo um banho por dia?
Suponhamos que um mês tenha 30 dias, Pedro ficará no banho neste período:
30 . 10 min. = 300 min. = (300/60) h = 5 horas.
Logo,
P=\frac{\tau}{\Delta t}\rightarrow\tau=P\cdot\Delta t\rightarrow\tau=6,6kW\cdot 5h\rightarrow\tau=33kWh
Como 1 kWh é R$ 0,30, ele gasta em um mês com os banhos:
Gasto = 33 . 0,30 = R$ 9,90.
O chuveiro é o aparelho elétrico que possui um dos maiores consumos de energia elétrica em uma residência, por isso é necessária a conscientização do seu uso, devido a escassez de recursos energéticos e hídricos no planeta.