Entendendo Potência em Circuitos Elétricos: Medição e Significado

Além de tensão e corrente, existe outro parâmetro importante relacionado a circuitos elétricos: potência. Primeiro, precisamos entender o que é potência antes de analisá-la em qualquer circuito.

O Que é Potência e Como Medimos?

Potência é uma medida de quanto trabalho pode ser realizado em uma dada quantidade de tempo. Trabalho é geralmente definido em termos de elevação de um peso contra a gravidade. Quanto mais pesado o peso e/ou mais alto é elevado, mais trabalho foi feito. Potência mede quão rapidamente uma quantidade padrão de trabalho é feita.

Para automóveis americanos, potência do motor é classificada em "horsepower" (HP), inventada inicialmente como forma para fabricantes de motores a vapor quantificarem capacidade de trabalho de suas máquinas em termos da fonte de energia mais comum de sua época: cavalos.

Um horsepower é definido em unidades britânicas como 550 ft-lbs de trabalho por segundo. A potência do motor de um carro não indica quão alta colina pode subir ou quanto peso pode rebocar, mas indica quão rápido pode subir uma colina específica ou rebocar um peso específico.

A potência de um motor mecânico é função tanto da velocidade quanto do torque fornecido no eixo de saída. Velocidade do eixo de saída é medida em rotações por minuto (RPM).

Torque é a quantidade de força de torção produzida pelo motor, geralmente medida em pound-feet (lb-ft) — não confundir com foot-pounds (ft-lbs), unidade de trabalho. Nem velocidade nem torque sozinhos medem potência de um motor.

Um motor diesel de trator de 100 HP gira relativamente devagar, mas fornece grande torque. Um motor de motocicleta de 100 HP gira muito rápido mas fornece torque relativamente pequeno. Ambos produzem 100 HP, mas em velocidades e torques diferentes. A equação para horsepower de eixo é simples:

 

 

Note que há apenas dois termos variáveis no lado direito, S e T. Todos os outros termos são constantes: 2, pi e 33.000 não mudam de valor. O horsepower varia apenas com mudanças em velocidade e torque, nada mais. Podemos reescrever a equação para mostrar esta relação:

 

 

Como a unidade "horsepower" não coincide exatamente com velocidade em RPM multiplicada por torque em lb-ft, não podemos dizer que horsepower iguala ST. No entanto, eles são proporcionais um ao outro. Conforme o produto matemático de ST muda, o valor para horsepower mudará pela mesma proporção.

Potência como Função de Tensão e Corrente

Em circuitos elétricos, potência é função de ambas tensão e corrente. Não surpreendentemente, esta relação tem semelhança marcante com a fórmula "proporcional" de horsepower acima:

 

 

Neste caso, porém, potência (P) é exatamente igual a corrente (I) multiplicada por tensão (E), em vez de meramente proporcional a IE. Ao usar esta fórmula, a unidade de medida para potência é o watt, abreviado com a letra "W".

Deve-se entender que nem tensão nem corrente por si constituem potência. Em vez disso, potência é a combinação de ambos tensão e corrente em um circuito. Lembre-se que tensão é o trabalho específico (ou energia potencial) por unidade de carga, enquanto corrente é a taxa na qual cargas elétricas movem-se através de um condutor.

Tensão (trabalho específico) é análoga ao trabalho feito elevando peso contra gravidade. Corrente (taxa) é análoga à velocidade na qual aquele peso é elevado. Juntas como produto (multiplicação), tensão (trabalho) e corrente (taxa) constituem potência.

Assim como no caso do motor diesel de trator e motor de motocicleta, um circuito com alta tensão e baixa corrente pode dissipar a mesma potência que um circuito com baixa tensão e alta corrente. Nem a quantidade de tensão sozinha nem a de corrente sozinha indica a potência em um circuito elétrico.

Potência em Circuito Aberto/Curto-Circuito

Em circuito aberto, onde tensão está presente entre terminais da fonte e há corrente zero, há zero potência dissipada, não importa quão grande seja a tensão. Como P=IE e I=0 e qualquer coisa multiplicada por zero é zero, potência dissipada em qualquer circuito aberto deve ser zero.

Da mesma forma, se tivéssemos curto-circuito construído de loop de fio supercondutor (resistência absolutamente zero), poderíamos ter condição de corrente no loop com tensão zero, e igualmente, nenhuma potência seria dissipada. Como P=IE e E=0 e qualquer coisa multiplicada por zero é zero, potência dissipada em loop supercondutor deve ser zero. (Exploraremos supercondutividade em capítulo posterior).

Como Horsepower Relaciona-se a Watts?

Se medimos potência em "horsepower" ou "watt", ainda falamos da mesma coisa: quanto trabalho pode ser feito em dado tempo. As duas unidades não são numericamente iguais, mas expressam o mesmo tipo de coisa.

Na verdade, fabricantes europeus de automóveis tipicamente anunciam potência de motor em quilowatts (kW), ou milhares de watts, em vez de horsepower! Estas duas unidades de potência relacionam-se por fórmula de conversão simples:

 

 

Então, nossos motores diesel e de motocicleta de 100 HP também poderiam ser classificados como motores de "74570 watt", ou mais propriamente, "74,57 kilowatt". Em especificações de engenharia europeia, esta classificação seria a norma, não a exceção.

REVISÃO:

• Potência mede quanto trabalho pode ser feito em dado tempo.
• Potência mecânica é comumente medida (na América) em "horsepower".
• Potência elétrica é quase sempre medida em "watts", calculada por P = IE.
• Potência elétrica é produto de ambos tensão e corrente, não um separadamente.
• Horsepower e watts são apenas duas unidades diferentes para descrever a mesma medição física, com 1 HP = 745,7 watts.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de Potência
• Planilha de Energia, Trabalho e Potência