Diferença de potencial e trabalho elétrico: usando W = qV
Aprende como a diferença de potencial mede a energia transferida por unidade de carga e como aplicar W = qV em cálculos e raciocínio de Física HSC.
Uma bateria de 9 V e uma pilha de 1,5 V conseguem ambas fazer mover carga através de um circuito. Mas suponhamos que passam exatamente \(2.0\ \text{C}\) de carga por cada uma. Qual das fontes transfere mais energia para essa carga?
Faz uma previsão antes de calcular. A mesma quantidade de carga se move em ambos os casos, por isso a diferença tem de resultar da tensão. A bateria de 9 V transfere \(18\ \text{J}\), enquanto a pilha de 1,5 V transfere apenas \(3.0\ \text{J}\).
É isto que a diferença de potencial indica: quanta energia elétrica é transferida por unidade de carga.
01O que indica realmente uma tensão?
Um voltímetro pode indicar \(6.0\ \text{V}\) aos terminais de uma bateria. É tentador pensar que “6 volts” é uma quantidade de energia. Não é.
A tensão é uma grandeza que representa energia por unidade de carga.
\[
1\ \text{V} = 1\ \text{J C}^{-1}
\]
Assim, uma diferença de potencial de \(6.0\ \text{V}\) significa que são transferidos \(6.0\ \text{J}\) de energia por cada \(1.0\ \text{C}\) de carga que atravessa essa diferença de potencial.
Um primeiro modelo útil é pensar numa compra com um preço por unidade:
- a tensão é como o preço por quilograma,
- a carga é como o número de quilogramas,
- a energia transferida é como o custo total.
Se as maçãs custarem $6 por quilograma, comprar \(3\ \text{kg}\) custa três vezes mais do que comprar \(1\ \text{kg}\). Da mesma forma, se uma diferença de potencial transferir \(6\ \text{J}\) por coulomb, mover \(3\ \text{C}\) transfere três vezes mais energia do que mover \(1\ \text{C}\).
A analogia é apenas matemática. Uma bateria não está a “vender” energia às cargas, e a carga não é consumida como as maçãs. A carga move-se através do circuito enquanto a energia é transferida entre formas elétricas e outras formas de energia.
02Da energia por unidade de carga a \(W=qV\)
A diferença de potencial é definida pela relação
\[
V = \frac{W}{q}
\]
onde:
- \(V\) é a diferença de potencial em volts (\(\text{V}\)),
- \(W\) é o trabalho elétrico realizado, ou a energia transferida, em joules (\(\text{J}\)),
- \(q\) é a carga deslocada em coulombs (\(\text{C}\)).
Reorganizando, obtém-se a forma que usarás frequentemente nos cálculos:
\[
W = qV
\]
Esta equação diz algo simples:
Energia transferida = carga deslocada x energia transferida por coulomb.
As unidades confirmam esta ideia:
\[
\text{C} \times \frac{\text{J}}{\text{C}} = \text{J}
\]
Os coulombs cancelam-se, ficando joules.
O que significa um volt?
Se \(1.0\ \text{C}\) atravessar uma diferença de potencial de \(1.0\ \text{V}\),
\[
W = qV = (1.0)(1.0) = 1.0\ \text{J}
\]
Portanto:
\[
1\ \text{V} = 1\ \text{J C}^{-1}
\]
Esta interpretação é mais útil do que memorizar apenas a equação.
Se conheces a diferença de potencial, conheces a transferência de energia por cada coulomb de carga.
03Exemplo resolvido: energia transferida por uma bateria
Uma bateria de \(12\ \text{V}\) faz passar \(3.5\ \text{C}\) de carga através da bateria. Calcula a energia transferida para a carga.
Passo 1
Uma diferença de potencial de \(12\ \text{V}\) significa que são transferidos \(12\ \text{J}\) de energia por coulomb de carga.
Passo 2
\[
W = qV
\]
Passo 3
\[
W = (3.5\ \text{C})(12\ \text{V}) = 42\ \text{J}
\]
Passo 4
A bateria transfere \(42\ \text{J}\) de energia para os \(3.5\ \text{C}\) de carga.
Repara que a bateria não forneceu \(12\ \text{J}\) no total. Fornece \(12\ \text{J}\) por coulomb.
04A diferença de potencial requer dois pontos
O potencial elétrico, por si só, descreve um ponto. A diferença de potencial compara dois pontos.
É por isso que a tensão é medida entre os terminais de um componente.

Suponhamos que existe uma diferença de potencial de \(5.0\ \text{V}\) entre os terminais de uma lâmpada. Se \(1.0\ \text{C}\) de carga atravessar a lâmpada, \(5.0\ \text{J}\) de energia elétrica são transferidos das cargas para a lâmpada.
Essa energia pode acabar por surgir principalmente sob a forma de energia térmica e luz.
Se, em vez disso, passarem \(4.0\ \text{C}\), a tensão não terá necessariamente mudado. Há simplesmente mais carga a transferir energia:
\[
W = (4.0\ \text{C})(5.0\ \text{V}) = 20\ \text{J}
\]
Esta é uma distinção importante:
- a tensão indica a energia transferida por coulomb,
- a carga indica quanta carga se deslocou,
- o produto de ambas fornece a energia total transferida.
Se precisares de rever o que realmente se move através de um condutor metálico, consulta Corrente Elétrica nos Metais: Portadores de Carga e Deriva.
05Para onde vai a energia?
Considera um circuito simples que contém uma bateria e uma resistência.
No interior da bateria, processos químicos transferem energia para as cargas. À medida que essas cargas se movem através do circuito externo, o campo elétrico transfere essa energia para os componentes do circuito.
Na resistência, a energia elétrica é convertida principalmente em energia térmica.
Assim, se \(50\ \text{C}\) atravessarem uma resistência com \(8.0\ \text{V}\) entre os seus terminais,
\[
W = qV = (50\ \text{C})(8.0\ \text{V}) = 400\ \text{J}
\]
A resistência recebe \(400\ \text{J}\) de energia do sistema elétrico.
A carga em si não é consumida. Continua a circular pelo circuito.
Este último ponto é importante. Um erro comum é imaginar que uma resistência “consome eletrões”. Não consome. Recebe energia das cargas em movimento.
06Exemplo resolvido: determinar a diferença de potencial
Um elemento de aquecimento recebe \(1.8\ \text{kJ}\) de energia elétrica enquanto \(150\ \text{C}\) de carga o atravessam. Calcula a diferença de potencial entre os terminais do elemento.
Passo 1
\[
1.8\ \text{kJ} = 1.8 \times 10^3\ \text{J}
\]
Passo 2
\[
V = \frac{W}{q}
\]
Passo 3
\[
V = \frac{1.8\times10^3\ \text{J}}{150\ \text{C}}
= 12\ \text{J C}^{-1}
= 12\ \text{V}
\]
Passo 4
A diferença de potencial é \(12\ \text{V}\). Isto significa que o elemento recebe \(12\ \text{J}\) de energia elétrica por cada coulomb de carga que o atravessa.
07Uma descrição mais rigorosa: cargas positivas e negativas
Até agora, falámos sobretudo da magnitude da energia transferida. É isso que normalmente se pretende nas questões simples que usam \(W=qV\).
Há ainda outro nível de análise.
A carga pode ser positiva ou negativa. Um protão tem carga positiva, enquanto um eletrão tem carga negativa:
\[
q_{\text{eletrão}} = -1.602\times10^{-19}\ \text{C}
\]
Como \(q\) pode ter sinal, as equações que envolvem o potencial elétrico também podem incluir sinais.
Por exemplo, a variação da energia potencial elétrica de uma carga pode ser escrita como
\[
\Delta U = q\Delta V
\]
onde:
- \(\Delta U\) é a variação da energia potencial elétrica,
- \(q\) é a carga,
- \(\Delta V = V_{\text{final}}-V_{\text{inicial}}\).
Aqui está a previsão importante.
Suponhamos que um eletrão se move para um ponto de potencial elétrico mais elevado. A sua energia potencial elétrica aumenta ou diminui?
Diminui.
Para um eletrão, \(q\) é negativo. Se \(\Delta V\) for positivo, então
\[
\Delta U = q\Delta V
\]
é negativo.
É por isso que afirmar automaticamente que “mover-se para uma tensão mais elevada significa sempre ganhar energia potencial” está errado. Essa afirmação funciona para uma carga de teste positiva, mas um eletrão tem o sinal oposto.
No entanto, em muitos cálculos de circuitos no HSC, pede-se a quantidade de energia transferida. Nesse caso, a relação em termos de magnitude é frequentemente a forma mais clara:
\[
W = |q|\,|\Delta V|
\]
Lê atentamente o enunciado antes de decidires se os sinais são fisicamente importantes.
08Exemplo resolvido: energia transferida para um eletrão
Um eletrão atravessa uma diferença de potencial com magnitude de \(250\ \text{V}\). Calcula a magnitude da energia transferida.
Passo 1
\[
|q| = 1.602\times10^{-19}\ \text{C}
\]
Passo 2
\[
W = |q|V
\]
Passo 3
\[
W
= (1.602\times10^{-19}\ \text{C})(250\ \text{V})
= 4.005\times10^{-17}\ \text{J}
\]
Com um número adequado de algarismos significativos,
\[
W = 4.01\times10^{-17}\ \text{J}
\]
Passo 4
Um único eletrão transfere apenas uma quantidade minúscula de energia porque a sua carga é extremamente pequena.
Grandes transferências de energia elétrica envolvem números enormes de eletrões. Um coulomb corresponde a cerca de \(6.24\times10^{18}\) cargas elementares.
09O equívoco a evitar: “uma tensão maior significa mais carga”
Imagina dois circuitos. Uma bateria é de \(3.0\ \text{V}\) e a outra é de \(12\ \text{V}\).
Um aluno pode prever que a bateria de \(12\ \text{V}\) tem necessariamente de mover quatro vezes mais carga.
Essa previsão pode parecer razoável porque uma tensão maior soa a “mais eletricidade”. Mas a tensão não indica quanta carga se desloca.
Indica quanta energia é transferida por coulomb.
Uma bateria de \(12\ \text{V}\) transfere quatro vezes mais energia por coulomb do que uma bateria de \(3.0\ \text{V}\):
\[
12\ \text{J C}^{-1}
\quad\text{em comparação com}\quad
3.0\ \text{J C}^{-1}
\]
A quantidade de carga que realmente passa depende da corrente e do tempo durante o qual o circuito funciona.
Uma regra prática útil é:
| Se a questão pedir… | Pensa em… | Relação útil |
|---|---|---|
| Energia transferida | energia total | \(W=qV\) |
| Diferença de potencial | energia por unidade de carga | \(V=\frac{W}{q}\) |
| Carga transferida | quantidade de carga envolvida | \(q=\frac{W}{V}\) |
| Significado de \(1\ \text{V}\) | joules por coulomb | \(1\ \text{V}=1\ \text{J C}^{-1}\) |
10O que \(W=qV\) não te diz
A equação relaciona energia, carga e diferença de potencial. Não indica a rapidez com que ocorre a transferência de energia.
Compara dois aparelhos que recebem, cada um, \(600\ \text{J}\).
Um pode receber essa energia em \(2\ \text{s}\), enquanto outro demora \(30\ \text{s}\). As transferências de energia são iguais, mas as taxas de transferência de energia são muito diferentes.
O conceito seguinte é a potência:
\[
P = \frac{W}{t}
\]
Combinar o trabalho elétrico com o fluxo de carga conduz, mais adiante, a relações como \(P=VI\). Mas \(W=qV\) é a base: a tensão indica a energia transferida por cada coulomb antes de te preocupares com a rapidez com que esses coulombs se estão a mover.
11Perguntas e soluções
Pergunta 1
Uma fonte de alimentação de \(7.5\ \text{V}\) faz passar \(4.0\ \text{C}\) de carga através de um componente do circuito. Calcula a energia transferida.
Solução 1
A energia transferida é \(30\ \text{J}\).
A diferença de potencial é a energia transferida por unidade de carga, por isso usa
\[
W=qV
\]
Substituindo,
\[
W=(4.0\ \text{C})(7.5\ \text{V})
=30\ \text{J}
\]
O componente recebe, portanto, \(30\ \text{J}\) de energia quando \(4.0\ \text{C}\) de carga atravessam uma diferença de potencial de \(7.5\ \text{V}\).
Pergunta 2
Um motor recebe \(540\ \text{J}\) de energia elétrica enquanto \(45\ \text{C}\) de carga o atravessam. Determina a diferença de potencial entre os terminais do motor e explica o significado físico da tua resposta.
Solução 2
A diferença de potencial é \(12\ \text{V}\), o que significa que são transferidos \(12\ \text{J}\) de energia por cada coulomb de carga que atravessa o motor.
Usa
\[
V=\frac{W}{q}
\]
Substituindo,
\[
V=\frac{540\ \text{J}}{45\ \text{C}}
=12\ \text{J C}^{-1}
=12\ \text{V}
\]
O valor \(12\ \text{V}\) não representa a energia total utilizada pelo motor. Representa a energia transferida por coulomb.
Pergunta 3
Dois componentes, X e Y, transferem a mesma quantidade total de energia elétrica. O componente X tem \(6.0\ \text{V}\) entre os seus terminais, enquanto o componente Y tem \(18\ \text{V}\) entre os seus terminais.
Um aluno afirma que a mesma quantidade de carga deve ter passado pelos dois componentes porque ambos transferiram a mesma energia.
O aluno está correto? Se não, determina a razão \(q_X\:q_Y\).
Solução 3
O aluno não está correto. A razão entre as cargas é \(q_X\:q_Y=3:1\).
A energia transferida é
\[
W=qV
\]
Ambos os componentes transferem o mesmo \(W\), por isso
\[
q_XV_X=q_YV_Y
\]
Substitui as diferenças de potencial:
\[
q_X(6.0\ \text{V})=q_Y(18\ \text{V})
\]
Portanto,
\[
\frac{q_X}{q_Y}
=
\frac{18}{6.0}
=3
\]
logo,
\[
q_X\:q_Y=3:1
\]
O componente X transfere apenas \(6.0\ \text{J}\) por coulomb, enquanto o componente Y transfere \(18\ \text{J}\) por coulomb. Por isso, X necessita de três vezes mais carga para transferir a mesma quantidade total de energia.
A armadilha está em assumir que energias iguais significam cargas iguais. Isso não é verdade quando as diferenças de potencial são diferentes.
Pergunta 4
Uma partícula carregada com carga \(+3.2\times10^{-19}\ \text{C}\) move-se de um ponto a \(20\ \text{V}\) para um ponto a \(65\ \text{V}\).
Calcula a variação da sua energia potencial elétrica. Indica se a energia potencial aumenta ou diminui.
Solução 4
A energia potencial elétrica da partícula aumenta em \(1.44\times10^{-17}\ \text{J}\).
Primeiro, calcula a variação de potencial:
\[
\Delta V
=
V_{\text{final}}-V_{\text{inicial}}
=
65\ \text{V}-20\ \text{V}
=
45\ \text{V}
\]
Usa
\[
\Delta U=q\Delta V
\]
Substituindo,
\[
\Delta U
=
(3.2\times10^{-19}\ \text{C})(45\ \text{V})
=
1.44\times10^{-17}\ \text{J}
\]
O resultado é positivo, por isso a energia potencial elétrica aumenta.
Isto faz sentido para uma carga positiva que se move para um potencial elétrico mais elevado. O mesmo raciocínio não pode ser aplicado sem alterações a uma carga negativa, porque o sinal de \(q\) inverteria o sinal de \(\Delta U\).
Pergunta 5
Um eletrão move-se do ponto A, a \(10\ \text{V}\), para o ponto B, a \(70\ \text{V}\).
Um aluno diz: “O eletrão move-se para um potencial mais elevado, por isso a sua energia potencial elétrica tem de aumentar.”
Outro diz: “A diferença de potencial é \(60\ \text{V}\), por isso a energia potencial do eletrão varia em \(+60\ \text{J}\).”
Avalia ambas as afirmações e calcula a variação real da energia potencial elétrica do eletrão.
Usa \(q_{\text{eletrão}}=-1.602\times10^{-19}\ \text{C}\).
Solução 5
Ambas as afirmações estão incorretas. A energia potencial elétrica do eletrão diminui em \(9.61\times10^{-18}\ \text{J}\).
Primeiro, calcula a variação de potencial:
\[
\Delta V
=
70\ \text{V}-10\ \text{V}
=
60\ \text{V}
\]
Agora usa
\[
\Delta U=q\Delta V
\]
Substituindo a carga negativa do eletrão,
\[
\Delta U
=
(-1.602\times10^{-19}\ \text{C})(60\ \text{V})
=
-9.612\times10^{-18}\ \text{J}
\]
Portanto,
\[
\Delta U\approx-9.61\times10^{-18}\ \text{J}
\]
O resultado negativo significa que o eletrão perde energia potencial elétrica.
O erro do primeiro aluno é tratar o eletrão como se fosse uma carga positiva. Um potencial elétrico mais elevado corresponde a uma energia potencial mais elevada para uma carga positiva, mas um eletrão tem carga negativa.
O erro do segundo aluno é tratar volts como joules. Um volt é um joule por coulomb, por isso é necessário incluir a carga. Uma diferença de potencial de \(60\ \text{V}\) não significa uma variação de energia de \(60\ \text{J}\), a menos que a carga envolvida tenha uma magnitude exatamente igual a \(1\ \text{C}\).
O próximo passo importante é relacionar esta ideia de energia por unidade de carga com a corrente e a potência. Quando souberes quanta energia cada coulomb transfere e quanta carga passa em cada segundo, poderás determinar a rapidez com que um dispositivo elétrico transfere energia.