Potência elétrica e efeito de Joule

Potência elétrica e efeito de Joule

 Consideremos um meio condutor elétrico onde está definido um campo elétrico uniforme. Por simplicidade, suponhamos que o condutor tem a forma de um cilindro, de raio R e comprimento L. 

Seja ΔV a diferença de potencial nos extremos do condutor. Devido à existência de campo elétrico, as cargas livres do condutor entram em movimento ordenado, formando uma corrente elétrica. Cada carga fica sujeita a uma força dada pela expressão F = q.E , sendo q a carga elétrica das partículas livres.
 

O trabalho realizado pela força elétrica no transporte de N cargas desde uma das extremidades do condutor até à outra é: W = F.Δr

 A potência dispendida pelo campo elétrico é:W/Δt = N.q.ΔV/Δt,

A quantidade N.q.ΔV/Δt é a quantidade de carga que atravessa a seção reta do condutor no intervalo de tempo Δt e ΔV é a diferença de potencial entre as extremidades do condutor. Assim, a potência pode ser escrita na seguinte forma: P = I.ΔV

Se o condutor obedecer à lei de Ohm, a fórmula para a potência pode ser escrita de outra forma: P = I².R

Quando existe um condutor elétrico a ser atravessado por uma corrente estacionária, a velocidade de deriva mantém-se aproximadamente constante porque, apesar da aceleração provocada pelo campo elétrico, os eletrões chocam com os iões da rede metálica que os abrandam. Durante estes choques há transferência de energia dos eletrões acelerados pelo campo elétrico para os iões da rede metálica. Desta maneira, a energia interna do condutor aumenta, aumentando também a sua temperatura. Este fenómeno é conhecido por Efeito Joule.

O efeito Joule, também conhecido como efeito térmico, é uma transformação de energia, quando os elétrons em um determinado condutor se chocam. Quando há essa colisão, ocorre um aquecimento no condutor. Em determinados circuitos, dependendo da sua finalidade, isso pode ser visto como uma perda de energia, mas em outros casos, existe uma transformação que a torna útil.

Um exemplo disso é a lâmpada incandescente. Os elétrons se chocam no condutor, que no caso é feito de um material chamado tungstênio. Esse material tem um alto ponto de fusão, ou seja, suporta uma altíssima temperatura. Combinando esses fatores, ocorre um aquecimento alto, capaz de produzir luz.

O efeito joule não é só útil em lâmpadas. Ele também está presente em fornos elétricos, ferros de passar roupas, marmiteiros elétricos, chuveiros, alisadores de cabelo ou "chapinhas", fusíveis entre outros aparelhos. Nesse caso, são usados materiais que suportam uma alta temperatura e eletricamente mais resistentes.

 Autor: Miguel Ferreira & Saturno Filho

Exercícios

01. (PUCCamp-SP) Qual a intensidade da corrente elétrica que atravessa o filamento de uma lâmpada de incandescência de 120 V e 60 W?
a) 0,50 A                c) 1,50 A                e) 2,00A.
b) 1,00 A                d) 1,00 A

02. (UFPB) Um chuveiro elétrico tem resistência de 24 Ohm e, quando ligado à rede de fornecimento de energia, fornece uma potência de 2 kW. Qual o valor, em ohms, da resistência que deveria ser usada para que o chuveiro tivesse a sua potência triplicada?

03. (UFPel-RS) Um estudante que morava em Pelotas, onde a voltagem é 220 V, após concluir seu curso de graduação, mudou-se para Porto Alegre, onde a voltagem é 110 V.
Modificações deverão ser feitas na resistência do chuveiro – que ele levou na mudança – para que a potência desse aparelho não se altere.
Com relaABARITOção à nova resistência do chuveiro e à corrente elétrica que passará através dessa resistência, é correto afirmar que:
a) tanto a resistência original quanto a corrente elétrica quadruplicarão.
b) a resistência original será reduzida à metade e a corrente elétrica duplicará.
c) tanto a resistência original como a corrente elétrica duplicarão.
d) a corrente elétrica permanecerá a mesma, não sendo, pois, necessário modificar a resistência original.
e) a resistência original será reduzida à quarta parte e a corrente elétrica duplicará.

04. (UFPel-RS) Uma lâmpada usada normalmente em Pelotas, onde a voltagem (ddp) é 220 V, não
queima quando utilizada em Rio Grande, em que a voltagem da rede elétrica é de 110 V. No entanto, na situação inversa, queima.
a) O efeito Joule explica por que a lâmpada queima. O que é o efeito Joule?
 

b) Compare, qualitativamente, a intensidade da corrente que circula na lâmpada usada normalmente em Rio Grande, com a intensidade da corrente nessa lâmpada quando usada em Pelotas.
 

c) Explique, com base na análise anterior e no efeito Joule, por que a lâmpada queima.

Gabarito

01. A

02. R = 8 ohms

03. E

04.

a) Efeito Joule é a transformação de energia elétrica em energia térmica que ocorre num condutor de resistência elétrica não-nula, quando este é percorrido por corrente elétrica.

b) A potência dissipada pela lâmpada em Pelotas é quatro vezes maior.

c) O filamento da lâmpada é obrigado a dissipar, em Pelotas, uma quantidade de energia térmica quatro vezes maior, o que ocasiona sua fusão (queima).