Como você explica o aquecimento de fios metálicos quando uma corrente elétrica passa por eles

Física, 15.08.2019 00:19, isadoradp25

Uma das cidades mais frias do brasil é urupema, que fica em santa catarina. urupema é um municipio serrano com altitude media de 1425 metros acima do nivel do mar. está situado em um vale, cercado por elevações, o que torna a temperatura muito baixa, principalmente no inverno. em um dia tipico, a temperatura pela manhã foi de 41f e à tarde de 59f. a variação de temperatura que houve nesse dia, em graus celsius foi de: a: 2,0 b: 5,0 c: 10,0 d: 15.0

Respostas:

A movimentação das cargas elétricas é o fenômeno por trás do funcionamento dos aparelhos eletroeletrônicos. Quando uma carga elétrica, de carga positiva ou negativa, move-se em razão da influência de um campo elétrico externo, dizemos que se forma uma corrente elétrica.

Veja também: O que é campo elétrico?

O que é corrente elétrica?

A corrente elétrica é uma das grandezas fundamentais da Física, e sua unidade, de acordo com o Sistema Internacional, é o Ampére (A). Uma corrente elétrica de 1 Ampére implica que, durante 1 segundo, passou 1 Coulomb de cargas elétricas através de uma secção transversal feita em algum lugar do espaço. Observe a figura a seguir:

Enquanto houver algum número de cargas elétricas atravessando a secção transversal mostrada acima haverá corrente elétrica no material.

A definição de corrente elétrica é bastante simples. Observe:

A corrente elétrica pode ser calculada como a razão do módulo de carga que atravessa essa secção a cada segundo:

i – corrente elétrica
ΔQ – quantidade de carga elétrica
Δt – intervalo de tempo

Qual a diferença entre carga elétrica e corrente elétrica?

Corrente elétrica é a movimentação das cargas elétricas em alguma direção preferencial do condutor. Carga elétrica, por sua vez, é uma propriedade intrínseca da matéria. Grande parte das partículas existentes, como os prótons e os elétrons, apresenta carga elétrica e, por isso, pode ser atraída ou repelida por outras cargas elétricas.

A quantidade de cargas elétricas presentes em um corpo pode ser calculada por meio da fórmula a seguir:

Q – módulo da carga elétrica
n – número de portadores de carga
e – carga fundamental (1,6.10-19 C)

Prótons e elétrons são os portadores de carga mais comuns, apesar de serem partículas de diferentes massas e cargas elétricas de sinal oposto. A quantidade de carga presente nessas partículas é igual e recebe o nome de carga fundamental, cujo módulo é de aproximadamente 1,6.10-19 C.

Movimento das partículas elétricas dentro dos fios

Quando conectamos dois pontos de um fio condutor a uma diferença de potencial, ligando-o a uma bateria (gerador) ou a uma tomada, por exemplo, forma-se um campo elétrico no interior dos fios, responsável pelo surgimento de uma força elétrica que arrasta os elétrons em direção ao terminal positivo ou negativo.

O campo elétrico é formado no condutor na velocidade da luz, ou seja, a “ordem” de movimentação dos elétrons é praticamente imediata, de forma que todas essas partículas sentem a ação da força elétrica arrastando-as. Entretanto, o movimento dessas cargas é bastante lento, em razão das diversas interações mútuas entre elétrons e também das frequentes colisões entre os elétrons e os átomos que formam a rede cristalina dos metais, o que acarreta uma grande perda de velocidade. Essa velocidade em que os elétrons são conduzidos em um material, ou seja, a velocidade da corrente elétrica, é chamada de velocidade de arraste, e seu módulo é da ordem de centímetros por minuto.

Efeito Joule

Quando os elétrons colidem com os átomos do material em que se deslocam, transferem parte de sua energia cinética, promovendo a vibração da rede cristalina desse meio. Essa vibração acarreta o aumento de temperatura do material, configurando o chamado Efeito Joule.

Cargas elétricas em condutores, isolantes e semicondutores

→ Condutores

Todos os materiais condutores, como grande parte dos metais, apresentam um grande número de portadores de carga livres, ou seja, fracamente ligados aos núcleos atômicos do material. Esses portadores de carga são os elétrons, partículas muito leves e de carga elétrica negativa.

Em temperatura ambiente (25 ºC), por exemplo, os elétrons livres dos condutores não se encontram parados, mas também não estão sendo conduzidos entre um ponto e outro do material. Nesse caso, a própria agitação térmica do material é transmitida aos elétrons, fazendo com que essas partículas movam-se de forma caótica, em diferentes velocidades e sentidos, de forma que o deslocamento total dos elétrons é aproximadamente nulo. Quando isso ocorre, dizemos que o condutor encontra-se em equilíbrio eletrostático.

→ Isolantes

Materiais dotados de grande resistência elétrica, chamados de isolantes, naturalmente possuem poucos ou nenhum portador de carga elétrica que seja livre e que possa ser arrastado pela ação do campo elétrico. Nesses materiais, é necessário aplicar grandes campos elétricos até que ocorra a sua ionização. Esse processo explica a formação dos raios e é chamado de ruptura da rigidez dielétrica. No caso dos raios, o ar atmosférico, que é um meio isolante, admite a movimentação de cargas elétricas mediante a formação de um grande campo elétrico com as nuvens eletrizadas ou entre as nuvens e o solo.

Leia também: Cinco curiosidades sobre os raios que te deixarão de cabelo em pé

→ Semicondutores

Em materiais semicondutores, por sua vez, os portadores de carga encontram-se parcialmente ligados com seus núcleos atômicos em razão de uma fraca interação elétrica. É possível torná-los portadores de carga livres ao fornecer alguma forma de energia a essas partículas: aquecimento do material (materiais termoelétricos), interação mecânica (materiais piezoelétricos), iluminação (materiais fotoelétricos) etc.

No vácuo ou em materiais que não apresentem qualquer resistência elétrica, os portadores de carga elétrica podem mover-se sem quaisquer dificuldades. Nesses meios, ao sentirem a ação de um campo elétrico, os portadores de carga podem mover-se com grandes velocidades na direção da força elétrica que age sobre eles.

Movimento de cargas em líquidos

Quando colocamos alguma solução ligada a uma diferença de potencial, um campo elétrico é formado nesse líquido, e os próprios íons dissolvidos nessa solução deslocam-se para os polos que apresentam uma carga contrária a sua. Nesse caso, dizemos que uma corrente iônica é formada.

Sentido da corrente elétrica

Quando estudamos a movimentação das cargas elétricas em circuitos elétricos, é comum ouvirmos que a corrente elétrica pode ter dois sentidos: o sentido real e o sentido convencional. Essa convenção surgiu porque os portadores de carga nos condutores possuem carga negativa. Entenda: no sentido real, ao ligarmos um fio a uma diferença de potencial, os elétrons movem-se em direção ao polo positivo. Esse sentido de corrente é chamado de sentido real.

O sentido convencional da corrente, por sua vez, admite que os portadores de carga dos condutores tenham carga elétrica positiva, de forma que, ao ligarmos um fio a uma diferença de potencial, esses elétrons movem-se em direção ao potencial negativo. Para saber mais, leia: Sentido da corrente elétrica.

Por Me. Rafael Helerbrock

O efeito Joule é um fenômeno físico no qual a passagem de corrente elétrica através de algum meio resulta em seu aquecimento. Esse aquecimento surge em razão das diversas colisões que ocorrem entre os elétrons e os átomos que constituem a estrutura cristalina do material.

Para que haja dissipação de energia pelo efeito Joule, é necessário que o meio que é atravessado pela corrente elétrica apresente alguma resistência elétrica, que é a capacidade que o material tem de se opor à corrente elétrica. A resistência elétrica, portanto, define quanto calor será produzido enquanto o corpo estiver sendo atravessado por um fluxo de elétrons.

Para fazermos os cálculos do efeito Joule, devemos levar em conta somente os corpos que apresentem resistências ôhmicas, uma vez que sua resistência elétrica é aproximadamente constante, em acordo com o que é estabelecido pela 1ª lei de Ohm.

Veja também: Saiba tudo sobre resistores

Diversos aparelhos eletroeletrônicos fazem uso do efeito Joule para produzir calor, confira alguns exemplos:

• Chuveiro elétrico

• Aquecedores

• Churrasqueira elétrica

• Ferro de passar roupa

• Secador de cabelos

• Chapinha

• Torradeira

• Lâmpadas incandescentes

Apesar de desempenharem funções diferentes, todos os dispositivos listados acima apresentam algo em comum: são dotados de uma resistência que, se percorrida por uma corrente elétrica, produz grandes quantidades de calor.

Como o efeito Joule está relacionado à quantidade de energia que é dissipada por uma resistência elétrica, a unidade de medida dessa grandeza é o Joule (J), de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, mas também é comum que se utilize a unidade de caloria (cal), em alguns contextos.

Veja também: Segunda lei de Ohm

Fórmulas do efeito Joule

Vamos conferir quais são as principais fórmulas utilizadas para o estudo do efeito Joule. A primeira delas, chamada lei de Joule, permite calcularmos a quantidade de calor que é dissipada, observe:

Q – calor (J)

i – corrente elétrica

R – resistência elétrica (Ω)

t – intervalo de tempo (s)

A análise da fórmula acima nos indica que:

• A quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é proporcional ao quadrado da corrente elétrica que atravessa o corpo, portanto, dobrando-se o módulo da corrente elétrica, a quantidade de calor dissipado será quatro vezes maior, por exemplo.

• A quantidade de calor dissipado é diretamente proporcional à resistência elétrica, portanto, quanto maior for a resistência elétrica de um corpo, maior será a quantidade de calor que ele produzirá ao conduzir eletricidade.

• O tempo que uma corrente permanece a atravessar o corpo é diretamente proporcional à quantidade de calor dissipado.

Veja também: Calor sensível

Existem outras variações que podem ser utilizadas como uma opção para a fórmula mostrada anteriormente, para isso é necessário nos lembrarmos da primeira lei de Ohm:

U – tensão elétrica (V)

Ao usar a fórmula acima, será possível descobrir módulos de outras grandezas, a fim de substitui-los na fórmula do efeito Joule.

Experiência sobre efeito Joule

Há um experimento muito interessante que nos permite observar a dissipação de calor em razão do efeito Joule. Esse experimento apresenta um baixo custo e pode ser facilmente realizado com a supervisão de um adulto.

Para fazer esse experimento serão necessários:

• 1 esponja de aço

• 1 bateria de 9 V

• 2 pedaços de fios de cobre

• 1 fita isolante

Atenção! Para prosseguir esteja acompanhado de um adulto.

• Separe um pedaço da esponja de aço e abra-o em cima de uma superfície de vidro ou metal;

• Conecte um pedaço de fio a cada um dos polos da bateria e, em seguida, isole-os com a fita;

• Garanta que não haja quaisquer materiais inflamáveis por perto, como papel ou líquidos voláteis, como o álcool;

• Toque os fios à esponja de aço e observe-a queimar em razão da passagem de corrente elétrica;

O experimento permite evidenciar o aquecimento de um material em razão da passagem de corrente elétrica.

Veja também: Fatos curiosos sobre os raios

Riscos do efeito Joule

O efeito Joule pode apresentar alguns riscos a circuitos elétricos e também à segurança. Quando ocorre a oxidação dos materiais condutores, por exemplo, a sua resistência elétrica aumenta grandemente, por isso, esses materiais tendem a dissipar maiores quantidades de calor, o que pode causar incêndios, por exemplo.

Nos curto-circuitos, ocorre a formação de um grande pico de corrente elétrica, por isso, fios elétricos e outros componentes podem derreter e gerar faíscas, podendo causar incêndios e queimaduras.

Além disso, a pele humana é altamente resistiva, ou seja, apresenta uma resistência elétrica muito alta, cerca de 80.000 Ω a 100.000 Ω quando seca. Por isso, ao entramos em contato com grandes correntes elétricas estamos sujeitos a, entre outras coisas, queimaduras profundas e de grande extensão.

Veja também: Riscos ao recarregar a bateria do celular

Exercícios resolvidos

Questão 1) Assinale a alternativa INCORRETA com relação ao efeito Joule.

a) O efeito Joule é utilizado para gerar calor em chuveiros, churrasqueiras elétricas etc.

b) O efeito Joule ocorre em razão da passagem de corrente por algum corpo que apresente uma resistência elétrica.

c) A quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é inversamente proporcional à resistência elétrica.

d) Quando um fio condutor é atravessado por correntes muito altas é possível que ele aqueça-se em razão do efeito Joule.

Gabarito: Letra C

Resolução:

Letra C, pois a quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é proporcional ao quadrado da corrente elétrica, portanto, essa é a alternativa incorreta.

Questão 2) O efeito Joule é um fenômeno eletrodinâmico que acontece em razão

a) do aquecimento do condutor.

b) da carga elétrica.

c) do campo elétrico.

d) da colisão entre elétrons e átomos.

e) da diferença de potencial.

Gabarito: Letra D

Resolução:

A causa do efeito Joule é a colisão sofrida entre elétrons e os átomos da rede cristalina do material, portanto, a alternativa correta é a letra D.

Questão 3) Em um fio com resistência ôhmica de 0,5 Ω, é estabelecida uma corrente elétrica de 0,5 A, durante um intervalo de tempo de 1 minuto. Assinale a alternativa que apresenta a quantidade de calor dissipado pelo fio, em Joules.

a) 7,5 J

b) 15,0 J

c) 22,5 J

d) 50,0 J

e) 175 J

Gabarito: Letra A

Resolução:

Para calcularmos o que se pede, devemos utilizar a fórmula da lei de Joule e substituirmos os dados, observe:

Perceba que foi necessário transformar o tempo, que estava em minutos, em segundos.