Efeito Joule: explicação, exemplos, exercícios, aplicações - Ciência - 2023

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Efeito Joule: explicação, exemplos, exercícios, aplicações - Ciência
Efeito Joule: explicação, exemplos, exercícios, aplicações - Ciência

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o efeito joule ou a lei de Joule é o resultado da transformação da energia elétrica em calor, que ocorre quando uma corrente elétrica passa por um condutor. Este efeito está presente sempre que qualquer aparelho ou dispositivo que precisa de eletricidade para funcionar é ligado.

Outras vezes é indesejável e busca-se minimizá-lo, por isso são adicionadas ventoinhas ao PC de mesa para dissipar o calor, pois pode causar falha de componentes internos.

Os aparelhos que utilizam o efeito Joule para produzir calor, possuem uma resistência interna que se aquece quando uma corrente passa por ela, chamada elemento de aquecimento.

Explicação

O efeito Joule tem sua origem em uma escala microscópica nas partículas, tanto aquelas que constituem um material quanto aquelas que carregam carga elétrica.


Os átomos e moléculas de uma substância estão em sua posição mais estável dentro da substância. A corrente elétrica, por sua vez, consiste em um movimento ordenado de cargas elétricas, que vêm do pólo positivo da bateria. Quando eles saem de lá, eles têm muita energia potencial.

À medida que passam, as partículas carregadas impactam as do material e fazem com que vibrem. Eles vão tentar recuperar o equilíbrio que tinham antes, entregando o excesso de energia ao seu redor na forma de calor perceptível.

A quantidade de calor Q liberada depende da intensidade da corrente Eu, o tempo pelo qual ele circula dentro do condutor Δt e o elemento resistivo R:

Q = I2.R. Δt (joules)

A equação acima é chamada de lei de Joule-Lenz.

Exemplos

Dois físicos, o britânico James Joule (1818-1889) e o russo Heinrich Lenz (1804-1865), observaram independentemente que um fio condutor de corrente não apenas esquentava, mas sua corrente diminuía durante o processo.


Em seguida, foi estabelecido que a quantidade de calor dissipada pela resistência é proporcional a:

- O quadrado da intensidade da corrente circulante.

- O tempo que essa corrente permaneceu fluindo pelo condutor.

- A resistência do referido condutor.

As unidades de calor são as mesmas unidades de energia: joules, abreviado como J. O joule é uma unidade bastante pequena de energia, então outras são usadas com frequência, como calorias, por exemplo.

Para transformar joules em calorias, basta multiplicar pelo fator 0,24, de modo que a equação dada no início seja expressa diretamente em calorias:

Q = 0,24. Eu2.R. Δt (calorias)

Efeito Joule e transporte de energia elétrica

O efeito Joule é bem-vindo para produzir calor localizado, como queimadores e secadores de cabelo.Mas, em outros casos, tem efeitos indesejáveis, como:

- Um aquecimento muito grande nos condutores pode ser perigoso, causando incêndios e queimaduras.


- Dispositivos eletrônicos com transistores degradam seu desempenho e podem falhar mesmo se ficarem muito quentes.

- Os fios que transportam energia elétrica sempre experimentam um aquecimento, mesmo que leve, o que leva a perdas notáveis ​​de energia.

Isso ocorre porque os cabos que conduzem a corrente das usinas de energia percorrem centenas de quilômetros. Grande parte da energia que eles carregam não chega ao seu destino, porque é desperdiçada no caminho.

Para evitar isso, busca-se que os condutores tenham a menor resistência possível. Isso é influenciado por três fatores importantes: o comprimento do fio, a área da seção transversal e o material do qual é feito.

Os melhores condutores são os metais, sendo ouro, prata, platina ou cobre alguns dos mais eficientes. Os fios dos cabos são feitos de filamentos de cobre, metal que, embora não conduza tão bem quanto o ouro, é muito mais barato.

Quanto mais longo um fio, mais resistência ele terá, mas ao torná-los mais grossos, a resistência diminui, pois isso facilita o movimento dos portadores de carga.

Outra coisa que pode ser feita é diminuir a intensidade da corrente, para que o aquecimento seja minimizado. Os transformadores são responsáveis ​​por controlar a intensidade de forma adequada, por isso são tão importantes na transmissão de energia elétrica.

Exercícios

Exercício 1

Um radiador indica que ele tem uma potência de 2000W e está conectado ao 220 V. Calcule o seguinte:

a) Intensidade da corrente fluindo através do radiador

b) Quantidade de energia elétrica que foi transformada após meia hora

c) Se toda essa energia for investida no aquecimento de 20 litros de água, que estão inicialmente a 4 ºC, qual será a temperatura máxima a que a água pode ser aquecida?

Dados: o calor específico da água é Ce = 4180 J / kg.K

Solução para

A potência é definida como energia por unidade de tempo. Se na equação dada no início passarmos o fator Δt à direita, teremos exatamente a energia por unidade de tempo:

Q = I2.R. Δt → P = Q / Δt = I2. R

A resistência do elemento de aquecimento pode ser encontrada através da lei de Ohm: V = I.R, de onde segue que I = V / R. portanto:

P = I2. (V / I) = I. V

Assim, os resultados atuais:

I = P / V = ​​2000 W / 220 V = 9,09 A.

Solução b

Neste caso Δt = 30 minutos = = 30 x 60 segundos = 1800 segundos. O valor da resistência também é necessário, o que é eliminado da lei de Ohm:

R = V / I = 220 V / 9,09 A = 24,2 ohm

Os valores são substituídos na lei de Joule:

Q = (9,09 A)2. 24,2 ohm. 1800 s = 3.600.000 J = 3600 kJ.

Solução c

A quantidade de calor Q O necessário para elevar uma quantidade de água a uma determinada temperatura depende do calor específico e da variação de temperatura que precisa ser obtida. É calculado por:

Q = m. Ce. ΔT

Aqui m é o corpo de água, Ceé o calor específico, que já é tomado como dado do problema e ΔT é a variação de temperatura.

A massa de água é aquela em 20 L. Ela é calculada com a ajuda da densidade. A densidade da água ρÁgua é o quociente de massa e volume. Além disso, você deve converter litros em metros cúbicos:

20 L = 0,02 m3

Como m = densidade x volume = ρV, a massa é.

m = 1000 kg / m3 x 0,02 m3 = 20 kg.

ΔT = temperatura final - temperatura inicial = TF - 4 ºC = TF - 277,15 K

Observe que temos que ir de graus centígrados a Kelvin, adicionando 273,15 K. Substituindo o acima na equação de calor:

3.600.000 J = 20 kg x 4180 J / kg. K. (TF – 277.15)

TF = 3.600.000 J / (20 kg x 4180 J / kg. K) + 277,15 K = 320. 2 K = 47,05 ° C

Exercício 2

a) Encontre expressões para potência e a potência média para uma resistência conectada a uma tensão alternada.

b) Suponha que você tenha um secador de cabelo com 1000W de potência conectado à tomada de 120 V, encontre a resistência do elemento de aquecimento e a corrente de pico - corrente máxima - através dele.

c) O que acontece com a secadora quando ela é conectada a uma tomada de 240 V?

Solução para

A voltagem da tomada é alternada, da forma V = Vou. sen ωt. Por ser variável no tempo, é muito importante definir os valores efetivos de tensão e corrente, que são denotados pelo subscrito “rms”, Acrônimo para raiz quadrada média.

Esses valores para corrente e tensão são:

Eurms = 0,707 Iou

Vrms = 0,707 Vou

Ao aplicar a lei de Ohm, a corrente em função do tempo é como:

I = V / R = Vou. sen ωt / R = Iou. sen ωt

Nesse caso, a potência em um resistor cruzado por uma corrente alternada é:

P = I2.R = (Iou. sen ωt)2.R = Iou2.R. sen2 ωt

Vê-se que a potência também varia com o tempo, e que é uma quantidade positiva, pois tudo é ao quadrado e R é sempre> 0. O valor médio desta função é calculado por integração em um ciclo e resulta:

Pmetade = ½. Euou2.R = Irms2.R

Em termos de tensão e corrente efetivas, a energia se parece com isto:

Pmetade = Vrms. Eurms

Eurms = Pmetade / Vrms = Pmetade / 0,707 Vou

Solução b

Aplicando a última equação com os dados fornecidos:

Pmetade = 1000 W e Vrms = 120 V

Eurms = Pmetade / Vrms = 1000 W / 120 V = 8,33 A

Portanto, a corrente máxima através do elemento de aquecimento é:

Euou= Eurms /0.707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A

A resistência pode ser resolvida a partir da equação da potência média:

Pmetade = Eurms2.R → R = Pmetade / EUrms2 = 1000 W / (8,33 A)2 = 14,41 ohm.

Solução c

No caso de conectar a uma tomada de 240 V, a potência média muda:

Eurms = Vrms / R = 240 V / 14,41 ohm = 16,7 A

Pmetade = Vrms. Eurms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W

Isso é aproximadamente 4 vezes a potência para que o elemento de aquecimento foi projetado, que queimará logo após ser conectado a esta tomada.

Formulários

Lâmpadas incandescentes

Uma lâmpada incandescente produz luz e também calor, algo que podemos notar imediatamente quando a conectamos. O elemento que produz os dois efeitos é um filamento condutor muito fino e, portanto, de alta resistência.

Graças a este aumento da resistência, embora a corrente tenha diminuído no filamento, o efeito Joule concentra-se de tal forma que ocorre a incandescência. O filamento, feito de tungstênio devido ao seu alto ponto de fusão de 3400 ºC, emite luz e também calor.

O dispositivo deve ser acondicionado em um recipiente de vidro transparente, que é preenchido com um gás inerte, como argônio ou nitrogênio a baixa pressão, para evitar a deterioração do filamento. Se não for feito dessa forma, o oxigênio do ar consome o filamento e a lâmpada pára de funcionar instantaneamente.

Interruptores magneto-térmicos

Os efeitos magnéticos dos ímãs desaparecem em altas temperaturas. Isso pode ser usado para criar um dispositivo que interrompe o fluxo de corrente, quando é excessivo. Este é um interruptor magnetotérmico.

Uma parte do circuito através do qual a corrente flui é fechada por um ímã preso a uma mola. O ímã adere ao circuito graças à atração magnética e assim permanece, desde que não seja enfraquecido pelo aquecimento.

Quando a corrente ultrapassa certo valor, o magnetismo enfraquece e a mola desprende o ímã, fazendo com que o circuito se abra. E como a corrente precisa que o circuito seja fechado para fluir, ele se abre e o fluxo da corrente é interrompido. Isso evita que os cabos aqueçam, o que pode causar acidentes, como incêndios.

Fusíveis

Outra forma de proteger um circuito e interromper o fluxo de corrente em tempo hábil é por meio de um fusível, uma tira de metal que ao ser aquecida pelo efeito Joule derrete, deixando o circuito aberto e interrompendo a corrente.

Pasteurização por aquecimento óhmico

Consiste em passar uma corrente elétrica pelos alimentos, que naturalmente possuem resistência elétrica. Eletrodos de material anticorrosivo são usados ​​para isso. A temperatura dos alimentos sobe e o calor destrói as bactérias, ajudando a preservá-las por mais tempo.

A vantagem deste método é que o aquecimento ocorre em muito menos tempo do que o exigido pelas técnicas convencionais. O aquecimento prolongado destrói as bactérias, mas também neutraliza vitaminas e minerais essenciais.

O aquecimento ôhmico, que dura apenas alguns segundos, ajuda a preservar o conteúdo nutricional dos alimentos.

Experimentos

O próximo experimento consiste em medir a quantidade de energia elétrica convertida em energia térmica, medindo a quantidade de calor absorvida por uma massa conhecida de água. Para isso, uma serpentina de aquecimento é imersa em água, por onde passa uma corrente.

materiais

- 1 copo de poliestireno

- Multímetro

- Termômetro Celsius

- 1 fonte de alimentação ajustável, faixa 0-12 V

- Saldo

- Cabos de conexão

- cronômetro

Processo

A bobina aquece pelo efeito joule e, portanto, a água também. Devemos medir a massa da água e sua temperatura inicial, e determinar a que temperatura vamos aquecê-la.

Leituras sucessivas são feitas a cada minuto, registrando os valores de corrente e tensão. Assim que o registro estiver disponível, a energia elétrica fornecida é calculada usando as equações:

Q = I2.R. Δt (Lei de Joule)

V = I.R (Lei de Ohm)

E compare com a quantidade de calor absorvida pela massa de água:

Q = m. Ce. ΔT (ver exercício resolvido 1)

Uma vez que a energia é conservada, ambas as quantidades devem ser iguais. No entanto, embora o poliestireno tenha baixo calor específico e quase não absorva energia térmica, ainda haverá algumas perdas para a atmosfera. O erro experimental também deve ser levado em consideração.

As perdas para a atmosfera são minimizadas se a água for aquecida o mesmo número de graus acima da temperatura ambiente como estava abaixo antes de iniciar o experimento.

Ou seja, se a água estava a 10ºC e a temperatura ambiente a 22ºC, então tem que trazer a água até 32ºC.

Referências

  1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
  2. A peneira. Efeito Joule. Recuperado de: eltamiz.com.
  3. Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 5. Eletrostática. Editado por Douglas Figueroa (USB).
  4. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
  5. Hipertextual. O que é o efeito Joule e por que ele se tornou algo transcendental em nossas vidas. Recuperado de: hypertextual.com
  6. Wikipedia. Efeito Joule. Recuperado de: es.wikipedia.org.
  7. Wikipedia. Aquecimento Joule. Recuperado de: en. wikipedia.org.