Física Setor A Prof.: Bienal – Caderno 7 – Código: 828272310 Índice-controle de Estudo Aula 25 (pág. 86) AD TM TC Aula 26 (pág. 86) AD TM TC Aula 27 (pág. 87) AD TM TC Aula 28 (pág. 87) AD TM TC Aula 29 (pág. 90) AD TM TC Aula 30 (pág. 90) AD TM TC Aula 31 (pág. 90) AD TM TC Aula 32 (pág. 94) AD TM TC Aula 33 (pág. 94) AD TM TC Aula 34 (pág. 94) AD TM TC Aula 35 (pág. 94) AD TM TC Aula 36 (pág. 94) AD TM TC Aulas 25 e 26 Determine, em coulombs, a intensidade da carga elétrica que atravessou uma seção reta do condutor nesse intervalo de tempo. O conceito de corrente elétrica Tomemos o trecho do gráfico correspondente ao intervalo de tempo de 0 a 5s. • Diferença de potencial (ddp) • Intensidade média de corrente elétrica (im): im = i (mA) |Δq| , Δt 50 |Δq| = n ⋅ e (para corrente eletrônica), e Δt é o intervalo de tempo no qual n elétrons atravessam uma seção transversal do condutor. i A • Potência elétrica: Pelet = U ⋅ i, 0 U é a ddp, e i é a intensidade de corrente elétrica. Δt A área hachurada A é: A = i ⋅ Δt Como i ⋅ Δt = ΔQ, vem: A __N ΔQ Portanto a área corresponde à intensidade da carga elétrica que atravessa a seção reta do fio no intervalo de tempo considerado. Pode-se demonstrar que essa propriedade também é válida no caso de corrente variável; portanto, a quantidade de carga total poderá ser calculada pela área do trapézio representado na figura a seguir. 1. a) Calcule a intensidade da corrente elétrica num fio condutor, sabendo-se que, em 5s, uma carga de 60C atravessa uma seção reta desse fio, sendo a carga elementar 1,6 × 10–19 C. b) Determine a quantidade de elétrons que atravessa uma seção reta do fio no intervalo de tempo considerado. a) i = 60 |Δq| ∴ i= = 12A 5 Δt i (mA) b) |Δq| = ne ∴ 60 = n × 1,6 × 10–19 Então: n = 3,75 × 1020 elétrons 50 A’ 2. O gráfico dá informações sobre a intensidade da corrente elétrica que percorre um fio metálico durante o intervalo de tempo correspondente a t0 = 0 e t = 10s. 0 i (mA) A’ __N ΔQ ∴ ΔQ = ensino médio – 2ª- série – bienal 5 10 t (s) [(5 + 10) ⋅ 50 ⋅ 10–3] 2 Então: ΔQ = 0,375 C 50 0 t (s) 5 5 10 t (s) 86 sistema anglo de ensino 3. Uma carga de 8C desloca-se de um ponto A para um ponto B de um campo elétrico. A diferença de potencial entre os pontos A e B é de 70V. Determine o trabalho realizado pelas forças elétricas entre os dois pontos considerados. Consulte Livro 2 — Capítulo 34 Caderno de Exercícios 2 — Capítulo 34 τ = q(VA – VB) ∴ τ = 8 ⋅ 70 = 560 J Tarefa Mínima AULA 25 1. Leia os itens de 1 a 5. 2. Faça os exercícios de 1 a 5. 4. Entre dois pontos de um condutor, deslocam-se 2 × 1019 elétrons em 2 segundos, sendo consumida uma potência de 400W. Sendo a carga elementar de 1,6 × 10–19 C, calcule a ddp entre os dois pontos. Δq (n × e) P=i×U= ×U ∴ P= ×U Δt Δt AULA 26 1. Leia o item 6. 2. Faça os exercícios 11 e 12. Tarefa Complementar Então: AULA 25 Faça os exercícios de 6 a 10, 27, 33 e 34. 19 –19 400 = (2 × 10 × 1,6 × 10 ) × U 2 AULA 26 Faça os exercícios 13, 38, 39 e 41. Logo: U = 250 V Aulas 27 e 28 Resistência elétrica • Resistência elétrica: R= U i • Primeira Lei de Ohm: U = Ri • Efeito Joule: Transformação de energia elétrica em energia térmica nos resistores. • Segunda Lei de Ohm: l R=ρ S ρ é a resistividade, l é o comprimento do fio, e S é a área da seção transversal do fio. ensino médio – 2ª- série – bienal 87 sistema anglo de ensino A potência dissipada pelo resistor pode ser calculada da seguinte maneira: 1. O gráfico a seguir mostra como varia a diferença de potencial (U) em um condutor mantido a uma temperatura constante em função da corrente elétrica que passa por esse condutor. P= U2 1002 = ∴ P = 100 W R 100 Portanto, a quantidade de energia (ΔE) que foi transformada em calor vale, em joules: ΔE = P Δt = 100 × 42 = 4 200 J Tensão elétrica Como 1cal = 4,2 J, vem: ΔE = 1 000 cal Utilizando a equação fundamental da calorimetria, Q = mcΔt, vem: 1 000 = 100 × 1 × (θ – 5) ∴ θ = 15 °C Corrente elétrica 3. Uma banheira contendo 100 kg de água teve sua temperatura elevada de 20 °C para 35 °C. Utilizou-se para isso um resistor cuja potência é 3 kW. Desprezando as perdas para o ambiente e considerando o calor específico da água c = 4,2 × 103 J/kg °C, calcule: a) o intervalo de tempo gasto nesse aquecimento; b) o consumo mensal de energia elétrica, sabendo que esse aquecimento é realizado diariamente, uma vez por dia. Com base nas informações contidas no gráfico, é correto afirmar que: a) a corrente elétrica no condutor é diretamente proporcional à diferença de potencial. ➜ b) a resistência do condutor aumenta, quando a corrente elétrica aumenta. c) a resistência do condutor é a mesma, qualquer que seja a diferença de potencial. d) dobrando-se a corrente elétrica através do condutor, a potência elétrica consumida quadruplica. e) a corrente elétrica no condutor é inversamente proporcional à diferença de potencial. a) A quantidade de calor absorvido pela água pode ser obtida pela expressão: ΔQ = m ⋅ c ⋅ Δθ = 100 ⋅ 4,2 ⋅ 103 ⋅ (35 – 20) ∴ ∴ ΔQ = 6,3 ⋅ 106 J A análise do gráfico leva à conclusão de que a diferença de potencial não é direta nem inversamente proporcional à corrente elétrica, o que elimina as alternativas a, c, d, e. O que podemos afirmar é que a resistência aumenta, quando a corrente elétrica aumenta. Portanto a alternativa correta é b. Como ΔQ = ΔE e P = ΔE ΔE , vem: Δt = ∴ Δt P 6 ∴ Δt = 6,3 ⋅ 10 = 2 100 s 3 000 b) Como o aparelho funciona 2 100 s por dia, em um mês, ele funciona 2 100 × 30 = 63 000 s ou Então, a energia consumida em um mês = P ⋅ Δt = 3 × 17,5 = 52,5 kWh 2. Uma massa de 100g de água, cujo calor específico é 1 cal/g°C a 5°C, é aquecida por meio de um resistor de 100 Ω ligado a uma fonte, cuja diferença de potencial é 100V, durante 42s. Supondo que todo calor fornecido pelo resistor seja absorvido pela água e que 1 cal = 4,2 J, determine a temperatura final dessa massa de água. ensino médio – 2ª- série – bienal 63 000 = 17,5h 3 600 88 sistema anglo de ensino 4. A resistividade do cobre é 1,7 × 10–8 Ω m e a do níquel-cromo é 1,5 × 10–6 Ω m. Tem-se um fio de cobre de 1mm de diâmetro e resistência elétrica R = 1,0 Ω. a) Qual é o comprimento desse fio? b) Calcule o diâmetro de um fio de níquel-cromo para que se tenha a mesma resistência com o mesmo comprimento do fio de cobre. Consulte Livro 2 — Capítulo 34 Caderno de Exercícios 2 — Capítulo 34 Tarefa Mínima AULA 27 1. Leia os itens de 7 a 11. 2. Faça os exercícios 17, 18, 42 e 43. a) A área de seção transversal do fio é: –3 S = π r2, onde r = 1,0 ⋅ 10 = 5,0 ⋅ 10–4 m 2 AULA 28 1. Leia os itens 12 e 13. 2. Faça os exercícios 19 e 22. Portanto: S = 3,14 ⋅ (5,0 ⋅ 10–4)2 Logo: Tarefa Complementar S = 7,8 ⋅ 10–7 m2 AULA 27 Faça os exercícios 14, 15, 16 e 21. Como R = ρ l , vem: S 1,7 ⋅ 10 –8 1= ⋅l (7,8 ⋅ 10 ) –7 AULA 28 Faça os exercícios de 59 a 62. ∴ l = 46 m b) Como R = ρ l , vem: S –6 1 = 1,5 ⋅ 10 ⋅ 46 ∴ S = 69 ⋅ 10–6m2 S Portanto: π r2 = 69 ⋅ 10–6 Logo: r = 4,7 mm Então: d = 9,4 mm ensino médio – 2ª- série – bienal 89 sistema anglo de ensino Aulas 29 a 31 Associação de resistores • Em série: U = U1 + U2 + U3 + ... (diferença de potencial) RS = R1 + R2 + R3 + ... (RS: resistência elétrica do resistor equivalente) 110 V 0V U1 A U2 U3 U4 i i R1 x y R2 R3 z B R4 U + – RS i U + ensino médio – 2ª- série – bienal – 90 sistema anglo de ensino • Em paralelo: U = U1 = U2 = U3 = ... (diferença de potencial) 1 1 1 1 = + + + … (Rp: resistência elétrica do resistor equivalente) Rp R1 R2 R3 Neutro (0 V) Fase (110 V) R1 i1 R2 i2 R3 i3 i Rp i i U U + – + – c) a diferença de potencial no resistor R2; d) a resistência elétrica do resistor equivalente; e) a ddp (U) da associação. 1. Consideremos a associação de resistores em série da figura, com uma ddp U1 = 12V aplicada ao resistor R1. U1 U2 R1 = 2 Ω R2 = 4 Ω a) Aplicando a Primeira Lei de Ohm ao resistor R1, vem: U1 = R1 i1 ∴ 12 = 2 i1 Então: i1 = 6A b) Como a associação é em série, a corrente i2, em R2, é igual à corrente i1 e é a corrente i da associação. Então: i = i1 = i2 = 6A U c) A ddp no resistor R2 pode ser determinada pela Primeira Lei de Ohm: U2 = R2 i2 = 4 × 6 = 24 V + – d) O resistor equivalente tem resistência elétrica: RS = R1 + R2 = 2 + 4 ∴ RS = 6 Ω e) A ddp (U) da associação é, portanto: U = RS i = 6 × 6 = 36 V Calcule: a) a intensidade da corrente elétrica no resistor R1; b) a intensidade da corrente elétrica no resistor R2; ensino médio – 2ª- série – bienal Observação Para efeito de verificação, temos: U1 + U2 = 12 + 24 = 36 V Então: U = U1 + U2 91 sistema anglo de ensino 2. Uma lâmpada com dados nominais (6V; 0,9W) deve ser ligada a uma bateria de ddp 24V. Para que a lâmpada não se queime, um resistor de resistência R foi ligado em série com a lâmpada. Determine o valor de R. UL UR (6 V; 0,9 W) R L i 3. Na figura a seguir, a corrente elétrica no resistor de resistência R1 = 4 Ω vale i1 = 3A. R1 = 4 Ω → i1 =3A R2 = 2 Ω i → i2 U + + – – 24 V Determine: a) a ddp no resistor R1; b) a ddp no resistor R2; c) a corrente no resistor R2; d) a corrente da associação; e) a resistência equivalente. Determinação da ddp do resistor: Como a ddp da associação é 24 V, e a da lâmpada é 6 V, e sendo a associação em série, vem: U = UL + UR ∴ 24 = 6 + UR Então: UR = 18 V a) A ddp no resistor R1 pode ser determinada pela Primeira Lei de Ohm: U1 = R1 i1 = 4 × 3 = 12 V Sendo a associação em série, o resistor tem corrente elétrica igual à da lâmpada. Essa corrente pode ser calculada por: P = UL ⋅ iL ∴ 0,9 = 6 × iL b) A ddp no resistor R2 é a mesma que a do resistor R1, pois a associação é em paralelo. Então: iL = 0,15A c) A aplicação da Primeira Lei de Ohm ao resistor R2 permite a determinação da corrente que ele contém: U2 = R2 i2 ∴ 12 = 2 × i2 Finalmente, a resistência do resistor pode ser determinada: R= Então: i2 = 6A UR ∴ R = 18 = 120 Ω 0,15 i d) A corrente da associação é: i = i1 + i2 = 3 + 6 = 9A e) A resistência equivalente é: 1 = 1 + 1 ∴ R = (R1R2) p Rp R1 R2 (R1 + R2) Então: Rp = ensino médio – 2ª- série – bienal 92 (4 × 2) = 1,3 Ω (4 + 2) sistema anglo de ensino 4. Dada a associação de resistores representada a seguir, determine a resistência equivalente entre os pontos A e B. 4Ω 4Ω 4Ω 3Ω A B 12 Ω • Os dois resistores de 4 Ω, em paralelo, podem ser substituídos por um equivalente de 2 Ω 4Ω ⎞R ⎠n = 4⎞ . 2⎠ 2Ω 3Ω A B 12 Ω • No novo esquema, observa-se que os resistores de 2 Ω e 4 Ω estão associados em série, podendo ser substituídos por um equivalente de 6 Ω. 6Ω 3Ω A B 12 Ω • Os resistores de 6 Ω e 12 Ω estão associados em paralelo, Rp = R1R2 ∴ Rp = 6 × 12 (6 + 12) (R1 + R2) Então: Rp = 4 Ω, e pode ser substituído por um equivalente de 4 Ω. 3Ω 4Ω A B • Como os resistores de 3 Ω e 4 Ω estão associados em série, temos que a resistência equivalente de toda a associação vale: RS = 3 + 4 = 7 Ω. 7Ω A ensino médio – 2ª- série – bienal B 93 sistema anglo de ensino AULA 31 1. Leia o item 17. 2. Faça os exercícios 87, 88 e 89. Consulte Tarefa Complementar Livro 2 — Capítulo 34 Caderno de Exercícios 2 — Capítulo 34 AULA 29 Faça o exercício 82. Tarefa Mínima AULA 30 Faça os exercícios de 83 a 86. AULA 29 1. Leia os itens 14, 15 e 16. 2. Faça o exercício 80. AULA 31 Faça os exercícios de 90 a 93. AULA 30 Faça os exercícios 78, 79 e 81. Aulas 32 a 36 Geradores e receptores • Geradores: São elementos necessários para criar, no interior de um condutor, um campo elétrico que possibilite o aparecimento de uma corrente elétrica. → E – – – – – – – – – – – – – – + – + – – – – – – + – → Felet – – → Fñelet Gerador • Força eletromotriz (E): Corresponde ao quociente entre a energia não elétrica e a carga elétrica: E= + energia não elétrica Δq Quando dizemos que uma pilha elétrica tem força eletromotriz (f.e.m.) igual a 1,5V significa que, a cada 1C de carga transportada entre os terminais da pilha, a energia química transformada em energia elétrica é de 1,5J. 1,5 V = 1,5 J C Pilha de 1,5 V – ensino médio – 2ª- série – bienal 94 sistema anglo de ensino • Equação do gerador: U = E – ri + + – E – i r U Pilha de 1,5 V – Realidade Representação • Gráfico U × i U E 0 • Circuito simples – Lei de Pouillet: i = i E r E (r + R) A A r U + i – E B ensino médio – 2ª- série – bienal i R B 95 sistema anglo de ensino • Rendimento de um gerador: η = U E (η% = η × 100) Energia elétrica Energia não elétrica Gerador Energia dissipada • Receptores: São bipolos responsáveis pela conversão de energia elétrica em outra energia, não térmica e passível de aproveitamento. Motor elétrico Bateria • Força contraeletromotriz (E’): Corresponde ao quociente entre a energia não elétrica e a carga elétrica. E’ = ⎞ energia não elétrica ⎞ Quando dizemos que um motor elétrico tem força contraeletromotriz (f.c.e.m.) igual a 32V significa que, a cada 1C de carga transportada entre seus terminais, 32J de energia mecânica são obtidos no eixo do motor. Motor elétrico de f.c.e.m. ensino médio – 2ª- série – bienal 96 sistema anglo de ensino J C 32V; 32V = 32 • Equação do receptor: U’ = E’ + ri + – Energia não elétrica útil Energia elétrica E' Receptor U' i Energia dissipada r • Circuito de malha única E3 E2 E1 R3 R2 R1 E5 i R6 i i i R4 • Lei de Ohm generalizada: i = E4 R7 R8 ligada a bateria. c) ( V ) não depende da intensidade da corrente elétrica fornecida. d) ( V ) é o quociente entre a energia não elétrica e a carga elétrica transportada. 3. A força eletromotriz de um acumulador de automóvel é de 12 V. Isso significa que: ➜ a) a energia química que se transforma em energia elétrica é de 12 joules para 1 coulomb de quantidade de carga que atravessa a bateria. b) para 1 coulomb de quantidade de carga que atravessa a bateria é necessária uma força de 12 newtons. c) a resistência elétrica interna da bateria é de 12 ohms. d) a potência elétrica entregue pela bateria a qualquer circuito externo é sempre de 12 watts. e) a corrente elétrica fornecida pela bateria é sempre de 12 ampères. [(ΣE) – (ΣE’)] (ΣR) 1. Assinale verdadeiro (V) ou falso (F), em cada uma das afirmações a seguir. a) ( V ) Geradores são dispositivos que transformam energia não elétrica em energia de natureza elétrica. b) ( V ) Turbinas hidráulicas e turbinas a vapor são exemplos de geradores mecânicos. c) ( V ) Pilhas e baterias são geradores químicos. d) ( V ) Como exemplos de gerador térmico temos os termômetros termoelétricos e os geradores luminosos, as células fotoelétricas. 2. Em cada afirmação a seguir assinale verdadeiro (V) ou falso (F). A força eletromotriz de uma bateria a) ( F ) depende da resistência elétrica interna da bateria. b) ( F ) só depende do circuito elétrico ao qual é ensino médio – 2ª- série – bienal R5 A interpretação física que se deve dar quando se diz que a força eletromotriz de uma bateria é de 12 V é que ela corresponde à energia química de 12 joules, que se transforma em energia elétrica para uma quantidade de carga de 1 C que atravessa a bateria. Portanto, a alternativa correta é a. 97 sistema anglo de ensino 6. Um gerador de força eletromotriz igual a 10V, quando percorrido por uma corrente elétrica de 2A, apresenta uma ddp de 9,0V entre seus terminais. Determine: a) a resistência interna do gerador; b) a resistência equivalente (R) do circuito externo; c) as potências total, útil e dissipada, relativas ao funcionamento do circuito. 4. Explique a diferença entre a força eletromotriz de uma bateria de automóvel e a diferença de potencial entre seus terminais. A força eletromotriz de uma bateria, quando ela está inoperante, corresponde à diferença de potencial entre os seus terminais. Entretanto, quando se dá partida ao automóvel, a diferença de potencial entre os terminais da bateria diminui. Isso significa que uma corrente elétrica está circulando entre a bateria e o motor de arranque do carro. Nesse caso, há uma dissipação na resistência elétrica interna da bateria, fato que faz a ddp entre os terminais da bateria ficar menor que a força eletromotriz. a) Como U = E – ri, vem: r= (E – U) i Logo, substituindo por valores numéricos: 5. Uma bateria de força eletromotriz 9V, quando colocada em curto-circuito, é percorrida por uma corrente elétrica de intensidade 4,5A. Admita que a força eletromotriz e a resistência interna da bateria são constantes. a) Qual é a resistência interna dessa bateria? b) Construa o gráfico da curva característica dessa bateria. r= b) Utilizando a Lei de Pouillet, temos: R= ⎞ Ei ⎞ –r Então: R= • Quando a intensidade da corrente atinge um valor máximo, a diferença de potencial nos terminais do gerador é nula. Qualquer pilha, ou bateria, tem um valor máximo para a corrente elétrica que pode atravessá-la. • Esse valor é atingido quando a diferença de potencial entre os terminais dessa bateria é nula (U = 0), o que pode ser conseguido, na prática, ligando-se esses terminais diretamente com um fio condutor. Nesse caso, essa corrente é chamada de corrente de curto-circuito, icc. Da equação do gerador, podemos obter: icc = (10 – 9) = 0,5 Ω 2 ⎞ 10 ⎞ 2 – 0,5 = 4,5 Ω c) • Potência total: Pt = E × i = 10 × 2 = 20 W • Potência útil: Pu = U × i = 9 × 2 = 18 W • Potência dissipada: Pd = 20 – 18 = 2 W E r 7. Explique a diferença entre um gerador ideal e um gerador real. Dependendo do circuito ao qual se liga um gerador, as perdas de energia associadas à sua resistência interna podem ser consideradas desprezíveis. Nesse caso, o gerador é considerado ideal, e sua equação característica reduz-se a: U = E. Portanto, a diferença entre o gerador real e o ideal está em se verificar a relevância ou não das perdas de energia associadas à sua resistência interna. a) Como icc = 4,5 A, temos: 0 = 9 – 4,5 r Logo: r=2Ω b) Sendo E e r constantes, a curva característica da bateria é uma reta: U (V) 9,0 0 ensino médio – 2ª- série – bienal 4,5 i (A) 98 sistema anglo de ensino 8. O gráfico a seguir representa a diferença de potencial em função da corrente para um gerador: Substituindo por valores numéricos: 12 (0,1 + 1,9) i= U (V) i = 6A a) Utilizando a equação do gerador: U = 12 – 0,1 × 6 Logo: U = 11,4 V 6 4 b) O rendimento da bateria é, portanto: 0 η = 11,4 12 i (A) 1 η = 0,95 ou η = 95% Analisando o gráfico, determine a força eletromotriz e a resistência elétrica interna do gerador. • O ponto onde o gráfico U × i corta o eixo U corresponde à força eletromotriz do gerador: E = 6V • Como U = E – ri, vem: r= 10. Determine a intensidade de corrente elétrica (i) no circuito representado na figura: 1Ω 20 V + – 2Ω 40 V + – (E – U) i Do gráfico, tem-se que, quando i = 1 A, U = 4 V. 1Ω 3Ω Então: r= + (6 – 4) 1 1Ω r=2Ω – 10 V + 2Ω – 20 V Com a corrente elétrica no sentido indicado: 1Ω 9. Uma bateria de 12 V e resistência elétrica interna de 0,1 Ω alimenta uma lâmpada de 1,9 Ω. Determine o rendimento da bateria. 20 V + – i 1Ω – – + + – 10 V + 2Ω – 20 V Podemos escrever: ΣE = 40 + 20 = 60 V ΣE’ = 10 + 20 = 30 V Σr = 2 + 1 + 1 + 1 + 2 + 3 = 10 Ω U R i 3Ω r i 40 V + – 1Ω + E 2Ω i Portanto, a intensidade de corrente elétrica é: De acordo com a figura, podemos escrever: • para a bateria: U = E – ri • para a lâmpada: U = Ri i= (60 – 30) ∴ i = 3A 10 Portanto: E – ri = Ri Logo: i= E (r + R) ensino médio – 2ª- série – bienal 99 sistema anglo de ensino AULA 36 Faça os exercícios 7, 8 e 11, capítulo 36. Consulte Tarefa Complementar Livro 2 — Capítulos 35 e 36 Caderno de Exercícios 2 — Capítulos 35 e 36 AULA 32 Faça os exercícios de 7 a 10, capítulo 35. Tarefa Mínima AULA 32 1. Leia os itens de 1 a 4, capítulo 35. 2. Faça os exercícios de 1 a 6, capítulo 35. AULA 33 Faça os exercícios 12, 13 e 14, capítulo 35. AULA 33 1. Leia o item 5, capítulo 35. 2. Faça o exercício 11, capítulo 35. AULA 34 Faça os exercícios 5 e 6, capítulo 36. AULA 34 1. Leia os itens 1, 2 e 3, capítulo 36. 2. Faça os exercícios de 1 a 4, capítulo 36. AULA 35 Faça os exercícios de 15 a 20, capítulo 35. AULA 35 1. Leia os itens 4 e 5, capítulo 36. 2. Faça os exercícios 9 e 10, capítulo 36. AULA 36 1. Faça os exercícios de 33 a 36, capítulo 35. 2. Faça os exercícios 12 e 13, capítulo 36. ensino médio – 2ª- série – bienal 100 sistema anglo de ensino